單模光纖相位隨環(huán)境溫度變化的特性分析

張 蕓

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

軍事領(lǐng)域的應(yīng)用對(duì)其信號(hào)帶寬的需求在不斷地增長(zhǎng)，這使得傳統(tǒng)的微波技術(shù)面臨著巨大的困境，而光電子技術(shù)自20 世紀(jì) 80 年代以來(lái)，經(jīng)過(guò)幾十年的研究產(chǎn)生了飛速發(fā)展，特別是半導(dǎo)體激光器、電光調(diào)制器、光電探測(cè)器、低損耗光纖等關(guān)鍵技術(shù)，由此產(chǎn)生了一門結(jié)合微波技術(shù)和光電子技術(shù)的新型交叉學(xué)科——微波光子學(xué)(MP)[1]。

只傳輸基模LP01模的光纖稱為單模光纖。單模光纖具有頻帶寬、衰減低、容量大、長(zhǎng)距離傳輸以及強(qiáng)抗干擾能力等優(yōu)點(diǎn)，已成為軍事領(lǐng)域理想的傳輸介質(zhì)[2]。但其中一些應(yīng)用需要準(zhǔn)確知道光纖的傳輸延時(shí)及相位變化，因此有必要研究環(huán)境溫度變化對(duì)單模光纖傳輸延時(shí)及相位的影響。

1 理論研究

1.1 時(shí)延及相差

根據(jù)光傳輸理論，光在一段光纖中傳輸引起的時(shí)延表達(dá)式為：

(1)

式中：L為光纜長(zhǎng)度；Ng為單模光纖的群折射率；c為真空中光速；τ為延時(shí)值。

由時(shí)延引起的相差表達(dá)式為：

φ=ωτ=2πfτ

(2)

式中：f為載波頻率。

當(dāng)光纖溫度發(fā)生變化時(shí)，光纖長(zhǎng)度和群折射率都會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)光信號(hào)在光纖中的時(shí)延也會(huì)發(fā)生變化，式(1)對(duì)溫度求導(dǎo)，可得：

(3)

式中：第1項(xiàng)表示群折射率變化所引起的光纖時(shí)延變化；第2項(xiàng)表示光纖長(zhǎng)度變化引起的光纖時(shí)延變化。

實(shí)際情況是，光纖的膨脹系數(shù)非常小，光纖的長(zhǎng)度幾乎不隨溫度變化[3]，第2項(xiàng)可以忽略，因此，光纖溫度時(shí)延變化主要受折射率影響。光纖溫度時(shí)延變化表達(dá)式為：

(4)

由時(shí)延引起的相差溫度表達(dá)式為：

(5)

1.2 溫度漂移系數(shù)

光纖溫度漂移系數(shù)是用來(lái)衡量光纖傳輸時(shí)延特性的參數(shù)，其定義為某一波長(zhǎng)的光在光纖上傳輸時(shí)，由單位溫度變化引起的單位長(zhǎng)度光纖傳輸時(shí)延的變化，其表達(dá)式為：

(6)

式中：Kf為光纜溫度漂移系數(shù)(ps/km·℃)；dT為光纜溫度變化量(℃)；dτ為溫度變化引起的光纜傳輸時(shí)延變化量(ps)；L為光纜長(zhǎng)度(km)。

將式(4)代入式(6)，可得：

(7)

2 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

系統(tǒng)采用反射式高精度光纖測(cè)長(zhǎng)儀測(cè)量光纖時(shí)延，測(cè)長(zhǎng)儀采用光電融合方法，實(shí)現(xiàn)光纜時(shí)延的精確測(cè)量。系統(tǒng)測(cè)試原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)測(cè)試原理框圖

將攜帶信息的電信號(hào)調(diào)制到激光源輸出的光信號(hào)上，注入到待測(cè)光纜中，在待測(cè)光纜末端產(chǎn)生反射，對(duì)反射回來(lái)的微弱光信號(hào)進(jìn)行處理，提取出光信號(hào)中的電信號(hào)，對(duì)此電信號(hào)加以解調(diào)并分析處理，從而計(jì)算出待測(cè)光纜的準(zhǔn)確長(zhǎng)度。電信號(hào)解析處理技術(shù)可精確地提取光電信號(hào)在待測(cè)光纜中的時(shí)間信息，消減系統(tǒng)噪聲，保證系統(tǒng)靈敏度。

將被測(cè)光纖置于高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)，改變高低溫試驗(yàn)箱的溫度可改變光纖溫度，反射式高精度光纜測(cè)長(zhǎng)儀可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同溫度下光纖時(shí)延的實(shí)時(shí)測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)采用工作波長(zhǎng)為1 550 nm的激光光源，選取長(zhǎng)度為1 020 m的2根穩(wěn)相光纖，型號(hào)分別為：TBF-G652D-600C和TBF-G652D-400C，放在高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)，測(cè)試溫度范圍為-20 ℃～40 ℃，每隔5 ℃取樣測(cè)試光纖的延時(shí)量，由獲得的延時(shí)數(shù)據(jù)得出單模光纖環(huán)境溫度延時(shí)和相位特性，并計(jì)算光纖的溫度漂移系數(shù)。

2.2 測(cè)試結(jié)果

光信號(hào)在-20 ℃～40 ℃溫度范圍內(nèi)，在2組單模光纖中傳輸相對(duì)延時(shí)變化曲線如圖2(a)所示，單位長(zhǎng)度相對(duì)延時(shí)變化曲線如圖2(b)所示。從中可以看出，光信號(hào)傳輸相對(duì)延時(shí)隨溫度的變化基本為線性關(guān)系。光信號(hào)傳輸延時(shí)變化斜率的不同，是由于折射率的不同所造成的。

在圖2(b)曲線上可按光纜溫度漂移系數(shù)的定義求取溫漂系數(shù)，若需要不同溫度下的光纖溫漂系數(shù)，則需要求得不同溫度對(duì)應(yīng)的曲線斜率，此斜率值即為該溫度下的溫漂系數(shù)。對(duì)上圖曲線求導(dǎo)，可得在-20 ℃～40 ℃溫度范圍內(nèi)2組單模光纖的溫度漂移系數(shù)，如圖3所示。

將式(7)代入式(5)，可得到由單位溫度變化引起的單位長(zhǎng)度光纖傳輸時(shí)延的變化，造成的光纖傳輸相位的變化。假設(shè)f=10 GHz，則可求得2組單模光纖的溫度相位漂移系數(shù)，如圖4所示。

由圖3和圖4可以看出，2組單模光纖的溫度漂移系數(shù)小于12 ps/km·℃，相位漂移小于40°，這使得穩(wěn)相光纖在相控陣?yán)走_(dá)、信號(hào)仿真模擬等領(lǐng)域，可以保證信號(hào)的相位相干性，有著廣闊的應(yīng)用前景。

圖2 單模光纖傳輸相對(duì)延時(shí)溫度變化曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了單模光纖光信號(hào)傳輸延時(shí)及相位隨環(huán)境溫度變化的關(guān)系。通過(guò)理論分析得到了由于光纖折射率隨溫度變化是導(dǎo)致光信號(hào)傳輸延時(shí)及相位變化的主要原因；通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出光信號(hào)傳輸相對(duì)延時(shí)及單位相對(duì)延時(shí)與環(huán)境溫度變化的數(shù)值關(guān)系，通過(guò)求導(dǎo)計(jì)算得到溫度漂移系數(shù)的曲線，并由此求得溫度、相位漂移曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單模穩(wěn)相光纖具有良好的溫度相位穩(wěn)定性，在相參系統(tǒng)研究領(lǐng)域有著重要的價(jià)值。

圖3 單模光纖的溫度漂移系數(shù)

圖4 單模光纖的溫度相位漂移系數(shù)