鏈路色散測試儀的校準方法

李建征 曾昕 王卓念

鏈路色散測試儀的校準方法

李建征 曾昕 王卓念

（廣州廣電計量檢測股份有限公司）

介紹光纖鏈路色散測量原理，提出一種針對鏈路色散測試儀的校準方法，并研制鏈路色散量模擬裝置。實驗結果表明：該裝置所用光柵在波長1549.95 nm左右滿足色散平坦特性，完成0.1 km長度色散光纖組仿真實際35 km鏈路色散量。該方法為鏈路色散測試儀現場校準提供一種新的技術途徑。

光纖光柵；色散量；現場校準

0　引言

光纖鏈路色散是由于不同波長和模式的光在光纖中傳播群速度不同而引起光信號的時延差，主要分為模間色散、色度色散和偏振模色散。其中色度色散是單模光纖中材料色散和波導色散的綜合效應。光纖線路包含不同類型的單模光纖和其他光學元件，運維人員通常采用鏈路色散測試儀來評估單模光纖線路的鏈路色散[1]，測量原理主要為相移法[2]或微分相移法[3]。其中相移法作為測量光纖鏈路色散的基準試驗方法，通過測量不同波長正弦調制信號的相位移變化，將其轉換后得到光波在光纖中傳播的相對時延，用擬合公式由相對時延譜擬合導出光纖的色散特性。其他測量方法還有時域群時延譜法（飛行時間法）[4]，拍頻測量[5-6]等等。

目前，鏈路色散測試儀設計校準裝置大多采用數十公里的G.652，G.655光纖組作為傳遞標準，存在光纖長、成本高，不利于批量化生產；體積大、質量重，不便于到客戶現場開展計量服務工作等缺點。

本文提出一種光柵全光纖復合的非匹配纖芯熔接結構，可以模擬鏈路色散、損耗以及各光學元件對鏈路的作用，經過標定可傳遞色散值和色散系數，直接在光纖上進行加工可解決級聯結構易受環境干擾的問題，且該結構穩定，適合現場計量。

1　裝置結構和工作原理

鏈路色散量模擬裝置結構圖如圖1所示，主要由光接口、標準光纖、開關式光路耦合器、溫控裝置、光纖光柵、第一光纖環和第二光纖環等組成，其中關鍵器件為光纖光柵，用于模擬長距離光纖鏈路導致的光信號色散。實驗用刻柵系統主要由紫外準分子激光器進行刻柵，掩膜板成柵長度為10 mm。激光經過透鏡濾波整形為平行光束后，再經過柱面鏡聚焦到相位掩膜板寫柵區域，緊貼相位掩膜板后方放置載氫單模光纖。為使光纖保持平直狀態，光纖在寫柵前設置足夠的預應力，以保證刻寫柵區分布均勻。為形成非匹配纖芯熔接結構，實驗選取芯徑更小的色散補償光纖刻寫布拉格光柵。該布拉格光柵支持TEM基模傳輸，基模場分布圓周方向均勻，傳輸過程偏振態不發生變化，裝置關鍵結構緊湊且穩定。

1-光接口 2-標準光纖 3-開關式光路耦合器 4-溫控裝置 5-光纖光柵 6-第一光纖環 7-第二光纖環

光纖光柵的布拉格條件為布拉格波長B、有效折射率eff、光柵有效周期g滿足

B=2effg(1)

當波長=B=2effg時，滿足光纖光柵的布拉格條件，即在布拉格波長處，存在最大反射率。裝置采用光纖布拉格光柵的反射圖譜如圖2所示，激光器載波C波長設置為1549.9551 nm；光柵波長帶寬為1.2284 nm；色散平坦窗口近似設置在1.23 nm范圍。

圖2　光纖布拉格光柵反射圖譜

設置系統處于反常色散區，群速度為g的光脈沖通過光纖布拉格光柵，脈沖前沿頻率分量在光纖光柵前端被反射，脈沖后沿的頻率分量在光纖光柵末端被反射。藍移分量較紅移分量傳播快，光通過光纖光柵后發生脈沖展寬，這樣柵長為g的光纖布拉格光柵所能提供的時延為

△λ=2g/g(2)

采用相移法測量光纖鏈路色散時，調制后的光信號通過光纖鏈路，根據測得調制相位差，中心波長以及調制頻率m，可得

色散系數D為

2　實驗與數據分析

在光纖布拉格光柵色散平坦窗口進行實驗，如圖3所示。色散測試專用光源為C+L波段高頻調制寬譜光源，發射光信號經過鏈路色散量模擬裝置，通過色散分析儀采用精密波長掃描的相移法進行分析。

圖3　鏈路色散測試儀色散參數校準框圖

目前成熟的鏈路色散測試儀是在光纖鏈路光信號輸出端選擇測量波長，無需在光纖鏈路兩端通信即可進行測量。針對部分在光纖鏈路的光信號注入端選擇參考波長，在源端采用波長選擇器會導致接收端不能分辨哪一個波長通過被測鏈路，光源發送端為傳遞波長、時延信息，需要在接收端通過分析得到色散信息，接收端和源端必須相互通信。因此，控制信號必須通過鏈路發送反饋信息，需要通過引入另外一根光纖在換路上通信從而進行測量。

如圖4所示，在光柵帶寬范圍內，色散系數散點擬合曲線中2=1.00，因此可認為該范圍內擬合曲線是線性的，光纖布拉格光柵在色散平坦窗口的斜率為－411.15 ps/(nm2?km)。

3　結論

本文提出針對鏈路色散測試儀的校準方法，克服現有裝置體積大、質量重、成本高、不便于攜帶和批量生產等問題。實驗結果表明：所用光柵在波長1549.95 nm左右滿足色散平坦特性，完成0.1 km長度色散光纖組仿真實際35 km鏈路色散量。該結構簡單緊湊、成本低且易于實現，同時又能更好地模擬實際鏈路場景，其良好性能及輕便設計有利于解決目前光通信運維儀器現場計量的需求。通過設計柵區刻蝕，可以仿真上百甚至上千公里鏈路的色散量，對光數字處理技術的評估同樣具有重大意義。由于光纖光柵、普通光纖的折射率均受溫度變化影響，開展溫度變化對光纖參數測量結果的影響是后續研究重點。

圖4　色散系數（測試過程光纖長度設置為1 km）

[1] 中國通信標準化協會.YD/T 1588.4—2010光纜線路性能測量方法第4部分:鏈路色散[S].北京:人民郵電出版社,2010.

[2] Telecommunications Industry Association.?FOTP?169,?measurement?for SM?fibers?by?the?modulated?phase?shift?method[S]. Arlington: Telecommunications Industry Associa- tion, 1992.

[3] Telecommunications Industry Association.?FOTP?175,?measurement?for?SM?fibers?by?the?differential?phase?shift method[S]. Arlington: Telecommunications Industry Associa- tion, 1992.

[4] Telecommunications Industry Association.?FOTP?168,?measurement?for?SM?fibers?by?the?spectral?group?delay?measurement?in?the?time?domain?method[S]. Arlington: Telecommunications Industry Association,1992.

[5] 王旭,張玲娟,陳龍飛,等.基于多縱模拍頻測量光纖色散[J].光子學報,2018,47(8):214-218.

[6] Zhou L, Li Z, Xiang N, et al. High-speed demodulation of weak fiber Bragg gratings based on microwave photonics and chromatic dispersion[J]. Optics letters, 2018, 43(11): 2430- 2433.

Calibration Method of Link Dispersion Tester

Li Jianzheng Zeng Xin Wang Zhuonian

(Guangzhou GRG Metrology & Test Co., Ltd.)

The measurement principle of optical cable link dispersion is analyzed. A calibration method for link dispersion tester is proposed. The link dispersion quantity simulation device is designed and developed. The experimental results show that the grating used satisfies the dispersion flatness characteristic near the wavelength of 1549.95 nm, and the actual 35 km link dispersion is simulated by the 0.1 km dispersion fiber. A new technical approach is provided for on-site calibration of the dispersion tester.

Fiber Grating; Dispersion; On-Site Calibration

李建征，男，1979年生，本科，工程師，主要研究方向：計量技術。E-mail：ljianzheng@grgtest.com