陳武軍, 宗　妍, 楊璐娜, 馮曉強, 鄭新亮

(西北大學 物理學院， 陜西 西安 710069)

相移法測定單模光纖的色散

陳武軍, 宗妍, 楊璐娜, 馮曉強, 鄭新亮

(西北大學 物理學院， 陜西 西安 710069)

摘要:設計一種采用相移法測定單模光纖色散的實驗裝置。該裝置由激光光源、激光調制器、光探測器、鑒相器以及計算機信號處理部分組成。通過鑒相器測定不同波長激光脈沖經(jīng)過相同長度光纖后產(chǎn)生的相移，計算出光纖的色散。該裝置光路簡單，可以在比較大的動態(tài)范圍內測量光纖的色散。經(jīng)測量長度為6 km的G652D單模光纖在1 550 nm處色散為17.13 ps nm-1km-1，與產(chǎn)品手冊給出的參考值接近。

關鍵詞:色散；相移；單模光纖；鑒相器

為了獲得高速度和高容量信息的穩(wěn)定傳輸，需將光纖的色散和損耗盡可能降低。常用的單模光纖在1.30 μm處接近零色散，但損耗較大，而在1.55 μm處雖然損耗較低，但色散卻很大。色散和損耗不會同時接近于零，在實際使用的時候，需要根據(jù)實際情況選擇最佳結合點。

通過摻餌光纖放大器對光信號進行放大和中繼，可有效補償光信號在傳輸過程中的損耗。在覆蓋C和L波段的通信系統(tǒng)中，為減小光纖色散對通信質量的影響，需要對色散進行補償，其前提是對光纖色散能夠進行準確測量。

準確測量色散是提高光纖通信系統(tǒng)性能的一個重要前提。除了通信用單模光纖色散需要得到精確測量和控制，其他類型光纖也可能需要類似測量來避免色散影響[7]，比如雙包層大模場摻雜光纖，其色散特性對高功率超連續(xù)譜的產(chǎn)生具有重要影響[8]。

1色散測量

光纖的色散主要有模式色散、材料色散和波導色散[9]。模式色散只出現(xiàn)于多模光纖，是由各模式光的波長差別所導致，與激光波長、光纖材料折射率及其分布有關。材料色散主要出現(xiàn)于單模光纖，是由各波長光在傳輸過程中的時間延遲差異所引起，主要影響因素是光纖材料折射率、波長特性及光源光譜特性。波導色散來源于光纖波導結構參數(shù)，取決于光纖波導尺寸和纖芯與包層的相對折射率差，光子晶體光纖的結構也會影響其色散[10]。

由于光纖色散的存在，激光脈沖在傳輸過程中會導致脈沖展寬

其中σn、σm和σw分別為模式色散、材料色散和波導色散。單模光纖所傳輸?shù)墓庵挥幸粋€基模，可認為光脈沖傳輸過程中的展寬完全由波導色散和材料色散決定，模式色散為零。

理想的單模光纖只能傳輸一種基模光，而基模實際由兩個偏振方向相互正交的模場簡并組成，模場的偏振方向將沿光纖的傳播方向隨機變化，還會在光纖的輸出端產(chǎn)生偏振模色散。實際的單模光纖難免存在一定缺陷，也會導致不同方向的折射率差異。

理想單模光纖色散系數(shù)可表示為

因為相關理論已證明l0范數(shù)上的最優(yōu)化問題為NP-hard問題，進而該問題可轉化為l1范數(shù)上的最優(yōu)化問題進行求解。求解稀疏表示系數(shù)存在一定誤差，如果θ≥0，使得不等式|Bα-φ(y)||2≤θ成立，則可以找到δ≥0，使得不等式|BTBα-BTφ(y)||2≤δ成立（已知定理）。最終式⑵可轉化為：

其中L是所用單模光纖長度，dτ是兩種波長激光在光纖內傳輸?shù)南鄬ρ舆t量，色散系數(shù)D是單位光源光譜寬度、單位長度光纖所對應光脈沖的展寬。

測定各波長光在一定長度光纖中傳輸后形成的相對延時,可確定單模光纖的色散系數(shù)。用于測定色散的這種時延法并不復雜，且裝置成本低，實際應用中的時間分辨率可達50 ps，但是，對于ps級的時延量測量誤差較大，測量精度不高。

將不同波長的光以一定的頻率調制，測量其通過光纖后光脈沖的相位差，可計算出較準確的時延量，從而得到準確的色散系數(shù)。這種相移法可選擇任意波長進行測量, 從而得到相鄰波長間隔之間的時延差，能克服時延法測量時延精度不夠的問題。

設不同波長的激光都被調制成頻率為f的信號，λ是兩個波長間隔內的中心波長，φλ1-φλ2是兩種波長光在光纖中產(chǎn)生的相位差,則這兩種波長光的相對時延量為

通過精確測量相位差即可實現(xiàn)對光纖色散的準確測量。如果選擇更高調制頻率，還可進一步提高時間分辨率，得到更高測量精度。使用單模激光器作為光源可達到優(yōu)于1 ps的時間分辨率。在常用的通信單模光纖中，可以選擇零色散的1 310 nm為參考波長，再選擇其他波長為待測波長。將這兩種激光調制后通過光纖，測量其相位差，即可計算出色散系數(shù)。在選擇波長和調制頻率時需要注意，波長差別不可太大，以免相位差大于2π，給數(shù)據(jù)處理帶來困難。

測量光纖色散的方法還有基于邁克爾遜干涉儀的干涉測量法、基于相位-強度調制轉換的測量方法[11-12]、四波混頻法[13]等，它們都存在設備相對復雜，不易于實現(xiàn)全光纖化的問題。

2相移法測量光纖色散原理

相移法測量光纖色散的測量裝置設計原理如圖1所示。

圖1　相移法測量光纖色散原理

待測光纖是數(shù)千米長的通信單模光纖，在1 310 nm處具有零色散特性。激光器可采用具有尾纖輸出、內置布拉格光柵以選波長的分布式反饋激光器(Distributed Feedback Laser, DFB)，確保波長精準。激光1、激光2、激光3具有不同波長，通過波分復用器WDM1注入光纖。激光輸出均可被高頻信號調制。信號發(fā)生器所產(chǎn)生的調制信號頻率可以由計算機精確控制。激光經(jīng)過待測光纖后再通過波分復用器WDM2把不同波長的光分開，分別送入對應光電探測器PIN管中，將激光脈沖信號轉換成電信號。不同路的電信號再被送入鑒相器，檢測出輸入信號的相位差，并轉換成相應的模擬電壓信號。計算機通過模數(shù)轉換器A/D即可獲得輸入信號的相位差。

雖然由信號發(fā)生器產(chǎn)生的高頻信號被同步加到激光調制器，但不同激光器電源對高頻信號的響應會有差異，且光電探測器及其放大電路對信號的響應也會有差異，所以，即使沒有使用待測光纖，而是使用較短的光纖跳線，兩路不同波長的光在送到鑒相器時就已經(jīng)產(chǎn)生了一個固有的系統(tǒng)相位差。這個相位差并非因光纖的色散而產(chǎn)生，在處理數(shù)據(jù)的時候需要把此系統(tǒng)相位差減掉。此外，必須選擇合適的調制頻率，使所有波長的相位延時φi滿足

2Nπ<φi<2(N+1)π，

即所有波長光引起的相位差都在2π以內。

3測量裝置

為了測定光纖在1 550 nm處的色散，激光器可采用1 310 nm、1 545 nm、1 555 nm這3個波長的DFB激光器。用于產(chǎn)生精確調制信號的信號發(fā)生器采用直接數(shù)字頻率合成(Digital Direct Synthesis, DDS)芯片，可在數(shù)百兆范圍內產(chǎn)生精準波形信號。DDS芯片依賴于高速數(shù)字電路，具有超寬的相對寬帶，超高的變化速率，超細的頻率分辨率，相位可以精準調整，全數(shù)字化可編程輸出。鑒相器可以使輸出電壓與兩個輸入信號之間的相位差有確定關系，用來測定不同光經(jīng)過光纖的相位差。采用AD8302實現(xiàn)鑒相器功能[14]。AD8302一種幅度和相位測量的單片集成電路，內部包含兩個寬帶對數(shù)檢波器、一個相位檢波器、輸出放大器、一個偏置單元和一個輸出參考電壓緩沖器等部分，能測量2.7 GHz頻率范圍內兩個輸入信號間的幅度比和相位差,相位測量范圍在π以內，常用于高精度幅度相位檢測[15]，其典型測量電路原理如圖2所示。

圖2　AD8302及其典型測量應用電路

只使用圖2所示的相位測量部分，其中VINA和VINB為兩路輸入脈沖信號，VPHS為輸出電壓信號，其變化范圍為0～1.8 V。AD8302對于50 Ω的測量系統(tǒng)，精確相位測量比例系數(shù)為10 mV/(°)，其輸入信號相位差與輸出電壓之間保持線性關系[14]。實際應用中，0°或180°位置的相位差會有較大誤差，應留意避免。

將1 545 nm/1 310 nm光和1 555 nm/1 310 nm光經(jīng)過待測光纖后的相位差分別表示為2Nπ+φ1和2Nπ+φ2，則1 545 nm/1 555 nm的兩個信號光經(jīng)過待測光纖后的相位差可表示為φ1-φ2，色散即為

4測量結果

將激光輸出調制在10 MHz的頻率，實現(xiàn)對6 km長的G652D單模光纖[16]在1 550 nm處的色散測量。首先通過激光調制器使1 310 nm和1 545 nm激光器工作在10 MHz頻率，用短光纖跳線連接兩個波分復用器，鑒相器輸入也選擇對應的這兩個PIN管給出的信號，記錄此時鑒相器的輸出，換算出對應的初始相位差φ10，再換用1 310 nm和1 555 nm激光器，并記錄此時初始相位差φ20。然后去掉兩個波分復用器之間的光纖跳線，換用待測的G652D光纖，重復以上兩個過程，并記錄加上待測光纖之后鑒相器的輸出，換算成對應的兩個相位差φ11和φ21，得色散表達式中的

φ1=φ11-φ10,φ2=φ21-φ20，

由此可計算出該光纖在1 550 nm處的色散。

對1 310 nm和1 545 nm波長激光信號進行實測，用短光纖跳線連接兩個波分復用器時，對應的鑒相器輸出電壓V1 310/1 545為1.562 V。換用待測光纖后，鑒相器輸出電壓V1 310/1 545為0.699 V。兩者對應的相位差為86.3°。采用類似方法對1 310 nm和1 555 nm波長激光信號進行測量，短光纖跳線連接兩個波分復用器時，鑒相器輸出電壓V1 310/1 555為1.645 V。換用待測光纖后，鑒相器輸出電壓V1 310/1 555為0.745 V。對應的相位差為90.0°。據(jù)此得到該光纖在1 550 nm附近的色散

17.13 (ps nm-1km-1)。

這與產(chǎn)品手冊所給參考值17 ps nm-1km-1接近。

5結語

設計了一種采用相移法測定單模光纖色散的實驗裝置，采用LD半導體激光器光源，光路部分比較簡單，調制信號源來自DDS集成電路，鑒相器采用AD8302集成電路，可以在比較大的動態(tài)范圍內準確測量光纖的色散。由于鑒相器測量相差范圍為0～2π，使用中需要選擇合適的激光調制頻率，并通過在光路里增加可調延遲器以改變兩束光之間的相位關系，以滿足這一使用條件。

參考文獻

[1]張榮君,鄭玉祥,李晶,等. 單模光纖的色散和損耗特性測量系統(tǒng)[J].實驗室研究與探索,2009, 28(10):29-31.DOI:10.3969/j.issn.1006-7167.2009.10.010.

[2]魏福利,王培偉. 光纖色散法測量閃爍體脈沖光譜[J].光學精密工程,2012,20(2):264-268.DOI: 10.3788/OPE.20122002.0264.

[3]許新科,劉國棟, 劉炳國,等. 基于光纖色散相位補償?shù)母叻直媛始す忸l率掃描干涉測量研究[J].物理學報,2015,64(21):1-13.DOI: 10.7498/aps.64.219501.

[4]譚中偉,秦鳳杰,任文華,等. 光纖色散在光信息處理中的應用[J].激光與光電子學進展,2013(8):1-10.DOI: 10.3788/LOP50.080023.

[5]葛文萍,陳娟. 八邊形光子晶體光纖色散及非線性的研究[J].光通信技術,2014(9):52-55.DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2014.09.018.

[6]陳中師,王河林,隋成華. 量子點薄膜結構光子晶體光纖色散及損耗特性分析[J].光子學報,2014(7):1-7.DOI:10.3788gzxb201443s1.0106006.

[7]GUO L, WANG Z F, JIN A J, et al. Dispersion Measurement of large mode area Yb-doped double-clad fiber[J]. Infrared and Laser Engineering, 2014,43(8):2673-2677.

[8]郭良,王澤鋒,靳愛軍,等. 大模場面積摻鐿雙包層光纖的色散測量[J].紅外與激光工程,2014,43(8):2673-2677.

[9]方偉,馬秀榮,郭宏雷,等. 光纖色散測量概述[J]. 光通信技術,2006(9):4-6.

[10] 張娟,周桂耀,王偉. 微結構芯光子晶體光纖色散特性的研究[J].光通信技術,2012(1):56-58.DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2012.01.003.

[11] 鄒新海,張尚劍,王恒,等. 基于相位-強度調制轉換的光纖色散精確測量方法[J]. 光電子·激光,2014,25(5)：932-936.

[12] NEUMANN N, HERSCHEL R,SCHUSTER T, et al. Dispersion Estimation via Vestigial Sideband Filtering Using an Iotical Delay Line Filter[J]. Journal of Optical Communications and Networking, 2011, 3(2):155-161.

[13] 崔亮,李小英,趙寧波. 利用自發(fā)四波混頻測量光子晶體光纖色散[J].光學學報,2012,32(1):1-5.DOI:10.3788/AOS201232.0119002.

[14] 劉丹,鄭賓,郭華玲,等. 基于AD8302的激光外差干涉信號解調技術[J].激光技術,2015, 39(3)：333-336.DOI:10. 7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.03.011.

[15] 劉靜,馬彥恒. 基于AD8302的高精度幅相檢測系統(tǒng)的設計[J].計算機測量與控制,2011,19(2)：253-255.

[16] 秦鈺,吳椿烽,陶偉,等. G652.D光纖在長波段的傳輸損耗研究[J].現(xiàn)代傳輸,2014(3):60-62.DOI:10.3969/j.issn.1673-5137.2014.06.004.

[責任編輯:陳文學]

Dispersion measurement of single mode fiber by phase-shift method

CHEN Wujun, ZONG Yan, YANG Luna, FENG Xiaoqiang, ZHENG Xinliang

(School of Physics, Northwest University, Xi’an 710069, China)

Abstract:An experimental device is designed to realize the accurate measurement of the dispersion of single mode fiber using phase-shift method. The device is composed of laser sources, a laser modulator, laser detectors, a phase detector and a computer signal processing unit. The phase-shift generated by the laser pulses of different wavelength after transmitting the same distance in the fiber is determined by the phase detector, and the dispersion of the fiber can be calculated accurately. This is a simple device to measure the dispersion of fiber in a large dynamic range. The dispersion of G652D single mode fiber with the length of 6 km is measured by this device, and the result of 17.13 ps nm-1km-1near the 1 550 nm is obtained, which is very close to the dispersion in product manual.

Keywords:dispersion, phase-shift, single mode fiber, phase detector

doi:10.13682/j.issn.2095-6533.2016.01.019

收稿日期：2015-11-01

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51572218)

作者簡介：陳武軍(1961-)，男，工程師，從事光電實驗技術研究。E-mail: wujunchen2000@163.com 宗妍(1980-)，女，工程師，從事光電功能材料研究。E-mail: zong-yan@126.com

中圖分類號：TN929.12

文獻標識碼：A

文章編號：2095-6533(2016)01-0093-04