一种少模光纤差分模式群时延测量方法、系统和装置

摘要

本发明公开了一种少模光纤差分模式群时延测量方法、系统和装置，属于光通信传感及测量领域。本发明使用频率增量单调的啁啾信号的调频连续光信号，差频分量通过光电转换后电信号进行一次傅里叶变换直接得到，复杂度更低，测量速度更快。同时，在测量多个差分模式群时延时，传统微波干涉方案需要进行二次快速傅里叶变换以分析频谱峰值，而本发明系统仅需一次快速傅里叶变换即可实现多个差分模式群时延的测量，实现了处理算法的简化。本发明系统通过利用不同模式的调频连续光信号的模间干涉，将传统的幅频响应测量转换为模间干涉所产生的差频项探测，进而减小测量系统的接收机测量带宽需求，同时还保证了较高的精度，因此降低测量系统的整体成本。

权利要求

1.一种少模光纤差分模式群时延测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1.产生周期性且周期内频率增量单调的啁啾信号的调频连续光信号；

S2.将调频连续光信号分束为两路相干的不同模式光信号，分别作为基模光信号和高阶模光信号，再进行模分复用，得到少模调频连续光信号；

S3.将经过待测少模光纤传输的少模调频连续光信号进行模分解复用，得到经过模分解复用的基模光信号和高阶模光信号，再进行合束，产生模间干涉光信号；

S4.对模间干涉光信号进行光电转换，得到若干差频分量；

S5.对于每个差频分量，解调出对应的差分模式群时延值，公式如下：其中， 表示差频分量，Tc表示啁啾信号的周期，L表示待测少模光纤长度，fstop表示啁啾信号的停止频率，fstart表示啁啾信号的开始频率，τDMGD表示差分模式群时延值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，通过以下方式产生周期性且周期内频率增量单调的啁啾信号的调频连续光信号：(1)产生具有低相位噪声特性的线偏振态窄线宽光载波和啁啾电信号；

(2)将啁啾电信号通过光电强度调制加载至线偏振态窄线宽光载波上，得到调频连续光信号。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在啁啾电信号加载至线偏振态窄线宽光载波之前，将光载波的偏振态与实现光电强度调制的器件偏振态进行匹配，以实现最大的信号调制效率。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，在分束后、模分复用之前，对两路相干的不同模式光信号进行以下处理：将两路光信号的偏振态分别与实现模分复用的器件偏振态进行匹配；

将两路偏振态匹配后的光信号进行延时匹配。

5.一种少模光纤差分模式群时延测量系统，其特征在于，该系统包括：调频连续光信号产生模块，用于产生周期性且周期内频率增量单调的啁啾信号的调频连续光信号；

模分复用模块，用于将调频连续光信号分束为两路相干的不同模式光信号，分别作为基模光信号和高阶模光信号，再进行模分复用，得到少模调频连续光信号；

待测少模光纤，用于传输少模调频连续光信号；

模分解复用模块，用于经过待测少模光纤传输的少模调频连续光信号进行模分解复用，得到经过模分解复用的基模光信号和高阶模光信号；

光电转换模块，用于对经过模分解复用的基模光信号和高阶模光信号进行合束，产生模间干涉光信号，对模间干涉光信号进行光电转换，得到若干差频分量；

差分模式群时延解调模块，用于对于每个差频分量，解调出对应的差分模式群时延值，公式如下：

其中， 表示差频分量，Tc表示啁啾信号的周期，L表示待测少模光纤长度，fstop表示啁啾信号的停止频率，fstart表示啁啾信号的开始频率，τDMGD表示差分模式群时延值。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述调频连续光信号产生模块包括：窄线宽光源产生单元，用于产生具有低相位噪声特性的线偏振态窄线宽光载波，入射至光电强度调制单元；

啁啾电信号源，用于产生周期性且周期内频率增量单调的啁啾信号；

光电强度调制单元，用于将啁啾电信号通过光电强度调制加载至经线偏振态窄线宽光载波上，得到调频连续光信号。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述调频连续光信号产生模块还包括：第一偏振控制单元，用于在啁啾电信号加载至线偏振态窄线宽光载波之前，将光载波的偏振态与实现光电强度调制的器件偏振态进行匹配，以实现最大的信号调制效率。

8.如权利要求6或7所述的系统，其特征在于，所述模分复用模块包括：第一光耦合单元，用于产生经过光电强度调制单元调制的两路光信号，即基模光信道及高阶模光信道，作为两独立测量信号，分别入射至第二偏振控制单元、第三偏振控制单元；

第二偏振控制单元，用于将入射的光信号偏振态与实现模分复用的器件偏振态进行匹配；

第三偏振控制单元，用于将入射的光信号偏振态与实现模分复用的器件偏振态进行匹配；

光延时调节单元，用于将两路偏振态匹配后的光信号进行延时匹配，入射到模分复用单元；

模分复用单元，用于选择性激励待测少模光纤中的基模光和高阶模式光。

9.一种少模光纤差分模式群时延测量装置，其特征在于，该装置包括：发送端，所述发送端包括：调频连续光信号产生模块和模分复用模块；

所述调频连续光信号产生模块，用于产生周期性且周期内频率增量单调的啁啾信号的调频连续光信号；

模分复用模块，用于将调频连续光信号分束为两路相干的不同模式光信号，分别作为基模光信号和高阶模光信号，再进行模分复用，得到少模调频连续光信号；

接收端，包括：模分解复用模块、光电转换模块、差分模式群时延解调模块；

模分解复用模块，用于在接收端对少模调频连续光信号进行模分解复用，得到经过模分解复用的基模光信号和高阶模光信号；

光电转换模块，用于对经过模分解复用的基模光信号和高阶模光信号进行合束，产生模间干涉光信号，对模间干涉光信号进行光电转换，得到差频分量；

差分模式群时延解调模块，用于对于每个差频分量，解调出对应的差分模式群时延值，公式如下：

其中， 表示差频分量，Tc表示啁啾信号的周期，L表示待测少模光纤长度，fstop表示啁啾信号的停止频率，fstart表示啁啾信号的开始频率，τDMGD表示差分模式群时延值；

在测量装置工作时，模分复用模块与模分解复用模块之间接入待测少模光纤，从而进行光信号传输。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述调频连续光信号产生模块包括：窄线宽光源产生单元，用于产生具有低相位噪声特性的线偏振态窄线宽光载波，入射至光电强度调制单元；

啁啾电信号源，用于产生周期性且周期内频率增量单调的啁啾信号；

光电强度调制单元，用于将啁啾电信号通过光电强度调制加载至经线偏振态窄线宽光载波上，得到频率增量单调的啁啾信号的调频连续光信号。

说明书

一种少模光纤差分模式群时延测量方法、系统和装置

技术领域

[0001] 本发明属于光通信传感及测量技术领域，更具体地，涉及一种少模光纤差分模式群时延测量方法、系统和装置。

背景技术

[0002] 少模光纤中的模分复用技术则作为空分复用技术之一，是目前极具竞争力的扩容方案之一。但是，由于在少模光纤中存在模式耦合、模式相关损耗、差分模式群时延等因素，
不同模式信道中信号在抵达接收端时会存在差异性且模式间存在相互作用，进一步劣化了
信号接收质量从而限制了系统传输距离。因此为了便于优化少模光纤理论模型、制备工艺
等，少模光纤参数测量工作作为后续工作的理论依据，其重要性也不言而喻。

[0003] 现有的少模光纤的差分模式群时延测量技术，依照分析量的类别，主要方案可分为时域方案及频域方案两类，时域方案主要依靠分析基模光信号与高阶模光信号的时域脉
冲响应的差异，如到达脉冲间的时延差等，从而分析得到差分模式群时延，但是为了精确地
分析出时域脉冲响应，需要系统接收机的采样率较高；频域方案主要基于微波干涉原理，即
通过分析信号光在经过少模光纤传输后的幅频响应特性，从而反推得到差分模式群时延，
该方案需要利用矢量网络分析仪分析幅频响应的同时，为了准确测量幅频响应曲线，也需
要高测量带宽及较精细的频谱分辨率。

[0004] Varun Kelkar等人2018年在“Measurement of differential modal group delayof a few‑mode fiber using a Fourier domainmode‑locked laser”提出一种用傅
里叶域锁模激光器(FDML)测量多模光纤差模群时延(DMGD)的方法，其利用自行搭建的快速
扫频激光器，基于调频连续波技术，实现少模光纤差分模式群时延的测量。然而，扫频激光
器结构复杂且器件昂贵，同时具有调制非线性，会降低测量精度。除此之外，该方案中需要
额外的光电探测器从而实现扫频激光器的低频噪声的抑制。

发明内容

[0005] 针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种少模光纤差分模式群时延测量方法、系统和装置，其目的在于通过利用调频连续波技术，实现低成本、低复杂度、高精度
的少模光纤中的差分模式群时延测量。

[0006] 为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种少模光纤差分模式群时延测量方法，该方法包括以下步骤：

[0007] S1.产生周期性且周期内频率增量单调的啁啾信号的调频连续光信号；

[0008] S2.将调频连续光信号分束为两路相干的不同模式光信号，分别作为基模光信号和高阶模光信号，再进行模分复用，得到少模调频连续光信号；

[0009] S3.将经过待测少模光纤传输的少模调频连续光信号进行模分解复用，得到经过模分解复用的基模光信号和高阶模光信号，再进行合束，产生模间干涉光信号；

[0010] S4.对模间干涉光信号进行光电转换，得到若干差频分量；

[0011] S5.对于每个差频分量，解调出对应的差分模式群时延值，公式如下：

[0012]

[0013] 其中， 表示差频分量，Tc表示啁啾信号的周期，L表示待测少模光纤长度，fstop表示啁啾信号的停止频率，fstart表示啁啾信号的开始频率，τDMGD表示差分模式群时
延值。

[0014] 有益效果：本发明采用模分复用，以激励少模光纤中的高阶模式；采用采用模分解复用，减少少模光纤中由于模式串扰引入的与待测量无关的噪声项。

[0015] 优选地，步骤S1中，通过以下方式产生周期性且周期内频率增量单调的啁啾信号的调频连续光信号：

[0016] (1)产生具有低相位噪声特性的线偏振态窄线宽光载波和啁啾电信号；

[0017] (2)将啁啾电信号通过光电强度调制加载至线偏振态窄线宽光载波上，得到调频连续光信号。

[0018] 优选地，在啁啾电信号加载至线偏振态窄线宽光载波之前，将光载波的偏振态与实现光电强度调制的器件偏振态进行匹配，以实现最大的信号调制效率。

[0019] 有益效果：本发明通过将光载波的偏振态与实现光电强度调制的器件偏振态进行匹配，以实现最大的信号调制效率，从而降低信噪比。

[0020] 优选地，步骤S2中，在分束后、模分复用之前，对两路相干的不同模式光信号进行以下处理：

[0021] 将两路光信号的偏振态分别与实现模分复用的器件偏振态进行匹配；

[0022] 将两路偏振态匹配后的光信号进行延时匹配。

[0023] 有益效果：本发明采用偏振态匹配，以降低在激励不同模式时的模间串扰；采用延时匹配，以减少非待测少模光纤引入的延时误差。

[0024] 为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种少模光纤差分模式群时延测量系统，该系统包括：

[0025] 调频连续光信号产生模块，用于产生周期性且周期内频率增量单调的啁啾信号的调频连续光信号；

[0026] 模分复用模块，用于将调频连续光信号分束为两路相干的不同模式光信号，分别作为基模光信号和高阶模光信号，再进行模分复用，得到少模调频连续光信号；

[0027] 待测少模光纤，用于传输少模调频连续光信号；

[0028] 模分解复用模块，用于经过待测少模光纤传输的少模调频连续光信号进行模分解复用，得到经过模分解复用的基模光信号和高阶模光信号；

[0029] 光电转换模块，用于对经过模分解复用的基模光信号和高阶模光信号进行合束，产生模间干涉光信号，对模间干涉光信号进行光电转换，得到若干差频分量；

[0030] 差分模式群时延解调模块，用于对于每个差频分量，解调出对应的差分模式群时延值，公式如下：

[0031]

[0032] 其中， 表示差频分量，Tc表示啁啾信号的周期，L表示待测少模光纤长度，fstop表示啁啾信号的停止频率，fstart表示啁啾信号的开始频率，τDMGD表示差分模式群时
延值。

[0033] 优选地，所述调频连续光信号产生模块包括：

[0034] 窄线宽光源产生单元，用于产生具有低相位噪声特性的线偏振态窄线宽光载波，入射至光电强度调制单元；

[0035] 啁啾电信号源，用于产生周期性且周期内频率增量单调的啁啾信号；

[0036] 光电强度调制单元，用于将啁啾电信号通过光电强度调制加载至经线偏振态窄线宽光载波上，得到调频连续光信号。

[0037] 有益效果：本发明采用外部调制器实现调频连续波，由于采用外部调制器，以马赫曾德调制器为例，当其偏置在功率线性点，且调制深度足够小时，其输出信号具有较高的调
制线性度，由此避免快速扫频激光器带来的波长调制非线性效应，进一步地提高了测量精
度，降低成本及系统复杂度。

[0038] 优选地，所述调频连续光信号产生模块还包括：

[0039] 第一偏振控制单元，用于在啁啾电信号加载至线偏振态窄线宽光载波之前，将光载波的偏振态与实现光电强度调制的器件偏振态进行匹配，以实现最大的信号调制效率。

[0040] 优选地，所述模分复用模块包括：

[0041] 第一光耦合单元，用于产生经过光电强度调制单元调制的两路光信号，即基模光信道及高阶模光信道，作为两独立测量信号，分别入射至第二偏振控制单元、第三偏振控制
单元；

[0042] 第二偏振控制单元，用于将入射的光信号偏振态与实现模分复用的器件偏振态进行匹配；

[0043] 第三偏振控制单元，用于将入射的光信号偏振态与实现模分复用的器件偏振态进行匹配；

[0044] 光延时调节单元，用于将两路偏振态匹配后的光信号进行延时匹配，入射到模分复用单元；

[0045] 模分复用单元，用于选择性激励待测少模光纤中的基模光和高阶模式光。

[0046] 有益效果：

[0047] (1)本发明利用延时校准模块实现模式选择性复用、解复用器中不同模式的光链路延时匹配，由于理想待测量仅为待测少模光纤引入的，模式复用及解复用器引入的模间
延时属于误差，为了减少这一误差，则在其中一路加入延时校准模块。

[0048] (2)本发明采用模式选择性模式复用器、解复用器进行模式复用及解复用，与传统的偏置光纤激励空间模式的方法相比，由于采用的模式选择性光子灯笼具有良好的模式隔
离度，少模光纤中被激励的空间模式可近似为仅有待测的两组空间模式，使得在经过少模
光纤传输后的信号受到非预期的模式串扰的影响更少。接收端处同理。进而实现了噪声的
抑制。

[0049] 为实现上述目的，按照本发明的第三方面，提供了一种少模光纤差分模式群时延测量装置，该装置包括：

[0050] 发送端，所述发送端包括：调频连续光信号产生模块和模分复用模块；

[0051] 所述调频连续光信号产生模块，用于产生周期性且周期内频率增量单调的啁啾信号的调频连续光信号；

[0052] 模分复用模块，用于将调频连续光信号分束为两路相干的不同模式光信号，分别作为基模光信号和高阶模光信号，再进行模分复用，得到少模调频连续光信号；

[0053] 接收端，包括：模分解复用模块、光电转换模块、差分模式群时延解调模块；

[0054] 模分解复用模块，用于在接收端对少模调频连续光信号进行模分解复用，得到经过模分解复用的基模光信号和高阶模光信号；

[0055] 光电转换模块，用于对经过模分解复用的基模光信号和高阶模光信号进行合束，产生模间干涉光信号，对模间干涉光信号进行光电转换，得到差频分量；

[0056] 差分模式群时延解调模块，用于对于每个差频分量，解调出对应的差分模式群时延值，公式如下：

[0057]

[0058] 其中， 表示差频分量，Tc表示啁啾信号的周期，L表示待测少模光纤长度，fstop表示啁啾信号的停止频率，fstart表示啁啾信号的开始频率，τDMGD表示差分模式群时
延值；

[0059] 在测量装置工作时，模分复用模块与模分解复用模块之间接入待检少模光纤，从而进行光信号传输。

[0060] 优选地，所述调频连续光信号产生模块包括：

[0061] 窄线宽光源产生单元，用于产生具有低相位噪声特性的线偏振态窄线宽光载波，入射至光电强度调制单元；

[0062] 啁啾电信号源，用于产生周期性且周期内频率增量单调的啁啾信号；

[0063] 光电强度调制单元，用于将啁啾电信号通过光电强度调制加载至经线偏振态窄线宽光载波上，得到频率增量单调的啁啾信号的调频连续光信号。

[0064] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

[0065] (1)相对于现有傅里叶域锁模激光器测量多模光纤差模群时延的方案，使用由复杂装置产生的正弦信号的调频连续光信号，差频分量是通过对电信号进行多次傅里叶变换
的时频分析，提取峰值频点,同时需要多个光电转换单元进行噪声抑制，本发明提出一种少
模光纤差分模式群时延测量测量方法，使用的是简单的外部调制产生的频率增量单调的啁
啾信号的调频连续光信号，差频分量是通过光电转换后电信号进行一次傅里叶变换直接得
到，复杂度更低，测量速度更快。同时，在测量多个差分模式群时延时，传统微波干涉方案需
要进行二次快速傅里叶变换以分析频谱峰值，而本发明系统仅需一次快速傅里叶变换即可
实现多个差分模式群时延的测量，实现了处理算法的简化。

[0066] (2)本发明提出一种少模光纤差分模式群时延测量测量系统，通过调频连续波技术，当将一调频连续波，以线性啁啾信号为例，输入待测少模光纤并同时激励不同的空间模
式，在经过少模光纤传输后，由于空间模式之间的差分模式群时延效应，会导致同一时刻的
不同空间模式的信号频率产生差异。在接收机处，将不同空间模式的光信号进行合并，则信
号会在光电探测器处产生模间干涉，并因此产生出一差分模式群时延相关的低频拍频信
号。通过探测这一低频拍频信号，即可反推出差分模式群时延值，从而省去了其他昂贵的高
带宽器件、探测设备的使用。

[0067] (3)相比于传统的基于时域脉冲响应的差分模式群时延测量方案，本发明系统通过利用不同模式的调频连续光信号的模间干涉，将极小的差分模式群时延由时域转换至频
域，从而降低了测量系统的接收机采样率以及发射的时域脉冲波形的要求；

[0068] (4)相比于传统的基于微波干涉的差分模式群时延测量方案，本发明系统通过利用不同模式的调频连续光信号的模间干涉，将传统的幅频响应测量转换为模间干涉所产生
的差频项探测，进而减小了测量系统的接收机测量带宽需求，同时还保证了较高的精度，因
此降低了测量系统的整体成本。

附图说明

[0069] 图1是本发明提供的一种少模光纤差分模式群时延测量测量系统结构示意图；

[0070] 图2是本发明实施例提供的一种少模光纤差分模式群时延测量测量系统结构图；

[0071] 图3是本发明提供的啁啾信号实现时延探测的差频原理示意图；

[0072] 图4是本发明提供的接收端信号频谱图。

具体实施方式

[0073] 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
彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0074] 本发明提供了一种少模光纤差分模式群时延测量方法，该方法包括以下步骤：

[0075] 步骤S1.产生周期性且周期内频率增量单调的啁啾信号的调频连续光信号。

[0076] 优选地，步骤S1中，通过以下方式产生周期性且周期内频率增量单调的啁啾信号的调频连续光信号：

[0077] (1)产生具有低相位噪声特性的线偏振态窄线宽光载波和啁啾电信号；

[0078] (2)将啁啾电信号通过光电强度调制加载至线偏振态窄线宽光载波上，得到调频连续光信号。

[0079] 优选地，在啁啾电信号加载至线偏振态窄线宽光载波之前，将光载波的偏振态与实现光电强度调制的器件偏振态进行匹配，以实现最大的信号调制效率。

[0080] 步骤S2.将调频连续光信号分束为两路相干的不同模式光信号，分别作为基模光信号和高阶模光信号，再进行模分复用，得到少模调频连续光信号。

[0081] 优选地，步骤S2中，在分束后、模分复用之前，对两路相干的不同模式光信号进行以下处理：

[0082] 将两路光信号的偏振态分别与实现模分复用的器件偏振态进行匹配；

[0083] 将两路偏振态匹配后的光信号进行延时匹配。

[0084] 步骤S3.将经过待测少模光纤传输的少模调频连续光信号进行模分解复用，得到经过模分解复用的基模光信号和高阶模光信号，再进行合束，产生模间干涉光信号。

[0085] 步骤S4.对模间干涉光信号进行光电转换，得到若干差频分量。

[0086] 步骤S5.对于每个差频分量，解调出对应的差分模式群时延值，公式如下：

[0087]

[0088] 其中， 表示差频分量，Tc表示啁啾信号的周期，L表示待测少模光纤长度，fstop表示啁啾信号的停止频率，fstart表示啁啾信号的开始频率，τDMGD表示差分模式群时
延值。

[0089] 为实现上述方法，本发明还提供了一种少模光纤差分模式群时延测量系统，该系统如图1所示，包括：

[0090] 调频连续光信号产生模块，用于产生周期性且周期内频率增量单调的啁啾信号的调频连续光信号。

[0091] 模分复用模块，用于将调频连续光信号分束为两路相干的不同模式光信号，分别作为基模光信号和高阶模光信号，再进行模分复用，得到少模调频连续光信号。

[0092] 利用模分复用单元实现将两光信号选择性激励为待测少模光纤中的基模光和高阶模式光，并耦合输出，即完成了两模式信道的延时校准以及模分复用。

[0093] 待测少模光纤，用于传输少模调频连续光信号。

[0094] 待测少模光纤，作为待测器件，是引入差分模式群时延的主要因素。

[0095] 模分解复用模块，用于经过待测少模光纤传输的少模调频连续光信号进行模分解复用，得到经过模分解复用的基模光信号和高阶模光信号。

[0096] 光电转换模块，用于对经过模分解复用的基模光信号和高阶模光信号进行合束，产生模间干涉光信号，对模间干涉光信号进行光电转换，得到若干差频分量。

[0097] 利用光电转换单元通过平方律探测实现两模式间的模间信号干涉并以此实现差频探测。

[0098] 差分模式群时延解调模块，用于对于每个差频分量，解调出对应的差分模式群时延值，公式如下：

[0099]

[0100] 其中， 表示差频分量，Tc表示啁啾信号的周期，L表示待测少模光纤长度，fstop表示啁啾信号的停止频率，fstart表示啁啾信号的开始频率，τDMGD表示差分模式群时
延值。

[0101] 优选地，所述调频连续光信号产生模块包括：

[0102] 窄线宽光源产生单元，用于产生具有低相位噪声特性的线偏振态窄线宽光载波，入射至光电强度调制单元；

[0103] 啁啾电信号源，用于产生周期性且周期内频率增量单调的啁啾信号；

[0104] 光电强度调制单元，用于将啁啾电信号通过光电强度调制加载至经线偏振态窄线宽光载波上，得到调频连续光信号。

[0105] 优选地，所述调频连续光信号产生模块还包括：

[0106] 第一偏振控制单元，用于在啁啾电信号加载至线偏振态窄线宽光载波之前，将光载波的偏振态与实现光电强度调制的器件偏振态进行匹配，以实现最大的信号调制效率。

[0107] 优选地，所述模分复用模块包括：

[0108] 第一光耦合单元，用于产生经过光电强度调制单元调制的两路光信号，即基模光信道及高阶模光信道，作为两独立测量信号，分别入射至第二偏振控制单元、第三偏振控制
单元；

[0109] 第二偏振控制单元，用于将入射的光信号偏振态与实现模分复用的器件偏振态进行匹配；

[0110] 第三偏振控制单元，用于将入射的光信号偏振态与实现模分复用的器件偏振态进行匹配；

[0111] 光延时调节单元，用于将两路偏振态匹配后的光信号进行延时匹配，入射到模分复用单元；

[0112] 模分复用单元，用于选择性激励待测少模光纤中的基模光和高阶模式光。

[0113] 为了更进一步地说明本发明系统，现结合实施例提供的一种低带宽接收机需求的少模光纤差分模式群时延测量系统详述：

[0114] 本发明具体实施案例的系统结构图如图2所示。

[0115] 进一步地，结合公式推导和理论模型对通过利用调频连续光信号实现少模光纤差分模式群时延的测量进行论述。

[0116] 在本发明实例中，调频连续波光源产生模块如图2中所示，模块包括：窄线宽激光器，第一偏振控制器，光电强度调制器(以马赫曾德尔调制器为例)，任意波形发生器。激光
器输出的窄线宽激光在经过偏振控制器与调制器晶体主轴偏振态进行匹配后，进入马赫曾
德尔调制器加载电信号，其中电信号为周期性啁啾信号，以线性啁啾为例，可表示为

[0117]

[0118] 其中，V(t)即为加载的啁啾电信号，A1为电信号的幅值， 为电信号的初始相位，Tc为该啁啾信号的周期，fstop为该啁啾最高频率也即终止频率，fstart为该啁啾最低频率也
即起始频率。若Vπ为该马赫曾德尔调制器的半波电压，当马赫曾德尔调制器偏置电压为
时，即调制器偏置在功率线性点时，且该调制器工作在推挽模式下，此时加载了电信号后，
调制器输出光场以及输出光强可表示为

[0119]

[0120]

[0121] 其中为便于分析，假定该调制器为理想调制器，E0为窄线宽光源振幅，ωc为光载波频率，φc为光载波相位。进一步地，为了便于后续分析，针对光强信号，根据贝塞尔展开，则
该光强信号可表示为

[0122]

[0123] 当 较小时，即信号调制深度较小时，则可忽略光强信号中的三阶及以上分量，进而可继续简化为

[0124]

[0125] 进一步地，延时校准及模分复用模块如图2所示，模块包括：第一光耦合器，第二偏振控制器，第三偏振控制器，可调光延时线，模分复用器。调制器输出光信号在经过第一光
耦合器后分束为两路光信号，若第一光耦合器为理想1：1耦合器，输出的两路信号光场可分
别表示为

[0126]

[0127]

[0128] 其中一路信号将会经过可调光延时线，用于在系统未接入待测少模光纤时，利用其将两路单模光纤链路所引起的信号延时进行匹配以减少测量误差。而后两路信号将进入
模分复用器的两个单模输入端并激励成为少模光纤中不同模式。

[0129] 进一步地，模分解复用及信号接收模块如图2所示，模块包括：模分解复用器，第二光耦合器，光电探测器，示波器。而当两路信号在经过模分复用器激励为少模光纤中不同模
式并传输后，在不考虑单模光纤链路部分引入的残余延时的情况下，由于模式差异性，即差
分模式群时延，两信号在抵达模分解复用器时将经历不同的延时，经历少模光纤传输后的
信号可分别表示为 这两信号在经过第二光耦合器合
路之后的输出信号光场则可表示为

[0130]

[0131] 进一步地，当光信号在进入光电探测器后，则得到的光电流信号可表示为

[0132]

[0133] 其中，R为光电探测器响应度，Iinter(t,τ1,τ2)表示如下

[0134]

[0135] Iinter(t,τ1,τ2)即表示两个模式信号经传输之后在接收端所产生的模间干涉项，cos(ωc(τ1‑τ2))即表示光载波引入得相位差。进一步地，将化简后的Iout(t)代入则可得接
收光电流信号最终表达式为

[0136]

[0137] 其中前三项分别为信号的直流分量、啁啾信号分量，第四项则为两啁啾信号的差频合频项，若 时， 则对差频合频项中的根号进行泰勒展开并忽略
二阶项，则接收信号化简为

[0138]

[0139] 进一步将三角函数进行展开则得

[0140]

[0141] 其中

[0142]

[0143] 其中Δf(t,τ1,τ2)为合频项， 为差频项，可知差频项频率不随时间变化且合频项Δf(t,τ1,τ2)≥2fstart，当光电探测器带宽较小，特别在带宽远小于fstart时，合频
项将被滤除，且去除直流分量后，接收光电流信号可进一步简化为

[0144]

[0145] 由上式可见，在采用低带宽隔直接收机时，最终接收的信号仅保留了两路信号的差频项，因此可通过用较小的带宽的接收机测量 并依照其定义式及已知参数
则可计算得到差分模式群时延 L则为待测光纤长度。通过差频探测实现
差分模式群时延的信号频率时间图如图3所示，相较于传统的微波干涉方案需要扫描整个
频谱范围内的少模光纤幅频响应才能测量得到差分模式群时延，本发明可仅通过较低频率
的差频分量即可实现相对高精度的差分模式群时延测量，也无需矢量网络分析仪等幅频响
应分析设备，从而实现了测量系统的成本降低。进一步地，可以类比当存在多个差分时延量
时，本发明可在接收机处测量得到多个差频值，而要测量得到多个差频值仅需一次快速傅
里叶变换算法即可实现。而微波干涉方案在存在多个差分时延量时，首先需要进行一次快
速傅里叶变换算法以测量幅频响应，而后再进行二次快速傅里叶变换算法以分析幅频响应
曲线的频率分量。因此，本发明可同时实现在特定情况下的算法复杂度降低。

[0146] 用本发明实现的少模光纤中差分模式群时延的差频测量图如图4所示。经分析可知差频信号信噪比较高，能很好地与噪声区分，同时该差频信号的带宽需求并不高。

[0147] 总体而言，本发明采用的通过不同模式的啁啾信号之间的模间干涉，实现差频探测差分模式群时延的方法，相对于传统的方案，在接收机带宽需求及算法复杂度方面都有
较好地提升。

[0148] 根据以上内容可以构建出本发明说明的一种低带宽接收机需求的少模光纤差分模式群时延测量系统，对基于10公里两模组少模光纤及2GHz带宽的光电探测器传输测量
后，可实现0.002ps/m精度的差分模式群时延测量，即较高精度地差分模式群时延测量。

[0149] 对应地，本发明还提供了一种少模光纤差分模式群时延测量装置，该装置包括：

[0150] 发送端，所述发送端包括：调频连续光信号产生模块和模分复用模块；

[0151] 所述调频连续光信号产生模块，用于产生周期性且周期内频率增量单调的啁啾信号的调频连续光信号；

[0152] 模分复用模块，用于将调频连续光信号分束为两路相干的不同模式光信号，分别作为基模光信号和高阶模光信号，再进行模分复用，得到少模调频连续光信号；

[0153] 接收端，包括：模分解复用模块、光电转换模块、差分模式群时延解调模块；

[0154] 模分解复用模块，用于在接收端对少模调频连续光信号进行模分解复用，得到经过模分解复用的基模光信号和高阶模光信号；

[0155] 光电转换模块，用于对经过模分解复用的基模光信号和高阶模光信号进行合束，产生模间干涉光信号，对模间干涉光信号进行光电转换，得到差频分量；

[0156] 差分模式群时延解调模块，用于对于每个差频分量，解调出对应的差分模式群时延值，公式如下：

[0157]

[0158] 其中， 表示差频分量，Tc表示啁啾信号的周期，L表示待测少模光纤长度，fstop表示啁啾信号的停止频率，fstart表示啁啾信号的开始频率，τDMGD表示差分模式群时
延值；

[0159] 在测量装置工作时，模分复用模块与模分解复用模块之间接入待检少模光纤，从而进行光信号传输。

[0160] 优选地，所述调频连续光信号产生模块包括：

[0161] 窄线宽光源产生单元，用于产生具有低相位噪声特性的线偏振态窄线宽光载波，入射至光电强度调制单元；

[0162] 啁啾电信号源，用于产生周期性且周期内频率增量单调的啁啾信号；

[0163] 光电强度调制单元，用于将啁啾电信号通过光电强度调制加载至经线偏振态窄线宽光载波上，得到频率增量单调的啁啾信号的调频连续光信号。

[0164] 该装置还包括显示装置，用于显示测量结果。

[0165] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。