基于同步序列的少模光纤模间延时的测量系统及方法技术领域
本发明涉及光通信领域，具体是涉及一种基于同步序列的少模光纤模间延时的测
量系统及方法。
背景技术
随着互联网、云计算、移动宽带、数据中心的快速发展，网络传输带宽需求呈现爆
炸式增长，推动着超大容量光传输系统的发展。为了提升现有光传输系统的容量，波分复用
技术、数字相干接收、及低噪声光放大等关键技术被认为是提升容量的有效地解决方案。自
上世纪80年代末，波分复用技术被引入光纤通信领域之后，单模光纤单纤传输容量就成倍
增长。仅最近十五年内，实验室中获得的单模光纤单纤传输容量就从10Tbit/s迅速扩展到
超过100Tbit/s。在实际商用系统方面，目前已大规模商用的单通道100G DWDM(Dense
Wavelength Division Multiplexing，密集波分复用)传输系统的满配信道数量已经超过
180波，总容量接近20Tbit/s数量级。随着下一代单通道400G/1T光传输技术的发展，商用骨
干网单纤传输容量也将很快接近或达到100Tbit/s数量级。
随着单模光纤传输容量愈来愈接近其理论极限，为了进一步提高光传输容量，突
破单模光纤传输的香浓极限，世界各国的研究机构都将目光转向了空分复用技术(少模、多
芯、空间光角动量)的研究。而其中的少模光纤传输技术，因其在复用/解复用方式、链路放
大器能耗以及单位截面积传输效率上的优势，被认为是下一代光传输网络的主流技术。
少模光纤中由于允许多个模式的光同时传播，而不同模式的光波由于其在光纤中
传播路径的不同，导致存在模间延时。在少模光纤传输技术中，由于光纤中模间延时的存
在，导致接收端的数字信号处理算法的复杂度大大增加。因此少模光纤中的模间延时是少
模光纤的一个关键的参数，必须准确的测量出来。传统的少模光纤模间延时测量设备采用
纯光学原理，虽然测量精度较高，但是成本高昂，不适用于未来在工程条件下大规模的应
用。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种基于同步序列的少模光
纤模间延时的测量系统及方法，成本相比传统的纯光学测量方法显著降低，适用于未来在
工程条件下大规模的应用。
本发明提供一种基于同步序列的少模光纤模间延时的测量系统，该系统包括发送
端和接收端，所述发送端包括同步序列产生器、光调制器、分光比为1：N的光分路器、模式复
用器，N是待测少模光纤允许传播的模式数，N为正整数，接收端包括模式解复用器、N个光探
测器、数字信号处理模块，
在发送端，同步序列产生器产生一组特定比特率、时间长度为T的同步序列，光调
制器将同步序列调制到光载波上，得到一路单模光信号，光分路器将这一路单模光信号分
为N路单模光信号，将它们分别输入不同长度的单模光纤延迟线，对这N路单模光信号进行
不同的延时，其中：第1路单模光信号不经过延时，第2路单模光信号经过延时T，第3路单模
光信号经过延时2T，……第N路单模光信号经过延时(N-1)*T；模式复用器将经过延时的N路
单模光信号耦合变为一路N模式复用光信号，其中，原来第1路至第N路单模光信号分别对应
成为一路N模式复用光信号中的模式1、模式2、模式3……模式N；将这一路N模式复用光信号
输入待测的少模光纤；
在接收端，模式解复用器对接收到的一路N模式复用光信号进行解复用，得到N路
单模光信号，将N路单模光信号分别输入N路完全匹配的光探测器中，恢复出N路单模光信号
的同步序列信息，数字信号处理模块将接收的N路同步序列信息与已知的同步序列信息进
行按位的一一比对或同步相关运算，确定接收到的N路同步序列的相对起始时间位置：t1、
t2……tN，将t1、t2……tN与发送端N路同步序列相对起始时间位置：0、T、2T……(N-1)*T进行
对比，得到任意两个模式之间的相对延时，再结合待测少模光纤的长度，计算出待测少模光
纤中任意两个模式之间的模间延时参数。
在上述技术方案的基础上，所述待测少模光纤中任意两个模式之间的模间延时参
数的计算过程如下：模式1与模式2之间的模间延时参数的计算过程如下：在发送端，模式1
与模式2光信号之间的延时DT＝T－0＝T；在接收端，模式1与模式2光信号之间的延时DR＝
t2－t1；模式1与模式2光信号在待测少模光纤中产生的延时DF＝DR－DT＝t2－t1－T；假设待
测少模光纤的长度为L，则待测少模光纤中模式1与模式2之间的模间延时参数C1-2＝DF÷L，
以此类推，计算出待测少模光纤中任意两个模式之间的模间延时参数。
在上述技术方案的基础上，所述光调制器采用电-光调制器，光探测器采用平衡光
探测器、光-电解调器或集成相干接收机。
在上述技术方案的基础上，所述电-光调制器为直调激光器、电吸收光调制器、MZM
光调制器或IQ光调制器。
在上述技术方案的基础上，所述模式复用器与模式解复用器均采用光子灯笼。
本发明还提供一种应用于上述系统的基于同步序列的少模光纤模间延时的测量
方法，包括以下步骤：
在发送端，同步序列产生器产生一组特定比特率、时间长度为T的同步序列，光调
制器将同步序列调制到光载波上，得到一路单模光信号，光分路器将这一路单模光信号分
为N路单模光信号，将它们分别输入不同长度的单模光纤延迟线，对这N路单模光信号进行
不同的延时，其中：第1路单模光信号不经过延时，第2路单模光信号经过延时T，第3路单模
光信号经过延时2T，……第N路单模光信号经过延时(N-1)*T；模式复用器将经过延时的N路
单模光信号耦合变为一路N模式复用光信号，其中，原来第1路至第N路单模光信号分别对应
成为一路N模式复用光信号中的模式1、模式2、模式3……模式N；将这一路N模式复用光信号
输入待测的少模光纤；
在接收端，模式解复用器对接收到的一路N模式复用光信号进行解复用，得到N路
单模光信号，将N路单模光信号分别输入N路完全匹配的光探测器中，恢复出N路单模光信号
的同步序列信息，数字信号处理模块将接收的N路同步序列信息与已知的同步序列信息进
行按位的一一比对或同步相关运算，确定接收到的N路同步序列的相对起始时间位置：t1、
t2……tN，将t1、t2……tN与发送端N路同步序列相对起始时间位置：0、T、2T……(N-1)*T进行
对比，得到任意两个模式之间的相对延时，再结合待测少模光纤的长度，计算出待测少模光
纤中任意两个模式之间的模间延时参数。
在上述技术方案的基础上，所述待测少模光纤中任意两个模式之间的模间延时参
数的计算过程如下：模式1与模式2之间的模间延时参数的计算过程如下：在发送端，模式1
与模式2光信号之间的延时DT＝T－0＝T；在接收端，模式1与模式2光信号之间的延时DR＝
t2－t1；模式1与模式2光信号在待测少模光纤中产生的延时DF＝DR－DT＝t2－t1－T；假设待
测少模光纤的长度为L，则待测少模光纤中模式1与模式2之间的模间延时参数C1-2＝DF÷L，
以此类推，计算出待测少模光纤中任意两个模式之间的模间延时参数。
在上述技术方案的基础上，所述光调制器采用电-光调制器，光探测器采用平衡光
探测器、光-电解调器或集成相干接收机。
在上述技术方案的基础上，所述电-光调制器为直调激光器、电吸收光调制器、MZM
光调制器或IQ光调制器。
在上述技术方案的基础上，所述模式复用器与模式解复用器均采用光子灯笼。
与传统的纯光学方法相比，本发明的优点如下：
(1)本发明使用的所有光电器件均是成熟的商用产品，因此其成本相比传统的纯
光学测量方法显著降低，适用于未来在工程条件下大规模的应用。
(2)本发明的原理较为简单，因此系统可靠性也较高。
(3)传统的光学测量方法需要结构复杂的空间光路实现，因此测量设备往往体积
较大不利于工程应用。本发明的测量系统结构简单紧凑，所有元器件均可以集成在单板上，
便于系统的集成和产品化，利于产品的工程化应用。
附图说明
图1是本发明实施例中基于同步序列的少模光纤模间延时的测量系统的结构框
图。
图2为一个具体实施例的系统结构框图。
图3为本发明实例中发送端3路模式光信号上同步序列相对起始时间位置的示意
图。
图4为本发明实例中接收端3路模式光信号上同步序列相对起始时间位置的示意
图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
参见图1所示，本发明实施例提供一种基于同步序列的少模光纤模间延时的测量
系统，包括发送端和接收端，发送端包括同步序列产生器、光调制器、分光比为1：N的光分路
器、模式复用器，N是待测少模光纤允许传播的模式数，N为正整数，接收端包括模式解复用
器、N个光探测器、数字信号处理模块。
本发明实施例还提供一种应用于上述系统的基于同步序列的少模光纤模间延时
的测量方法，包括以下步骤：
在发送端，同步序列产生器产生一组特定比特率的同步序列，该同步序列的时间
长度为T，光调制器将同步序列调制到光载波上，得到一路单模光信号。将这一路单模光信
号输入分光比为1：N的光分路器，从而将这一路单模光信号分为N路单模光信号，将它们分
别输入不同长度的单模光纤延迟线，从而对这N路单模光信号进行不同的延时，其中：第1路
单模光信号不经过延时，第2路单模光信号经过延时T，第3路单模光信号经过延时2T，……
第N路单模光信号经过延时(N-1)*T，延时的目的是避免N路光信号在待测少模光纤中发生
严重混叠，导致在接收端无法解调出同步序列信号；模式复用器将经过延时的N路单模光信
号耦合变为一路N模式复用光信号，其中，原来第1路至第N路单模光信号分别对应成为一路
N模式复用光信号中的模式1、模式2、模式3……模式N；将这一路N模式复用光信号输入待测
的少模光纤。
在接收端，模式解复用器对接收到的一路N模式复用光信号进行解复用，又重新得
到N路单模光信号，将N路单模光信号分别输入N路完全匹配的光探测器中，恢复出N路单模
光信号的同步序列信息，并将N路同步序列信息输入数字信号处理模块。数字信号处理模块
将接收的N路同步序列信息与已知的同步序列信息进行按位的一一比对或同步相关运算，
从而确定接收到的N路同步序列的相对起始时间位置：t1、t2……tN。将接收端N路同步序列
相对起始时间位置t1、t2……tN与发送端N路同步序列相对起始时间位置(0、T、2T……(N-
1)*T)进行对比，得到任意两个模式之间的相对延时，再结合待测少模光纤的长度，计算出
待测少模光纤中任意两个模式之间的模间延时参数。
以模式1与模式2之间的延时为例，模式1与模式2之间的模间延时参数的具体计算
过程如下：在发送端，模式1与模式2光信号之间的延时DT＝T－0＝T；在接收端，模式1与模
式2光信号之间的延时DR＝t2－t1；模式1与模式2光信号在待测少模光纤中产生的延时DF＝
DR－DT＝t2－t1－T。假设待测少模光纤的长度为L，则待测少模光纤中模式1与模式2之间的
模间延时参数C1-2＝DF÷L。以此类推，可以计算出待测少模光纤中任意两个模式之间的模
间延时参数。
参见图2所示，假设待测少模光纤是长度为10公里的少模光纤，该少模光纤允许三
个模式的光传播，三个模式分别为LP01、LP11a和LP11b。首先，将一段比特率为10Gbit/s、时间
长度为10ns、码元个数为100个的同步序列通过一个直调激光器调制到光载波上，得到一路
光信号，这一路光信号通过一个分光比为1：3的光分路器，光分路器将这一路光信号分为3
路，将第1路光信号延时0ns，第2路光信号延时10ns，第3路光信号延时20ns。
将经过延时后的三路光信号输入一个3模式光子灯笼(模式复用器)，使三路单模
光信号合成为一路3模式复用信号。三个模式光信号上同步序列的相对起始时间位置就是
之前3路单模光信号分别经过的延时，参见图3所示。
将这一路模式复用信号输入待测的10公里少模光纤。在经过待测少模光纤链路传
输后，将一路3模式复用信号重新输入另一个3模式光子灯笼(模式解复用器)，重新变为三
路单模光信号。这三路单模光信号又被分别输入三个完全匹配的PD(Photo Diode，光电二
极管)，从而将这三路光信号上所携带的同步序列信号解调下来。
接着将解调下来的三路同步序列信号输入数字信号处理模块，对三路同步序列进
行相关运算，找到这三路接收信号的同步序列的相对起始时间位置。通过比较发送端与接
收端三路单模光信号上同步序列相对起始时间位置的变化，就可以得到三个模式的光信号
在待测单模光纤中的相对延时。
假设接收端三路单模光信号上同步序列的相对起始时间位置如图4所示。在发送
端LP01模与LP11a模之间的延时为10ns，而在接收端测得的LP01模与LP11a模之间的延时为
25ns，由此可以得到LP01模与LP11a模之间的模间延时为25ns－10ns＝15ns，而待测少模光纤
长度为10公里，因此待测少模光纤单位长度内LP01模与LP11a模之间的模间延时参数为15ns
÷10km＝1.5ps/m。以此类推：LP01模与LP11b模之间的模间延时参数为2.0ps/m；LP11a模与
LP11b模之间的模间延时参数为0.5ps/m。
本发明中基于同步序列的少模光纤中模间延时的测量方法与传统的纯光学测量
方案相比，具有成本低、可靠性高，结构简单紧凑，利于系统集成和产品化的优点，是一种十
分具有实用前景的少模光纤模间延时参数的测量方法。
本发明实施例中，发送端采用DML(Directly modulated laser，直调激光器)调制
同步序列信号；接收端采用光电二极管接收光信号；模式复用器与模式解复用器件采用了
光子灯笼。但实际发明的应用范围与实用方案并不局限于这些器件：光调制器可以是电-光
调制器，电-光调制器可以是任何能将电信号调制到光上的光器件，例如：DML、电吸收光调
制器、MZM(Mach-Zehnder Modulator，马赫-曾德调制器)光调制器或IQ(In-phase
Quadrature，同相正交)光调制器等；光探测器可以是任何可以把光信号转换为电信号的光
探测器，例如平衡光探测器、光-电解调器或集成相干接收机；模式复用器与模式解复用器
只要是可以实现不同模式光的耦合与分离即可即可，并不局限于光子灯笼。
本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变
型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围
之内。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。