鄭學(xué)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(duì)DWDM器件通道光纖長(zhǎng)度測(cè)量的方法。采用光纖長(zhǎng)度高精度控制的方法進(jìn)行光纖配相。驗(yàn)證了該方法的正確性和高效性。并推薦進(jìn)行了一定規(guī)模的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】? ? 相控陣? ? 長(zhǎng)度測(cè)試? ? 密集波分復(fù)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?yán)走_(dá)的普及發(fā)展，對(duì)雷達(dá)、測(cè)控系統(tǒng)的時(shí)頻信號(hào)相位一致性提出了更高的要求。相控陣?yán)走_(dá)是通過改變天線各發(fā)射單元驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(dá)信號(hào)。[1]近年來雷達(dá)、測(cè)控系統(tǒng)的時(shí)頻信號(hào)趨向采用光傳輸方案，因其長(zhǎng)距離，高帶寬，重量輕等等優(yōu)勢(shì)越來越受矚目和應(yīng)用。那么光纖傳輸也必然用到光纖延遲線技術(shù)實(shí)現(xiàn)延時(shí)相位匹配。延時(shí)相位匹配機(jī)理大體可分為兩種，一種是單純的通過物理長(zhǎng)度的改變實(shí)現(xiàn)，另一種是多波長(zhǎng)法。本文著重介紹控制光纖物理長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)DWDM時(shí)頻傳輸信號(hào)配相（相位一致性）的方法。

一、密集波分復(fù)用各分配通道光纖的長(zhǎng)度測(cè)量

密集波分復(fù)用技術(shù)作為一項(xiàng)較為成熟的技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到光通信的各個(gè)領(lǐng)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(shì)進(jìn)一步放大。將DWDM技術(shù)應(yīng)用到相控陣?yán)走_(dá)的多路時(shí)頻信號(hào)傳輸，對(duì)各路時(shí)頻信號(hào)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(shí)域反射儀（OTDR）由于光纖長(zhǎng)度測(cè)量精度低，以及無法針對(duì)DWDM各通道區(qū)分測(cè)量，無法滿足要求。光頻域反射儀（OFDR）因其功能性強(qiáng)，測(cè)量精度高，越來越受到光通信領(lǐng)域的關(guān)注，已逐步應(yīng)用到光纖診斷、光纖傳感等等領(lǐng)域。我們利用光纖頻域反射儀的強(qiáng)大功能，將其應(yīng)用于DWDM光纖的精密測(cè)量。

OFDR 技術(shù)基本原理如圖 1 所示，光源發(fā)出的線性掃頻光信號(hào)通過耦合器分成兩路，其中一路被注入到待測(cè)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(cè)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(cè)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(huì)在光電探測(cè)器的光敏面上發(fā)生混頻，光電探測(cè)器輸出相應(yīng)頻率的光電流，幅度正比于光纖某一點(diǎn)的后向散射系數(shù)和光功率大小。利用頻譜分析儀進(jìn)行模數(shù)變換、頻域采樣和快速傅里葉變換， 把時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)，通過測(cè)試頻率的最大值推導(dǎo)出待測(cè)光纖的長(zhǎng)度[2]。

OFDR測(cè)量光纖長(zhǎng)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(hào)，當(dāng)掃頻光信號(hào)通過DWDM系統(tǒng)時(shí)，經(jīng)過波長(zhǎng)篩選，只有滿足DWDM要求的窄頻光信號(hào)才能通過，這樣不同通道的窄頻光信號(hào)會(huì)有不同的背向光。當(dāng)使用OFDR測(cè)試DWDM器件就會(huì)測(cè)出對(duì)應(yīng)不同通道的待測(cè)光纖長(zhǎng)度。

我們使用美國(guó)LUNA公司應(yīng)用OFDR原理的光背向反射儀OBR 4600對(duì)一包含5 路ITU 波長(zhǎng)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(zhǎng)度測(cè)試，如圖2。

測(cè)試結(jié)果圖上半部分顯示器件內(nèi)部有很多背向光反射峰，其中有5個(gè)反射峰分別對(duì)應(yīng)相應(yīng)測(cè)量DWDM通道的光纖長(zhǎng)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(yīng)通道DWDM的光纖長(zhǎng)度。測(cè)試結(jié)果圖下半部分顯示選中反射峰對(duì)應(yīng)的光波長(zhǎng)成分（圖示為1548.51nm±0.2nm）。以此方法逐一測(cè)出5個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)光纖長(zhǎng)度。

二、時(shí)頻光傳輸相位計(jì)算

我們實(shí)驗(yàn)選取最高頻率為L(zhǎng)波段3GHz的射頻光調(diào)制信號(hào)，保證±10°的相位一致性要求，根據(jù)公式1，可計(jì)算出3GHz頻率下1°相位對(duì)應(yīng)的光纖長(zhǎng)度L（1°），其長(zhǎng)度計(jì)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(hào)調(diào)制頻率。

f=3GHz代入計(jì)算可得L（1°）=0.189065mm。要保證±10°的相位一致性要求，光纖長(zhǎng)度需滿足±1.9mm的長(zhǎng)度要求。由此可得0.5GHz、1.9GHz、2.3GHz、2.5GHz射頻信號(hào)在光纖中傳輸1°相位對(duì)應(yīng)的光纖長(zhǎng)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(duì)10組DWDM探測(cè)器集成器件進(jìn)行光纖長(zhǎng)度測(cè)試，數(shù)據(jù)如下

根據(jù)測(cè)試結(jié)果及光纖切割熔接工藝實(shí)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(zhǎng)度差異。

光纖切割刀尾端安裝游標(biāo)卡尺，根據(jù)計(jì)算結(jié)果切去相應(yīng)長(zhǎng)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(zhǎng)度一致。應(yīng)用精度為0.02mm游標(biāo)卡尺測(cè)量需要切除的光纖長(zhǎng)度，考慮熔接和光纖彎曲等因素在內(nèi)，能夠確保操作過程中光纖長(zhǎng)度誤差控制在±1mm以內(nèi)。

四、相位驗(yàn)證測(cè)試

我們對(duì)完成配相工作的DWDM器件通過AV3672B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀復(fù)測(cè)相位，測(cè)試原理如圖3所示，通過激光器調(diào)制和信號(hào)解調(diào)。測(cè)試DWDM相位一致性。

應(yīng)用矢量網(wǎng)絡(luò)分析時(shí)域變換功能測(cè)試系統(tǒng)延遲時(shí)間，并測(cè)量S21相應(yīng)頻點(diǎn)相位參數(shù)。

記錄對(duì)比10組器件相位一致性完成情況，如下表

由測(cè)試結(jié)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(yīng)用

目前相控陣測(cè)控系統(tǒng)、雷達(dá)的時(shí)頻信號(hào)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(zhǔn)十分重要。對(duì)于大規(guī)模，多通道，集成度高的信號(hào)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(shí)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(zhuǎn)換為高精度的光纖長(zhǎng)度制備工藝。并可避免過程中采用網(wǎng)絡(luò)分析儀等儀器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后的電性能測(cè)試。目前該技術(shù)已在實(shí)際生產(chǎn)中有一定規(guī)模的應(yīng)用，大大提升光纖相位配置效率。

六、結(jié)束語

應(yīng)用OFDR進(jìn)行光纖長(zhǎng)度測(cè)試，具有高精度和高空間分辨率的優(yōu)勢(shì)。將此優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于DWDM光纖配相中，方法高效。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1] 郭葆玲.光控相控陣?yán)走_(dá)中的光纖延遲線.上海：中國(guó)電子科技集團(tuán)第二十三研究生所，2007.

[2] 顧一弘.高分辨率 OFDR 關(guān)鍵技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學(xué)碩士論文， 2009.