2-8光纤特性参数的测量

2.8光纤特性参数的测量光纤的特性参数很多，基本上可分为几何特性、光学特性和传输特性三类。几何特性包括纤芯与包层的直径、偏心度和不圆度；光学特性主要有折射率分布、数值孔径、模场直径和截止波长；传输特性主要有损耗、带宽和色散。损耗、带宽、色散和截止波长不同程度地受使用条件的影响，直接关系到光纤传输系统的性能，是我们要特别关注的指标。2.8光纤特性参数的测量2.8.1损耗测量光纤损耗测量有两种基本方法：一种是测量通过光纤的传输光功率，称剪断法和插入法；另一种是测量光纤的后向散射光功率，称后向散射法。1.测量原理：10lg(/)ioutpdBkmLp式中，L为被测光纤长度(km)，Pi和Pout分别为输入光功率和输出光功率(mW或W)。2.8光纤特性参数的测量只要测量长度为L2的长光纤输出光功率Pout，保持注入条件不变，在注入装置附近剪断光纤，保留长度为L1（一般为2—3m）的短光纤，测量其输出光功率Pi(即长度为L=L2-L1这段光纤的输入光功率)，根据光纤损耗系数公式计算α值。L2-L1L1=2~3mL2PiPout2.8光纤特性参数的测量PiPout光源一般采用谱线宽度足够窄的激光器。在整个测量过程中，光源位置、强度和波长应保持稳定。注入装置的功能是保证多模光纤在短距离内达到稳态模式分布。对于单模光纤，应保证全长为单模传输。接收一般包括光敏面积足够大的光检测器、放大器和电平测量或数据显示，通常用光功率计来实现。剪断法光纤损耗测量系统框图2.8光纤特性参数的测量剪断法是根据损耗系数的定义，直接测量传输光功率而实现的，所用仪器简单，测量结果准确，因而被确定为基准方法。但这种方法是破坏性的，不利于多次重复测量。在实际应用中，可以采用插入法作为替代方法。插入法是在注入装置的输出和光检测器的输入之间直接连接，测出光功率Pi，然后在两者之间插入被测光纤，再测出光功率Pout，据此计算值。这种方法可以根据工作环境，灵活运用，但应对连接损耗作合理的修正。2.8光纤特性参数的测量2.后向散射法(OTDR法)利用与传输光相反方向的瑞利散射光功率来确定光纤损耗系数的方法，称为后向散射法。设在光纤中正向传输光功率为P，经过L1和L2点(L1L2)时分别为P1和P2(P1P2)，从这两点返回输入端(L=0)。光检测器的后向散射光功率分别为Pd(L1)和Pd(L2)，经分析推导得到，正向和反向平均损耗系数：)/()()(lg)(2102112KmdBLPdLPdLLa-2：表示光经过正向和反向两次传输产生的结果2.8光纤特性参数的测量测量光纤的长度后向散射法不仅可以测量损耗系数，还可利用光在光纤中传输的时间来确定光纤的长度L。12nctL式中，c为光速，n1为光纤的纤芯折射率，t为光脉冲发出到返回的时间。2.8光纤特性参数的测量后向散射法光纤损耗测量系统框图2.8光纤特性参数的测量光时域反射仪(OTDR：opticaltimedomainreflector)用后向散射法的原理设计的测量仪器称为光时域反射仪(OTDR)。特点：采用单端输入和输出，不破坏光纤，使用非常方便。OTDR不仅可以测量光纤损耗系数和光纤长度，还可以测量连接器和接头的损耗，观察光纤沿线的均匀性和确定故障点的位置，是光纤通信系统工程现场测量不可缺少的工具。2.8光纤特性参数的测量后向散射功率曲线的示例(a)输入端反射区；(b)恒定斜率区，用以确定损耗系数；(c)连接器、接头或局部缺陷引起的损耗；(d)介质缺陷(例如气泡)引起的反射；(e)输出端反射区，用以确定光纤长度。2.8光纤特性参数的测量2.8.2带宽测量基本方法：时域法和频域法。（等效）时域法：测量通过光纤的光脉冲产生的脉冲展宽，又称脉冲法；频域法：测量通过光纤的频率响应，又称扫频法。这种方法通常用于多模光纤的测量。2.8光纤特性参数的测量扫频法设在测量系统中，接入一段短光纤时，测出的频率响应为H1(f)，接入被测长光纤时，测出的频率响应为H2(f)，则光纤频率响应H(f)和3dB光带宽f3dB应满足下式：写成对数形式：T(f)=10lg|(Hf3dB)|=10［lg|H2(f)|-lg|H1(f)|］=-3|H(f3dB)|=21)()(12fHfH2.8光纤特性参数的测量注：由于经光检测器后，光功率按比例转换为电流(或电压)，因此3dB光带宽相应于6dB电带宽。图示出用对数电平显示的频率响应H1(f)、H2(f)和由两曲线相减得到的光纤频率响应H(f)和6dB电带宽。f6dB)(1fH)(fH)(2fH0－6频率f/MHz电平显示/dB2.8光纤特性参数的测量扫频法光纤带宽测量系统框图2.8光纤特性参数的测量2.8.3单模光纤色散测量基准方法：相移法测量依据：用角频率为ω的正弦信号调制的光波，经长度为L的单模光纤传输后，其时间延迟τ取决于光波长λ,不同时间延迟产生不同的相位φ。用波长为λ1和λ2的受调制光波，分别通过被测光纤，由产生的时间延迟差为，相位移为。长度为L的光纤总色散为：用代入上式，得到光纤色散系数：()DL21-()DLw/2.8光纤特性参数的测量相移法光纤色散测量系统框图2.8光纤特性参数的测量2.8.4截止波长测量截止波长：221222.405cann-对常规单模光纤，通过对折射率分布的测量，确定纤芯半径a，纤芯和包层的折射率n1和n2，计算理论截止波长λc。实际测量截止波长的基准方法是：传输功率法。传输功率法：在弯曲状态下，测量损耗——波长函数的方法。2.8光纤特性参数的测量测量依据：LP11模在接近截止波长时，其传输功率对光纤弯曲十分灵敏，而基模LP01模在接近LP11模的截止波长时，其传输功率对光纤弯曲不十分灵敏。单色仪注入系统2800被测光纤锁相放大器计算机斩光器参考信号波长控制绘图仪卤灯传输功率法截止波长测量系统框图2.8光纤特性参数的测量用2m长的被测光纤，接入测量系统的注入装置和光检测器之间，把被测光纤弯曲成φ280的圆圈，测量输出光功率P1(λ)；保持注入条件不变，把被测光纤弯曲成φ60的圆圈，这时消除了次低阶模LP11，只有基模LP01存在，测量输出光功率P2(λ)。由此得到弯曲状态下损耗——波长函数：12()()()pRp2.8光纤特性参数的测量在R(λ)曲线中，0.1dB平行线与R(λ)的交点，确定为截止波长λc。一般实测截止波长稍小于理论截止波长。弯曲损耗——波长函数R(λ)