色散測試儀

光纖色散測試儀在光纖光纜生產廠家是必備的測試儀器之一，它的主要技術指標有以下幾項：波長測量範圍、波長分辨力、零色散波長測量準確度、色散斜率測量重複性等。

基本介紹

• 中文名：色散測試儀
• 類型：一種光電測試的儀器
• 用途：用於測量光纖通信系統中的色散

簡要概述

在光纖通信系統中，光脈衝經過光纖長距離傳輸後會被展寬，這種展寬現象就稱為色散。光纖的色散包括模間色散和模內色散，模內色散又分為材料色散和波導色散，它們產生的原因各不相同。

1、 模間色散：光纖中同時傳播不同模式的光波，有不同的傳播速度形成模間色散。

2、 材料色散：光纖材料的折射率會隨傳輸光波長變化而改變，折射率不同傳輸速度也不同，因此由於光源具有一定的譜寬導致折射率的變化而引起了色散效應。

3、 波導色散：光信號某一傳播模式的群速度隨光波長變化而改變所引起的脈衝展寬成為波導色散。

由於光纖通信系統中採用的單模光纖只傳輸主模，因此不存在模間色散，只有材料色散和波導色散。多模光纖中三種色散都存在，但模間色散遠大於模內色散。

對於光纖通信系統來說，所用光源總有一定的光譜寬度，存在一定的波長範圍。由於各單一波長分量承載的光信號經過光纖傳輸後到達探測器的時間有差異，它們疊加的結果就使光脈衝展寬。根據光纖色散的產生機理，人們用單位長度波長間隔內的平均群時延來表示。如果在波長λ下，單位長度光纖產生的群時延 (λ)，則色散大小用色散係數D來評定時，其定義為

D(λ)=d (λ)/dλ * 1/L

上式表達了在某一波長，當光源譜寬為1nm時，單位長度（1km）光纖上的傳輸脈衝展寬值，它反映了光源譜寬對色散的影響，對於只存在模內色散的單模光纖，由於模內色散和光源譜寬密切相關，因此色散係數全面地反映了單模光纖的色散特性。為了更好地描述光纖色散情況，人們還定義了零色散波長λ₀和零色散波長斜率S₀：當單模光纖的材料色散和波導色散在某個波長處相互正負抵消並使總色散為零時，稱該波長為零色散波長λ₀；色散係數隨波長變化曲線在零色散波長λ₀處的斜率即為零色散波長斜率S₀。

工作原理

光纖色散的大小限制了光纖傳輸的最大距離，尤其是高速率、大容量信號傳輸時，色散的影響更為強烈，因此國際電信聯盟（ITU）對各種光纖的色散特性進行了具體規定，圖表1-1所列。

表1-1 ITU關於光纖色散特性的規範

主要參數	G.652	G.653	G.654	G.655
零色散波長	(1300~1324)nm	(1500~1600)nm	未規定	未規定
零色散波長斜率	0.093ps/(nm· )	0.085ps/(nm·km)	未規定	未規定
最大色散係數（1288~1339）nm	<3.5ps/(nm·km)	未規定	<3.5ps/(nm·km)	未規定
最大色散係數（1525~1575）nm	<20ps/(nm·km）	<3.5ps/(nm·km)	<20ps/(nm·km)	未規定

除了以上這些工程上常用的單模光纖以外，還有一些具有特殊色散特性的光纖類型，如色散平坦光纖，在整個光纖通信的長波長範圍（1300nm~1600nm）都具有低色散的特性；還有色散補償光纖，其特點是在1550nm附近具有較大的負色散係數，可以補償常規單模光纖工作於1550nm時產生的正色散。

光纖色散的測量方法有很多，有頻域法、時域法、干涉法等，其中時域法和干涉法易於實現，所用設備簡單，測量直接方便，但測量準確度不高；頻域法雖然較為複雜，但測量準確度最高。目前商用光纖色散測試儀通常採用頻域法中的相移法或差分相移法。

頻域相移法

不同波長的光信號通過相同長度光纖時所用時間會稍有差別，由於時延不同而表現出不同的相位移動。頻域相移法就是利用測量不同波長的光信號通過被測光纖後產生的相移差別來計算時延差的一種方法。

如圖1-2所示，被測光纖長度為L，設可變波長光源的輸出波長從λ₁~λ_n掃描輸出時，射頻信號源用頻率為f的正弦電信號去調製可變波長光源的輸出光波，對應每個波長光纖輸入端信號的初始相位分別是 , 表示傳輸時延，則通過被測光纖後的相位分別為

圖1-2 頻域相移法測量原理框圖

假定通過參考通道的每一波長的參考信號的時延都一樣，用 表示，則測量信號與參考信號相比後每一波長的相位差是

測量時，為了消除相位翻轉次數的影響，應選擇合適的調製信號的頻率f，使其滿足以下條件 （N為相位翻轉次數），於是式（1.1）中的相位差可以表示為

式（1.2）中 是系統測得的相移量，相應的延遲時間表示為

(1.3)

由式（1.3）可以清楚地看出，從測得的相移量就能直接計算出不同波長之間的相對群時延，而不受初始相位和翻轉次數的影響。根據不同波長對應的，採用合適的曲線擬合公式計算，如三項或五項Sellmeier表達式，就可以得到最佳擬合曲線(λ)，然後根據式D(λ)=d (λ)/dλ * 1/L計算進一步得到色散特性曲線D（λ），當D（λ）=0時，相應的波長λ就是被測光纖的零色散波長。

頻域差分相移法

頻域差分相移法是頻域相移法的一種變型。該測量方法不是由通過測量群時延，再由群時延曲線經擬合處理後得到色散的數值，而是根據色散參數的定義，直接測量/λ，從而求得色散參數。

如圖1-3所示，低頻信號源以頻率f₁（典型值為100Hz）對可變波長光源的波長進行調製，其調製波長的寬度為λ。同時在計算機的控制下，可變波長光源的中心波長從色散測量波長範圍的低端掃描到高端。RF信號源以頻率f₂（一般為幾百兆赫）調製可變波長光源的輸出。經調製的光信號輸入到被測光纖，經光電檢測、濾波、放大，由相位計測出光信號經過被測光纖後的相位變化，相位計輸出經鎖相放大器後由計算機直接計算出/λ，最後在計算機中完成整個測量波長範圍內的/λ值，根據式D(λ)=d (λ)/dλ * 1/L就得到了色散—波長關係曲線。一般光纖光纜生產廠家使用的光纖色散測試儀大多數採用的是頻域差分相移法。

圖1-3 頻域差分相移法測量原理框圖

技術套用

光纖色散測試儀在光纖光纜生產廠家是必備的測試儀器之一，它的主要技術指標有以下幾項：波長測量範圍、波長分辨力、零色散波長測量準確度、色散斜率測量重複性等。

在一個光纖通信工程進行設計時首先就需要考慮所使用光纖的零色散波長和零色散波長附近的色散係數。光纖的零色散波長決定了系統所用光發射機的工作波長，其色散係數的大小決定了通信系統的中繼距離和採取何種色散補償方法。因此，無論是在光纖光纜生產過程中，還是在光纖通信系統施工建設中，色散都是必須準確測量的一個關鍵參數。同樣，對於在光纖通信系統中使用的各種光纖器件，其色散大小也需要準確測量。

隨著光纖通信技術的發展，目前商用高速光纖傳輸系統的速率已達10Gbit/s，並且已經有速率為40Gbit/s的系統投入小範圍套用，實驗室水平更達到了160Gbit/s速率的水平。對於10Gbit/s速率以上的光纖通信系統，除了材料色散和波導色散影響傳輸距離以外，偏振模色散也是限制傳輸距離的重要因素。傳統的商用光纖色散測試儀只能對色散係數、零色散波長、色散斜率等一般色散參數進行測量，而最近幾年新出現的光纖色散測試儀器不但可以測量一般的色散參數，還可以對光纖光纜或光纖器件的偏振模色散進行測量。