光缆施工第5章

第5章光缆通信工程中常用仪表介绍5.1光纤通信中的无源光器件5.2常用光源5.3光功率计5.4光时域反射仪（OTDR）5.5光纤熔接机5.6WDM中的光仪表与光器件5.1光纤通信中的无源光器件5.1.1用途与分类光衰减器是对光信号进行衰减的器件。光衰减器有两种类型，即可变光衰减器和固定光衰减器。5.1.2原理衰减光功率的方法有：反射一部分光，吸收一部分光，在空间遮挡一部分光，用偏振片选择光的偏振面等。图5.1可变光衰减器的原理结构5.1.3使用方法1．以MN924A光衰减器为例，说明其使用方法，其面板结构及各部分的名称如图5.2所示。2．DB-2900图5.2MN924A光衰减器面板图图5.3DB-2900面板图5.2常用光源光源是光纤测试的主要组成部分，是光特性测试不可缺少的信号源。5.2.1用途与分类光纤通信测量中使用的光源有三种：稳定光源、白色光源（即宽谱线光源）及可见光光源。5.2.2原理1．发光二极管式稳定光源发光二极管是比较稳定的半导体发光器件，只要工作环境温度保持一定，其输出光功率就可以在长时间内保持稳定。图5.4发光二极管式稳定光源2．激光二极管式稳定光源图5.5示出了实现输出光功率稳定的激光二极管式稳定光源的原理框图。图5.5激光二极管式稳定光源5.2.3使用方法1．M921A光源2．LP-5250光源图5.6MG921A稳定化光源面板图图5.7LP－5250光源的面板图5.3光功率计5.3.1用途及分类光功率计是用来测量光功率大小、线路损耗、系统富裕度及接收机灵敏度等的仪表，是光纤通信系统中最基本，也是最主要的测量仪表。光功率计的种类很多：根据显示方式的不同，可分成模拟显示型和数字显示型两类；根据可接收光功率大小的不同，可分成高光平型（测量范围为＋10～40dBm）、中光平型（范围为0～55dBm）和低光平型（范围为：0～90dBm）三类；根据光波长的不同，可分为长波长型（范围为1.0～1.7m）、短波长型（范围为0.4～1.1m）和全波长型（范围为0.7～1.6m）三类；此外，根据接收方式的不同，还可将光功率计分成连接器式和光束式两类。5.3.2原理光功率计一般都由显示器（又称指示器，属于主机部分）和检测器（探头）两大部分组成。图5.8数字显示式光功率计原理框图5.3.3使用方法1．ML93A2．LP-5025图5.9ML93A光功率计面板图图5.10LP-5025光功率计面板图图5.11光源光功率计测试连线示意图5.4光时域反射仪（OTDR）光时域反射仪（OTDR），又称后向散射仪或光脉冲测试器，光纤光缆的生产、施工及维护工作中不可缺少的重要仪表，被人称为光通信中的“万用表”。5.4.1用途可用来测量光纤的插入损耗、反射损耗、光纤链路损耗、光纤长度、光纤故障点的位置及光功率沿路由长度的分布情况（即P-L曲线）等。5.4.2原理及相关术语1．原理图5.12OTDR原理框图2．基本术语在OTDR光纤测试中经常用到的几个基本术语为背向散射、非反射事件、反射事件和光纤尾端。（1）背向散射光纤自身反射回的光信号称为背向散射光（简称背向散射）。（2）非反射事件光纤中的熔接头和微弯都会带来损耗，但不会引起反射。由于它们的反射较小，我们称之为非反射事件。（3）反射事件活动连接器、机械接头和光纤中的断裂点都会引起损耗和反射，我们把这种反射幅度较大的事件称之为反射事件。图5.13OTDR测试事件类型及显示（4）光纤末端第一种情况为一个反射幅度较高的菲涅尔反射。第二种情况光纤末端显示的曲线从背向反射电平简单地降到OTDR噪声电平以下。图5.14两种光纤末端及曲线显示示意图图5.15几种光纤末端的识别示意图5.4.3性能参数、常见问题及使用方法1．OTDR的性能参数OTDR的性能参数一般包括OTDR的动态范围、盲区、距离精确度、OTDR接收电路设计和光纤的回波损耗、反射损耗。（1）动态范围①定义：把初始背向散射电平与噪声电平的差值（dB）定义为动态范围。②动态范围的作用：动态范围可决定最大测量长度。③动态范围的表示方法：有峰-峰值（又称峰值动态范围）和信噪比（SNR＝1）两种表示方法。图5.16OTDR动态范围示意图④动态范围的应用动态范围大小决定仪器可测量光纤的最大长度。图5.17动态范围的应用示意图⑤测量范围与动态范围的关系初始背向散射电平与一定测量精度下的可识别事件点电平的最大衰减差值被定义为测量范围。图5.18动态范围与测量范围关系示意图⑥距离刻度距离刻度是表示OTDR测量光纤的长度指标，是OTDR的主要参数。（2）盲区①定义由活动连接器和机械接头等特征点产生反射（菲涅尔反射）后，引起OTDR接收端饱和而带来的一系列“盲点”称为盲区。②衰减盲区③事件盲区图5.19事件、衰减盲区示意图④盲区和动态范围间的关系盲区：决定OTDR横轴上事件的精确程度。动态范围：决定OTDR纵轴上事件的损耗情况和可测光纤的最大距离。影响动态范围和盲区的因素：a．脉宽的影响b．平均时间对动态范围的影响c．反射对盲区的影响图5.20脉冲宽度对测试的影响图5.21平均时间对动态范围的影响（3）距离精度距离精度是指测试长度时仪表的准确度（又叫一点分辨率）。OTDR的距离精度与仪表的采样间隔、时钟精度、光纤折射率、光缆的成缆因素和仪表的测试误差有关。图5.22采样间隔对测试的影响图5.23分段设置折射率示意图2．常见问题（1）光纤类型不匹配（2）增益现象（3）盲区的影响消除（4）幻峰（又叫鬼点）图5.24伪增益现象及产生原因图5.25用接入光纤消除盲区示意图图5.26用接入光纤测试第一个活动连接器示意图3．OTDR的操作和应用（以HP8147为例加以说明）图5.27HP8147OTDR前面板示意图图5.28统一设置参数概览示意图图5.29游标B确定示意图图5.30添加界标示意图图5.31双向测量示意图图5.32减测量显示示意图5.5光纤熔接机5.5.1用途与分类光纤熔接机是完成光纤固定连接接头的专用工具。光纤熔接机可根据被接光纤的类型不同分为单模光纤熔接机和多模光纤熔接机；根据操作方式的不同，可分为人工（或半自动）熔接机和自动熔接机；根据一次熔接光纤芯数的不同分为单纤熔接机和多纤熔接机；根据接续过程中监控方式的不同，可分为远端监控方式（RIDS，属第一代）熔接机，本地监控方式（LIDS，属第二代）熔接机和纤芯直视方式（PAS，属第三代）熔接机。5.5.2工作原理1．纤芯直视法（DCM法）熔接机图5.33DCM法示意图2．本地监控方式熔接机图5.34本地监控光纤熔接机原理结构5.5.3使用方法1．TYPE-35SE熔接机的特点2．注意事项3．操作方法图5.35TYPE-35SE面板图5.36TYPE-35SE侧面端口示意图（1）键盘说明（2）参数设置①设定外形的操作步骤②对芯方式的操作步骤图5.37TYPE－35SE初始画面图5.38进入外形项显示画面图5.39第三层菜单画面③外径选择的操作步骤④数据显示与存入图5.40对芯方式选择画面图5.41数据显示与存入画面图5.42接头箱画面⑤放电试验⑥时间（3）方式选择图5.43放电试验显示画面图5.44时间菜单显示画面图5.45方式选择画面①自动②手动③分步④通信⑤参数⑥检查图5.46检查方式画图图5.47电机检查显示画面图5.48电极状态显示画面⑦光纤名⑧加热条件图5.49光纤名画图图5.50加热条件显示画面图5.51加热参数显示画面（4）熔接机自动熔接操作流程（5）光纤熔接点的补强图5.52光纤熔接机自动熔接流程图图5.53良好实例：保护套管端部未收缩示意图图5.54良好实例：被覆部位附有气泡示意图图5.55不良实例：进入保护套管的被覆光纤的长度不够图5.56不良实例：裸纤部位上附有小气泡示意图图5.57不良实例：熔接部光纤弯曲示意图（6）熔接质量评估表5-4熔接质量不好情况屏幕上显示图形形成原因及处理方法由于端面尘埃、结露、切断角不良以及放电时间过短引起。熔接损耗很高，需要重新熔接由于端面不良或放电电流过大引起，需重新熔接熔接参数设置不当，引起光纤间隙过大。需要重新熔接端面污染或接续操作不良。选按“ARC”追加放电后，如黑影消失，推算损耗值又较小，仍可认为合格。否则，需要重新熔接表5-5熔接质量正常情况屏幕显示图形形成原因及处理方法白线光学现象，对连接特性没有影响模糊细线光学现象，对连接特性没有影响包层错位两根光纤的偏心率不同。推算损耗较小，说明光纤仍已对准，属质量良好包层不齐两根光纤外径不同。若推算损耗值合格，可看做质量合格污点或伤痕应注意光纤的清洁和切断操作，不影响传光4．熔接过程中的异常情况及处理5.6WDM中的光仪表与光器件5.6.1WDM中的无源器件图5.58进行光功率复合和分解的基本星形耦合器的概念1．2×2光纤耦合器通常使用器件的根据输入和输出端口进行表征命令。比如具有两个输入和两个输出的器件称为“2×2耦合器”，通常，N×M耦合器具有N个输入和M个输出。图5.59熔融光纤耦合器的横截面，它包括长为W的耦合区域和两个长为l的锥形区域，耦合器总的拉伸长度为L=2l+W2．2×2波导耦合器图5.60双向波导耦合器的剖面图3．星形耦合器星形耦合器的主要作用是将N个输入功率复合后再平均分配到M个输出端口。图5.61通过将四根光纤扭绞、加热和拉伸，使他们熔融在一起制作成的普通4×4熔融光纤星形耦合器在理想的星形耦合器中，任意输入端口输入的光功率都应均匀分配给所有的输出端口，耦合器的总损耗包括分路损耗和通过星形的每一个通路的附加损耗，使用分贝表示的分路损耗的为对单一输入功率Pin和N个输出功率，使用分贝表示的附加损耗为图5.62由12个2×2耦合器形成的8×8星形耦合器由图5.62可以推导出，构成N×N星形耦合器所需3dB耦合器的数量为5.6.2WDM中的有源光器件（光仪表）1．可调谐光源图5.63给出了一个注入可调的三段DBR激光器调谐范围的例子。其调谐范围Dltune可用下式计算图5.63注入可调的三段DBR激光器的调谐范围图5.64调谐范围、信道间隔和光源谱宽之间的关系图5.65制造于同一晶片上的阵列可调MQW-DFB激光器和一个光功率合成器2．可调谐滤波器图5.66显示了可调光滤波器的基本概念。其中滤波器的工作频率范围是Dn，可以采用电调谐来允许一个光频带通过。图5.66可调谐光滤波器示意图图5.67给出了一个多电极非对称方向耦合器置于LiNbO3晶体之上，其中一个臂比另一个臂薄。图5.67多电极可调谐的非对称方向耦合器电光调谐可实现8信道50GHz光频间隔（在1550nm波长处为0.4nm），调谐时间小于50ns。这是通过级联三个可调谐MZI来实现的，如图5.68所示。图5.68三级可调MZI滤波器图5.69给出了一个可调谐光纤法布里-珀罗滤波器的例子。图5.69光纤法布里-珀罗腔可调谐滤波器图5.70解释了这一概念，这种结构采用两个三端口环行器，并将N个串联的电可调光纤反射光栅置于二者之间。图5.70多个可调光纤光栅同两个光环行器结合，用以对N个不同波长进行自由分接和插入声光可调谐滤波器（AOTF）的原理是利用光子和声波在铌酸锂一类固体中的相互作用，如图5.71所示。图5.71声光可调滤波器的基本结构和工作原理3．光谱分析仪及应用（1）具有不同性能等级（例如波长分辨率）的光谱分析仪（OSA）可用于测量光输出或器件的传输参数随波长的变化规律。（2）EDFA增益与噪声系数的测试图5.72测量光放大器增益的基本装置和OSA显示的典型测量曲线计算增益G和量子极限噪声系数的NF图5.73使用光源扣除法测量EDFA的噪声系数的系统框图