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光纤色散的测量

2016-10-23 10:18:53 | 人围观 | 评论:

    1．光纤色散的含义
    数字信号在光纤中传输时是由不同的频率成分或不同的模式成分来携带的．这些不同的频率成分或模式成分有不同的传输速度，当它们在光纤中传输一段距离后将互相散开，于是光脉冲展宽，这种现象称为色散．
    光纤的色散可以从光纤的时域特性和频域特性两方面来描述．光脉冲波形在时间上发生了展宽实际上是从时域特性来描述了光纤的色散效应．而光纤的频域特性，则是把光纤看作一个传输“网络”，由于网络总是有一定带宽的（不是无穷宽），所以就用光纤的频带宽度来从频域特性描述光纤的色散效应．当一个光脉冲通过光纤这个“网络”时，这个光脉冲的频率成分就受这个“网络”的制约，在这个“网络”带宽以外的频率成分将被抑制掉，从而光脉冲出现了频率失真．由于时间波形与它的频率成分是一一对应的，因此这种频率失真反映到波形上，就是光脉冲被展宽．
    光纤色散包括材料色散、波导色散和模式色散，材料色散和波导色散都是由于信号由不同频率成分携带而引起的脉冲展宽，所以它们也称频率色散．模式色散是由于信号由不同模式成分携带而引起的脉冲展宽，在多模光纤中，三种色散都存在，只是模式色散远大于频率色散，所以主要考虑模式色散，并用光纤带宽来描述，在单模光纤中，只存在频率色散，用色散系数来描述．下面分别对多模光纤的带宽和单模光纤的色散系数的测星予以介绍．
    2．多模光纤的带宽及测量方法
    由上可知，光纤带宽与脉冲展宽在实质上是一致的，下面进行具体分析．
    假设光纤输入、输出端脉冲波形都近似为高斯分布，如图5-6所示，图中(a)是输入光脉冲波形，幅度为A1，A1/2对应的宽度△τ1为此脉冲波形宽度．(b)是输出光脉冲波形，幅度为A2，A2/2对应的宽度△τ2为此脉冲波形宽度，经证明，脉冲通过光纤后的展宽△τ与其输入、输出波形宽度△τ1, △τ2的关系为

图5-6光纤输入、输出端光脉冲波形可见，只要测出△τ1,△τ2然后代人上式即可算出脉冲宽度△τ．
如果与图5-6(a)对应的频谱函数为Pin（f），(b)对应的频谱函数为Pout（f），则光纤的频率响应特性H（f）为

当上式等于1/2时对应的频率称为光纤的带宽，用fc表示，即

所以fc是光纤的3dB光带宽。
但是，在实际测量光纤带宽时，总是把被测光纤的输出光功率通过光电检测器变为电信号后，再进行处理。由前可知，光电检测器的输入光功率与输出电流成正比，所以有

把

用分贝形式来表示，则为

我们把用分贝表示的值称为电平值。
因此，fc又称为光纤的6dB电带宽，如图5-7所示。

系统设计经常用到的光纤的基带带宽B既是fc。带宽B和脉冲展宽△τ间的关系如下所示。

    式中，B的单位为MHz，△τ的单位为ns。可见，知道△τ后，根据上式即可求得光纤带宽。
    根据以上对光纤带宽的分析，可以从时域和频域两个角度来对它进行测量，对应的方法分别是时域法和频域法。这两种测量方法也是原ITU-T规定的基准测试方法。
    （1）时域法
    时域法是通过测量光纤中的脉冲展宽进而计算出光纤带宽的一种测量方法。它的测试方框图如图5-8所示。测试步骤如下：

图5-8时域法光纤带宽测试方框图     先用一脉冲发生器去调制光源，使光源发出极窄光脉冲信号，且使其波形尽量接近高斯分布。注入系统采用“满注入”方式，将符合要求的光信号耦合进光纤。首先用一根短光纤将“1”，“2"两点相连，即用短光纤的输出信号来代替被测光纤的输入信号，这时从示波器中得到的波形相当于Pin(t)，并测量它的宽度△τ1。然后再将被测光纤连到1”，“2"两点之间，此时从示波器中得到的波形为Pout(t)，并测量它的宽度△τ2。将△τ1,△τ2代入式（5-10）和式（5-15），即可算出带宽B。
    (2)频域法
    频域法是指当光纤传输已调制的光波时，在光纤输出端经光电检测器转换，并用频谱分析仪读出电信号幅值，当信号幅值的电平值下降6 dB时所对应的频率即是光纤带宽．它的测试方框图如图5-9所示．具体测试步骤如下：

图5-9频域法光纤带宽测试方框图     由扫频信号发生器输出一个幅度不变而频率连续可调的正弦电信号，用它对光源进行强度调制，得到幅度相同而频率变化的光正弦信号，注入系统采用“满注入”方式，将符合要求的信号耦合进光纤．先将“1"，“2"两点用短光纤相连，用短光纤的输出信号代替被测光纤的输入信号．此信号经光电检测器变为电信号，送给频谱分析仪，得到随不同调制频率变化而变化的输入功率PI1(f)．再将“1”，“2"两点用被测光纤相连，此时从频谱分析仪中得到随不同调制频率变化而变化的输出功率PI2(f)．将PI2(f)- PI1(f)得到被测光纤的幅频特性曲线如图5-7所示．曲线上的一6dB所对应的频率即为光纤的带宽．
    3．单模光纤的色散系数及测量方法
    由于单模光纤中只存在频率色散，所以此时的色散与光源谱宽密切相关，光源的谱宽越窄，光纤的色散越小，带宽越宽，传输的信息量越大．通常我们用色散系数来反映单模光纤色散大小。色散数D通常用单位波长间隔内的光波，走过单位长度光纤后产生的平均时延差来表示。其定义是，在波长λ下，若经过单位长度光纤后产生的时延差为τ(λ)，则

它的单位表示光源谱宽为lnm时，经过1 km单位长度光纤的脉冲展宽值是多少ps．
即然色散系数与光纤带宽都能描述光纤色散，则由式(5-15)可得出它们的关系为

    式中，B为单位光纤带宽，单位为GHz．km;D为色散系数，单位为pS／nm．km，△λ为光源的谱线宽度，单位为nm。
    ITU -T对不同的光纤色散系数和相关参数都做了规定，下面简要介绍一下。（自学）
    (1)相移法
    不同波长的信号经过相同光纤传输后，因时延不同而表现出相位移动的不同．相移法就是通过测量经同一正弦信号调制后的不同波长的光信号，经光纤传输后产生的相移差别来确定群时延与波长的关系，进而导出色散系数的一种方法．
    ①测量原理
    设正弦调制信号的频率为f(MHz)，被测光纤长度为L(km)，输入信号的不同波长分别为λ1，λ2，…λn，又记为λi（i=1,2，…,n）.为了测量方便，设一个参考光波长为λf，则对于输入不同波长的信号经过光纤传输后产生的相移差都是相对于参考波长而言．设λi和λf间经光纤传输后的时延差为△ti，相移差为△φi．通过测量，得到△φi，又因为

于是，每公里的平均时延差为

    这样，通过测量不同波长λi下的△φi，根据上式计算出一组τi~λi值，然后按不同光纤的群时延公式τ（λ）进行曲线拟合，从而求出公式中的有关系数，进而求得该光纤的色散系数D．
    ②测量装置
    图5-10示出了用相移法测量色散系数的一种装置．图中．光源采用LD激光器，要求具有稳定的光源强度和波长．相位计用来测量参考信号与被测信号间的相移差，此装置光路部分简单，测试动态范围大，但需要多个激光器，挑选困难，价格昂贵．

    (2)脉冲时延法
    脉冲时延法就是通过测量经同一窄脉冲调制后的不同波长的光信号，经光纤传输后产生的时延差，然后直接按定义计算出色散系数，由于信号经光纤传输后会发生脉冲展宽，所以只有用足够窄的窄脉冲调制信号，在接收端才能把两个不同波长的信号区分开．
    ①测量原理
    设被测光纤长度为L(km)，输入信号的不同波长分别为λ1，λ2，…λn，记为λi（i=1,2，…,n）.．为了测量的需要，找一个参考光波长λf，这样，输入不同波长的信号经过光纤传输后产生的时延差都是相对于参考波长而言．设入i和λf间经光纤传输后的时延差为△ti，则通过示波器观测到的△ti，如图5-11所示．于是，单位长度的平均时延差为

到此之后可与相移法一样，求得色散系数．

②测量装置
图5-12示出了用脉冲时延法测量色散系数的一种装置，图中光源为LD激光器，要求具有稳定的光源强度和波长，脉冲发生器要求能产生足够窄的窄脉冲．光电检测器要求具有足够高的响应度．示波器须采用带宽极高的高速取样示波器，以观测到不同波长间的极小相对时延差．需说明的是，脉冲发生器发出的、经时延后直接送到示波器的脉冲是作为参考波长的脉冲信号．

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