单模光纤相位随环境温度变化的特性分析

张 芸

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225101)

0 引 言

军事领域的应用对其信号带宽的需求在不断地增长，这使得传统的微波技术面临着巨大的困境，而光电子技术自20 世纪 80 年代以来，经过几十年的研究产生了飞速发展，特别是半导体激光器、电光调制器、光电探测器、低损耗光纤等关键技术，由此产生了一门结合微波技术和光电子技术的新型交叉学科——微波光子学(MP)[1]。

只传输基模LP01模的光纤称为单模光纤。单模光纤具有频带宽、衰减低、容量大、长距离传输以及强抗干扰能力等优点，已成为军事领域理想的传输介质[2]。但其中一些应用需要准确知道光纤的传输延时及相位变化，因此有必要研究环境温度变化对单模光纤传输延时及相位的影响。

1 理论研究

1.1 时延及相差

根据光传输理论，光在一段光纤中传输引起的时延表达式为：

(1)

式中：L为光缆长度；Ng为单模光纤的群折射率；c为真空中光速；τ为延时值。

由时延引起的相差表达式为：

φ=ωτ=2πfτ

(2)

式中：f为载波频率。

当光纤温度发生变化时，光纤长度和群折射率都会发生变化，此时光信号在光纤中的时延也会发生变化，式(1)对温度求导，可得：

(3)

式中：第1项表示群折射率变化所引起的光纤时延变化；第2项表示光纤长度变化引起的光纤时延变化。

实际情况是，光纤的膨胀系数非常小，光纤的长度几乎不随温度变化[3]，第2项可以忽略，因此，光纤温度时延变化主要受折射率影响。光纤温度时延变化表达式为：

(4)

由时延引起的相差温度表达式为：

(5)

1.2 温度漂移系数

光纤温度漂移系数是用来衡量光纤传输时延特性的参数，其定义为某一波长的光在光纤上传输时，由单位温度变化引起的单位长度光纤传输时延的变化，其表达式为：

(6)

式中：Kf为光缆温度漂移系数(ps/km·℃)；dT为光缆温度变化量(℃)；dτ为温度变化引起的光缆传输时延变化量(ps)；L为光缆长度(km)。

将式(4)代入式(6)，可得：

(7)

2 系统实验

2.1 实验原理

系统采用反射式高精度光纤测长仪测量光纤时延，测长仪采用光电融合方法，实现光缆时延的精确测量。系统测试原理如图1所示。

图1 系统测试原理框图

将携带信息的电信号调制到激光源输出的光信号上，注入到待测光缆中，在待测光缆末端产生反射，对反射回来的微弱光信号进行处理，提取出光信号中的电信号，对此电信号加以解调并分析处理，从而计算出待测光缆的准确长度。电信号解析处理技术可精确地提取光电信号在待测光缆中的时间信息，消减系统噪声，保证系统灵敏度。

将被测光纤置于高低温试验箱内，改变高低温试验箱的温度可改变光纤温度，反射式高精度光缆测长仪可实现对不同温度下光纤时延的实时测量。

实验采用工作波长为1 550 nm的激光光源，选取长度为1 020 m的2根稳相光纤，型号分别为：TBF-G652D-600C和TBF-G652D-400C，放在高低温试验箱内，测试温度范围为-20 ℃～40 ℃，每隔5 ℃取样测试光纤的延时量，由获得的延时数据得出单模光纤环境温度延时和相位特性，并计算光纤的温度漂移系数。

2.2 测试结果

光信号在-20 ℃～40 ℃温度范围内，在2组单模光纤中传输相对延时变化曲线如图2(a)所示，单位长度相对延时变化曲线如图2(b)所示。从中可以看出，光信号传输相对延时随温度的变化基本为线性关系。光信号传输延时变化斜率的不同，是由于折射率的不同所造成的。

在图2(b)曲线上可按光缆温度漂移系数的定义求取温漂系数，若需要不同温度下的光纤温漂系数，则需要求得不同温度对应的曲线斜率，此斜率值即为该温度下的温漂系数。对上图曲线求导，可得在-20 ℃～40 ℃温度范围内2组单模光纤的温度漂移系数，如图3所示。

将式(7)代入式(5)，可得到由单位温度变化引起的单位长度光纤传输时延的变化，造成的光纤传输相位的变化。假设f=10 GHz，则可求得2组单模光纤的温度相位漂移系数，如图4所示。

由图3和图4可以看出，2组单模光纤的温度漂移系数小于12 ps/km·℃，相位漂移小于40°，这使得稳相光纤在相控阵雷达、信号仿真模拟等领域，可以保证信号的相位相干性，有着广阔的应用前景。

图2 单模光纤传输相对延时温度变化曲线

3 结束语

本文研究了单模光纤光信号传输延时及相位随环境温度变化的关系。通过理论分析得到了由于光纤折射率随温度变化是导致光信号传输延时及相位变化的主要原因；通过实验得出光信号传输相对延时及单位相对延时与环境温度变化的数值关系，通过求导计算得到温度漂移系数的曲线，并由此求得温度、相位漂移曲线。实验结果表明，单模稳相光纤具有良好的温度相位稳定性，在相参系统研究领域有着重要的价值。

图3 单模光纤的温度漂移系数

图4 单模光纤的温度相位漂移系数