CN113381825B - 一种新型多模光纤带宽测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型多模光纤带宽测量装置中的激光器输出光经耦合后进入模场直径为5μm的单模光纤探针，通过光纤探针不断向被测多模光纤发射光脉冲，与此同时单模光纤探针在精密位移台控制下沿被测多模光纤径向移动，从光纤轴心向边缘移动，每次移动大约1μm，在不同的偏移位置处输入光脉冲，激励起不同的光纤模式群，由光电探测器记录对应位置处的光脉冲波形，并叠加在同一个时域图上，通过测量多模光纤的微分模时延来计算得到多模光纤的带宽。

Description

一种新型多模光纤带宽测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于光纤带宽测量技术领域，涉及一种新型多模光纤带宽测量装置。

背景技术

光纤的带宽定义为当具有一定调制频率的光脉冲的光损耗比调制频率为零时的光脉冲的损耗增大3dB，即光功率降低一半时，这个调制频率即为带宽。它是由频率和长度的乘积来表示，表示光纤传输信息的能力。光纤的带宽是影响光纤通信传输容量和传输距离的一个重要因素，在数字信号通信传输中，色散会引起脉冲严重展宽，在接收端就可能会因为脉冲展宽而出现相邻脉冲的重叠，从而引起误码，尤其是当前大容量、高速的光纤通信网络中，光纤的带宽会严重影响大带宽、高速的通信信号传输，因此光纤带宽的准确测量对光纤通信信号的准确传输具有非常重要的意义，这也是各大光纤生产厂商对于多模光纤带宽测量非常重视的原因。

数据中心虚拟化、云计算和高速端口等应用正在将数据中心的网络速度推向100Gbit/s，最终将达到400Gbit/s。而现有的OM2和OM3类型的多模光纤已经无法满足现有光纤通信的要求，各大光纤生产厂家都在研发和生产OM4和OM5新型大带宽的多模光纤，因此研制大带宽的新型多模光纤带宽测量仪是必不可少的仪器。因此研制新型多模光纤带宽测量装置或者仪器对我国高速光纤通信具有重要意义。

而目前多模光纤的带宽测试主要包括满注入带宽、限模注入带宽以及有效模式带宽这三种方法。其中满注入带宽的测量方法主要针对小于500MHz·km的测量情况，限模注入带宽的测量方法主要针对小于850MHz·km的测量情况，有效模式带宽主要针对测试带宽大于850MHz·km的测量情况。而以上测试方法又可以分别从时域法和频域法角度对带宽进行测量。

目前有些单位和研究人员已经开展相关技术研究，早在2008年发布的国家标准GB/T15972.41-2008《光纤试验方法规范第41部分：传输特性和光学特性的测量方法和试验程序——带宽》就简单的介绍了多模光纤带宽参数的测量方法，但是该标准仅列出了多模光纤带宽参数的简单测量步骤，并没有给出测量的细节、具体要求以及多模光纤带宽的拟合算法。

与本发明最相近的现有技术“一种基于满注入条件频域法的光纤带宽测量方法”，该方法提出使用环形通量测试系统评估光注入态是否满足满注入条件，通过测量接入被测多模光纤后的光频域函数和去掉被测多模光纤后的光频域函数，通过频谱分析仪对这两个光频域函数进行分析得到被测多模光纤的带宽值。该方法只能测量测量传统的OM2和OM3等多模光纤的带宽，带宽测量范围一般小于1GHz·km，无法满足OM4和OM5等新型多模光纤大带宽的测量要求，尤其是带宽测量值达到3GHz·km以上的大带宽的多模光纤带宽测试要求。另外，“一种基于满注入条件频域法的光纤带宽测量方法”，该方法的基于满注入条件频域法的光纤带宽测量方法中的环形通量测试系统作为判断光注入态是否符合满注入条件的系统，装置较为复杂，不容易实现，同时该发明是通过测量多模光纤的模式基带响应来确定多模光纤的带宽，因此没有考虑光源引起的色度色散引起的带宽变化。

发明内容

本发明提供一种新型多模光纤带宽测量装置及方法，通过基于有效模式带宽的测量方法实现多模光纤的带宽测量。该方法是通过精密位移平台控制单模光纤探针在被测多模光纤径向方向移动，从光纤轴心向边缘移动，从而保证在不同偏移位置处输入光脉冲，从而激励起不同的光纤模式群，最终通过高灵敏度的光电探测器和高性能示波器得到不同位置处的光脉冲波形，再利用多模光纤的微分模时延来计算多模光纤带宽。该发明可以实现3GHz·km以上的大带宽的多模光纤带宽测试，从而解决大带宽的新型多模光纤的带宽测量问题。

本发明的技术方案如下：本发明提供一种新型多模光纤带宽测量装置，包括激光器、耦合器、光信号发射系统、光纤纤芯对准系统以及信号检测系统，其中光信号发射系统又包括单模光纤探针以及精密位移台，光纤纤芯对准系统包括平行光源、CCD相机、显微物镜以及多模光纤，信号检测系统包括光电探测器和示波器；首先激光器输出光经耦合器后进入模场直径为5μm的单模光纤探针中，该单模光纤探针固定在精密位移台上，在精密位移台的控制下单模光纤探针从多模光纤轴心的初始位置沿被测多模光纤的径向移动，每次移动的步进大约为1μm，直至移动到多模光纤的纤芯边缘处；在单模光纤探针移动过程中，在不同的偏移位置处输入激光脉冲信号，从而激励起不同的光纤模式群，不同模式的光脉冲信号在多模光纤中传输的时间是不同的，由光电探测器将光脉冲信号转换为电信号并显示在示波器上，调节示波器的时间刻度和触发时延，通过测量多模光纤的微分模时延来计算被测多模光纤的带宽值。

上述装置中，所述激光器输出光脉冲的宽度的计算以脉冲最大值的25％为起点和终点，光脉冲的最大宽度由被测光纤的DMD值和光纤长度来决定。

上述装置中，所述光信号发射系统，对应于被测多模光纤的工作波长，光纤探针的输出模式要求为单模，必要时使用扰模器滤除高阶模，并且模场直径要求为(8.7λ-2.39)±0.5μm，其中λ为被测多模光纤的工作波长。

上述装置中，单模光纤探针和被测多模光纤的端面要保持垂直，确保两个光纤端面之间的夹角不大于1°，并且单模光纤和被测多模光纤端面之间的距离不超过10μm。

上述装置中，所述光纤纤芯对准系统，采用侧视成像的方法对单模光纤探针与被测多模光纤的纤芯进行对准；平行光源输出的一束平行光径向照射光纤，由于光纤的横截面为圆形，光纤本身等效为一圆柱透镜，在光纤另一侧观察平面上得到光纤的图像，通过显微镜使观察平面成像到CCD相机，得到光纤侧面的清晰图像，通过提取光纤的特征图像，使用图像处理算法计算两根光纤纤芯之间的相对位置，根据位置差对单模光纤探针的位置进行调整。

上述装置中，所述信号检测系统要求与被测多模光纤的工作波长相匹配，所述信号检测系统对于固定注入的测量系统，光时延连续测量时的波动应小于被测多模光纤DMD值的5％。

上述装置中，所述计算被测多模光纤的带宽值的具体步骤为：假定光源谱宽为高斯形状的前提条件下，被测光纤输出波形中每个模式最大幅度的25％的基准面上的脉冲展宽的宽度为ΔT_chrom：

其中δλ为光源的谱宽，D(λ)为被测光纤的色度色散，L为被测光纤的长度；

被测多模光纤输出端每一个模式的25％幅值全宽ΔT_REF为：

通过以上方法测量得到的模式时延差，ΔT_pulse为光脉冲时间宽度，和被测多模光纤色度色散造成的脉冲展宽宽度ΔT_chrom，在计算光纤时间空间响应的DMD偏移测量值时需要减去ΔT_REF：

U(ρ,t)＝(T_slow-T_fast)-ΔT_REF (3)

由公式(3)测量计算得到光纤时间空间响应的DMD偏移测量值U(ρ,t)。其中T_slow为慢脉冲传播所需的时间，T_fast为快脉冲传播所需的时间。

上述装置中，要准确得到多模光纤带宽，需要选取10种不同的标准光源，对每个偏移位置处的DMD值进行测量，然后与相应的权重系数相乘求和，由如公式(4)计算得到光源输出信号经过光纤后的输出脉冲为：

P(t)＝∑_ρU(ρ,t)·ω(ρ) (4)

U(ρ,t)为光纤时间空间响应的DMD偏移测量值，ω(ρ)为权重系数；再进行傅里叶变换，由公式(5)得到输出脉冲的频率响应函数：

公式(5)中，P(t)为输出脉冲，R(t)为输入脉冲，FT表示傅里叶变换，H(f)为频率响应函数；得到了频率响应函数后即可按功率输出输入比从最大值减少到3dB的频率范围求出光纤的带宽。

在上述内容的基础上，本发明还提供一种新型多模光纤带宽测量方法，，包括以下步骤：

步骤1：将激光器输出的光经过耦合器耦合进入光信号发射系统中的单模光纤探针中，单模光纤探针固定在精密位移台上，通过精密位移台的移动来使单模光纤探针发出的脉冲光；沿被测多模光纤从被测多模光纤轴心向边缘径向移动，在不同的偏移位置处输入了光脉冲，进而激励起了不同的光纤模式群；

步骤2：记录下对应位置处的光脉冲波形，并将其叠加在同一个时域图上；

步骤3：通过测量多模光纤的微分模时延来计算被测多模光纤的带宽值。

上述方法中，所述计算被测多模光纤的带宽值的具体步骤为：假定光源谱宽为高斯形状的前提条件下，被测光纤输出波形中每个模式最大幅度的25％的基准面上的脉冲展宽的宽度为ΔT_chrom：

其中δλ为光源的谱宽，D(λ)为被测光纤的色度色散，L为被测光纤的长度；

被测多模光纤输出端每一个模式的25％幅值全宽ΔT_REF为：

通过以上方法测量得到的模式时延差，ΔT_pulse为光脉冲时间宽度，和被测多模光纤色度色散造成的脉冲展宽宽度ΔT_chrom，在计算光纤时间空间响应的DMD偏移测量值时需要减去ΔT_REF：

U(ρ,t)＝(T_slow-T_fast)-ΔT_REF (3)

由公式(3)测量计算得到光纤时间空间响应的DMD偏移测量值U(ρ,t)。其中T_slow为慢脉冲传播所需的时间，T_fast为快脉冲传播所需的时间。

上述方法中，要准确得到多模光纤带宽，需要选取10种不同的标准光源，对每个偏移位置处的DMD值进行测量，然后与相应的权重系数相乘求和，由如公式(4)计算得到光源输出信号经过光纤后的输出脉冲为：

P(t)＝∑_ρU(ρ,t)·ω(ρ) (4)

U(ρ,t)为光纤时间空间响应的DMD偏移测量值，ω(ρ)为权重系数；再进行傅里叶变换，由公式(5)得到输出脉冲的频率响应函数：

公式(5)中，P(t)为输出脉冲，R(t)为输入脉冲，FT表示傅里叶变换，H(f)为频率响应函数；得到了频率响应函数后即可按功率输出输入比从最大值减少到3dB的频率范围求出光纤的带宽。

采用上述方案：(1)通过精密位移平台控制单模光纤探针在被测多模光纤径向方向移动，从光纤轴心向边缘移动，从而保证在不同偏移位置处输入光脉冲，从而激励起不同的光纤模式群。(2)通过平行光源、显微物镜和CCD相机，采用侧视成像的方式实现单模探针在多模光纤端面的高清晰成像，从而保证单模光纤探针与被测多模光纤的纤芯进行对准，进而保证输入光脉冲的位置准确。(3)通过高灵敏度的光电探测器和高性能示波器得到不同位置处的光脉冲波形，再利用多模光纤的微分模时延来计算多模光纤带宽。(4)通过选择光脉冲宽度和光谱宽度很窄的激光器来保证色度色散对被测光纤的微分模时延的影响小于10％，从而保证被测多模光纤带宽测量的准确可靠。(5)可以实现3GHz·km以上的大带宽的多模光纤带宽测试，提高了多模光纤带宽的测量范围，扩展了多模光纤的测试类型，解决大带宽的新型多模光纤的带宽测量难题，进而保证光纤厂家多模带宽测试仪的量值溯源准确性。(6)通过选用输出模式为单模的光纤探针来替代传统方法中的扰模器、包层模剥除器以及可选滤模器来剔出高阶模，这样可以节约装置的硬件成本。

附图说明

图1为本发明中多模光纤带宽测量装置原理示意图。

图2为本发明中光纤纤芯对准系统具体扫描位置示意图。

图3为本发明中差分模时延测量示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例一

如图1所示，图1为本发明装置原理图，本发明的一个实施例是，提供一种新型多模光纤带宽测量装置，该装置包括激光器、耦合器、光信号发射系统、光纤纤芯对准系统以及信号检测系统，其中光信号发射系统又包括单模光纤探针以及精密位移台，光纤纤芯对准系统包括平行光源、CCD相机、显微物镜以及多模光纤，信号检测系统包括光电探测器和示波器。

具体工作过程为：首先激光器输出光经耦合器后进入模场直径为5μm的单模光纤探针中，该单模光纤探针固定在精密位移台上，在精密位移台的控制下单模光纤探针从多模光纤轴心的初始位置沿被测多模光纤的径向移动，每次移动的步进大约为1μm，直至移动到多模光纤的纤芯边缘处；在单模光纤探针移动过程中，在不同的偏移位置处输入激光脉冲信号，从而激励起不同的光纤模式群，不同模式的光脉冲信号在多模光纤中传输的时间是不同的，由光电探测器将光脉冲信号转换为电信号并显示在示波器上，调节示波器的时间刻度和触发时延，通过测量多模光纤的微分模时延来计算被测多模光纤的带宽值。

上述装置中的激光器：为了测试多模光纤的微分模时延，要求激光器输出光脉冲的宽度必须很窄，脉冲宽度的计算以脉冲最大值的25％为起点和终点，光脉冲的最大宽度由被测光纤的DMD值和光纤长度来决定。如果被测光纤的长度为10km，并且它的DMD值为0.2ps/m，被测试光纤的总时延2000ps，那么测试光源脉冲的最大宽度必须小于2200ps。同时，激光器输出光脉冲的光谱宽度必须很窄，保证色度色散对被测光纤DMD值的影响低于10％。

上述装置中的光信号发射系统：对应于被测多模光纤的工作波长，光纤探针的输出模式要求为单模，必要时使用扰模器滤除高阶模，并且模场直径要求为(8.7λ-2.39)±0.5μm，其中λ为被测多模光纤的工作波长。单模光纤探针和被测多模光纤的端面要保持垂直，确保两个光纤端面之间的夹角不大于1°，并且单模光纤和被测多模光纤端面之间的距离不超过10μm。单模光纤的输出光斑在多模光纤端面上扫描时的位置精度优于±0.5μm，对中重复性在±1μm内。单模光纤探针发射的光脉冲以最大不超过2μm的增量对被测多模光纤的纤芯端面进行扫描，同时光脉冲要确保能充分激励起与单模光纤和被测多模光纤直接耦合时同样的模式。

上述装置中的光纤纤芯对准系统：在测量多模光纤带宽的过程中，单模光纤探针在精密位移台的控制下从被测多模光纤的纤芯向边缘进行扫描，测量不同偏移位置处的模式延迟，单模光纤探针与被测多模光纤纤芯的对准精度对测量结果又很大影响。为此，项目准备设计一套光纤纤芯对准系统，主要由平行光源、显微物镜和CCD相机组成，采用侧视成像的方法对单模光纤探针与被测多模光纤的纤芯进行对准。平行光源输出的一束平行光径向照射光纤，由于光纤的横截面为圆形，光纤本身等效为一圆柱透镜，在光纤另一侧观察平面上就可以得到光纤的图像，通过显微镜使观察平面成像到CCD相机，就可以得到光纤侧面的清晰图像。通过提取光纤的特征图像，使用图像处理算法计算两根光纤纤芯之间的相对位置，根据位置差对单模光纤探针的位置进行调整。

上述装置中的信号检测系统：信号检测系统要求与被测多模光纤的工作波长相匹配，保证被测多模光纤所有的传导模能够耦合进入光电探测器光敏面上，使得检测灵敏度与光纤传输模式基本无关，且光电探测器在接收的光功率范围内为线性响应。同时，信号检测系统自身的时间抖动和噪声影响要求足够小，对于固定注入的测量系统，光时延连续测量时的波动应小于被测多模光纤DMD值的5％。为减小时间抖动和噪声的影响，可以对多个光脉冲进行波形平均。同时，在测量过程中，信号检测系统应始终保持在同一稳定状态。

光纤纤芯对准系统的具体扫描位置和激励起的不同模式群的显示示意图，如图2所示。

在单模光纤探针移动过程中，在不同的偏移位置处输入激光脉冲信号，从而激励起不同的光纤模式群，使输出波形呈现出复杂的时间相关性，波形上通常会出现多个峰，并且无法确保能清晰地分离出单个的模式群，如图3所示。为此，对于一个给定的光脉冲波形，主峰的边界和拖尾峰的边界均选择在接近光脉冲波形最大幅度的25％的基准面上。之所以选择25％的基准面，是由于在指定的径向偏移位置处，总有一个模式的激励占主导地位，其它所有被激励的模式相互叠加，总的幅度超过该模式的幅度。但是，即使所有的模式均有同样的时延，以25％的基准进行计算，都能够确保被主要激励的那个模群从同时激励的所有模群中分离出来。

ΔT_pulse包含了光脉冲时间宽度和检测器带宽限制的影响，假定光源谱宽为高斯形状的前提条件下，被测光纤输出波形中每个模式最大幅度的25％的基准面上的脉冲展宽的宽度为ΔT_chrom：

其中δλ为光源的谱宽，D(λ)为被测光纤的色度色散，L为被测光纤的长度；

被测多模光纤输出端每一个模式的25％幅值全宽ΔT_REF为：

通过以上方法测量得到的模式时延差，ΔT_pulse为光脉冲时间宽度，和被测多模光纤色度色散造成的脉冲展宽宽度ΔT_chrom，所以在计算光纤时间空间响应的DMD偏移测量值时需要减去ΔT_REF。

DMD＝(T_slow-T_fast)-ΔT_REF (3)

由公式(3)测量计算得到光纤时间空间响应的DMD偏移测量值U(ρ,t)。其中T_slow为慢脉冲传播所需的时间，T_fast为快脉冲传播所需的时间。

上述计算仅仅是针对某一特定激光器的测量结果。在实际的应用中，会有很多不同种类的光发射机，对应不同的DMD测量结果，因此这种测量计算方法更多的是用于定性测量，称为DMD掩模测试，即通过测量DMD值是否在一定的范围内，来判断光纤性能是否符合相关的标准要求。

为了更进一步准确描述多模光纤的带宽，要准确得到多模光纤带宽，需要选取10种不同的标准光源，该系列标准光源的输出特性几乎可以涵盖目前应用的光发射机，将DMD测量值与不同光源的输出特性进行加权计算，得到能够准确反映光纤性能的有效模式带宽。其中，10种标准光源的扫描偏移位置和对应的权重已经有国际标准规定，对每个偏移位置处的DMD值进行测量，然后与相应的权重系数相乘求和，由如公式(4)计算得到光源输出信号经过光纤后的输出脉冲为：

P(t)＝∑_ρU(ρ,t)·ω(ρ) (4)

U(ρ,t)为光纤时间空间响应的DMD偏移测量值，ω(ρ)为权重系数；再进行傅里叶变换，由公式(5)得到输出脉冲的频率响应函数：

公式(5)中，P(t)为输出脉冲，R(t)为输入脉冲，FT表示傅里叶变换，H(f)为频率响应函数。得到了频率响应函数后即可按功率输出输入比从最大值减少到3dB的频率范围求出光纤的带宽。

实施例二

在上述内容的基础上，本发明还提供一种新型多模光纤带宽测量方法，包括以下步骤：

步骤1：将激光器输出的光经过耦合器耦合进入光信号发射系统中的单模光纤探针中，单模光纤探针固定在精密位移台上，通过精密位移台的移动来使单模光纤探针发出的脉冲光；沿被测多模光纤从被测多模光纤轴心向边缘径向移动，在不同的偏移位置处输入了光脉冲，进而激励起了不同的光纤模式群；

步骤2：记录下对应位置处的光脉冲波形，并将其叠加在同一个时域图上；

步骤3：通过测量多模光纤的微分模时延来计算被测多模光纤的带宽值。

上述步骤3的具体步骤实现方式之一：

在单模光纤探针移动过程中，在不同的偏移位置处输入激光脉冲信号，从而激励起不同的光纤模式群，使输出波形呈现出复杂的时间相关性，波形上通常会出现多个峰，并且无法确保能清晰地分离出单个的模式群，如图3所示。为此，对于一个给定的光脉冲波形，主峰的边界和拖尾峰的边界均选择在接近光脉冲波形最大幅度的25％的基准面上。之所以选择25％的基准面，是由于在指定的径向偏移位置处，总有一个模式的激励占主导地位，其它所有被激励的模式相互叠加，总的幅度超过该模式的幅度。但是，即使所有的模式均有同样的时延，以25％的基准进行计算，都能够确保被主要激励的那个模群从同时激励的所有模群中分离出来。

ΔT_pulse包含了光脉冲时间宽度和检测器带宽限制的影响，假定光源谱宽为高斯形状的前提条件下，被测光纤输出波形中每个模式最大幅度的25％的基准面上的脉冲展宽的宽度为ΔT_chrom：

其中δλ为光源的谱宽，D(λ)为被测光纤的色度色散，L为被测光纤的长度；

被测多模光纤输出端每一个模式的25％幅值全宽ΔT_REF为：

通过以上方法测量得到的模式时延差，ΔT_pulse为光脉冲时间宽度，和被测多模光纤色度色散造成的脉冲展宽宽度ΔT_chrom，在计算光纤时间空间响应的DMD偏移测量值时需要减去ΔT_REF：

DMD＝(T_slow-T_fast)-ΔT_REF (3)

由公式(3)测量计算得到光纤时间空间响应的DMD偏移测量值U(ρ,t)。其中T_slow为慢脉冲传播所需的时间，T_fast为快脉冲传播所需的时间；仅仅是针对某一特定激光器的测量结果。在实际的应用中，会有很多不同种类的光发射机，对应不同的DMD测量结果，因此这种测量计算方法更多的是用于定性测量，称为DMD掩模测试，即通过测量DMD值是否在一定的范围内，来判断光纤性能是否符合相关的标准要求。

上述步骤4的具体步骤实现方式之二：

为了更进一步准确描述多模光纤的带宽，选取10种不同的标准光源，该系列标准光源的输出特性几乎可以涵盖目前应用的光发射机，将DMD测量值与不同光源的输出特性进行加权计算，得到能够准确反映光纤性能的有效模式带宽。其中，10种标准光源的扫描偏移位置和对应的权重已经有国际标准规定，要准确得到多模光纤带宽，需要选取10种不同的标准光源，对每个偏移位置处的DMD值进行测量，然后与相应的权重系数相乘求和，由如公式(4)计算得到光源输出信号经过光纤后的输出脉冲为：

P(t)＝∑_ρU(ρ,t)·ω(ρ) (4)

U(ρ,t)为光纤时间空间响应的DMD偏移测量值，ω(ρ)为权重系数；再进行傅里叶变换，由公式(5)得到输出脉冲的频率响应函数：

公式(5)中，P(t)为输出脉冲，R(t)为输入脉冲，FT表示傅里叶变换，H(f)为频率响应函数；得到了频率响应函数后即可按功率输出输入比从最大值减少到3dB的频率范围求出光纤的带宽。

与传统的长度传递标准相比，本发明：(1)通过精密位移平台控制单模光纤探针在被测多模光纤径向方向移动，从光纤轴心向边缘移动，从而保证在不同偏移位置处输入光脉冲，从而激励起不同的光纤模式群。(2)通过平行光源、显微物镜和CCD相机，采用侧视成像的方式实现单模探针在多模光纤端面的高清晰成像，从而保证单模光纤探针与被测多模光纤的纤芯进行对准，进而保证输入光脉冲的位置准确。(3)通过高灵敏度的光电探测器和高性能示波器得到不同位置处的光脉冲波形，再利用多模光纤的微分模时延来计算多模光纤带宽。(4)通过选择光脉冲宽度和光谱宽度很窄的激光器来保证色度色散对被测光纤的微分模时延的影响小于10％，从而保证被测多模光纤带宽测量的准确可靠。(5)可以实现3GHz·km以上的大带宽的多模光纤带宽测试，提高了多模光纤带宽的测量范围，扩展了多模光纤的测试类型，解决大带宽的新型多模光纤的带宽测量难题，进而保证光纤厂家多模带宽测试仪的量值溯源准确性。(6)通过选用输出模式为单模的光纤探针来替代传统方法中的扰模器、包层模剥除器以及可选滤模器来剔出高阶模，这样可以节约装置的硬件成本。

需要说明的是，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；并且，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种新型多模光纤带宽测量装置，其特征在于，包括激光器、耦合器、光信号发射系统、光纤纤芯对准系统以及信号检测系统，其中光信号发射系统又包括单模光纤探针以及精密位移台，光纤纤芯对准系统包括平行光源、CCD相机、显微物镜以及多模光纤，信号检测系统包括光电探测器和示波器；首先激光器输出光经耦合器后进入模场直径为5μm的单模光纤探针中，该单模光纤探针固定在精密位移台上，在精密位移台的控制下单模光纤探针从多模光纤轴心的初始位置沿被测多模光纤的径向移动，每次移动的步进为1μm，直至移动到多模光纤的纤芯边缘处；在单模光纤探针移动过程中，在不同的偏移位置处输入激光脉冲信号，从而激励起不同的光纤模式群，不同模式的光脉冲信号在多模光纤中传输的时间是不同的，由光电探测器将光脉冲信号转换为电信号并显示在示波器上，调节示波器的时间刻度和触发时延，通过测量多模光纤的微分模时延来计算被测多模光纤的带宽值；所述计算被测多模光纤的带宽值的具体步骤为：假定光源谱宽为高斯形状的前提条件下，被测光纤输出波形中每个模式最大幅度的25％的基准面上的脉冲展宽的宽度为ΔT_chrom：

其中δλ为光源的谱宽，D(λ)为被测光纤的色度色散，L为被测光纤的长度；

被测多模光纤输出端每一个模式的25％幅值全宽ΔT_REF为：

通过以上方法测量得到的模式时延差，ΔT_pulse为光脉冲时间宽度，和被测多模光纤色度色散造成的脉冲展宽宽度ΔT_chrom，在计算光纤时间空间响应的DMD偏移测量值时需要减去ΔT_REF：

U(ρ,t)＝(T_slow-T_fast)-ΔT_REF (3)

由公式(3)测量计算得到光纤时间空间响应的DMD偏移测量值U(ρ,t)；其中T_slow为慢脉冲传播所需的时间，T_fast为快脉冲传播所需的时间；需要选取10种不同的标准光源，对每个偏移位置处的DMD值进行测量，然后与相应的权重系数相乘求和，由如公式(4)计算得到光源输出信号经过光纤后的输出脉冲为：

P(t)＝∑_ρU(ρ,t)·ω(ρ) (4)

U(ρ,t)为光纤时间空间响应的DMD偏移测量值，ω(ρ)为权重系数；再进行傅里叶变换，由公式(5)得到输出脉冲的频率响应函数：

公式(5)中，P(t)为输出脉冲，R(t)为输入脉冲，FT表示傅里叶变换，H(f)为频率响应函数；得到了频率响应函数后即可按功率输出输入比从最大值减少到3dB的频率范围求出光纤的带宽。

2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述激光器输出光脉冲的宽度的计算以脉冲最大值的25％为起点和终点，光脉冲的最大宽度由被测光纤的DMD值和光纤长度来决定，所述DMD值是指差分模式时延。

3.如权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述光信号发射系统，对应于被测多模光纤的工作波长，光纤探针的输出模式要求为单模，使用扰模器滤除高阶模，并且模场直径要求为(8.7λ-2.39)±0.5μm，其中λ为被测多模光纤的工作波长。

4.如权利要求3所述的测量装置，其特征在于，单模光纤探针和被测多模光纤的端面要保持垂直，确保两个光纤端面之间的夹角不大于1°，并且单模光纤和被测多模光纤端面之间的距离不超过10μm。

5.如权利要求4所述的测量装置，其特征在于，所述光纤纤芯对准系统，采用侧视成像的方法对单模光纤探针与被测多模光纤的纤芯进行对准；平行光源输出的一束平行光径向照射光纤，由于光纤的横截面为圆形，光纤本身等效为一圆柱透镜，在光纤另一侧观察平面上得到光纤的图像，通过显微镜使观察平面成像到CCD相机，得到光纤侧面的清晰图像，通过提取光纤的特征图像，使用图像处理算法计算两根光纤纤芯之间的相对位置，根据位置差对单模光纤探针的位置进行调整。

6.如权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述信号检测系统要求与被测多模光纤的工作波长相匹配，所述信号检测系统对于固定注入的测量系统，光时延连续测量时的波动应小于被测多模光纤DMD值的5％。

7.一种新型多模光纤带宽测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将激光器输出的光经过耦合器耦合进入光信号发射系统中的单模光纤探针中，单模光纤探针固定在精密位移台上，通过精密位移台的移动来使单模光纤探针发出的脉冲光；沿被测多模光纤从被测多模光纤轴心向边缘径向移动，在不同的偏移位置处输入了光脉冲，进而激励起了不同的光纤模式群；

步骤2：记录下对应位置处的光脉冲波形，并将其叠加在同一个时域图上；

步骤3：通过测量多模光纤的微分模时延来计算被测多模光纤的带宽值；所述计算被测多模光纤的带宽值的具体步骤为：假定光源谱宽为高斯形状的前提条件下，被测光纤输出波形中每个模式最大幅度的25％的基准面上的脉冲展宽的宽度为ΔT_chrom：

其中δλ为光源的谱宽，D(λ)为被测光纤的色度色散，L为被测光纤的长度；

被测多模光纤输出端每一个模式的25％幅值全宽ΔT_REF为：

通过以上方法测量得到的模式时延差，ΔT_pulse为光脉冲时间宽度，和被测多模光纤色度色散造成的脉冲展宽宽度ΔT_chrom，在计算光纤时间空间响应的DMD偏移测量值时需要减去ΔT_REF：

U(ρ,t)＝(T_slow-T_fast)-ΔT_REF (3)

由公式(3)测量计算得到光纤时间空间响应的DMD偏移测量值U(ρ,t)；其中T_slow为慢脉冲传播所需的时间，T_fast为快脉冲传播所需的时间；需要选取10种不同的标准光源，对每个偏移位置处的DMD值进行测量，然后与相应的权重系数相乘求和，由如公式(4)计算得到光源输出信号经过光纤后的输出脉冲为：

P(t)＝∑_ρU(ρ,t)·ω(ρ) (4)

U(ρ,t)为光纤时间空间响应的DMD偏移测量值，ω(ρ)为权重系数；再进行傅里叶变换，由公式(5)得到输出脉冲的频率响应函数：

公式(5)中，P(t)为输出脉冲，R(t)为输入脉冲，FT表示傅里叶变换，H(f)为频率响应函数；得到了频率响应函数后即可按功率输出输入比从最大值减少到3dB的频率范围求出光纤的带宽。

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