CN112816180A - 光纤色散测量方法及测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光纤色散测量方法，以光带通滤波器从宽带光信号中滤出的光信号作为光载波，用参考微波信号对所述光载波进行强度调制，并滤除所生成的强度调制光信号的一侧一阶边带，得到探测光；令所述探测光通过待测光纤后将其转换为电信号，测量出该电信号与参考微波信号之间的相位差，并根据所述相位差计算待测光纤对应于当前光载波波长的群时延，进而计算出待测光纤对应于当前光载波波长的色散系数。本发明还公开了一种光纤色散测量装置。相比现有技术，本发明具有低噪声、大功率以对外部干扰小的优点。

Description

光纤色散测量方法及测量装置
技术领域
本发明涉及光器件测量技术领域，具体涉及一种光纤色散测量方法。
背景技术
光纤通信凭借着传输容量大、保密性好的优势，成为世界上最主要的有线通信方式之一，其主要的原理就是利用光导纤维即光纤进行信号传输，来实现信息传递的一种通信方式。对于光纤通信的整个进程而言，光纤的色散是光纤通信***中固有的一种属性，本身是不可避免的，随着***容量的逐步提升，尤其是为了适应下一代高速光纤通信***的发展动向，色散将是不容忽视。测量光纤色散的值，更重要的是为了更好地实现对色散的补偿，进而减小或消除色散对***性能的影响，因此，对色散相关参数的准确测量是非常重要的。
对于不同波长的光，通过相同的光纤，由于时延的不同，会发生色散现象，出现脉冲展宽，导致脉冲重叠，使得信号重新叠加，导致传输信号的失真，最终出现码间干扰。光纤色散主要包括色度色散、偏振色散和模式色散。目前，对于单模光纤来说，色度色散对光纤的影响是最大的。具体的原因是由于当传输速率增加时，色度色散将以二次方的倍数增加(可参见文献[续贝贝.光纤色度色散测量仪样机研制[D].北京邮电大学,2019.])。模式色散只存在于多模光纤中，由于多模光纤中可以同时存在多种模式的光，它们在光纤中会沿着不同的路径传输，它们在轴向上的速度分量也不相同，因此沿着光纤传输的速度也会不同，这样到达接收端的各模式的光会存在时延差。偏振色散是由光纤横截面微小的不对称引起的色散。
光纤色散的测量方法有很多，其中最常用的三种方法是：相移法、干涉法和时延法。相移法是通过比较信号输入光纤前的相位和输出后的相位，得到对应的相位差，再通过相位差来计算色散值[孙珂.基于时延法的光纤色散测量仪的设计与实现[D].北京邮电大学,2018.]，现有相移法测量的基本原理是从频域测量的角度，检测在不同的波长下，经过正弦信号的调制后，所产生的相移，得到对应波长的群延时，最终推导出光纤的色散系数。这种方式由于使用强度调制器进行电信号调制于光载波上，会产生位于载波两侧对称的边带，进而在光纤传输中发生色散致功率衰减的现象，影响最终结果。干涉法是一种相对来说比较廉价的色散测量方法，干涉法中的参考臂和待测光纤臂分别是Michelson干涉仪和Mach-Zehnder干涉仪的两个臂，通过参考臂的长度改变，得到参考臂和待测臂出射光干涉条纹的强度信息，相位信息可以通过对干涉条纹强度信息进行傅里叶变换后得到，进而计算出色散值。干涉法在测量色散中有很多优点，如测量成本较低、测得的色散分辨率很高，但也有缺点：测量的色散精度不够准确。时延法是最为简便的一种光纤色散测量方法，但是易受其他因素的影响使得测量的精度不高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种光纤色散测量方法，可以对单模光纤进行准确测量，且具有低噪声、大功率以对外部干扰小的优点。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种光纤色散测量方法，以光带通滤波器从宽带光信号中滤出的光信号作为光载波，用参考微波信号对所述光载波进行强度调制，并滤除所生成的强度调制光信号的一侧一阶边带，得到探测光；令所述探测光通过待测光纤后将其转换为电信号，测量出该电信号与参考微波信号之间的相位差，并根据所述相位差计算待测光纤对应于当前光载波波长的群时延，进而计算出待测光纤对应于当前光载波波长的色散系数。
进一步地，该方法还包括：
通过调节所述光带通滤波器的通带中心波长改变所述光载波的波长并重复以上测量过程，得到待测光纤在不同波长下的色散系数。
优选地，通过放大自发辐射光源生成所述宽带光信号。
优选地，待测光纤对应于当前光载波波长λ的群时延差Δτ(λ)、色散系数D(λ)具体通过以下公式计算：
Figure BDA0002862835560000021
Figure BDA0002862835560000031
其中，Δφ(λ)为所述电信号与参考微波信号之间的相位差，fD为参考微波信号的频率，L为待测光纤长度。
优选地，使用鉴相器测量该电信号与参考微波信号之间的相位差。
基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：
一种光纤色散测量装置，包括：
光源，用于生成宽带光信号；
第一可调光带通滤波器，用于对所述宽带光信号进行滤波，生成光载波；
强度调制器，用于用参考微波信号对所述光载波进行强度调制，生成强度调制光信号；
第二可调光带通滤波器，用于滤除所述强度调制光信号的一侧一阶边带，得到探测光；
光电探测器，用于将通过待测光纤后的探测光转换为电信号；
相位差测量模块，用于测量出该电信号与参考微波信号之间的相位差；
计算单元，用于根据所述相位差计算待测光纤对应于当前光载波波长的群时延，进而计算出待测光纤对应于当前光载波波长的色散系数。
进一步地，该装置还包括：
控制模块，用于通过调节第一、第二光带通滤波器的通带中心波长改变所述光载波的波长并重复以上测量过程，得到待测光纤在不同波长下的色散系数。
优选地，所述光源为放大自发辐射光源。
优选地，待测光纤对应于当前光载波波长λ的群时延差Δτ(λ)、色散系数D(λ)具体通过以下公式计算：
Figure BDA0002862835560000032
Figure BDA0002862835560000033
其中，Δφ(λ)为所述电信号与参考微波信号之间的相位差，fD为参考微波信号的频率，L为待测光纤长度。
优选地，所述相位差测量模块为鉴相器。
相比现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明采用光单边带探测信号，一定程度上克服了传统光链路中出现的色散致功率衰减现象，实现了光纤色散测量的低成本以及高性能；此外，本发明由于使用光可调滤波器，不仅可以抑制色散致功率衰减效应，也可以有效的滤除其它噪声；本发明还进一步通过使用放大自发辐射光源大幅降低了***实现成本，所以，相比现有技术具有低成本、低噪声、大功率以对外部干扰小的优点。
附图说明
图1为本发明光纤色散测量装置的结构原理示意图。
具体实施方式
针对现有技术所存在的不足，本发明的解决思路是基于相移法的基本原理，采用光单边带探测信号，来克服传统光链路中出现的色散致功率衰减现象，以实现光纤色散测量的低成本及高性能；此外，本发明由于使用光可调滤波器，不仅可以抑制色散致功率衰减效应，也可以有效的滤除其它噪声。
具体而言，本发明的光纤色散测量方法，具体如下：
以光带通滤波器从宽带光信号中滤出的光信号作为光载波，用参考微波信号对所述光载波进行强度调制，并滤除所生成的强度调制光信号的一侧一阶边带，得到探测光；令所述探测光通过待测光纤后将其转换为电信号，测量出该电信号与参考微波信号之间的相位差，并根据所述相位差计算待测光纤对应于当前光载波波长的群时延，进而计算出待测光纤对应于当前光载波波长的色散系数。
本发明光纤色散测量装置，包括：
光源，用于生成宽带光信号；
第一可调光带通滤波器，用于对所述宽带光信号进行滤波，生成光载波；
强度调制器，用于用参考微波信号对所述光载波进行强度调制，生成强度调制光信号；
第二可调光带通滤波器，用于滤除所述强度调制光信号的一侧一阶边带，得到探测光；
光电探测器，用于将通过待测光纤后的探测光转换为电信号；
相位差测量模块，用于测量出该电信号与参考微波信号之间的相位差；
计算单元，用于根据所述相位差计算待测光纤对应于当前光载波波长的群时延，进而计算出待测光纤对应于当前光载波波长的色散系数。
为了便于公众理解，下面结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：
本发明光纤色散测量装置的基本结构如图1所示，包括：光源、两个可调光滤波器(均为带通滤波器)、强度调制器、光电探测器、光放大器、微波源、鉴相器以及计算模块(图中未示出)。强度调制器(本实施例采用马赫-增德尔调制器)将微波源输出的频率为fD的参考微波信号强度调制到由放大自发辐射光源产生并经过第一个可调光滤波器滤出的光载波上，输出强度调制信号；强度调制信号通过与第一个可调光滤波器的通带中心波长至少相差λD(λD为参考微波信号的波长)的第二个可调光滤波器，达到滤出强度调制信号单侧一阶边带的目的，之后令该强度调制信号作为探测光通过待测光纤，其中两个可调光滤波器使用同步控制模块进行同步地调节；在光电探测器中实现光信号到电信号的转化，转化出频率为fD的电信号；使用鉴相器完成光电探测器转化的电信号与微波源产生的参考微波信号之间相位差的测量，并推导出对应的群时延，即可进一步得到待测光纤的色散系数。
如图1所示，假设输入到马赫-增德尔调制器光输入端的光载波信号为：
E1＝Aexp(2πf0t) (1)
其中A为放大自发辐射光源的幅度，f0为光载波的频率。
假设调制到光载波上的参考信号为：
V(t)＝VD cos(ωDt) (2)
其中ωD、VD分别表示参考微波信号的角频率、幅度。
经过MZM、放大器后的输出信号为：
Figure BDA0002862835560000051
其中
Figure BDA0002862835560000061
表示偏置电压VBias引起的相位变化，Vπ表示调制器的半波电压。通过Jacobi公式展开，可得上述(3)右边为
Figure BDA0002862835560000062
MZM工作在线性传输点，则
Figure BDA0002862835560000063
输出信号为：
Figure BDA0002862835560000064
由于高阶边带信号很弱，所以可以忽略不计，因此只保留±1阶边带得：
Figure BDA0002862835560000065
当调制信号通过第二个可调光滤波器后，保留载波以及单侧边带(以保留右边+1阶边带为例)的信号为：
Figure BDA0002862835560000066
上述强度调制信号经过待测光纤的色散作用后的表达式为：
Figure BDA0002862835560000067
其中，φ(λ)表示待测光纤引起的信号的相位变化。
经过光电探测器(photodetector，PD)输出电流信号为：
Figure BDA0002862835560000071
其中，
Figure BDA0002862835560000072
表示PD的响应度。
使用鉴相器测量出光电探测器转化的电信号与微波源产生的参考微波信号之间的相位差，可表示为：
Δφ(λ)＝φ(λ)-φ(ref) (10)
其中，φ(ref)表示微波源产生的参考微波信号的相位。
通过建立该相位差与群时延差的关系，便可以得到群时延差：
Figure BDA0002862835560000073
其中，fD为参考微波信号的频率，群时延差Δτ(λ)代表波长λ不断变化时，探测光信号通过光纤后产生的时间延迟。
得到群时延差后，可以进一步得到光纤的色散系数：
Figure BDA0002862835560000074
其中，L为待测光纤长度，D(λ)为波长λ对应的色散系数。
因此，通过同步控制两个可调光滤波器的通带中心波长改变，可以实现光纤传输中光的波长的变化，进而得到对于不同波长的光纤的色散系数。经过多次测量后，进行曲线的拟合，可以得到完整的不同波长的光纤的色散。
综上，本发明可实现对光纤色散的测量。相比于目前的光纤色散测量技术，由于该***使用的是放大自发辐射设备作为本***的光源，因此具有低成本的优势，且由于使用两个可调光滤波器，进行强度调制信号的-1边带的滤除，所以本***可以有效的抑制色散致功率衰落的现象，因此，本***也具有大功率的优势。除此之外，本发明还有抗电磁干扰、低噪声等特性，可广泛应用于使用光纤的***中进行光纤色散测量。

Claims (10)

1.一种光纤色散测量方法，其特征在于，以光带通滤波器从宽带光信号中滤出的光信号作为光载波，用参考微波信号对所述光载波进行强度调制，并滤除所生成的强度调制光信号的一侧一阶边带，得到探测光；令所述探测光通过待测光纤后将其转换为电信号，测量出该电信号与参考微波信号之间的相位差，并根据所述相位差计算待测光纤对应于当前光载波波长的群时延，进而计算出待测光纤对应于当前光载波波长的色散系数。
2.如权利要求1所述光纤色散测量方法，其特征在于，该方法还包括：
通过调节所述光带通滤波器的通带中心波长改变所述光载波的波长并重复以上测量过程，得到待测光纤在不同波长下的色散系数。
3.如权利要求1或2所述光纤色散测量方法，其特征在于，通过放大自发辐射光源生成所述宽带光信号。
4.如权利要求1或2所述光纤色散测量方法，其特征在于，待测光纤对应于当前光载波波长λ的群时延差Δτ(λ)、色散系数D(λ)具体通过以下公式计算：
Figure FDA0002862835550000011
Figure FDA0002862835550000012
其中，Δφ(λ)为所述电信号与参考微波信号之间的相位差，fD为参考微波信号的频率，L为待测光纤长度。
5.如权利要求1或2所述光纤色散测量方法，其特征在于，使用鉴相器测量该电信号与参考微波信号之间的相位差。
6.一种光纤色散测量装置，其特征在于，包括：
光源，用于生成宽带光信号；
第一可调光带通滤波器，用于对所述宽带光信号进行滤波，生成光载波；
强度调制器，用于用参考微波信号对所述光载波进行强度调制，生成强度调制光信号；
第二可调光带通滤波器，用于滤除所述强度调制光信号的一侧一阶边带，得到探测光；
光电探测器，用于将通过待测光纤后的探测光转换为电信号；
相位差测量模块，用于测量出该电信号与参考微波信号之间的相位差；
计算单元，用于根据所述相位差计算待测光纤对应于当前光载波波长的群时延，进而计算出待测光纤对应于当前光载波波长的色散系数。
7.如权利要求6所述光纤色散测量装置，其特征在于，该装置还包括：
控制模块，用于通过调节第一、第二光带通滤波器的通带中心波长改变所述光载波的波长并重复以上测量过程，得到待测光纤在不同波长下的色散系数。
8.如权利要求6或7所述光纤色散测量装置，其特征在于，所述光源为放大自发辐射光源。
9.如权利要求6或7所述光纤色散测量装置，其特征在于，待测光纤对应于当前光载波波长λ的群时延差Δτ(λ)、色散系数D(λ)具体通过以下公式计算：
Figure FDA0002862835550000021
Figure FDA0002862835550000022
其中，Δφ(λ)为所述电信号与参考微波信号之间的相位差，fD为参考微波信号的频率，L为待测光纤长度。
10.如权利要求6或7所述光纤色散测量装置，其特征在于，所述相位差测量模块为鉴相器。
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