基于高精度光纖長度測試建立的高效DWDM光纖配相方法

鄭學杰 陳俊宇 蘭才倫 蔣利群 劉必晨

【摘要】? ? 分析了OFDR的工作原理，開發出其對DWDM器件通道光纖長度測量的方法。采用光纖長度高精度控制的方法進行光纖配相。驗證了該方法的正確性和高效性。并推薦進行了一定規模的應用。

【關鍵詞】? ? 相控陣? ? 長度測試? ? 密集波分復用? ? 光頻域反射

Efficient phase matching method for DWDM fiber based on high precision fiber length measurement

Zheng Xuejie，Chen Junyu，Lan Cailun，Jiang Liqun，Liu Bichen? ? Chongqing Optoelectronic Research Institute，

Abstract：This paper analyzed the working principle of OFDR and applied it to develop a method of the fiber length measurement of DWDM device.Using high-precision length control method for time delay technology for optically phased array radar.The correctness and efficiency of the method are verified. And the method was recommended for a certain scale of application.

Key words： optically phased array;length measurement;DWDM;OFDR

引言

隨著相控陣雷達的普及發展，對雷達、測控系統的時頻信號相位一致性提出了更高的要求。相控陣雷達是通過改變天線各發射單元驅動信號的相位來控制波束指向，以提高掃描的靈活性，并且精確的相位和幅度控制還可以提高波束的主副瓣比，從而改善雷達信號。[1]近年來雷達、測控系統的時頻信號趨向采用光傳輸方案，因其長距離，高帶寬，重量輕等等優勢越來越受矚目和應用。那么光纖傳輸也必然用到光纖延遲線技術實現延時相位匹配。延時相位匹配機理大體可分為兩種，一種是單純的通過物理長度的改變實現，另一種是多波長法。本文著重介紹控制光纖物理長度，實現DWDM時頻傳輸信號配相（相位一致性）的方法。

一、密集波分復用各分配通道光纖的長度測量

密集波分復用技術作為一項較為成熟的技術，已經廣泛應用到光通信的各個領域。采用DWDM光纖傳輸系統將光纖高帶寬和重量輕等優勢進一步放大。將DWDM技術應用到相控陣雷達的多路時頻信號傳輸，對各路時頻信號相位一致性的高精度控制提出了更高的挑戰。傳統的光時域反射儀（OTDR）由于光纖長度測量精度低，以及無法針對DWDM各通道區分測量，無法滿足要求。光頻域反射儀（OFDR）因其功能性強，測量精度高，越來越受到光通信領域的關注，已逐步應用到光纖診斷、光纖傳感等等領域。我們利用光纖頻域反射儀的強大功能，將其應用于DWDM光纖的精密測量。

OFDR 技術基本原理如圖 1 所示，光源發出的線性掃頻光信號通過耦合器分成兩路，其中一路被注入到待測光纖中，由于光纖中存在瑞利散射和菲涅爾反射，背向光通過耦合器被耦合到探測器中;另一路光經反射鏡返回后作為參考光同樣被耦合器耦合到探測器中，光程是固定的。如果背向光與參考光滿足相干條件，就會在光電探測器的光敏面上發生混頻，光電探測器輸出相應頻率的光電流，幅度正比于光纖某一點的后向散射系數和光功率大小。利用頻譜分析儀進行模數變換、頻域采樣和快速傅里葉變換， 把時域信號轉化為頻域信號，通過測試頻率的最大值推導出待測光纖的長度[2]。

OFDR測量光纖長度具有高靈敏度和高空間分辨率。由于OFDR采用線性掃頻光信號，當掃頻光信號通過DWDM系統時，經過波長篩選，只有滿足DWDM要求的窄頻光信號才能通過，這樣不同通道的窄頻光信號會有不同的背向光。當使用OFDR測試DWDM器件就會測出對應不同通道的待測光纖長度。

我們使用美國LUNA公司應用OFDR原理的光背向反射儀OBR 4600對一包含5 路ITU 波長通道CH24（1558.17nm），CH28（1554.94nm），CH32（1551.72nm），CH36（1548.51nm），CH40（1545.32nm）的DMDM器件作光纖長度測試，如圖2。

測試結果圖上半部分顯示器件內部有很多背向光反射峰，其中有5個反射峰分別對應相應測量DWDM通道的光纖長度（圖示為3.48000m）。我們從中篩選出背向光成分只包含DWDM窄頻光的反射峰，即可知相應通道DWDM的光纖長度。測試結果圖下半部分顯示選中反射峰對應的光波長成分（圖示為1548.51nm±0.2nm）。以此方法逐一測出5個波長對應光纖長度。

二、時頻光傳輸相位計算

我們實驗選取最高頻率為L波段3GHz的射頻光調制信號，保證±10°的相位一致性要求，根據公式1，可計算出3GHz頻率下1°相位對應的光纖長度L（1°），其長度計算公式為：

式中c為真空中的光速299792458m/s;n為G652光纖1550nm光的折射率1.4682;f為光信號調制頻率。

f=3GHz代入計算可得L（1°）=0.189065mm。要保證±10°的相位一致性要求，光纖長度需滿足±1.9mm的長度要求。由此可得0.5GHz、1.9GHz、2.3GHz、2.5GHz射頻信號在光纖中傳輸1°相位對應的光纖長度分別為1.134391mm、0.298524mm、0.283598mm、0.246607mm。

三、光纖相位一致性制備工藝

我們使用用OBR 4600對10組DWDM探測器集成器件進行光纖長度測試，數據如下

根據測試結果及光纖切割熔接工藝實現的可行性考量，我們選取如下光纖熔接配相方案，消除不同器件的相同通道光纖長度差異。

光纖切割刀尾端安裝游標卡尺，根據計算結果切去相應長度光纖，切割后將余下部分熔接，理論上熔接后不同器件間相同DWDM光纖長度一致。應用精度為0.02mm游標卡尺測量需要切除的光纖長度，考慮熔接和光纖彎曲等因素在內，能夠確保操作過程中光纖長度誤差控制在±1mm以內。

四、相位驗證測試

我們對完成配相工作的DWDM器件通過AV3672B矢量網絡分析儀復測相位，測試原理如圖3所示，通過激光器調制和信號解調。測試DWDM相位一致性。

應用矢量網絡分析時域變換功能測試系統延遲時間，并測量S21相應頻點相位參數。

記錄對比10組器件相位一致性完成情況，如下表

由測試結果可知，相位一致性≤±7.615°。相位一致性配置精度極高。

五、高精度光纖配相在相控陣方面的應用

目前相控陣測控系統、雷達的時頻信號有著越來越高的相位一致性要求，這為子陣間做好相位基準十分重要。對于大規模，多通道，集成度高的信號傳輸要求，DWDM光纖配相需求越來越多。本文所述的這種易于大規模實施的光纖配相方法并不多。該方法可以將高精度的光纖配相工作，完全轉換為高精度的光纖長度制備工藝。并可避免過程中采用網絡分析儀等儀器進行光電轉換后的電性能測試。目前該技術已在實際生產中有一定規模的應用，大大提升光纖相位配置效率。

六、結束語

應用OFDR進行光纖長度測試，具有高精度和高空間分辨率的優勢。將此優勢應用于DWDM光纖配相中，方法高效。

參? 考? 文? 獻

[1] 郭葆玲.光控相控陣雷達中的光纖延遲線.上海：中國電子科技集團第二十三研究生所，2007.

[2] 顧一弘.高分辨率 OFDR 關鍵技術研究[D].成都：電子科技大學碩士論文， 2009.