光纖色散測(cè)量

1、光纖色散測(cè)量1 1 引引 言言光光纖色散使傳播的光脈沖隨傳輸距離的增加而展纖色散使傳播的光脈沖隨傳輸距離的增加而展寬。脈沖展寬將限制傳輸容量或最大中繼距離。寬。脈沖展寬將限制傳輸容量或最大中繼距離。因此，光纖色散是表征光纖傳輸特性的又一重要因此，光纖色散是表征光纖傳輸特性的又一重要參數(shù)，色散測(cè)量是光纖傳輸特性測(cè)量的又一重要參數(shù)，色散測(cè)量是光纖傳輸特性測(cè)量的又一重要內(nèi)容。內(nèi)容。 色散的測(cè)量方法可分為兩類(lèi)：色散的測(cè)量方法可分為兩類(lèi)： 1時(shí)域法時(shí)域法。這種方法是以確定沿光纖長(zhǎng)度方向傳輸?shù)?。這種方法是以確定沿光纖長(zhǎng)度方向傳輸?shù)墓饷}光脈沖展寬量沖展寬量為基礎(chǔ)的。通常用窄脈沖調(diào)制光源做為光纖的測(cè)試信為基礎(chǔ)

2、的。通常用窄脈沖調(diào)制光源做為光纖的測(cè)試信號(hào)源，故又稱(chēng)為號(hào)源，故又稱(chēng)為脈沖法脈沖法。 2頻域法頻域法。這種方法是根據(jù)被測(cè)光纖基帶頻響的。這種方法是根據(jù)被測(cè)光纖基帶頻響的幅頻特性幅頻特性確定其帶寬，然后確定色散系數(shù)。此方法采用頻率連續(xù)可調(diào)的確定其帶寬，然后確定色散系數(shù)。此方法采用頻率連續(xù)可調(diào)的正弦被調(diào)制光源做為測(cè)試信號(hào)源，故也稱(chēng)為正弦被調(diào)制光源做為測(cè)試信號(hào)源，故也稱(chēng)為正弦波法或相移法正弦波法或相移法。2 時(shí)域法時(shí)域法 2.1 模內(nèi)色散測(cè)量模內(nèi)色散測(cè)量模模內(nèi)色散是對(duì)給定的模式，由于波長(zhǎng)不同群速度不同而引內(nèi)色散是對(duì)給定的模式，由于波長(zhǎng)不同群速度不同而引起的光脈沖展寬。起的光脈沖展寬。 光纖系統(tǒng)的光源譜

3、寬度一般都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)調(diào)制脈沖的光纖系統(tǒng)的光源譜寬度一般都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)調(diào)制脈沖的頻譜寬度，因此可用下式描寫(xiě)模內(nèi)色散頻譜寬度，因此可用下式描寫(xiě)模內(nèi)色散式中，式中，L L 是光纖的長(zhǎng)度是光纖的長(zhǎng)度, d, dd d 是脈沖延遲時(shí)間對(duì)波是脈沖延遲時(shí)間對(duì)波長(zhǎng)的導(dǎo)數(shù)。長(zhǎng)的導(dǎo)數(shù)。M()M()可解釋為單位長(zhǎng)度的光纖，由于光源單可解釋為單位長(zhǎng)度的光纖，由于光源單位譜寬度所引起的脈沖展寬。它的單位是位譜寬度所引起的脈沖展寬。它的單位是ps/nmps/nmkmkm。如如M()M()己知，則脈沖延遲的改變量為己知，則脈沖延遲的改變量為進(jìn)行時(shí)域測(cè)量，需要一系列可以使用的進(jìn)行時(shí)域測(cè)量，需要一系列可以使用的單色光源或一個(gè)波長(zhǎng)連續(xù)

4、可調(diào)的光源，單色光源或一個(gè)波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)的光源，還需要一個(gè)能測(cè)量時(shí)間延遲的裝置。還需要一個(gè)能測(cè)量時(shí)間延遲的裝置。喇曼激光器喇曼激光器當(dāng)高強(qiáng)度的光通過(guò)液體或固體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生非線性現(xiàn)象，當(dāng)高強(qiáng)度的光通過(guò)液體或固體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生非線性現(xiàn)象，這樣就可觀察到這樣就可觀察到喇曼效應(yīng)喇曼效應(yīng)。此時(shí)，在射出的波束中，。此時(shí)，在射出的波束中，除了原來(lái)人射波束外，還有新產(chǎn)生的波長(zhǎng)成分。其中除了原來(lái)人射波束外，還有新產(chǎn)生的波長(zhǎng)成分。其中波長(zhǎng)較長(zhǎng)的部分稱(chēng)為波長(zhǎng)較長(zhǎng)的部分稱(chēng)為斯托克斯線斯托克斯線，強(qiáng)度較強(qiáng)，對(duì)光纖，強(qiáng)度較強(qiáng)，對(duì)光纖測(cè)量特別有用；而波長(zhǎng)較短的部分則稱(chēng)為測(cè)量特別有用；而波長(zhǎng)較短的部分則稱(chēng)為反斯托克斯反斯托克斯線線。

5、2.2 2.2 模間色散的測(cè)量模間色散的測(cè)量對(duì)多模光纖，下面的兩個(gè)式子近似成立對(duì)多模光纖，下面的兩個(gè)式子近似成立若光纖的沖激響應(yīng)為若光纖的沖激響應(yīng)為h()h()，則沖激響應(yīng)的均方根寬度為，則沖激響應(yīng)的均方根寬度為考慮到實(shí)際情況，輸入脈沖是有一定寬度的考慮到實(shí)際情況，輸入脈沖是有一定寬度的,可得到可得到dttPtdttPtiioo)()()()(2222圖圖1 16 6 (a)(a)使用砷化鎵使用砷化鎵激光器激光器(0.908um)(0.908um)做做往復(fù)脈沖法的往復(fù)脈沖法的實(shí)驗(yàn)裝置；實(shí)驗(yàn)裝置；(b)(b)終端反射器終端反射器簡(jiǎn)圖簡(jiǎn)圖 3 3 頻域法頻域法是用正弦波調(diào)制光波來(lái)測(cè)量光纖頻域法是用

6、正弦波調(diào)制光波來(lái)測(cè)量光纖色散的方法。色散的方法。3.1 3.1 模內(nèi)色散測(cè)量模內(nèi)色散測(cè)量 模內(nèi)色散測(cè)量常采用相移法。相移法是通過(guò)測(cè)量不同波模內(nèi)色散測(cè)量常采用相移法。相移法是通過(guò)測(cè)量不同波長(zhǎng)下同一正弦調(diào)制信號(hào)的相移得出群延時(shí)與波長(zhǎng)的關(guān)長(zhǎng)下同一正弦調(diào)制信號(hào)的相移得出群延時(shí)與波長(zhǎng)的關(guān)系，進(jìn)而算出色散系數(shù)的一種方法。系，進(jìn)而算出色散系數(shù)的一種方法。由于它要求的測(cè)試設(shè)備較簡(jiǎn)單，且正弦信號(hào)可采用窄帶由于它要求的測(cè)試設(shè)備較簡(jiǎn)單，且正弦信號(hào)可采用窄帶濾波放大有利于提高信嗓比，測(cè)量準(zhǔn)確度高，因此濾波放大有利于提高信嗓比，測(cè)量準(zhǔn)確度高，因此已被廣泛應(yīng)用。已被廣泛應(yīng)用。相移法光纖色散測(cè)量系統(tǒng)框圖相移法光纖色散測(cè)量系

7、統(tǒng)框圖 波長(zhǎng)選擇器包層模消除器被測(cè)光纖相位計(jì)計(jì)算機(jī)振蕩器濾波器光源光檢測(cè)器 假設(shè)光源的調(diào)制頻率為假設(shè)光源的調(diào)制頻率為f (它應(yīng)小于光纖的基帶它應(yīng)小于光纖的基帶帶寬帶寬)，經(jīng)長(zhǎng)度為，經(jīng)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖后，波長(zhǎng)為的光纖后，波長(zhǎng)為的光相對(duì)于波的光相對(duì)于波長(zhǎng)為長(zhǎng)為0的光傳播延時(shí)差為的光傳播延時(shí)差為t，那么從光纖出射端接收，那么從光纖出射端接收到的兩種光的調(diào)制波形相位差到的兩種光的調(diào)制波形相位差()滿(mǎn)足下式滿(mǎn)足下式ddkmpsfLLt)()()/(2)()(3.2 3.2 模間色散測(cè)量利用頻譜分析儀分別測(cè)出光纖輸入和輸出光波包絡(luò)利用頻譜分析儀分別測(cè)出光纖輸入和輸出光波包絡(luò)信號(hào)的頻域函數(shù)信號(hào)的頻域函數(shù)Pi(

8、)Pi()和和Po()Po()然后求得基帶響然后求得基帶響應(yīng)的幅頻函數(shù)應(yīng)的幅頻函數(shù)H()H()Po()Po()Pi()Pi()并確定被并確定被測(cè)光纖的帶寬測(cè)光纖的帶寬B. B. 根據(jù)帶寬根據(jù)帶寬B B與基帶響應(yīng)脈沖的均方與基帶響應(yīng)脈沖的均方根寬度根寬度h h 的關(guān)系，即可得到由光纖色散引起的脈的關(guān)系，即可得到由光纖色散引起的脈沖展寬量。沖展寬量。 4 4 時(shí)域法和頻域法的比較時(shí)域法和頻域法的比較時(shí)域法測(cè)光纖色散是觀察經(jīng)脈沖調(diào)制的光信號(hào)通時(shí)域法測(cè)光纖色散是觀察經(jīng)脈沖調(diào)制的光信號(hào)通過(guò)光纖后的時(shí)間延遲或脈沖展寬過(guò)光纖后的時(shí)間延遲或脈沖展寬頻域法是使用不同頻率的正弦波調(diào)制光信號(hào)測(cè)頻域法是使用不同頻率的

9、正弦波調(diào)制光信號(hào)測(cè)得光纖的基帶響應(yīng)。得光纖的基帶響應(yīng)。 時(shí)域法要求產(chǎn)生和探測(cè)極窄的脈沖，而頻域時(shí)域法要求產(chǎn)生和探測(cè)極窄的脈沖，而頻域法需要一個(gè)從低頻到高頻法需要一個(gè)從低頻到高頻(GHz)(GHz)的可調(diào)信號(hào)源用的可調(diào)信號(hào)源用以驅(qū)動(dòng)激光器或發(fā)光管，并要有相應(yīng)的探測(cè)裝置：以驅(qū)動(dòng)激光器或發(fā)光管，并要有相應(yīng)的探測(cè)裝置：在測(cè)量準(zhǔn)確度方面，頻域法優(yōu)于時(shí)域法。在實(shí)際測(cè)在測(cè)量準(zhǔn)確度方面，頻域法優(yōu)于時(shí)域法。在實(shí)際測(cè)量中，由于輸入脈沖本身或光輸出探測(cè)器等原因，量中，由于輸入脈沖本身或光輸出探測(cè)器等原因，檢測(cè)到的脈沖不可能很窄。檢測(cè)到的脈沖不可能很窄。用頻域法來(lái)測(cè)量，只要根據(jù)用頻域法來(lái)測(cè)量，只要根據(jù) H()H()Po()/Pi()Po()/Pi()測(cè)量在光纖輸入端和輸出端的頻率響應(yīng)，并求它們測(cè)量在光纖輸入端和輸出端的頻率響應(yīng)，并求它們的商，就可以得到光纖的基帶響應(yīng)的幅值。的商，就可以得到光纖的