 Optoelectronics 光电子, 2012, 2, 19-25 http://dx.doi.org/10.12677/oe.2012.24004 Published Online December 2012 (http://www.hanspub.org/journal/oe.html) A Study of Dispersion Measurement for Optical Fiber by Phase-Modulation Method Xi Zhang1,2, Xiaoying Li u1,2, Zhenhui Zhou1,2 1National Engineering Laboratory for Next Generation Internet Access System (HUST), Wuhan 2School of Optoelectronic Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan Email: liuxy@mail.hust.edu.cn Received: Mar. 7th, 2012; revised: Mar. 15th, 2012; accepted: Apr. 23rd, 2012 Abstract: Optical fiber communication is the mainstream of communication development at present. However, with the development of optical fiber communication system which trending towards ultra-long length, ultra-large capacity and ultra-high speed, fiber dispersion turned to be a great obstacle. How to control the dispersion created in the optical communication system effectively while force optical signal to reach the receiving end in high-capacity, high-rate and error-free long-distance transmission has increasingly become a research focus of optical fiber communication systems. It is a great significance to research about monitor and dynamic compensate dispersion in the optical communication systems, so that the ultra-large capacity, ultra-long length and ultra-high speed optical fiber communication systems would not be impossible, all-optical intelligent network with automatic switching functions would come true. Among the varieties of methods to measure fiber dispersion, the phase-modulation shift method is the unique one, which has the advantages of simple structure, high reliability. In this paper, we make a research and simulate to use the phase-modu- lation shift method, meanwhile we also discuss about the factors which affect the accuracy of the results in the different fiber lengths and modulation frequencies. By the means that selecting appropriate modulation frequency, we can use modulation phase shift method to measure the exact value of dispersion comes out from different lengths of fiber. Moreover, this paper also proves that the phase-modulation shift method is able to measure the optical fiber with arbi- trary dispersion-wavelength curve, which is already verified by our simulation. Therefore, the phase-modulation shift method is well to be applied to take practice in the high-precision fiber dispersion measurement. Keywords: Optical Fiber Communication; Fiber Dispersion; Modulation Phase Shift Method; Modulation Frequency 使用调制相移法测量光纤色散的研究 张 曦1,2，刘小英 1,2，周镇辉 1,2 1华中科技大学下一代互联网接入系统国家工程实验室，武汉 2华中科技大学光电子科学与工程学院，武汉 Email: liuxy@mail.hust.edu.cn 收稿日期：2012 年3月7日；修回日期：2012 年3月15 日；录用日期：2012 年4月23 日 摘 要：光纤通信已经成为目前通信网络发展的主流方向。但是随着光纤通信系统向着超远距离、超大容量、 超高速率的方向发展，光纤色散已经成为其巨大的阻碍。如何有效地控制光通信系统中产生的色散，使光信号 在大容量、高速率、长距离传输中无误码地到达接收端，已经成为人们迫切需要解决的问题。对光通信系统中 的色散进行监测并进行动态补偿的研究，使得超大容量、超长距离、超高速率的光纤通信系统成为可能，有助 于最终实现全光智能自动交换网络。在众多测量光纤色散的方法中，调制相移法具有结构简单，可靠性强等优 点。本文中，我们对使用调制相移法测量光纤色散进行了研究和仿真，讨论了在不同光纤长度和不同调制频率 下，影响调制相移法测量结果精度的因素。通过适当地选取调制频率，我们可以使用调制相移法测得不同光纤 长度下色散的精确值。另外在本文中，我们通过仿真验证了调制相移法可以测量具有任意色散–波长曲线的光 纤。因此在实际应用中，调制相移法是可以应用于高精度光纤色散的测量。 Copyright © 2012 Hanspub 19  使用调制相移法测量光纤色散的研究 Copyright © 2012 Hanspub 20 关键词：光纤通信；光纤色散；调制相移法；调制频率 1. 引言 光纤通信作为众多通信系统中的佼佼者具有速 率高，传输容量大，传输距离远，抗干扰能力强，保 密性好等优点，已经成为通信发展的主流方向[1]。随 着光纤通信系统传输容量和传输距离的增加，光纤中 色散所导致的负面影响越来越突出[2-4]，因此光纤通信 系统中的色散必须得到控制并减小。为了控制色散， 我们需要了解色散的成因。首先，光纤中传播的光信 号不是单一波长的。这主要由两方面原因引起：一、 光源发出的激光不是单色光；二、由于信号调制，激 光频谱会发生展宽。其次，这种由不同频率构成的光 波在光纤中传输，由于不同波长的光波在光纤中传播 的速率不同，因此产生了色散。由于光纤放大器是一 种模拟器件，不能对光信号进行再生(缺少对光信号的 再生修复能力)，因此在传输过程中，色散会不断积累。 积累的色散会引起脉冲发生展宽从而导致严重的码 间串扰，会使传输容量和传输距离受到极大的限制。 实际上，在各种光通信网络中，光纤通信系统的色散 补偿都是维护光通信传输质量的重要一环。对光通信 系统中的色散进行监测并进行动态补偿的研究，使得 超大容量、超长距离、超高速率的光纤通信系统成为 可能，有助于最终实现全光智能自动交换网络。本文 分析了调制相移法测量光纤色散的测量原理[5]，并使 用这种方法测量了不同长度的光纤和具有任意色散 –波长曲线的光纤。我们分析了测量结果，通过改进 调制频率使其应用于光纤色散的高精度测量中。 Figure 1. Schematic diagram of phase-modulation measurement of fiber dispersion 图1. 调制相移法测量光纤色散原理图 到两束光波在光纤传输后产生的相位差： 12 (1) 由于调制器的调制频率为ω，因此可以求得两束 光波在光纤传输后的相对群时延差： (2) 由于群时延差与光纤色散的关系为： DL (3) 式中，L为待测光纤的长度，Δλ = λ1 − λ2。 因此如果知道光纤长度 L和两束光脉冲的波长差 Δλ，便可求得待测光纤色散，并且可以由下式表达： D LL (4) 3. 仿真软件和系统简介 2. 调制相移法测量光纤色散原理 3.1 . V PI软件介绍 图1为调制相移法测量光纤色散的原理图。将两 种不同波长的光波 12 , 输入到待测光纤中。由于光 纤折射率的原因，这两种光波在光纤中传播时的速度 是不一样的，因此经过光纤传输后，其到达终端的时 间也是不一样的。假设这两种光波到达终端的时间差 为 。如果使用高频率振荡器产生的正弦波信号(频 率为 ω)，并且使用调制器，来对这两束不同波长的光 脉冲进行调制。然后将调制后的光波输入到光纤中进 行传输，并且将传输后的光波利用光电转换器转换为 电信号。将产生的两种电信号传输给鉴相器，便可得 VPI 是目前世界范围内最有优秀的光子自动化设 计软件。它们的应用主要有：光发射机设计，色散分 布图设计，光分插复用器设计，掺饵光纤放大器与激 光器设计，SONET/SDH环网设计，光交叉连接设计， 长程光网络设计，接收机设计以及模拟光纤通信系统 设计等。在本文中，我们利用 VPI 软件对调制相移法 测量光纤色散进行了仿真和研究工作。 3.2. 仿真系统介绍 按照图 1所示的测量原理图，在 VPI软件平台上  使用调制相移法测量光纤色散的研究 搭建了调制相移法测量光纤色散系统，如图 2所示。 其基本结构与原理图相似，由于添加了具体的转换器 件和测量仪器，因此仿真系统图略显复杂。 图中 Opical Frequency和LD 两个模块构成了整 个仿真系统的光信号产生部分。Optical Frequency模 块用于产生一个斜坡信号，在系统中用于逐步递增光 信号频率，同时可以通过调整其参数来控制光信号的 初始频率，频率递增间隔以及光信号频率递增次数。 斜坡信号由 Optical Frequency模块输出后进入被分成 两束。一束输入给 LD 模块，另一束输入给 Phase to Dispersion Calculator 模块。LD 收到 Optical Frequency 模块的信号后进行频率初始化以及逐步递增 LD产生 的光信号频率。光信号由 LD 模块输出后，进入 Modulator 调制器中。在 Modulator 调制器中，调制信 号对光信号进行调制。经过调制的光信号由调制器 Modulator 输出后，便进入待测光纤中。携带有相位 信息的光信号由待测光纤输出后进入 OE converter模 块。OE converter模块是光电转换器，用于将接收到 的光信号转化为电信号。光信号在 OE converter模块 中转换为电信号后，输入Phase Detector模块。Phase Detector 用于测量信号的相位信息。光信号的相位信 息由 Phase Detector模块输出后进入 Phase to Disper- sion Calculator 模块。Phase to Dispersion Calculator 模 块的作用是将相位信息转换为色散参数值。 上述各模块构成了调制相移法测色散仿真系统 的主要结构。除了这些模块，仿真系统还添加了一些 参数测量仪器。其中 Phase-frequency curve模块用于 生成光信号相位与频率的函数坐标图，Dispersion- wavelength curve 模块用于生成光纤色散与光信号波 Figure 2. Schematic diagram of simulation system of phase-modulation measurement 图2. 调制相移法测光纤色散的仿真系统图 长的函数坐标图。 4. 仿真结果与分析 本文利用调制相移法仿真测量了不同长度的光 纤色散。表 1展示了待测光纤的基本参数。 4.1. 待测光纤长度为 10 m时 表2为仿真系统参数。 观察色散–波长，相位–频率仿真坐标图(图3)， 可以发现色散与光波长成线性关系，相位与光频率成 线性关系。通过对比仿真结果与光纤预设参数，可以 发现两者是一致的。 4.2. 待测光纤长度为 100 m时 表3为仿真系统参数。 观察图 4，可以发现色散与光波长成线性关系， 但是存在抖动，相位与光频率成线性关系。此时测得 的光纤色散与光纤预设值有较大出入，因此不能运用 于长度为100 m 时光纤的高精度色散测量。 测量 100 m长的待测光纤时，由于待测光纤长度 变长而调制频率不变，因此调制后的光信号在从光纤 中输出时会造成时域上的展宽形变。由于光信号发生 展宽形变，会对接收端测量的光波相位产生影响，使 测得的频率相邻的光信号相位差误差变大。所以 100 m待测光纤测得的色散曲线抖动可能是由于光波之间 测得的相位差存在较大的误差造成的。因此如果我们 想要得到正确的仿真结果，需要减少调制频率。 调整后的仿真系统参数如表 4所示。 图5展示了当调制频率由 1778 Hz减少到 1000 Hz 时，测得的色散–波长曲线和相位–频率曲线。从 仿真结果可以看出测量结果与光纤预设参数一致。 Table 1. The parameters of the fiber under test 表1. 待测光纤的基本参数 参考频率 (Hz) 光纤长度 (m) 色散 (s/m2) 色散斜率 (s/m3) 非线性指数 (m2/w) 纤芯面积 (m2) 1.931e−1210/100/10001.6e−5 0.8e−2 0 8e−11 Table 2. Simulation system parameters 表2. 仿真系统参数 调制频率(Hz) 光频率递增间隔 (Hz) 光波初始频率 (Hz) 光纤长度(m) 1778 10e−10 1.91e−14 10 Copyright © 2012 Hanspub 21  使用调制相移法测量光纤色散的研究 (a) (b) Figure 3. Measured dispersion-wavelength curve and phase-frequency curve when the fiber length is 10 m and modula- tion frequency is 1778 Hz 图3. 待测光纤长度为 10 m，调制频率为 1778 Hz时，测得的色散 –波长曲线和相位–频率曲线 (a) (b) Figure 4. Measured dispersion-wavelength curve and phase-frequency curve when the fiber length is 100 m and modula- tion frequency is 1778 Hz 图4. 待测光纤长度为 100 m，调制频率为1778 Hz时，测得的色 Table 3. Simulation system parame 散–波长曲线和相位–频率曲线 ters 调制频率(Hz) 光频率递增间隔(Hz) 初始光频率(Hz) 光纤长度(m) 表3. 仿真系统参数 1778 10e−10 1.91e−14 100 Table 4. Simulation system parameters 调制频率(Hz) 光频率递增间隔(Hz) 光波初始频率(Hz) 光纤长度(m) 表4. 仿真系统参数 1000 10e−10 1.91e−14 100 (a) (b) Figure 5. Measured dispersion-wavelength curve and phase-fr la- 图5. 待测光纤长度 0 Hz时，测得的色 4.3. 待测光纤长度为 1000 m时 表5为仿真系统参数。 色散与光波长不成线性 关系 率曲线坐标图可以发现，相位曲线 成周 equency curve when the fiber length is 100 m and modu tion frequency is 1000 Hz 为100 m，调制频率为100 散–波长曲线和相位–频率曲线 观察图 6，可以发现光纤 ，相位与光频率成锯齿状。光纤预设参数与仿真 结果完全不符。 观察相位–频 期锯齿状。其中，最大相位与最小相位相差大约 Copyright © 2012 Hanspub 22  使用调制相移法测量光纤色散的研究 Table 5. Simulation system parameters 表5. 仿真系统参数 调制频率(Hz) 光频 始 光纤长度(m) 率递增 光波初 间隔(Hz) 频率(Hz) 1778 10e−10 1.91e−14 1000 (a) (b) Figure 6. Measured dispersion-wavelength curve and phase- odu- 60˚。因此可以看出锯齿的产生是由于最大光频率与 制在 360˚ 表6所示。 到562 Hz 时， 待测光纤具有任意色散波长曲线时 值。 。 开口向下的 抛物 调制频率(Hz) 光频 光纤长度(m) frequency curve when the fiber length is 1000 m and m lation frequency is 1778 Hz 图6. 待测光纤为 1000 m，调制频率为1778 Hz时， 色散– 线和相位–频测得的 波长曲率曲线 3 最小光频率的相位差超过 360˚造成的。从色散–波长 图中可以发现，由于相位–频率图中锯齿的存在，使 得测得的光纤色散曲线出现两个向下的脉冲，因此测 得的光纤色散与光纤预设参数是完全不符的。 要使最大光频率与最小光频率的相位差控 以内，可以通过降低调制器调制频率完成。因为 光信号在光纤中的传输时间不变，而光信号的振动频 率减小，因此频率相邻的光信号在光纤中传输后产生 的相位差也会减小，从而使最大光频率与最小光频率 的相位差控制在360˚以内。 调整后的仿真系统参数如 图7展示了当调制频率由 1778 Hz 减少 测得的色散–波长曲线和相位–频率曲线。从仿 真结果可以看出测量结果与光纤预设参数一致。 4.4. – 表7为仿真系统参数。 图8为待测光纤预设色散 图9为待测光纤仿真测量数据图 观察图 8，可以发现色散–波长曲线成 线型，相位–频率曲线成正弦波型。对比测量值和 预设值，可以发现两者基本一致。测量值和预设值微 Table 6. Simulation system parameters 表6. 仿真系统参数 率递增 光波初始 间隔(Hz) 频率(Hz) 562 10e−10 1.91e−14 1000 (a) (b) Figure 7. Measured dispersion-wavelength curve and phase- odu- 测得的色 率曲线 frequency curve when the fiber length is 1000 m and m lation frequency is 562 Hz 图7. 待测光纤为 1000 m，调制频率为562 Hz时， 散–波长曲线和相位–频 Copyright © 2012 Hanspub 23  使用调制相移法测量光纤色散的研究 Table 7. Simulation system parameters 表7. 仿真系统参数 调制频率(Hz) 光 增间隔(Hz) 频率(Hz) 光纤长度(m) 频率递 光波初始 1778 5e−11 1.81e−14 10 Figure 8. Default dispersion-wavelength curve of the er under test fib 图8. 待测光纤预设色散–波长曲线 (a) (b) Figure 9. Measured dispersion-wavelength curve and phase-frequency curve when the fiber has arbitrary dispersion- 图 要介绍了使用调制相移法测量光纤色散 的方 们使用调制相移法对不同长度的光纤进行了 测量 最小光 频率 长 度的 相移法对具有任意色散–波 长曲 纤，并可以得到光纤色散的精确值。 wavelength curve 9. 待测光纤具有任意色散–波长曲线时，测得的色散-波长曲线 和相位–频率曲线 小的差异可能是由于光信号被调制器调制造成光信 号频谱展宽而产生的。频谱展宽后的光信号经过待测 光纤传输后，会在时域上发生展宽，从而使系统接收 端测得的光信号相位产生差错，导致测量的色散值与 预设值有较小的差异。 5. 结论 本文主 法，这种方法具有结构简单，可靠性强等优点。 本文讨论了影响调制相移法测量光纤色散精度的因 素并加以改善，使其满足高精度光纤色散的测量要 求。 我 。我们发现随着待测光纤长的增加，但最大光频 率与最小光频率相位差小于360˚时，色散曲线开始出 现抖动，测得的色散发生误差。经过分析可以知道这 种现象是由于光信号调制产生的新频谱使光波在光 纤传输后产生形变展宽造成的。由于光信号时域上的 展宽形变，使得测量的相位产生了误差，因此测得的 色散也变得不精确。此时可以通过降低调制频率来降 低相位误差，进而测得光纤色散的精确值。 随着光纤长度进一步增加，最大光频率与 相位差大于360˚时，相位–频率坐标图会出现锯 齿，从而使光纤色散的测量产生错误。此时可以通过 降低调制频率，将最大光频率与最小光频率相位差控 制在 360˚内，从而可以测得精确的光纤色散值。 从上述仿真结果和分析结论可以知道对不同 光纤进行色散测量，调制频率是相当重要的。调 制频率应小于待测光纤的基带带宽，并且适当的减小 调制频率可以减小由于接收端相位测量系统测得的 相位误差。但是调制频率不能过小，过小的调制频率 会使得光纤色散测量精度不高。在实际应用中，因为 过小的调制频率会使光信号最大频率与最小频率相 位差也过小，从而使得光信号接收端鉴相器接收的信 号信噪比过小，无法得到精确的相位值。因此测得的 光纤色散精度不高。 另外本文利用调制 线的光纤进行了测量。从测量结果，我们验证了 调制相移法可以测量具有任意色散–波长曲线的光 Copyright © 2012 Hanspub 24  使用调制相移法测量光纤色散的研究 Copyright © 2012 Hanspub 25 ptical perform monitoring for the next generation optical communication net- works. Optical Fiber Technology, 2010, 16(1): 20-45. [2] S. Wielandr, et al. Real-time measure rsion for automatic dispersion compensation.s, 2002, 38(20): 1198-1199. 参考文献 (References) [1] Z. Q. Pan, C. Y. Yu and A. E. Willner. Oance [4] S. Wielandy, L. Nelson and M. Fishteyn. Simultaneous optical performance monitoring of chromatic dispersion and PMD for 40G b/s data transmission. OSA/FIO, 2004. y, M. Fishteyn, T. He of accumulated chromatic dispe Electronics Letter ment [5] Virtual Photonlcs Inc. VPltransmissionMake GUI Manual. Ber- lin: VP lnc., 1996-2000. [3] S. Wielandy, P. S. Westbrook, M. Fishteyn, et al. Demonstration of automatic dispersion control for 160G bit/s transmission over 275 km of deployed fibre. Electronics Letters, 2004, 40(11). |