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        基于高精度光纖長(zhǎng)度測(cè)試建立的高效DWDM光纖配相方法

        2021-05-11 19:10:43鄭學(xué)杰陳俊宇蘭才倫蔣利群劉必晨
        中國(guó)新通信 2021年2期

        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.

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