CN114739633B

CN114739633B - 一种快速测量多模光纤串扰矩阵的装置

Info

Publication number: CN114739633B
Application number: CN202210344431.4A
Authority: CN
Inventors: 王健; 王红亚
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2022-03-31
Filing date: 2022-03-31
Publication date: 2023-01-06
Anticipated expiration: 2042-03-31
Also published as: CN114739633A

Abstract

本发明公开了一种快速测量多模光纤串扰矩阵的装置，属于光通信和信息光学领域，包括激光器、光纤耦合器、单模光纤延时器、模式复用器和解复用器、光纤偏振控制器、光电平衡探测器、数据采集处理模块。模式复用器将激光器输出的高斯光转换为高阶模式，进入待测光纤，待测光纤输出的多个高阶模式由模式解复用器进行解复用，基模输出经光纤耦合器分出一部分作为参考光，与解调光进行拍频干涉，干涉场经光电平衡探测器探测后由数据采集处理模块分析，实现对待测光纤的模式差分群延时、串扰矩阵和模式色散等参量的测量。本发明突破了空分复用中大规模串扰矩阵快速测量使用中的诸多限制，在工程测量中具有广泛的应用前景，填补了相关技术领域的空白。

Description

一种快速测量多模光纤串扰矩阵的装置

技术领域

本发明属于光通信和信息光学领域，涉及一种快速测量多模光纤串扰矩阵的装置。

背景技术

光波的物理维度资源包括波长/频率、相位、偏振、时间、幅度等，广泛应用在光相关的各个领域。除去这些维度，光场的横向空间分布即空间模式，也得到了越来越多的关注和研究。空间模式复用即模分复用被认为是继续提高通信系统的速度和容量的技术之一，每种常用的空间模式都可组成正交基，以此组成多个复用通信信道，可有效提升通信容量和速率，为解决“容量危机”提供技术方案。基于少模光纤和多芯光纤的空分复用增加了通信系统的容量，但同时也带来的系统的增加。空间的多路径增加了通信容量但同时也会出现多径的串扰。和多根平行的单模光纤相比，少模光纤重复利用空间信道带来的集成化减少了消耗。不幸的是，在信息传输过程中，空间模式会互相混扰，要使用全光或者电器件组成的MIMO技术来解开这些串扰。所以对串扰矩阵的测量十分必要。

虽然光纤中使用模分复用技术的研究很多，但对模式的特性测试及通信中串扰矩阵的测试没有得到足够的重视。对模式的特性进行精确快速的测量，有助于通信质量的进一步提升。因此，快速表征模分复用性能的串扰矩阵测量愈发重要，尤其是对于模式数较多的模分复用系统。

目前常用的测量光纤串扰矩阵的方法有直接调制解调测量法和光场重构分析法。直接调制解调测量法使用空间光调制器一一激发和解调光纤中存在的模式，显而易见，这种测量方式速度较慢，测量步骤繁琐，不适于模式数较多的测量场景；光场重构分析法采用相移干涉或倾斜干涉恢复出光纤输出光场的强度和相位分布，然后和理想空间模式重叠积分，计算出各个模式的分量，接下来更换光纤中激发的模式，重复上述步骤，最终测出全部串扰矩阵，不难发现，这种方法比直接调制解调法快n倍(n为测量模式数)，但受限于光场恢复精度，串扰矩阵测量精度不高，且仍存在所测量串扰矩阵非同一时刻的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种快速测量多模光纤串扰矩阵的装置，目的在于提升串扰矩阵的测量速度，实现真正意义上同一时刻串扰矩阵的测量，实现串扰矩阵的宽波长范围内的串扰矩阵，同时依据测量数据，可以快速分析出模式差分群延时DGD和色散等参量，而且可以突破原有技术结构复杂，可拓展性差等缺陷。

为实现上述目的，按照本发明，本发明提供了一种快速测量多模光纤串扰矩阵的装置，包括激光器、光纤1×N耦合器、N个第一单模光纤延时器、模式复用器和模式解复用器、光纤1×2耦合器、N个第二单模光纤延时器、光纤偏振控制器、第三单模光纤延时器、光纤N×1耦合器、光纤2×2耦合器、光电平衡探测器、数据采集处理模块；

所述激光器用于输出波长连续可变的基模高斯光，与光纤1×N耦合器连接产生N路基模高斯探测光，所述N个第一单模光纤延时器用于在N路基模高斯探测光引入不同的时延，所述N路基模高斯探测光经模式复用器和待测光纤的输入端连接，将N路基模高斯探测光转为N个模式并耦合到待测光纤中，所述待测光纤的输出中的基模光经光纤1×2耦合器分出一部分作为参考光，所述模式解复用器与待测光纤输出端连接用于将待测光纤输出的N个模式解调为基模，作为解调光，所述N个第二单模光纤延时器与所述模式解复用器输出端分别连接引入不同的延时，所述偏振控制器用于将解调光的偏振方向调整为与参考光的偏振方向相同，所述参考光经第三单模光纤延时器后与所述解调光在所述光纤2×2耦合器进行拍频干涉，干涉场经所述光电平衡探测器探测后由所述数据采集处理模块进行采集存储，通过对采集的数据进行分析，实现对待测光纤的模式差分群延时DGD、串扰矩阵和模式色散的测量。

优选地，参考光由待测光纤的基模连接1×2光纤耦合器获得。所得参考光经一段单模光纤连接调节与解调光的时延差，然后经2×2光纤耦合器混合后拍频干涉。

优选地，所述激光器为波长扫描激光器，激光器波长扫描速率波动较大时，采用触发采样消除扫描速率抖动噪声。由两路具有一定长度差的光纤组成的拍频干涉模块作为触发干涉路，所述光纤一般仅支持基模且色散和损耗等参数已知，本发明提供的快速测量多模光纤串扰矩阵的装置中待测光纤和参考光组成的拍频干涉路为测量干涉路。所述激光器输出的一半的光发送到触发干涉路，另一半送入测量干涉路。触发干涉路提供频率时钟信号，以等间隔的光频对测量干涉路的输出进行采样，有效消除波长扫描抖动引入的固有噪声。

优选地，触发干涉路的一臂采用普通单模光纤或任何色散曲线已知的单模光纤，利用已知的色散波长关系，通过数据处理，校正触发干涉路提供的频率时钟信号。

优选地，模式复用和解复用器可采用相位板、Q板、空间光调制器、模式定向耦合器或模式分类器，高效地激发和解调多个模式，上述器件可同时作为复用和解复用器。所述相位板，输入端为自由空间高斯光，输出端为高阶模式，自由空间高斯光由单模光纤输出经准直器准直到自由空间，相位板可包含螺旋相位分布和0、π周期性分布，分别用于产生轨道角动量(OAM)模式和线偏振(LP)模式。

所述Q板，输入端为自由空间高斯光，输出端为高阶模式，自由空间高斯光由单模光纤输出经准直器准直到自由空间，输入光为线偏振时，可产生矢量模式，输入光经四分之一波片转为圆偏振高斯输入光时，Q板可产生圆偏振OAM模式。

所述空间光调制器，输入端为自由空间高斯光，输出端为高阶模式，自由空间高斯光由单模光纤输出经准直器准直到自由空间，空间光调制器包含透射型和反射型，所述反射型空间光调制器包含正入射和斜入射两种使用方式，均可将X偏振光调制成OAM模式和LP模式等高阶模式。

所述模式定向耦合器，输入端为单模光纤，输出端为少模光纤、多模光纤或环形光纤，通过光纤预拉锥匹配和两根光纤同时拉锥熔接，将锥区中输入端的高斯基模耦合到输出端的高阶线偏振模或圆偏振OAM模式，通过偏振控制器对输入端与输出端的工作状态调节，输出光纤高阶LP模式或圆偏振OAM模式。

所述模式分类器，输入端为自由空间高斯光，输出端为高阶模式，自由空间高斯光由单模光纤输出经准直器准直到自由空间，所述模式分类器包含多平面转换法和坐标转换法。所述多平面转换法将不同入射位置或角度的光束转换为不同的空间模式，最后经特殊的反射镜进行耦合，所述坐标转换法螺旋相位经解缠绕、传输和相位校正后，实现不同阶的OAM光到不同位置的线型光场的映射，最后再经一个椭圆透镜将线型光场转变为高斯光，然后耦合到单模光纤中，实现解复用过程。所述模式分类器反过来使用可以实现多个模式的产生与复用。所述相位板，输入端为自由空间高斯光，输出端为高阶模式，自由空间高斯光由单模光纤输出经准直器准直到自由空间，相位板可包含螺旋相位分布和0、π周期性分布，分别用于产生OAM模式和LP模式。

优选地，两种偏振的参考光和待测光的干涉以及干涉信息的采集可以使用同一套接收装置，在参考光和待测光于2×2光纤耦合器干涉前使用偏振控制器将待测光转为与参考光同一偏振，然后再耦合到同一光纤中。

优选地，提供的快速测量串扰矩阵的装置并不局限于测试多模光纤，还可以测试少模光纤和环形光纤等，同时也可用于其他具有模式差分群延时DGD和色散系统的测量。即待测光纤可以为任何支持一个或多个模式的光纤，包括单模光纤、少模光纤、环形光纤、空气芯光纤和多模光纤等。

优选地，光电探测器包含一个光电平衡探测器，对于待测光纤的多个信道，通过不同长度的延时光纤使解调光与参考光干涉的波形在频域上分隔。所述光电平衡探测器较通常的直接探测技术的光探测器接收灵敏度高约20dB，显著消除噪声对弱光信号检测的影响。

优选地，所述数据采集分析模块由重采样、逆傅里叶变换和数字滤波模块组成。

重采样模块用于消除扫描激光器频率非线性扫描的影响，激光器扫描速率一般为Anm/s，A为常数，用频率表示时，扫描频率速度为

Hz/s，则重采样采样系数为

其中，λ₀为初始波长，λ为所述波长扫描激光器当前波长。

逆傅里叶变换将干涉波形转换到频域波形便于分析处理。光电平衡探测器采集的数据为：

|I₊(t)|²-|I_-(t)|²＝Re{H[ω(t)]exp[jτ_R(t)]}

其中，H(ω)为待测光纤的复串扰矩阵，即其中的元素为复数，τ_R为模式与参考光的延时差。待测光纤的不同解调光与参考光的延时差不同，延时差大小与待测光和参考光拍频干涉的频率直接相关，所以数据采集处理模块将原始数据转为频域处理用于简化数据分析过程。逆傅里叶变换采用1维快速傅里叶变化将原始数据信号转为频域信号并交由下一步分析处理。

数字滤波模块用于滤除不同的参考光对应的脉冲响应。上述逆傅里叶变换后的频域真值波形将有多个峰，与解调光的不同的延时差τ_R对应，数字滤波模块采用数字矩形滤波器用于提取不同的峰值波形，用于恢复出不同待测路的拍频干涉波形，峰值强度与待测路输出光强度对应，串扰矩阵可由探测的强度信息而得。

支持N个模式的光纤的串扰矩阵可表示为：

式中，c_pq代表模式p到模式q的串扰，与复串扰矩阵H的元素不同，c_pq为实数。测量时，在某一输出模式解调端，根据上述探测到的所有输入模式在此端口的输出，即可得到串扰矩阵的某一行(列)，N个解调端，可得到N行(列)，由此得出整个串扰矩阵C。

任意两个模式的模式差分群延时DGD为：

DGD_pq＝τ_p-τ_q

其中，τ_p,τ_q分别为两个模式的延时差。

每个模式的色散为：

其中，λ为波长，τ_R为模式单位延时，单位为ns/km。

通过本发明所构思的以上技术方案，本发明具有如下有益效果：

1、本发明提供的快速测量多模光纤串扰矩阵的装置在原理上基于扫描干涉的原理，即两个较小频率(波长)差的相干光进行拍频，相比于传统的直接调制解调测量串扰矩阵的方法，在原理上具有创新与改良，具有测量速度快等优点，能测量同一时刻的串扰矩阵。

2、本发明适用的测量范围广，从少模光纤、环形光纤和多模光纤等光纤到具有模式差异的系统都能作为测量对象，工作场景丰富。

3、本发明采用待测光纤中的基模光分束作为参考光，因此无需匹配与待测光纤长度相近的单模光纤作为参考路，系统复杂度低，抗环境干扰能力强。

4、本发明基于扫描干涉的原理，相比直接调制解调法和光场重构分析法，能测量宽波长范围内的串扰矩阵，因此也可以分析得出色散等信息。

5、本发明结构简单灵活，可扩展性强，适于测量不同模式数的光纤，适用范围广。

附图说明

图1是本发明提供的快速测量多模光纤串扰矩阵的装置的结构示意图；

图2是本发明提供的一种快速测量多模光纤串扰矩阵的装置的一种改进的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种模式激发(解调)结构示意图；

图4是本发明提供的快速测量多模光纤串扰矩阵的装置的原理示意图，(a)为模拟的数据采集模块获得的初始波形，(b)为初始波形经过重采样和逆傅里叶变换后的频率分布图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。

本发明公开了一种快速测量多模光纤串扰矩阵的装置，包括激光器、光纤1×N耦合器、N个第一单模光纤延时器、模式复用器和模式解复用器、光纤1×2耦合器、N个第二单模光纤延时器、光纤偏振控制器、第三单模光纤延时器、光纤N×1耦合器，光纤2×2耦合器，光电平衡探测器，数据采集处理模块；

以下结合具体实施例及附图进行说明。

如图1所示，本发明提供的一种快速测量多模光纤串扰矩阵的装置，包括：波长扫描激光器1、光纤1×N耦合器21、N个第一单模光纤延时器31、模式复用器4、待测光纤5、光纤1×2耦合器6、模式解复用器7、N个第二单模光纤延时器32、第三单模光纤延时器33、光纤偏振控制器8、光纤N×1耦合器22、2×2光纤耦合器9、光电平衡探测器10、数据采集处理模块11。激光器1输出的基模高斯光通过光纤1×N耦合器21分成N路光，N路基模高斯光分别经过不同的第一单模光纤延时器31引入特定的时延以区分不同路输入光，经模式复用器4产生待测光纤所支持的N个模式并耦合到待测光纤5中，待测光纤5输出的N个模式由模式解复用器7解调为基模光，待测光纤5输出的基模光连接光纤1×2耦合器6分出一部分光作为参考光，模式解复用器7解调后的N路解调光由第二单模光纤延时器32引入不同的时延，以达到将干涉信号在频域分开的目的，之后，连接光纤偏振控制器8将N个模式解调光的偏振调整为与参考光同偏振，然后与参考光在2×2光纤耦合器9中干涉，干涉后的信号光由光电平衡探测器10探测后被数据采集处理模块11接收并处理。采集得到的干涉图需要重新采样到均匀间隔的频率网格上，然后经傅里叶逆变换和数字时间滤波以提取脉冲响应。通过分析计算出的脉冲响应可得到待测光纤的串扰矩阵、模式差分群延时DGD和色散等参量。

如图2所示，是本发明提供的一种快速测量多模光纤串扰矩阵的装置的一种改进的结构示意图。包括：波长扫描激光器1，光纤1×2耦合器121，光纤1×2耦合器122，单模光纤延时器33，光纤1×2耦合器123，光电探测器13，数据采集分析模块11，待测光纤测试模块14。其中待测光纤测试模块14为图1中出去扫描激光器1的全部结构组成的测试模块。所述激光器1输出的基模高斯光通过光纤1×2耦合器121分成两路光，其中一路输入待测光纤测试模块14中测试待测光纤拍频干涉数据；另外一路进入触发路。触发路首先连接光纤1×2耦合器122分为两路，其中一路接入单模光纤延时器33，用于引入延时与另一路在光纤1×2耦合器中拍频干涉，拍频干涉后接光电探测器13采集干涉信号，干涉信号连接数据采集分析模块11，用于待测光纤测试模块14的触发采样信号，消除扫描速率波动引起的噪声。

如图3所示是一种模式复用解复用的方法示意图，其由光纤准直器、相位板、分束器和物镜等期间组成，图中所示的是产生基模和1阶OAM模式的示意图，所用相位板为螺旋相位板。单模光纤输出的光束由准直器准直到自由空间，然后经对应的螺旋相位板产生相应的模式，接下来由BS合束并由物镜耦合到待测光纤中。在输出端，对上述过程进行逆操作，即可解复用各个模式并耦合到单模光纤中。

如图4所示是快速测量多模光纤串扰矩阵的原理示意图。不同解调光与参考光的延时差不同，导致各拍频干涉信号的频率不同，延时量等信息蕴含在采集得到的波形图中，如图4中的(a)所示。对所得的数据进行重采样和逆傅里叶变换操作后得到频域信号，频域信号的各个峰值对应不同的频率也即解调光与参考光不同的延时量，如图4中的(b)所示，对频域信号进行数字滤波处理，可得到各个解调光的信息，频域波形各个峰的高度对应各个模式的强度信息，由此可得到各个解调光的串扰量(强度)。由于快速测量多模光纤串扰矩阵的装置是对一定波长范围进行测量，色散信息可从不同波长数值下的模式差分群延时DGD计算而得，由此本发明提供的装置可实现对待测光纤的模式差分群延时DGD、串扰矩阵和模式色散等参量的测量。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims

1.一种快速测量多模光纤串扰矩阵的装置，其特征在于，包括激光器、光纤1×N耦合器、N个第一单模光纤延时器、模式复用器和模式解复用器、光纤1×2耦合器、N个第二单模光纤延时器、光纤偏振控制器、第三单模光纤延时器、光纤N×1耦合器、光纤2×2耦合器、光电平衡探测器、数据采集处理模块；

2.根据权利要求1所述的快速测量多模光纤串扰矩阵的装置，其特征在于，所述激光器为波长扫描激光器，解调光和参考光为同源激光，不同的解调光和参考光存在不同的延时差，两路光会发生拍频干涉，拍频干涉波形的频率与所述延时差相关，所述模式差分群延时DGD可由此获得。

3.根据权利要求1所述的快速测量多模光纤串扰矩阵的装置，其特征在于，所述光电平衡探测器，对于待测光纤的多个信道，通过不同长度的延时光纤使解调光与参考光干涉的波形在频域上分隔。

4.根据权利要求1所述的快速测量多模光纤串扰矩阵的装置，其特征在于，所述模式复用器和模式解复用器均为相位板、Q板、空间光调制器、模式定向耦合器或模式分类器。

5.根据权利要求1所述的快速测量多模光纤串扰矩阵的装置，其特征在于，所述待测光纤为少模光纤或多模光纤。

6.根据权利要求3所述的快速测量多模光纤串扰矩阵的装置，其特征在于，所述光电平衡探测器同时探测X和Y两种偏振光，解调光包含X和Y两种偏振，所述光纤偏振控制器将解调光的偏振方向调整为与参考光偏振方向相同，用于同时探测X和Y两种偏振光。