單模光纖相位隨環境溫度變化的特性分析

張 蕓

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

軍事領域的應用對其信號帶寬的需求在不斷地增長，這使得傳統的微波技術面臨著巨大的困境，而光電子技術自20 世紀 80 年代以來，經過幾十年的研究產生了飛速發展，特別是半導體激光器、電光調制器、光電探測器、低損耗光纖等關鍵技術，由此產生了一門結合微波技術和光電子技術的新型交叉學科——微波光子學(MP)[1]。

只傳輸基模LP01模的光纖稱為單模光纖。單模光纖具有頻帶寬、衰減低、容量大、長距離傳輸以及強抗干擾能力等優點，已成為軍事領域理想的傳輸介質[2]。但其中一些應用需要準確知道光纖的傳輸延時及相位變化，因此有必要研究環境溫度變化對單模光纖傳輸延時及相位的影響。

1 理論研究

1.1 時延及相差

根據光傳輸理論，光在一段光纖中傳輸引起的時延表達式為：

(1)

式中：L為光纜長度；Ng為單模光纖的群折射率；c為真空中光速；τ為延時值。

由時延引起的相差表達式為：

φ=ωτ=2πfτ

(2)

式中：f為載波頻率。

當光纖溫度發生變化時，光纖長度和群折射率都會發生變化，此時光信號在光纖中的時延也會發生變化，式(1)對溫度求導，可得：

(3)

式中：第1項表示群折射率變化所引起的光纖時延變化；第2項表示光纖長度變化引起的光纖時延變化。

實際情況是，光纖的膨脹系數非常小，光纖的長度幾乎不隨溫度變化[3]，第2項可以忽略，因此，光纖溫度時延變化主要受折射率影響。光纖溫度時延變化表達式為：

(4)

由時延引起的相差溫度表達式為：

(5)

1.2 溫度漂移系數

光纖溫度漂移系數是用來衡量光纖傳輸時延特性的參數，其定義為某一波長的光在光纖上傳輸時，由單位溫度變化引起的單位長度光纖傳輸時延的變化，其表達式為：

(6)

式中：Kf為光纜溫度漂移系數(ps/km·℃)；dT為光纜溫度變化量(℃)；dτ為溫度變化引起的光纜傳輸時延變化量(ps)；L為光纜長度(km)。

將式(4)代入式(6)，可得：

(7)

2 系統實驗

2.1 實驗原理

系統采用反射式高精度光纖測長儀測量光纖時延，測長儀采用光電融合方法，實現光纜時延的精確測量。系統測試原理如圖1所示。

圖1 系統測試原理框圖

將攜帶信息的電信號調制到激光源輸出的光信號上，注入到待測光纜中，在待測光纜末端產生反射，對反射回來的微弱光信號進行處理，提取出光信號中的電信號，對此電信號加以解調并分析處理，從而計算出待測光纜的準確長度。電信號解析處理技術可精確地提取光電信號在待測光纜中的時間信息，消減系統噪聲，保證系統靈敏度。

將被測光纖置于高低溫試驗箱內，改變高低溫試驗箱的溫度可改變光纖溫度，反射式高精度光纜測長儀可實現對不同溫度下光纖時延的實時測量。

實驗采用工作波長為1 550 nm的激光光源，選取長度為1 020 m的2根穩相光纖，型號分別為：TBF-G652D-600C和TBF-G652D-400C，放在高低溫試驗箱內，測試溫度范圍為-20 ℃～40 ℃，每隔5 ℃取樣測試光纖的延時量，由獲得的延時數據得出單模光纖環境溫度延時和相位特性，并計算光纖的溫度漂移系數。

2.2 測試結果

光信號在-20 ℃～40 ℃溫度范圍內，在2組單模光纖中傳輸相對延時變化曲線如圖2(a)所示，單位長度相對延時變化曲線如圖2(b)所示。從中可以看出，光信號傳輸相對延時隨溫度的變化基本為線性關系。光信號傳輸延時變化斜率的不同，是由于折射率的不同所造成的。

在圖2(b)曲線上可按光纜溫度漂移系數的定義求取溫漂系數，若需要不同溫度下的光纖溫漂系數，則需要求得不同溫度對應的曲線斜率，此斜率值即為該溫度下的溫漂系數。對上圖曲線求導，可得在-20 ℃～40 ℃溫度范圍內2組單模光纖的溫度漂移系數，如圖3所示。

將式(7)代入式(5)，可得到由單位溫度變化引起的單位長度光纖傳輸時延的變化，造成的光纖傳輸相位的變化。假設f=10 GHz，則可求得2組單模光纖的溫度相位漂移系數，如圖4所示。

由圖3和圖4可以看出，2組單模光纖的溫度漂移系數小于12 ps/km·℃，相位漂移小于40°，這使得穩相光纖在相控陣雷達、信號仿真模擬等領域，可以保證信號的相位相干性，有著廣闊的應用前景。

圖2 單模光纖傳輸相對延時溫度變化曲線

3 結束語

本文研究了單模光纖光信號傳輸延時及相位隨環境溫度變化的關系。通過理論分析得到了由于光纖折射率隨溫度變化是導致光信號傳輸延時及相位變化的主要原因；通過實驗得出光信號傳輸相對延時及單位相對延時與環境溫度變化的數值關系，通過求導計算得到溫度漂移系數的曲線，并由此求得溫度、相位漂移曲線。實驗結果表明，單模穩相光纖具有良好的溫度相位穩定性，在相參系統研究領域有著重要的價值。

圖3 單模光纖的溫度漂移系數

圖4 單模光纖的溫度相位漂移系數