一种基于C-OTDR的少模光纤差分模式群时延测量方法

一种基于c-otdr的少模光纤差分模式群时延测量方法
技术领域
1.本发明属于光纤特性测量技术领域，尤其涉及一种基于c-otdr的少模光纤差分模式群时延测量方法。


背景技术：

2.随着互联网科技的飞速发展，以单模光纤为传输媒介的光纤通信系统出现“带宽危机”，为寻求新的维度来增加传输容量，出现了一种基于少模光纤的模分复用技术。模分复用技术采用的少模光纤是一种可以支持有限个正交模式作为独立信道并行传输的新型光纤，可以成倍的提升光通信系统的传输容量。同时，少模光纤具有较传统单模光纤更大的有效模场面积，可有效的解决由于光纤的非线性效应引起的通信容量瓶颈问题，成为下一代光通信系统研究的重点。
3.而由于少模光纤存在模式耦合、差分模群时延和模式相关损耗等损伤，这些损伤是影响模分复用技术系统传输性能和传输距离的主要因素。目前大多数少模光纤传输实验采用mimo均衡技术弥补模式耦合带来的影响，而mimo均衡技术的复杂度取决于少模光纤的差分模式群时延。
4.该技术中至少存在如下问题：少模光纤中积累较大的差分模式群时延，将导致模分复用系统mimo dsp均衡算法的复杂度大幅度提升，严重劣化了模分复用系统的传输性能、限制了模分复用系统的传输距离。因此，对少模光纤差分模式群时延特性的表征和优化变的尤为重要，方便、高效及精确的差分模群时延测量方法成为加快模分复用系统实用化进程的迫切需求。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决现有技术中，不能方便、高效且精确测量差分模群时延，导致影响模分复用系统实用化进程的问题，而提出的一种基于c-otdr的少模光纤差分模式群时延测量方法。
6.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
7.一种基于c-otdr的少模光纤差分模式群时延测量方法，包括以下步骤：
8.s1、光源发射连续波激光信号；
9.s2、对连续波激光信号进行调制；
10.s3、将光信号注入环形器；
11.s4、使用耦合器将环形器输出的光信号分成多束光信号；
12.s5、对多束光信号进行空间模式转换，输出应的受激模式；
13.s6、将不同受激模式的光信号输入待测光纤内；
14.s7、对待测少模光纤末端增加反射信号；
15.s8、对待测少模光纤沿路返回的信号使用模式解复用器完成混合模式的解复用过程；
16.s9、对反射信号进行光电转换，将功率变化转换为电流随时间的变化；
17.s10、通过示波器对变化的数据进行高速采集；
18.s11、对采集数据进行离线处理，将所得信号与传输序列互相关，并加入互补序列的相关结果；
19.s12、对来自不同模式的相关峰进行区分，并得到测试光纤各模式间的差分模式群时延。
20.作为进一步的优选方案，所述s1中，光源采用高性能窄线宽半导体激光器，中心波长为1550.16nm，输出功率为10mw，线宽为3mhz。
21.作为进一步的优选方案，所述s2中，在1550nm的连续波激光信号上，将2048位的格雷互补序列使用强度调制器进行调制。
22.作为进一步的优选方案，所述s3中，环形器包括1口、2口以及3口，且调制好的脉冲信号经环形器的1口进入，并由2口输出。
23.作为进一步的优选方案，所述s4中，耦合器将经由环形器输出的光信号分成两束。
24.作为进一步的优选方案，所述s5中，两束光信号经由光子灯笼进行空间模式转换，并输出相应的受激模式。
25.作为进一步的优选方案，所述s6中，将不同受激模式的光信号注入5km的待测少模光纤中。
26.作为进一步的优选方案，所述s7中，对光纤的末端用开放的光纤连接器连接以增加反射信号。
27.作为进一步的优选方案，所述s8中，待测少模光纤内沿路返回的光信号经环形器的2口进入，并由3口输出。
28.综上所述，本发明的技术效果和优点：
29.该基于c-otdr的少模光纤差分模式群时延测量方法，理论分析了基于c-otdr的单端测量少模光纤差分模式群时延的可行性，搭建了一种基于光子灯笼结构的少模光纤差分模式群时延的测量系统，高效、精确地测量出5km少模光纤的差分模式时延；
30.且该方法对传输系统不具破坏性，简便易实现，可以应用在模分复用通信系统中光纤传输特性的检测方面，在少模光纤结构设计优化、模分复用系统损伤补偿研究等方面具有重要的辅助作用，并在少模光纤传输系统测量方面具有较好的应用前景。
附图说明
31.图1为本发明的少模光纤差分模群时延的单端测量示意图；
32.图2为本发明的实施例中一个长度为128的序列自相关函数示意图；
33.图3为本发明的实施例中另一个长度为128的序列自相关函数示意图；
34.图4为本发明的图2与图3中两个序列自相关函数的和的示意图；
35.图5为本发明的实施例中lp01(a)与lp11a(b)模式的两组格雷互补序列码响应曲线图；
36.图6为本发明的实施例中lp01(a)与lp11b(b)模式的两组格雷互补序列码响应曲线图；
37.图7为本发明的实施例中lp01(a)与lp21a(b)模式的两组格雷互补序列码响应曲
线图；
38.图8为本发明的实施例中lp01(a)与lp21b(b)模式的两组格雷互补序列码响应曲线图；
39.图9为本发明的实施例中lp01(a)与lp02(b)模式的两组格雷互补序列码响应曲线图；
40.图10为本发明的实施例中lp01(a)与lp11a(b)的差分模群时延测量结果的脉冲峰值时间坐标图；
41.图11为本发明的实施例中lp01(a)与lp11b(b)的差分模群时延测量结果的脉冲峰值时间坐标图；
42.图12为本发明的实施例中lp01(a)与lp21a(b)的差分模群时延测量结果的脉冲峰值时间坐标图；
43.图13为本发明的实施例中lp01(a)与lp21b(b)的差分模群时延测量结果的脉冲峰值时间坐标图；
44.图14为本发明的实施例中lp01(a)与lp02(b)的差分模群时延测量结果的脉冲峰值时间坐标图；
45.图15为本发明的实施例中数据处理后两端光纤的反射标记脉冲峰值时间坐标图。
46.图中：1、窄线宽半导体激光器；2、强度调制器；3、a/d转换器；4、环形器；5、50\50耦合器；6、光子灯笼；7、被测光纤；8、光电探测器；9示波器。
具体实施方式
47.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
48.参照图1，该基于c-otdr的少模光纤差分模式群时延测量方法，包括以下步骤：
49.s1、光源发射连续波激光信号：本实施例中，光源可采用但不限于高性能窄线宽半导体激光器，中心波长为1550.16nm，输出功率为10mw，线宽为3mhz。
50.s2、对连续波激光信号进行调制：
51.由于一般的非周期的单极性序列的自相关函数都存在着一定强度的旁瓣，而周期性的m序列虽然没有旁瓣，但是需要连续发射很多个周期的序列，对激光器连续工作的能力有很高的要求，相关运算的计算量也比较大。
52.而参照图2、图3与图4，单一序列自相关函数的峰值为码长l，旁瓣约为峰值的10％，而相加之后峰值变成2l，旁瓣刚好抵消，可知格雷互补码的相关特性，除了具有伪随机码的特性外，它的自相关函数还具有没有旁瓣的特点，即格雷互补码的每个码对峰值都有贡献，同时消除了旁瓣。因此，本实施例选择格雷互补码来消除测量光纤时延时存在的其他噪声信号，并提高所接收信号的能量，以便更清晰的判断少模光纤的差分模式群时延。
53.本实施例中，具体实施时，可在1550nm的连续波激光信号上，将2048位的格雷互补序列使用强度调制器进行调制。
54.s3、将光信号注入环形器：其中，环形器包括1口、2口以及3口，且调制好的脉冲信号经环形器的1口进入，并由2口输出。
55.s4、使用耦合器将环形器输出的光信号分成多束光信号：具体为，可采用50/50耦
合器来将经由环形器2口输出的光信号分成两束光信号。
56.s5、对多束光信号进行空间模式转换，输出应的受激模式：具体为，可将经由耦合器分成的两束光信号通过光子灯笼来进行空间模式转换，并输出相应的受激模式。
57.s6、将不同受激模式的光信号输入待测光纤内：具体为，将上述s5步骤中受激模式的光信号注入5km的待测少模光纤中。
58.s7、对待测少模光纤末端增加反射信号：具体实施时，待测少模光纤的末端可采用不限于开放的光纤连接器连接或者平整的光纤端面以增加反射信号，且由于光纤输出未终止，被测光纤末端表面可以得到大约4％的菲涅尔反射。
59.s8、对待测少模光纤沿路返回的信号使用模式解复用器完成混合模式的解复用过程。
60.s9、对反射信号进行光电转换，将功率变化转换为电流随时间的变化：具体为，反射信号用光电探测器接收进行光电转换，将功率变化转换为电流随时间的变化，其中，光电探测器的型号可选用但不限于iam-6020，且其工作波长为900～1700nm,而1550nm处的电流响应度为8.5a
·
w-1。
61.s10、通过示波器对变化的数据进行高速采集，其中，示波器支持4个数据通道，最大采样率为40gsa/s。
62.s11、对采集数据进行离线处理，将所得信号与传输序列互相关，并加入互补序列的相关结果。
63.s12、对来自不同模式的相关峰进行区分，并得到测试光纤各模式间的差分模式群时延。
64.具体实施时，测量原理如下：
65.少模光纤中的差分模群时延形成的主要原因是少模光纤中不同空间模式的折射率存在一定的差异，致使不同空间模式在光纤中的传播速度各不相同，空间模式所承载的信号在少模光纤中传输一段距离后将会产生时延，即模式群时延。少模光纤不同空间模式所承载信号在光纤中传输相同距离时，所产生的时延差被称为差分模群时延，在模分复用系统中通常表示为高阶模式与lp01模式之间的传输时间差，单位为ps/m。由于简并模式的传播常数基本一致，因此两简并模式之间的差分模式群时延趋近于0ps/m；而对于非简并模式之间的差分模式群时延将会对模分复用系统传输性能造成一定的影响。
66.而光纤的色散效应可以表示为光脉冲空间模式的传播常数β
eff
在中心频率ω0处的泰勒级数展开，即：
[0067][0068][0069]
其中参量β1与折射率n
eff
(ω)具有一定的关系，即：
[0070]
[0071]
其中，c为真空中的光速，νg为群速νg度，ng为群折射率，λ代表光纤的工作波长，n
pq
为lp
pq
模式的有效折射率。因此，少模光纤两个模式之间的dmgd可以表示为：
[0072][0073]
因此，通过式(4)与波导场方程数值解相结合即可得到少模光纤基模lp01模与任一高阶模式之间的值。
[0074]
同时，本实施例将经过强度调制器调制的光信号注入被测光纤，被测光纤输出的光信号经光电探测器光电转换后，由示波器进行各空间模式脉冲响应波形存储。其中，选择性模式激发单元用于选择激发不同的空间模式，通过改变不同的输入端口，可以激发出被测光纤fut中的不同空间模式。各脉冲波形峰值分别对应一个特定的空间模式，通过各模式脉冲峰值的时间坐标求得基模lp01和高阶模式j(j＝1,2,3,
…
,n)之间的dmgd
1,j
，如式(5)所示：
[0075]
dmgd
1,j
＝δτ
1,j
/l＝(t
1-tj)/l,j≠1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0076]
其中，l为光信号在被测少模光纤中传输的距离，t1和tj分别代表基模lp01模和高阶模式j的相对传输时延，下角标1,2,3,
…
,n分别代表lp01、lp11a、lp11b、lp21a、lp21b等空间模式。
[0077]
本实施例中，测量了5km六模光纤的差分模群时延，分别发送格雷互补序列的两组双极性码，将耦合器输出端口与光子灯笼lp01端口连接，另一输出端口依次与光子灯笼lp11a、lp11b、lp21a、lp21b和lp02端口相连接，可通过光子灯笼进行空间模式转换，激发出少模光纤中相应模式，经5km光纤传输并反射，且其中数据处理后两端光纤的反射标记脉冲峰值时间如图15所示，随后，示波器将采集到的时域信号波形5组数据如图5、图6、图7、图8以及图9所示。
[0078]
将所得信号与传输序列进行互相关运算，并将互补序列的两组相关结果相加，得到基模与各模式间的脉冲峰值时间坐标如图10、图11、图12、图13以及图14所示，并结合式(5)计算得到基模lp01与高阶模式lp11、lp21和lp02之间的差分模式群时延如下表所示，
[0079] lp11lp21lp02单端测量5.4ps/m10.6ps/m9.33ps/m时间飞行法5.6ps/m11.2ps/m9.6ps/m参考数据6ps/m11ps/m10ps/m
[0080]
表中比较了基于c-otdr的少模光纤差分模群时延测量和传统的时间飞行法测量少模光纤差分模群时延的实验结果，由于lp11a和lp11b，lp21a和lp21b为简并模式，传播常数基本相同，两者之间属于强耦合，在传输过程中产生的模式时延差相同，因此，测量得到的差分模群时延值的大小基本一致。
[0081]
综上所述，该基于c-otdr的少模光纤差分模式群时延测量方法，能够搭建一种基于光子灯笼结构的少模光纤差分模式群时延的测量系统，并可高效、精确地测量出5km少模光纤的差分模式时延。
[0082]
同时，该方法对传输系统不具破坏性，简便易实现，可以应用在模分复用通信系统中光纤传输特性的检测方面，在少模光纤结构设计优化、模分复用系统损伤补偿研究等方
面具有重要的辅助作用，并在少模光纤传输系统测量方面具有较好的应用前景。
[0083]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。