一种模式相关损耗的测量系统及测量方法

本发明涉及模式相关损耗测量领域，尤其涉及一种模式相关损耗的测量系统及测量方法。

背景技术：

1、随着新型光纤以及相关技术的发展，空分复用技术成为提高光纤传输容量极限的一种有效方法。空分复用技术通过使用多芯光纤和少模光纤把信息加载到不同纤芯或者不同模式的光信号上，可以将信道容量提升几倍、几十倍甚至上百倍。

2、但空分复用技术在提升传输容量的同时，也会引入一系列的损伤，模式相关损耗(mode-dependent loss,mdl)便是其中一种。由于不同模式在光纤传输过程中损耗不一样，并且还存在模式的串扰、耦合，使得接收端得到的不同模式信道之间存在功率差异以及光信噪比差异等。随着信道复用的数目增加，mdl也会随之增大，导致接收端多入多出(multiple-input multiple-out-put，mimo)处理性能恶化，使得误码率增加。因此，对mdl进行快速、准确地测量表征对于空分复用系统来说及其重要。

3、非专利文献1(s.randel,c.schmidt,r.ryf,r.j.essiambre and p.j.winzer.“mimo-based signal processing for mode-multiplexed transmission.”ieeephotonics society summer topical meeting series(2012):181-182)公开了一种通过在发射端进行多路调制，接收端进行多路相干探测以及mimo处理得到传输矩阵，同时通过奇异值分解计算得到空分复用系统mdl的方法，并给出了mdl随光纤长度变化的结果。

4、非专利文献2(fontaine nicolas k.,ryf r.,mestre m.a.,guan b.and paloux.et al."characterization of space-division multiplexing systems usingaswept-wavelength interferometer."optical fiber communication conference(2013):1-3)公开了一种通过扫频光源进行扫频，设置信号臂与参考臂，在接收端使得信号臂与参考臂进行拍频干涉接收，同样得到传输矩阵并通过奇异值分解计算mdl的方法，给出了1510nm-1620nm波长范围的mdl测量结果。

5、专利文献cn107923816b公开了一种通过直接探测测量mdl的方法，在发射端通过光学开关控制信号光依次只通过一个输入空间信道，接收端则采用功率计测量n个输出空间信道的功率值，结合回切的方法得到功率损耗矩阵，通过奇异值分解计算得到mdl值。

6、然而，当前用于空分复用系统的mdl测量方案存在测量装置复杂、测量过程繁琐、数字信号处理(dsp)算法复杂度较高等缺点，例如：

7、非专利文献1中提出的基于传统相干探测mimo的方案在发射端需要进行多路调制，在接收端则需要多个相干接收机进行多路接收，同时要对接收信号进行mimo处理，因此其dsp算法复杂度较高；

8、非专利文献2中提出的基于干涉拍频方法则需要设置干涉臂，干涉臂光纤长度与信号臂光纤长度需满足相干长度，这意味着干涉臂光纤长度并不固定，需要随待测光纤长度变化而变化；同时，基于干涉拍频的方法虽然能够测量某一频率范围的mdl，但由于其扫描频率范围有限，且由于接收端采用拍频接收方式，意味着其对于粗波分复用(cwdm)等波长范围跨度较大(1270nm-1610nm)，传输波长只取少数离散点复用(通常每隔20nm波长间隔取一个点，一般根据系统的传输波段取6-18个点)的应用场景测量难度大，且测量装置和dsp算法上无法进行简化；

9、专利文献1中提出的直检方法，需要引入光学开关或对齐装置，确保信号光依次通过n个输入空间信道；同时接收端采用n个功率计测量n个输出信道的功率，或采用1个功率计，通过对齐装置依次将n个信道光耦合到功率计当中，因此该方案需要进行n次或n2次重复测量才能得到功率矩阵，测量过程较为繁琐。

技术实现思路

1、本发明为克服上述现有技术的缺陷，提供一种模式相关损耗的测量系统及测量方法，能够提高模式相关损耗的测量效率。

2、本发明一实施例提供一种模式相关损耗的测量系统，包括：发射光源、复用装置、接收装置以及干涉光源；

3、所述复用装置设在所述发射光源的出射路径上，且所述复用装置的输出端与所述接收装置的输入端相连；其中，待测光纤设置在所述复用装置中；

4、所述接收装置的输入端还与所述干涉光源相连；其中，所述干涉光源射出的干涉光波与所述发射光源射出的信号光波频率相同。

5、进一步的，所述复用装置包括偏振复用装置以及空分复用装置，所述待测光纤设在所述空分复用装置中。

6、进一步的，所述偏振复用装置包括：1×2光分束器、偏振复用光纤延时线、两个偏振控制器以及偏振合束器；

7、所述1×2光分束器的两个输出端分别与两个所述偏振控制器的输入端相连，其中一个所述偏振控制器与所述1×2光分束器的输出端之间还包括所述偏振复用光纤延时线，两个所述偏振控制器的输出端均与所述偏振合束器的输入端连接，所述偏振合束器的输出端与所述空分复用装置相连。

8、进一步的，所述空分复用装置包括：1×n光分束器、若干根空分复用光纤延时线、空分复用器、待测光纤、空分解复用器、若干根空分解复用光纤延时线以及n×1光合束器；其中，所述若干根空分复用光纤延时线与所述若干根空分解复用光纤延时线中各光纤延时线的长度各不相同；

9、所述1×n光分束器的输入端与所述偏振复用装置的输出端相连，所述1×n光分束器的输出端通过所述若干根复用光纤延时线与所述空分复用器的输入端相连，所述空分复用器的输出端通过所述待测光纤与所述空分解复用器的输入端相连，所述空分解复用器的输出端通过所述若干根空分解复用光纤延时线与所述n×1光合束器相连，所述n×1光合束器的输出端与所述接收装置相连。

10、进一步的，所述接收装置包括：两个偏振分束器、两个90°混频器、四个平衡光电探测器以及模数转换器；

11、所述两个偏振分束器的输入端分别与所述复用装置的输出端以及所述干涉光源的输出端相连，每个所述偏振分束器的输出端都分别与所述两个90°混频器的输入端相连，每个所述90°混频器的输出端都分别与两个所述平衡光电探测器的输入端相连，所有所述平衡光电探测器的输出端均与所述模数转换器的输入端相连。

12、进一步的，所述发射光源为脉冲激光器，所述干涉光源为连续波激光器。

13、本发明另一实施例提供一种基于如上述发明实施例所述测量系统的模式相关损耗的测量方法，包括以下步骤：

14、通过所述复用装置将发射光源输出的信号光波进行复用处理，得到预处理光波；

15、通过所述接收装置将所述预处理光波与干涉光源输出的干涉光波进行偏振分集与相干接收，并根据所述预处理光波和干涉光波转换得到数字信号；其中，所述预处理光波与所述干涉光波的频率相同；

16、根据所述数字信号计算待测光纤的模式相关损耗。

17、进一步的，通过所述复用装置将发射光源输出的信号光波进行复用处理，得到预处理光波，具体包括：

18、所述复用装置包括偏振复用装置以及空分复用装置；

19、所述偏振复用装置对信号光波的处理流程具体包括：

20、将所述信号光波分为两束第一分光波，并分别对所述两束第一分光波进行偏振复用处理，最后将处理后的两束第一分光波汇聚为一束偏振光波输入至所述空分复用装置；其中，其中一束所述第一分光波在进行偏振复用处理前经过了延时处理；

21、所述空分复用装置对所述偏振光波的处理流程具体包括：

22、将所述偏振光波分为若干束第二分光波；

23、在分别对所述若干束第二分光波进行延时处理后，对所述若干束第二分光波进行空分复用处理；

24、将经过空分复用处理的第二分光波均通过所述待测光纤进行传输，并在传输后对所述第二份光波进行空分解复用处理；

25、分别对经过空分解复用处理后的第二分光波进行二次延时处理，最后汇聚为一束预处理光波；其中，在所述延时处理以及二次延时处理中，每束第二分光波的延时时长各不相同。

26、进一步的，通过所述接收装置将所述预处理光波与干涉光源输出的干涉光波进行偏振分集相干接收，并根据所述预处理光波和干涉光波转换得到数字信号，具体包括：

27、所述接收装置分别对所述预处理光波与所述干涉光波进行偏振分集，得到s偏振方向的预处理光波、s偏振方向的干涉光波、p偏振方向的预处理光波以及p偏振方向的干涉光波；

28、将同偏振方向的光波分别进行混频处理，并将混频处理后的光波进行光电转换，得到相干脉冲信号；

29、将所述相干脉冲信号进行模数转换处理，得到所述数字信号。

30、进一步的，所述根据所述数字信号计算待测光纤的模式相关损耗，具体包括：

31、对所述数字信号进行脉冲提取，得到脉冲信号；其中，所述脉冲提取的方法至少包括峰值功率提取法以及平均功率计算法；

32、将经过不同延时脉冲信号的实部和虚部提取计算得到传输矩阵h，具体计算公式为：

33、h＝re+j·im

34、其中，re为实部信号组成的n×n矩阵，im为虚部信号组成的n×n矩阵；对所述传输矩阵进行奇异值分解，得到若干个奇异值，具体公式为：

35、h＝uεv

36、其中，u、v分别为左奇异矩阵和右奇异矩阵，ε是由n个奇异值δi(i＝1,2,…,n)组成的对角阵；

37、根据所述奇异值计算得到所述待测光纤的模式相关损耗；其中，所述模式相关损耗的计算公式具体为：

38、

39、其中，mdl为模式相关损耗值，δmax为所述奇异值的最大值，δmin为所述奇异值的最小值。

40、相较于现有技术，本发明的有益效果在于：

41、(1)测量系统结构简单，对于不同长度的待测光纤不需要设置不同长度的干涉臂，只需采用同频的连续光进行相干探测，测量操作设置不需要太多的光纤通信先验知识便可以进行；

42、(2)数字信号处理算法简单，只需要通过提取脉冲功率组成复传输矩阵，通过奇异值分解后进行比值求解可以得到模式相关损耗；

43、(3)相比于干涉拍频方法，本方法具有较高的精度，也就是较小的总体测量误差。