基于高精度光纤长度测试建立的高效DWDM光纤配相方法

郑学杰 陈俊宇 兰才伦 蒋利群 刘必晨

【摘要】    分析了OFDR的工作原理，开发出其对DWDM器件通道光纤长度测量的方法。采用光纤长度高精度控制的方法进行光纤配相。验证了该方法的正确性和高效性。并推荐进行了一定规模的应用。

【关键词】    相控阵    长度测试    密集波分复用    光频域反射

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

随着相控阵雷达的普及发展，对雷达、测控系统的时频信号相位一致性提出了更高的要求。相控阵雷达是通过改变天线各发射单元驱动信号的相位来控制波束指向，以提高扫描的灵活性，并且精确的相位和幅度控制还可以提高波束的主副瓣比，从而改善雷达信号。[1]近年来雷达、测控系统的时频信号趋向采用光传输方案，因其长距离，高带宽，重量轻等等优势越来越受瞩目和应用。那么光纤传输也必然用到光纤延迟线技术实现延时相位匹配。延时相位匹配机理大体可分为两种，一种是单纯的通过物理长度的改变实现，另一种是多波长法。本文着重介绍控制光纤物理长度，实现DWDM时频传输信号配相（相位一致性）的方法。

一、密集波分复用各分配通道光纤的长度测量

密集波分复用技术作为一项较为成熟的技术，已经广泛应用到光通信的各个领域。采用DWDM光纤传输系统将光纤高带宽和重量轻等优势进一步放大。将DWDM技术应用到相控阵雷达的多路时频信号传输，对各路时频信号相位一致性的高精度控制提出了更高的挑战。传统的光时域反射仪（OTDR）由于光纤长度测量精度低，以及无法针对DWDM各通道区分测量，无法满足要求。光频域反射仪（OFDR）因其功能性强，测量精度高，越来越受到光通信领域的关注，已逐步应用到光纤诊断、光纤传感等等领域。我们利用光纤频域反射仪的强大功能，将其应用于DWDM光纤的精密测量。

OFDR 技术基本原理如图 1 所示，光源发出的线性扫频光信号通过耦合器分成两路，其中一路被注入到待测光纤中，由于光纤中存在瑞利散射和菲涅尔反射，背向光通过耦合器被耦合到探测器中;另一路光经反射镜返回后作为参考光同样被耦合器耦合到探测器中，光程是固定的。如果背向光与参考光满足相干条件，就会在光电探测器的光敏面上发生混频，光电探测器输出相应频率的光电流，幅度正比于光纤某一点的后向散射系数和光功率大小。利用频谱分析仪进行模数变换、频域采样和快速傅里叶变换， 把时域信号转化为频域信号，通过测试频率的最大值推导出待测光纤的长度[2]。

OFDR测量光纤长度具有高灵敏度和高空间分辨率。由于OFDR采用线性扫频光信号，当扫频光信号通过DWDM系统时，经过波长筛选，只有满足DWDM要求的窄频光信号才能通过，这样不同通道的窄频光信号会有不同的背向光。当使用OFDR测试DWDM器件就会测出对应不同通道的待测光纤长度。

我们使用美国LUNA公司应用OFDR原理的光背向反射仪OBR 4600对一包含5 路ITU 波长通道CH24（1558.17nm），CH28（1554.94nm），CH32（1551.72nm），CH36（1548.51nm），CH40（1545.32nm）的DMDM器件作光纤长度测试，如图2。

测试结果图上半部分显示器件内部有很多背向光反射峰，其中有5个反射峰分别对应相应测量DWDM通道的光纤长度（图示为3.48000m）。我们从中筛选出背向光成分只包含DWDM窄频光的反射峰，即可知相应通道DWDM的光纤长度。测试结果图下半部分显示选中反射峰对应的光波长成分（图示为1548.51nm±0.2nm）。以此方法逐一测出5个波长对应光纤长度。

二、时频光传输相位计算

我们实验选取最高频率为L波段3GHz的射频光调制信号，保证±10°的相位一致性要求，根据公式1，可计算出3GHz频率下1°相位对应的光纤长度L（1°），其长度计算公式為：

式中c为真空中的光速299792458m/s;n为G652光纤1550nm光的折射率1.4682;f为光信号调制频率。

f=3GHz代入计算可得L（1°）=0.189065mm。要保证±10°的相位一致性要求，光纤长度需满足±1.9mm的长度要求。由此可得0.5GHz、1.9GHz、2.3GHz、2.5GHz射频信号在光纤中传输1°相位对应的光纤长度分别为1.134391mm、0.298524mm、0.283598mm、0.246607mm。

三、光纤相位一致性制备工艺

我们使用用OBR 4600对10组DWDM探测器集成器件进行光纤长度测试，数据如下

根据测试结果及光纤切割熔接工艺实现的可行性考量，我们选取如下光纤熔接配相方案，消除不同器件的相同通道光纤长度差异。

光纤切割刀尾端安装游标卡尺，根据计算结果切去相应长度光纤，切割后将余下部分熔接，理论上熔接后不同器件间相同DWDM光纤长度一致。应用精度为0.02mm游标卡尺测量需要切除的光纤长度，考虑熔接和光纤弯曲等因素在内，能够确保操作过程中光纤长度误差控制在±1mm以内。

四、相位验证测试

我们对完成配相工作的DWDM器件通过AV3672B矢量网络分析仪复测相位，测试原理如图3所示，通过激光器调制和信号解调。测试DWDM相位一致性。

应用矢量网络分析时域变换功能测试系统延迟时间，并测量S21相应频点相位参数。

记录对比10组器件相位一致性完成情况，如下表

由测试结果可知，相位一致性≤±7.615°。相位一致性配置精度极高。

五、高精度光纤配相在相控阵方面的应用

目前相控阵测控系统、雷达的时频信号有着越来越高的相位一致性要求，这为子阵间做好相位基准十分重要。对于大规模，多通道，集成度高的信号传输要求，DWDM光纤配相需求越来越多。本文所述的这种易于大规模实施的光纤配相方法并不多。该方法可以将高精度的光纤配相工作，完全转换为高精度的光纤长度制备工艺。并可避免过程中采用网络分析仪等仪器进行光电转换后的电性能测试。目前该技术已在实际生产中有一定规模的应用，大大提升光纤相位配置效率。

六、结束语

应用OFDR进行光纤长度测试，具有高精度和高空间分辨率的优势。将此优势应用于DWDM光纤配相中，方法高效。

参  考  文  献

[1] 郭葆玲.光控相控阵雷达中的光纤延迟线.上海：中国电子科技集团第二十三研究生所，2007.

[2] 顾一弘.高分辨率 OFDR 关键技术研究[D].成都：电子科技大学硕士论文， 2009.