基于高精度光纖長度測試建立的高效DWDM光纖配相方法

鄭學杰 陳俊宇 蘭才倫 蔣利群 劉必晨

【摘要】? ? 分析了OFDR的工作原理，開發(fā)出其對DWDM器件通道光纖長度測量的方法。采用光纖長度高精度控制的方法進行光纖配相。驗證了該方法的正確性和高效性。并推薦進行了一定規(guī)模的應用。

【關鍵詞】? ? 相控陣? ? 長度測試? ? 密集波分復用? ? 光頻域反射

Efficient phase matching method for DWDM fiber based on high precision fiber length measurement

Zheng Xuejie，Chen Junyu，Lan Cailun，Jiang Liqun，Liu Bichen? ? Chongqing Optoelectronic Research Institute，

Abstract：This paper analyzed the working principle of OFDR and applied it to develop a method of the fiber length measurement of DWDM device.Using high-precision length control method for time delay technology for optically phased array radar.The correctness and efficiency of the method are verified. And the method was recommended for a certain scale of application.

Key words： optically phased array;length measurement;DWDM;OFDR

引言

隨著相控陣雷達的普及發(fā)展，對雷達、測控系統(tǒng)的時頻信號相位一致性提出了更高的要求。相控陣雷達是通過改變天線各發(fā)射單元驅動信號的相位來控制波束指向，以提高掃描的靈活性，并且精確的相位和幅度控制還可以提高波束的主副瓣比，從而改善雷達信號。[1]近年來雷達、測控系統(tǒng)的時頻信號趨向采用光傳輸方案，因其長距離，高帶寬，重量輕等等優(yōu)勢越來越受矚目和應用。那么光纖傳輸也必然用到光纖延遲線技術實現(xiàn)延時相位匹配。延時相位匹配機理大體可分為兩種，一種是單純的通過物理長度的改變實現(xiàn)，另一種是多波長法。本文著重介紹控制光纖物理長度，實現(xiàn)DWDM時頻傳輸信號配相（相位一致性）的方法。

一、密集波分復用各分配通道光纖的長度測量

密集波分復用技術作為一項較為成熟的技術，已經(jīng)廣泛應用到光通信的各個領域。采用DWDM光纖傳輸系統(tǒng)將光纖高帶寬和重量輕等優(yōu)勢進一步放大。將DWDM技術應用到相控陣雷達的多路時頻信號傳輸，對各路時頻信號相位一致性的高精度控制提出了更高的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的光時域反射儀（OTDR）由于光纖長度測量精度低，以及無法針對DWDM各通道區(qū)分測量，無法滿足要求。光頻域反射儀（OFDR）因其功能性強，測量精度高，越來越受到光通信領域的關注，已逐步應用到光纖診斷、光纖傳感等等領域。我們利用光纖頻域反射儀的強大功能，將其應用于DWDM光纖的精密測量。

OFDR 技術基本原理如圖 1 所示，光源發(fā)出的線性掃頻光信號通過耦合器分成兩路，其中一路被注入到待測光纖中，由于光纖中存在瑞利散射和菲涅爾反射，背向光通過耦合器被耦合到探測器中;另一路光經(jīng)反射鏡返回后作為參考光同樣被耦合器耦合到探測器中，光程是固定的。如果背向光與參考光滿足相干條件，就會在光電探測器的光敏面上發(fā)生混頻，光電探測器輸出相應頻率的光電流，幅度正比于光纖某一點的后向散射系數(shù)和光功率大小。利用頻譜分析儀進行模數(shù)變換、頻域采樣和快速傅里葉變換， 把時域信號轉化為頻域信號，通過測試頻率的最大值推導出待測光纖的長度[2]。

OFDR測量光纖長度具有高靈敏度和高空間分辨率。由于OFDR采用線性掃頻光信號，當掃頻光信號通過DWDM系統(tǒng)時，經(jīng)過波長篩選，只有滿足DWDM要求的窄頻光信號才能通過，這樣不同通道的窄頻光信號會有不同的背向光。當使用OFDR測試DWDM器件就會測出對應不同通道的待測光纖長度。

我們使用美國LUNA公司應用OFDR原理的光背向反射儀OBR 4600對一包含5 路ITU 波長通道CH24（1558.17nm），CH28（1554.94nm），CH32（1551.72nm），CH36（1548.51nm），CH40（1545.32nm）的DMDM器件作光纖長度測試，如圖2。

測試結果圖上半部分顯示器件內部有很多背向光反射峰，其中有5個反射峰分別對應相應測量DWDM通道的光纖長度（圖示為3.48000m）。我們從中篩選出背向光成分只包含DWDM窄頻光的反射峰，即可知相應通道DWDM的光纖長度。測試結果圖下半部分顯示選中反射峰對應的光波長成分（圖示為1548.51nm±0.2nm）。以此方法逐一測出5個波長對應光纖長度。

二、時頻光傳輸相位計算

我們實驗選取最高頻率為L波段3GHz的射頻光調制信號，保證±10°的相位一致性要求，根據(jù)公式1，可計算出3GHz頻率下1°相位對應的光纖長度L（1°），其長度計算公式為：

式中c為真空中的光速299792458m/s;n為G652光纖1550nm光的折射率1.4682;f為光信號調制頻率。

f=3GHz代入計算可得L（1°）=0.189065mm。要保證±10°的相位一致性要求，光纖長度需滿足±1.9mm的長度要求。由此可得0.5GHz、1.9GHz、2.3GHz、2.5GHz射頻信號在光纖中傳輸1°相位對應的光纖長度分別為1.134391mm、0.298524mm、0.283598mm、0.246607mm。

三、光纖相位一致性制備工藝

我們使用用OBR 4600對10組DWDM探測器集成器件進行光纖長度測試，數(shù)據(jù)如下

根據(jù)測試結果及光纖切割熔接工藝實現(xiàn)的可行性考量，我們選取如下光纖熔接配相方案，消除不同器件的相同通道光纖長度差異。

光纖切割刀尾端安裝游標卡尺，根據(jù)計算結果切去相應長度光纖，切割后將余下部分熔接，理論上熔接后不同器件間相同DWDM光纖長度一致。應用精度為0.02mm游標卡尺測量需要切除的光纖長度，考慮熔接和光纖彎曲等因素在內，能夠確保操作過程中光纖長度誤差控制在±1mm以內。

四、相位驗證測試

我們對完成配相工作的DWDM器件通過AV3672B矢量網(wǎng)絡分析儀復測相位，測試原理如圖3所示，通過激光器調制和信號解調。測試DWDM相位一致性。

應用矢量網(wǎng)絡分析時域變換功能測試系統(tǒng)延遲時間，并測量S21相應頻點相位參數(shù)。

記錄對比10組器件相位一致性完成情況，如下表

由測試結果可知，相位一致性≤±7.615°。相位一致性配置精度極高。

五、高精度光纖配相在相控陣方面的應用

目前相控陣測控系統(tǒng)、雷達的時頻信號有著越來越高的相位一致性要求，這為子陣間做好相位基準十分重要。對于大規(guī)模，多通道，集成度高的信號傳輸要求，DWDM光纖配相需求越來越多。本文所述的這種易于大規(guī)模實施的光纖配相方法并不多。該方法可以將高精度的光纖配相工作，完全轉換為高精度的光纖長度制備工藝。并可避免過程中采用網(wǎng)絡分析儀等儀器進行光電轉換后的電性能測試。目前該技術已在實際生產中有一定規(guī)模的應用，大大提升光纖相位配置效率。

六、結束語

應用OFDR進行光纖長度測試，具有高精度和高空間分辨率的優(yōu)勢。將此優(yōu)勢應用于DWDM光纖配相中，方法高效。

參? 考? 文? 獻

[1] 郭葆玲.光控相控陣雷達中的光纖延遲線.上海：中國電子科技集團第二十三研究生所，2007.

[2] 顧一弘.高分辨率 OFDR 關鍵技術研究[D].成都：電子科技大學碩士論文， 2009.