光纤非线性系数自动测试软件系统的设计与实现

光纤非线性系数自动测试软件系统的设计与实现■王尧 刘泰 韩超 李昂（中国信息通信研究院 北京 100191）１．引言随着光通信技术的飞速发展，目前我国光网络已处于城域网推进部署100G，骨干网从100G到400G演进的技术升级阶段。

在工程应用中，为了获得尽可能长的传输距离和更高的光信噪比（OSNR），一方向需要降低光纤的衰减系数，另一方面需要提高光纤的入纤光功率。

光功率的提高会引发光纤的非线性效应，光纤的非线性效应包括散射效应和与折射率的光强依赖性（Kerr效应）有关的效应两大类。

散射效应主要有受激布里渊散射（SBS）、受激拉曼散射（SRS）等；与Kerr效应相关的影响主要有自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）、四波混频效应（FWM）等。

非线性效应已经成为限制通信系统性能的主要因素之一。

非线性系数是反映光纤非线性效应的一个重要参数，对非线性系数进行测试需要使用多台设备搭建系统，通常情况下在实验过程中需要对各设备进行大量的人工操作，效率较低且可能会影响测量的重复性。

因此，需要设计实现一套能够控制各设备协作，方便快捷地检测出光纤样品非线性系数的自动测试系统。

同时，自动测试系统还可以对结果进行自动计算与记录，并可以与测试数据采集软件对接，实现测试数据的直接上传，对智能实验室的进一步推进具有一定的积极意义。

２．相关技术背景2.1 非线性系数介绍当入射光的光功率较大时，光纤的折射率会由线性和非线性两部分组成，如公式（1）（1）式中n为光纤的折射率；n1为光纤的线性折射率；n2为光纤三阶极化率有关的非线性折射率系数；Aeff为光纤的有效面积；P为注入的光功率。

由公式（1）可知，光纤折射率的非线性部分与注入的光功率有关，其系数为，该系数称为非线性系数。

通过测量非线性系数的值，就可以比较不同光纤在特定注入光功率下非线性效应的大小。

因此，非线性系数的直接测量对新型光纤的研制和未来光通信网络的发展具有十分重大的意义。

2.2 非线性系数测量方法分析目前，国际标准化组织还没有正式的对于光纤非线性系数测量的试验方法没有形成正式的标准，但是对非线性系数测量的研究已经有一定历史。

ITU-T在2001年的第15研究组会议上介绍了美国和日本非线性系数测试的结果比对[1]，IEC在2005年以研究报告（TR）的形式发布了光纤非线性系数测试的推荐方法[2]。

近年，高速光通信系统的发展对降低光纤的非线性效应提出了要求，同时，测试设备的技术水平也取得了较大的进步，光纤的非线性系数的测量再次受到了关注。

中国通信标准化协会（CCSA）也开展了相关研究并发布了研究报告[3]。

目前已经提出的非线性系数测试方法主要有以下四种：1）单脉冲激光器（Pulsed-LD）的SPM法；2）双连续激光器（CW-LD）的SPM法；3）XPM法；4）FWM法。

在四种方法中，双连续激光器的SPM法具有测试过程与计算过程直观便捷，对待测光纤长度和色散限制低等优点，本文将以采用该方法的测试系统为基础进行软件系统搭建。

双连续激光器的SPM法采用两个连续的、频率可调的激光器作为光源。

通过调节两个激光器，使它们的频率接近从而产生拍频信号。

通过测量拍频信号在被测光纤中传播产生的非线性相移和注入光功率的关系（见公式2），计算得到被测光纤的非线性系数。

（2）式中Φ为非线性相移，λ为两个注入光的平均波长，P为两个注入光的平均功率，Leff为被测光纤的有效长度。

光纤有效长度可通过光纤的物理长度和衰减系数计算得到，其关系见公式3。

（3）参考IEC TR 62285，基于双连续激光器的SPM法的光纤非线性系数测试系统的装置布局如下图所示。

图1：基于双连续激光器的SPM法的光纤非线性系数测试系统的装置布局图测试系统中两个激光器采用工作在1550nm波段的以连续波方式工作的激光器作为光源，光源的工作功率差不大于0.2dB。

两个光源的波长应足够接近，其波长差的上限取决于光纤样品的色散，下限取决于光谱分析仪的波长分辨率。

两光源发出的光分别经过两个偏振控制器，使两束光的偏振态一致，并通过光耦合器变成一束光。

之后通过掺铒光纤放大器提高光功率，使其在注入待测光纤时足以产生非线性效应，并通过带通滤波器滤除光纤放大器引入的自发辐射。

可变光衰减器的作用是调整光功率，在一次测试中通过调整注入光功率获得多组测量数据，通过多组数据的拟合提高测试准确性。

之后光束进入一个输入和输出均有两个端口，同时输入输出端口间功率比为99:1的光耦合器。

用两个光功率计接在光耦合器的两个1%端口上，一个用于监测在被测光纤中是否由于光功率过大产生了SBS，保证系统工作在非受激状态；另一个用于测算注入被测光纤的光功率。

被测光纤的一端连接在光耦合器99%的输出口上，另一端连接光谱分析仪。

调整可变光衰减器，使注入被测光纤的光功率不使光纤产生SBS效应，并可以使光谱分析仪中产生清晰的主瓣和旁瓣。

当系统连接正确并正常工作时，光谱分析仪上的波形如图2所示。

图2：光谱分析仪波形图在测量时，调整可变光衰减器改变注入被测光纤的光功率，将第i次注入被测光纤的光功率记为Pi。

在光谱分析仪的波形图中读出主瓣和旁瓣的光强值，分别记为I1、I 2。

I 1与I 2的比值和相移Φi 之间存在如下关系：（4）公式4中J 0、J 1、J 2分别为零阶、一阶、二阶贝塞尔（Bessel）函数。

通过对该方程求解，可以获得注入光功率P i 时的相移值Φi 。

通过调整可变光衰减器，获取多组P i 和Φi 的值，进行线性拟合，得到拟合直线的斜率S。

由公式2经简单变形得到斜率S与非线性系数的关系见公式5。

（5）在本系统中，主要采用Keysight公司的仪器仪表作为测试设备，具体测试设备及相关信息如表1所示。

测试的具体步骤如下：1）连接光路，测量光耦合器两个输出口输出功率的差值；2）连接待测样品，将衰减器输出功率调到最大并调节光源使光谱仪上出现图2所示波形；3）记录光谱仪某侧主瓣和旁瓣的光强值；4）调节衰减器，使衰减器输出功率降低，重复步骤3；5）将多次测量的结果分别通过公式4计算出对应的相移φ值，并进行线性拟合，得到斜率S；6）通过公式5计算得到非线性系数结果。

表1：系统主要设备信息３．光纤非线性系数自动测试软件系统设计3.1 软件功能设计为了保证光纤非线性系数测试过程中系统的稳定性和系统使用的简易性，本系统设计实现了四个主要功能，分别为仪器仪表连接测试、光谱分析仪图像预览、光纤非线性系数测量和测试报告输出。

其整体功能图见图3。

其中仪器仪表连接测试的功能为系统自检功能，确保系统与设备连接的正确性。

光谱分析仪图像预览功能则会根据测试参数对光谱仪进行初始化，并保证光谱分析仪的波形为图2中的波形，且主瓣、旁瓣清晰可见。

光纤非线性系数测量功能为本系统的核心功能，包括数据采集和计算两个步骤，通过改变光衰减器的衰减和获取光功率计和光谱分析仪的读数，计算出光纤的非线性系数。

测试报告输出功能可以将测试信息、数据拟合图形、测试结果、原始数据等信息以文档的形式保存，方便后期的管理和查阅。

图3：光纤非线性系数自动测试系统功能图3.2 软件框架设计本系统使用C++语言实现，并使用IVI Foundation提供的测试仪器编程规范进行keysight公司的光学仪器设备的指令控制和数据获取。

IVI Foundation提供的visa库可以方便快捷的对仪器仪表进行控制，其主要指令如下表所示。

表2：visa库主要指令虽然非线性系数测试的硬件系统由光源、偏振控制器、掺铒光纤放大器、带通滤波器、可变光衰减器、光功率计、光谱分析仪等多个仪器仪表组成，但是系统在工作状态时，只需要控制并采集可变光衰减器、光功率计和光谱分析仪三个设备即可。

三个设备的部分指令及功能见表3。

表3：设备部分控制指令[4][5]系统的程序流程图如图4所示。

程序开始后，首先需要测试人员输入测试条件与初始参数，然后系统会自动连接并初始化相关仪器仪表。

当测试人员发出开始测试指令后，系统会自动获取仪器仪表的测量数据，并根据测试参数判断是否结束测试。

当满足结束条件时，系统会计算之前获取的数据并输出测试结果，反之则根据条件改变测试参数并继续测试。

图4：系统程序流程图本系统核心功能由四个核心类组成，分别命名为NonlinearTest类、Result-Dialog类、AcquisitionThread 类、Calculate类。

其中NonlinearTest类是系统的主界面，提供参数输入、连接测试、波形预览等功能；ResultDialog 类为测试界面类，负责控制测试线程，显示测试过程数据、拟合图像、结果数据，并提供报告输出功能；AcquisitionThread类为数据采集线程类，负责协调控制各个设备，获取仪器仪表读数；Calculate类为计算类，负责提供数据计算和直线拟合的功能。

其UML图如图5所示。

图5：系统核心功能UML图3.3 软件应用实现最终完成的软件系统的主界面如图6所示，其主要功能为测试参数的输入，并提供设备连接检测、波形图像预览、开始测试三个功能按钮。

测试参数包括样品编号（ID）、样品名、检测人、光纤长度、衰减系数、起始衰减、衰减间隔、分路器修正系数、检测点数、中心波长和各个设备的连接地址。

图6：软件主界面图其中光纤长度为待测样品光纤的实际长度，衰减系数为待测样品光纤的实际衰减系数，通过式3计算可以获得待测样品的有效长度。

起始衰减和衰减间隔是可变光衰减器工作参数，其中起始衰减为衰减器初始衰减值，衰减间隔为衰减器每两个采样点之间的衰减变化量。

分路器修正系数是系统中所使用的光耦合器两个输出口输出功率的差值，单位为dB，用于根据光功率计读数计算被测光纤的入纤光功率。

检测点数为单次测试中采样点的个数。

光源波长为两个光源输出波长的平均值，在系统中为了方便使用，设计成直接输入两光源的输出波长即可。

程序测试界面如图7所示，其上方会显示本次测试的相关参数。

随着每个采样点数据的采集，坐标系上会绘制出一系列的点，当测量结束后系统将所有的采样点拟合成一条直线，并在页面右上方显示测试结果，结果包括非线性系数和拟合优度两个数据。

由于待测光纤与连接到光耦合器上的尾纤间的熔接损耗的存在，会造成光纤注入功率的测算出现误差，所以在测试完成后，需要对本次测试的熔接损耗进行测量。

当测试完成后，系统会提示操作人员改变光路，取下被测光纤和尾纤并保留两者之间的熔接点，对熔接损耗进行测试。

在读取光谱仪的光强值时，由于手动测试时需要在每次改变样品输入光功率后手动寻找主瓣和旁瓣的峰值，即消耗时间又会引入一定的测试误差，所以在软件系统中使用了设定波长上下限寻找峰值的方法来保证光谱仪读数的准确。

首先，程序会自动找出波形两个主瓣和两个旁瓣的峰值点。