光纤通信课件

第9章光纤通信常用仪表及测试9.1引言9.2光纤测试以及光时域反射仪OTDR9.3光功率计与光端机的测试9.4光纤通信系统测试9.5误码测试仪与其他常用仪表9.6波长计、光谱分析仪OSA及应用9.7光衰减器及应用9.8网络分析仪及应用习题九内容摘要：光纤特性的测量分为传输特性测量和基本参数测量，光纤的损耗和色散属于传输特性，而光纤的光学特性和几何特性则属于光纤的基本参数。本章主要介绍光纤传输特性测量，即光纤衰减测量和光纤色散测量以及光端机和光纤通信系统的性能测试。本章重点要求：理解光纤损耗的三种测试方法：切断法、插入损耗法和后向散射法；了解光纤色散测量的几种方法：时域法、频域法、相移法和脉冲时延法；OTDR的测试原理。9.2光纤测试以及光时域反射仪OTDR9.2.1光纤测试参数光纤的测试参数有很多，主要有：(1)几何特性参数:包括光纤的纤芯直径、包层直径、纤芯不圆度、包层不圆度、芯包同心误差。(2)光学特性参数:包括单模光纤的模场直径、截止波长等，多模光纤的折射率分布、数值孔径等。(3)传输特性参数:包括衰减系数、单模光纤的色散系数、多模光纤的带宽。(4)机械特性参数:包括光纤的抗拉强度、疲劳因子等。(5)温度特性参数:包括衰减的温度附加损耗、时延温度等。光纤的每一种参数都有几种不同的测试或实验方法，本章只介绍其中的几种方法。9.2.2光纤损耗和色散测试1.光纤测试的注入条件多模光纤的注入条件光能耦合进多模光纤时会激励起很多模式，各个模式所携带的光能量是不同的，传输时的损耗也不同，模式之间还有能量转换，只有经过一个相当长的时间以后才能达到一种相对稳定的状态，此时称为稳态模式。对于多模光纤的测试，只有达到稳态模式分布以后才有意义。使多模光纤达到稳态分布的注入方式有两种，分别是满注入和限制注入。满注入就是要均匀地激励起所有的传导模式；限制注入就是只激励起较低损耗的低阶模，而适当抑制损耗较大的高阶模。当测试光纤的损耗时，采用限制注入方式，因为损耗较大的高阶模的注入，会由于被测光纤长度的不同而使输出光功率不同，从而产生测试误差；当测试光纤色散时，则采用满注入方式，因为色散的测试是由光脉冲通过传输后的脉冲时间展宽来确定的，如果采用限制注入，会使功率在不同模式上的分布产生较大变化，致使光脉冲的展宽程度不同，测试结果就不准确。要达到稳态分布，需要借助以下几种设备：扰模器，即采用强烈的几何扰动，使多模光纤不需要很长的距离就能迅速达到稳态分布。滤模器，滤除不需要的瞬态模或其他不需要的传导模，这些模损耗较大，对光纤稍加弯曲就可衰减掉。2.光纤损耗的测试在光纤传输过程中，光信号能量损失的原因是复杂的，有本征的和非本征的，在实用中最关心的是它的传输总损耗。不同波长的衰减是不同的。损耗用损耗系数α(λ)表示，如果注入光纤的功率为p(z=0),光纤的长度为L，经长度L的光纤传输后光功率为p(z=L)，因为光功率随长度是按指数规律衰减的，所以α(λ)为)/()()0(lg10)(kmdBLzpzpL损耗光纤损耗与波长的关系0.81.01.21.41.6瑞利散射OHOH红外吸收波长/m损耗/(dB/km)损耗测试一般有三种方法：截断法、插入法和后向散射法。截断法图9.1截断法测试光纤光源扰模器光检测器近端待测光纤远端L)/()()0(lg10)(kmdBLzpzpL在稳态注入条件下，首先测出待测光纤的输出光功率，然后保持注入条件不变，在离注入端约2m～3m处切断光纤，测量出短光纤的输出光功率。将作为待测光纤的起端注入光功率，按照定义式(8-1)和式(8-2)就可计算出待测光纤的衰减和衰减系数。在图9-1中，进行单一波长衰减测量时，光源可使用谱宽窄的发光二极管(LED)或激光器(LD)，以提高动态范围；扰模器的作用是保证光纤输入端激励条件的稳定性，即达到稳态模式分布。由于切断法测量光纤衰减时，测量准确度与光纤切割端面有较大的关系，所以测量样品的端头要认真地处理，端面必须是一个平整的与轴垂直的镜面并保持洁净。由于这种测量方法需要切断光纤，显然它是破坏性的。但是这种方法的测量精度高，可以低于0.1dB，所以它是光纤衰减测量的一种标准测试方法。插入法图9.2插入法测试损耗光源1光检测器2光连接器P1()光源1光检测器AP2()待测光纤B2光连接器切断法具有破坏性，而且用于现场测试时很困难、很费时。因此现场测试时常用插入损耗法代替切断法。插入损耗法在实质上是将切断法做成仪器，如图9-2所示。由光发射设备和光接收设备组成一个完整的光纤传输系统，待测光纤即为传输部分。在测试前首先对测量仪器进行校准，用1cm左右长的“短路”光纤连接系统的发射和接收部分，通过调整光源的输出功率使得接收部分显示的功率为0dBm，然后拆去“短路”光纤，接入待测光纤，此时接收部分显示的即为待测光纤的总平均损耗(dB)，用此值除以光纤的长度即为光纤的损耗系数。插入损耗法的测量精确度和重复性要受到耦合接头(或连接器)的精确度和重复性的影响，不如切断法的精确度高。但是测量简单方便，很适合于工程、维护使用。后向散射法后向散射法也是一种非破坏性的测试方法，与切断法和插入损耗法有本质上的不同。这种测试只需在光纤的一端进行，而且一般有较好的重复性。它不仅可以测量光纤的衰减系数，还能提供沿光纤长度损耗特性的详细情况，并且可以检测光纤的物理缺陷或断裂点位置，测定接头的损耗和位置，测量光纤的长度等等，所有测试结果都可以在仪器上自动记录和显示出来。利用这种方法做成的测量仪器叫做光时域反射计(OTDR)，其基本原理如图9-3所示。测量时将大功率的窄脉冲光注入到待测光纤中，通过分析光脉冲在光纤中由于后向散射返回到注入端的光信号的变化，可以得到光信号沿光纤传输的情况。图9.3后向散射法测量原理图假设输入光信号功率为P0，传输到距离输入端距离为z处发生散射，部分光向后反射回输入端。光纤的衰减系数是距离z的函数，假设正向传输时的衰减系数为αi（z），反向传输时的衰减系数为αS（z），则正向光功率为反射后，向后反射光的功率和P（z）的比值称为后向散射系数，用S表示，它和光纤的结构参数（芯径、相对折射率差）有关。后向散射光的功率PS（z）可以表示为zdzzPzP00)(exp)((9.2)00)(exp)(zSdzzPSzP(9.3)将式(9.2)代入式(9.3)，可得})]()([exp{)(00dzzzPSzPSizS(9.4)如果光纤从0到z的平均衰减系数为α（z），则有其中dzzzzzzzPSzPSizS)]()([21)(])(2exp[)(00(9.5)则任意两点z1、z2之间的平均衰减系数为)()(lg5211221zPzPzzSSzz(9.6)从9.6可以看出，只要能测出z1、z2点散射光返回的光功率以及z1、z2两点之间的距离，就可以算出平均衰减系数。这种测试是由光时域反射计OTDR来完成的。后相散射法同样适用于单模光纤的衰减测量，此外,它在研究两路光传输的互相串扰或光纤陀螺仪的灵敏度时也是很有用处的。它的缺点在于无法控制后向散射光的模式分布，对光纤的非均匀性很敏感。3.光纤色散的测试数字信号在光纤中传输时是由不同的频率成分或不同的模式成分来携带的。这些不同的频率成分或模式成分有不同的传输速度，当它们在光纤中传输一段距离后将互相散开，于是光脉冲被展宽，这种现象就是色散。色散特性可以从时域或频域两方面描述，光脉冲在时间上的展宽实际上是从时域特性来描述光纤的色散效应的，而光纤的频域特性则是指光纤中每个频率成分的失真。3.光纤色散的测试由于光纤中所传信号的不同频率成分，或信号能量的各种模式成分，在传输过程中，因群速度不同互相散开，引起传输信号波形失真，脉冲展宽的物理现象称为色散。光纤色散的存在使传输的信号脉冲畸变，从而限制了光纤的传输容量和传输带宽。从机理上说，光纤色散分为材料色散，波导色散和模式色散。前两种色散由于信号不是单一频率所引起，后一种色散由于信号不是单一模式所引起。色散对光纤传输系统的影响，在时域和频域的表示方法不同。如果信号是模拟调制的，色散限制带宽；如果信号是数字脉冲，色散产生脉冲展宽。所以，色散通常用3dB光带宽f3DB或脉冲展宽Δτ表示。色散材料色散模式色散色散补偿方案：零色散波长光纤。色散位移光纤DSF。在光纤最低损耗窗口λ=1.55μm附近得到最小色散。色散平坦光纤DFF。在λ=1.30μm和λ=1.55μm范围内，色散接近于零。色散补偿光纤DCF。色散补偿器如光纤光栅FG、光学相位共轭OPC等。色散补偿方案：零色散波长光纤。色散位移光纤DSF。减少光纤的纤芯使波导色散增加，可以把零色散波长向长波长方向移动，从而在光纤最低损耗窗口λ=1.55μm附近得到最小色散。将零色散波长移至λ=1.55μm附近的光纤称为DSF光纤。色散平坦光纤DFF。将在λ=1.30μm和λ=1.55μm范围内，色散接近于零的光纤称为DFF光纤。色散补偿光纤DCF。普通单模光纤的色散典型值为1ps/(nm·km)，在特定波长范围内；DCF光纤的色散符号与其相反，即为负色散，这样当DCF光纤与普通单模光混合使用时,色散得到了补偿。为了得到好的补偿效果,通常DCF光纤的色散值很大，典型值为-103ps/(km·nm)，所以只需很短的DCF光纤就能补偿很长的普通单模光纤。色散补偿器如光纤光栅FG、光学相位共轭OPC等。其原理都是让原先跑得快的波长经过补偿器时慢下来，减少不同波长由于速度不一样而导致的时延。1)多模光纤的色散测试假设光纤的输入/输出脉冲波形都近似为高斯分布，如图9.3所示。经光纤传输后的脉冲展宽Δτ、Δτ1和Δτ2的关系是所以只要测出Δτ1和Δτ2，就可以得到脉冲展宽Δτ。2122)()(（9.7）图9.3（a）为输入脉冲，幅度为A1，则A1/2所对应的宽度Δτ1是这个脉冲的宽度。图9.3（b）为输出脉冲，假设幅度为A2，则A2/2所对应的宽度Δτ2是这个脉冲的宽度。经证明，Pin(t)A101t(a)Pout(t)A202t(b)21A21A图9.3假设光纤的输入/输出脉冲波形都近似为高斯分布如果输入脉冲Pin（t）对应的频谱函数是Pin（f），输出脉冲Pout（t）对应的频谱函数为Pout（f），那么光纤的频率响应特性H（f）为当输出频谱下降为输入频谱的一半时，对应的频率为光纤的带宽，用fc表示，即H（fc）=1/2，有10lgH（fc）=-3dB。)()()(fPfPfHinout（9.8）实际测试时，一般把光功率变为电信号处理，即I（f），则有dBfPfPfIfIinoutinout6)()(lg20)()(lg20即6dB电带宽对应3dB光带宽。由于输入/输出脉冲具有高斯波形，因此可得光纤的带宽B（即fc）和脉冲的展宽时间有如下关系：441.0B（9.9）所以如果测得光纤的脉冲时延，就可以求得带宽B。ITUT规定的基准测试方法有两种：时域法和频域法。(1)时域法:测试框图如图9.4所示。图9.4时域法测试色散原理框图脉冲发生器光源扰模器12光检测示波器待测光纤延时触发测试步骤为：先用脉冲发生器调制光源，使光源发出窄脉冲信号，且使其波形尽量接近高斯分布，注入方式采用满注入方式；接着用一根短光纤将连接点1和2相连，此时在输出示波器中得到的是Pin（t），并测试它的宽度Δτ1；然后把待测光纤从接头1和2之间接入，同样的输入条件下，在示波器中得到的波形相当于Pout（t），测试它的宽度Δτ2；将这两个值带入式（9.7），则得到此光纤的脉冲展宽Δτ;最后利用式（9.9）可计算光纤带宽B。用半导体激光器作为光源测量光纤色散的基本装置如图8-5所示。此装置的优点是设备较简单，动态范围也比较大；缺点是数据点减少，因此有可能影响到测量精度。故它适合