（光学工程专业论文）光纤参数测试及其应用研究.pdf

中文摘要 本文系统研究了光纤衰减、光纤的纵向特性、截止波长、模场直径、偏振串 音、色散和偏振模色散的测试方法，介绍了不同的测量方法和原理，分析了影响 测量的因素，提出了部分光纤生产过程的质量控制办法。 论文描述了光纤的衰减和纵向特性的主要测试方法：截断法和后向散射法。 介绍光纤衰减的产生机理，以及生产过程对光纤衰减和纵向特性的影响因素。针 对各种测试结果进行了分析，通过测量结果对光纤生产进行指导。最后重点对截 断法在科研项目中的尝试和应用作了详细研究，首次使用傅里叶光谱仪替代常用 的单色仪，组建中红外光纤损耗测试系统并获得成功。 论文对单模光纤的截止波长测量进行了研究。通过实验验证了两种光纤参考 的传输功率法的致性，对影响截止波长的因素做了实验分析，提出了精确测量 截止波长的条件。 论文对熊猫型保偏光纤的模场直径测量方法作了较深入研究。通过分析、对 比和推导及实验，提出了测量保偏光纤模场直径的方法。 论文介绍了保偏光纤的偏振串音的测量方法。针对在自行搭建偏振串音测试 装置时遇到的一些实际问题进行了详细分析，提出了一些实用的解决方案，提高 了偏振串音的测量重复性。 论文介绍了光纤色散及偏振模色散产生的机理和测量方法，分析了影响 p m d 测量的因素，提出了模拟光纤在光缆中的状态测量偏振模色散的方法。 论文最后总结了整个论文的工作，提出了对后续工作的展望。 关键词：光纤测量；衰减；截止波长；模场直径；偏振串音；色散；偏振模色 散。 a bs t r a c t t h i sa r t i c l eh a ss t u d i e ds y s t e m i c a l l yt h eo p t i c a la t t e n u a t i o n ，t h eo p t i c a lf i b e r l o n g i t u d i n a lc h a r a c t e r i s t i c ，t h ec u t o f fw a v e l e n g t h ，t h em o d ef i e l dd i a m e t e r , t h e p o l a r i z a t i o nc r o s s t a l k ，t h ec h r o m a t i cd i s p e r s i o na n dt h ep o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o n t e s tm e t h o d i ti n t r o d u c e dt h ed i f f e r e n tm e a s u r i n gt e c h n i q u ea n dt h ep r i n c i p l e ，h a s e a n a l y z e dt h em e a s u r e m e n ti n f l u e n c ef a c t o r sa n dp r o p o s e dt h ep a r t i a lo p t i c a lf i b e r p r o d u c t i o np r o c e s sq u a l i t yc o n t r o lm e a n s t h i sa r t i c l ed e s c r i b e dt h e o p t i c a l f i b e ra t t e n u a t i o na n dt h e l o n g i t u d i n a l c h a r a c t e r i s t i cm a i nt e s tm e t h o d ：t h ec u t b a c km e t h o da n dt h eb a c k s c a t t e r i n gm e t h o d i th a si n t r o d u c e dt h eo p t i c a la t t e n u a t i o nt h ep r o d u c t i o nm e c h a n i s ma sw e l la st h e p r o d u c t i o np r o c e s st o t h eo p t i c a la t t e n u a t i o na n dt h el o n g i t u d i n a lc h a r a c t e r i s t i c i n f l u e n c ef a c t o r i th a sc a r r i e do nt h ea n a l y s i si nv i e wo fe a c hk i n do ft e s tr e s u l tb y c a r r i e so nt h ei n s t r u c t i o nt h r o u g ht h em e a s u r e m e n tr e s u l tt ot h eo p t i c a lf i b e r p r o d u c t i o n f i n a l l yk e yr e s e a r c ht o c u t b a c km e t h o dh a sd o n et h ed i s s e c ti nt h e s c i e n t i f i cr e s e a r c hi t e ma t t e m p ta n dt h ea p p l i e dr e s e a r c h ，f o rt h ef i r s tt i m eu s e dt h e f o u r i e ri n f r a r e ds p e c t r o s c o p es u b s t i t u t i o nc o m m o n l yu s e dm o n o c h r o m a t o r , w es e tu p t h et e s ts y s t e mf o ri n f r a r e do p t i c a lf i b e ra t t e n u a t i o na n do b m i ns u c c e s s f u l l y t h i sa r t i c l eh a sc o n d u c t e dt h et h o r o u g hr e s e a r c ht ot h es i n g l e m o d eo p t i c a lf i b e r c u t - o f fw a v e l e n g t hm e a s u r e m e n t i n t r o d u c e du s e st r a n s m i s s i o np o w e rm e t h o dw i t h t h es i n g l e - m o d ea n dt h em u l t i - m o d eo p t i c a lf i b e rr e f e r , c o n f i r m st w ot e s tm e t h o d s t h r o u g ht h ee x p e r i m e n tt h eu n i f o r m i t y , a n dt o a f f e c t e dt h ec u t - o f fw a v e l e n g t ht h e f a c t o rt om a k et h ee x p e r i m e n t a la n a l y s i s ，p r o p o s e dt h ep r e c i s i o nm e a s u r i n gc u t - o f f w a v e l e n g t hc o n d i t i o n t h ep o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n gf i b e rm o d ef i e l dd i a m e t e rm e a s u r i n gt e c h n i q u eh a s b e e ns t u d i e dt h o r o u g h l y t h r o u g ht h ea n a l y s i s ，t h ec o n t r a s ta n dt h ei n f e r e n t i a l r e a s o n i n ga n dt h ee x p e r i m e n t ，p r o p o s e ds u i t st h ep o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n gf i b e rm o d e f i e l dd i a m e t e rt h em e a s u r i n gt e c h n i q u e t h ep o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n gf i b e rp o l a r i z a t i o nc r o s s t a l km e a s u r i n gt e c h n i q u ew a s i n t r o d u c e d s o m ea c t u a lp r o b l e m sw h i c ht h i sc h a p t e ri nv i e wo fw h e ni sv o l u n t a r i l y b u i l d i n gp o l a r i z a t i o nc r o s s t a l kt e s t i n gd e v i c em e e t st oc a r r yo nt h em u l t i - a n a l y s i s ， p r o p o s e ds o m ep r a c t i c a ls o l u t i o n i m p r o v e di t sm e a s u r e m e n tr e p e a t a b i l i t y t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt h eo p t i c a lf i b e rc h r o m a t i cd i s p e r s i o na n dt h ep o l a r i z a t i o n m o d ec h r o m a t i cd i s p e r s i o np r o d u c e st h em e c h a n i s ma n ds e v e r a lm e a s u r i n gt e c h n i q u e ， a n a l y z e dh a sa f f e c t e dt h ep m dm e a s u r e m e n tt h ef a c t o r , p r o p o s e ds i m u l a t i o no p t i c a l f i b e ri no p t i c a lc a b l ec o n d i t i o nf o rm e a s u r i n gt h ep o l a r i z a t i o nm o d ec h r o m a t i c d i s p e r s i o nm e t h o d a tt h ee n d ，s u m m a r i z e dt h ee n t i r ep a p e rw o r k ，p r o p o s e dt ot h ef o l l o w i n gw o r k f o r e c a s t k e y w o r d ：o p t i c a lf i b e rm e a s u r e m e n t ；a t t e n u a t i o n ；c u t - o f fw a v e l e n g t h ；m o d ef i e l d d i a m e t e r ；p o l a r i z a t i o nc r o s s t a l k ；c h r o m a t i cd i s p e r s i o n ；p o l a r i z a t i o nm o d e d i s p e r s i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤奎盘堂或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 麦f0 勿签字日期：矽叼年艄扩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：刍f j 衍 签字日期：弘o7 年期宕日 吲雠矽钒杪 签字日期桫7 年驴豹 第一章绪论 1 1 光纤通信简史 第一章绪论 原始形式的光通信是通过中国古代的“烽火台”报警，欧洲人用旗语传送信 息。1 8 8 0 年，美国人贝尔( b e l l ) 发明了用光波作载波传送话音的“光电话”。贝尔 光电话是现代光通信的雏型。1 9 6 0 年，美国人梅曼( m a i m a n ) 发明了第一台红宝 石激光器，给光通信带来了新的希望。激光器的发明和应用，使沉睡了8 0 年的 光通信进入一个崭新的阶段。 在这个时期，美国麻省理工学院利用h e n e 激光器和c 0 2 激光器进行了大 气激光通信试验。由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质，对光通信的研究 曾一度走入了低潮。 19 6 6 年，英籍华裔学者高锟( c k k a o ) 和霍克哈姆( c a h o c k h a m ) 发表了关于 传输介质新概念的论文，指出了利用光纤( o p t i c a lf i b e r ) 进行信息传输的可能性和 技术途径，奠定了现代光通信一光纤通信的基础。通过“原材料的提纯制造出适 合于长距离通信使用的低损耗光纤这一发展方向川。 1 9 7 0 年，美国康宁( c o m i n g ) 公司研制成功损耗2 0 d b k m 的石英光纤。把光 纤通信的研究开发推向一个新阶段。 1 9 7 2 年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 d b k m 。 1 9 7 3 年，美国贝尔( b e l l ) 实验室的光纤损耗降低到2 5 d b k m 。1 9 7 4 年降低到 1 1 d b k m 。 1 9 7 6 年，日本电报电话烈邢公司将光纤损耗降低到0 4 7 d b k m ( 波长 1 2 r t m ) 。在以后的l o 年中，波长为1 5 5 1 a m 的光纤损耗： 1 9 7 9 年是0 2 0 d b k m ，1 9 8 4 年是o 。1 5 7 d b k m ，1 9 8 6 年是0 1 5 4 d b k m ，接近 了光纤最低损耗的理论极限。 1 9 7 0 年，美国贝尔实验室、日本电气公司( n e c ) 和前苏联先后，研制成功室 温下连续振荡的镓铝砷( g a a i a s ) 双异质结半导体激光器( 短波长) 。虽然寿命只有 几个小时，但它为半导体激光器的发展奠定了基础。 1 9 7 3 年，半导体激光器寿命达到7 0 0 0 小时。 1 9 7 6 年，日本电报电话公司研制成功发射波长为1 3 p m 的铟镓砷磷( 1 n g a a s p ) 激光器。 第章绪论 1 9 7 7 年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到1 0 万小时。 1 9 7 9 年美国电报电话( a t & t ) 公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为 1 5 5 y m 的连续振荡半导体激光器。 1 9 7 6 年，美国在亚特兰大( a t l a n t a ) 进行了世界上第一个实用光纤通信系统的 现场试验。 1 9 8 0 年，美国标准化f t - 3 光纤通信系统投入商业应用。 1 9 7 6 年和1 9 7 8 年，日本先后进行了速率为3 4 m b s 的突变型多模光纤通信 系统，以及速率为1 0 0 m b s 的渐变型多模光纤通信系统的试验。 1 9 8 3 年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。 随后，由美、日、英、法发起的第一条横跨大西洋t a t - 8 海底光缆通信系统 于19 8 8 年建成。第一条横跨太平洋t p c 3 h a w - 4 海底光缆通信系统于l9 8 9 年 建成。从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全球通信网的发 展。 光纤通信以其独特的优越性，已经成为现代通信发展的主流方向，光纤通信 具有速率高，传输信息大，传输距离远，抗干扰能力强，保密性好等优点1 2 圳。 现在，我国绝大部分传统的电缆通信已经被光纤通信所取代，光纤通信在公用通 信网上获得了广泛的应用。近年来，随着人们对通信带宽需求的迅速增长，光纤 通信骨干网上单通道传输速率一直在朝着高速、大容量和长距离的方向发展1 5 j 。 在我国，随着经济的迅速发展，通信技术和通信市场也得到了飞速的发展。单通 道速率为1 0 g b i t s 的系统已经商业化，单通信速率正向4 0 g b i t s 甚至更高速率发 展。 1 2 光纤分类及光缆的敷设方式 1 2 1 光纤的分类 从材料角度分为石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑 料光纤和氟化物光纤等。塑料光纤是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯 ( 有机玻璃) 制成的。它的特点是制造成本低廉，相对来说芯径较大，与光源的 耦合效率高，耦合迸光纤的光功率大，使用方便。但由于损耗较大，带宽较小， 只适用于短距离低速率通信，如短距离计算机网链路、船舶内通信等。目前通信 中普遍使用的是石英系光纤。 按传输模式分为单模光纤和多模光纤。多模光纤的纤芯直径为5 0 - - 6 2 5 m ， 包层外直径1 2 5 9 m ，单模光纤的纤芯直径为8 3 p m ，包层外直径1 2 5 9 m 。光纤的 第一章绪论 工作波长有短波长0 8 5 a m 、长波长1 3l a m 和1 5 5 1 a m 。光纤损耗一般是随波长 加长而减小，0 8 5 a m 的损耗为2 5 d b k m ，1 3l a m 的损耗为0 3 5 d b k m ，1 5 5 a m 的 损耗为0 2 0 d b k m ，这是光纤的最低损耗，波长1 6 5 a m 以上的损耗趋向加大。 由于o h - 的吸收作用，0 9 0 1 3 0 a m 和1 3 4 1 5 2 a m 范围内都有损耗高峰，这两 个范围未能充分利用。8 0 年代起，倾向于多用单模光纤，而且先用长波长1 3 l a m 。 多模光纤( m u i t i m o d ef i b e o ：中心玻璃芯较粗( 5 0 或6 2 5 a m ) ，可传多种模式 的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加 会更加严重。例如：6 0 0 m b k m 的光纤在2 k m 时则只有3 0 0 m b 的带宽了。因此， 多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。 单模光纤( s i n g l em o d ef i b e r ) ：中心玻璃芯很细( 芯径一般为9 或l o a m ) ，只 能传一种模式的光。其模间色散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料色散和 波导色散，光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。在 1 3 l 岬波长处，单模光纤的材料色散和波导色散一为正、一为负，大小正好相 等。这就是说在1 3 1 9 m 波长处，单模光纤的总色散为零。而1 3 1 a m 处正好是光 纤的一个低损耗窗口，因此，1 3 1 a m 波长区就成了光纤通信的一个很理想的工 作窗口，也是现在实用光纤通信系统的主要工作波段。1 3 1 a m 常规单模光纤的 主要参数是由国际电信联盟l t u t 在g 6 5 2 1 6 1 建议中确定的，因此这种光纤又称 g 6 5 2 光纤。 按最佳传输频率窗口分：常规型单模光纤和色散位移型单模光纤。 常规型：光纤生产长家将光纤传输频率最佳化在单一波长的光上，如1 3 0 0 n m 色散位移型：光纤生产厂家将光纤传输频率最佳化在两个波长的光上，如： 1 3 0 0 n m 和1 5 5 0 n m 。 常规单模光纤在1 31 “m 处的色散比在1 5 5 a m 处色散小得多。这种光纤如 工作在1 5 5 a m 波长区，虽然损耗较低，但由于色散较大，仍会给高速光通信系 统造成严重影响。因此，这种光纤仍然不是理想的传输媒介。 为了使光纤较好地工作在1 5 5 a m 处，设计出一种新的光纤一色散位移光纤 ( d s f ) 。这种光纤可以对色散进行补偿，使光纤的零色散点从1 3 1 a m 处移到 1 5 5 a m 附近。这种光纤又称为1 5 5 a m 零色散单模光纤，代号为g 6 5 3 。 g 6 5 3 光纤是单信道、超高速传输的极好的传输媒介。现在这种光纤已用于 通信干线网，特别是用于海缆通信类的超高速率、长中继距离的光纤通信系统中。 色散位移光纤虽然用于单信道、超高速传输是很理想的传输媒介，但当它用 于波分复用多信道传输时，又会由于光纤的非线性效应而对传输的信号产生干 扰。特别是在色散为零的波长附近，干扰尤为严重。为此，又研制了一种非零色 散位移光纤即g 6 5 5 光纤【7j 【8 1 ，将光纤的零色散点移到1 5 5 9 m 工作区以外的 第一一章绪论 1 6 0 9 m 以后或在1 5 3 p m 以前，但在1 5 5 p m 波长区内仍保持很低的色散。这种 非零色散位移光纤不仅可用于现在的单信道、超高速传输，而且还可适应于将来 用波分复用来扩容，是一种既满足当前需要，又兼顾将来发展的理想传输媒介。 还有一种单模光纤是色散平坦型单模光纤。这种光纤在1 3 1l a m 到1 5 5 9 i n 整个波段上的色散都很平坦，接近于零。但是这种光纤的损耗难以降低，体现不 出色散降低带来的优点，所以目前尚未进入实用化阶段。 按折射率分布情况分：阶跃型和渐变型光纤。 阶跃型：光纤的纤芯折射率高于包层折射率，使得输入的光能在纤芯一包层 交界面上不断产生全反射而前进。这种光纤纤芯的折射率是均匀的，包层的折射 率稍低一些。光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的，只有一个台阶，所以称 为阶跃型折射率多模光纤，简称阶跃光纤，也称突变光纤。这种光纤的传输模式 很多，各种模式的传输路径不一样，经传输后到达终点的时间也不相同，因而产 生时延差，使光脉冲受到展宽。所以这种光纤的模间色散高，传输频带不宽，传 输速率不能太高，用于通信不够理想，只适用于短途低速通讯，比如：工控。但 单模光纤由于模间色散很小，所以单模光纤都采用突变型。 渐变型光纤：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小，可使高次模的光 按正弦形式传播，这能减少模间色散，提高光纤带宽，增加传输距离，但成本较 高，现在的多模光纤多为渐变型光纤。渐变光纤的包层折射率分布与阶跃光纤一 样，为均匀的。渐变光纤的纤芯折射率中心最大，沿纤芯半径方向逐渐减小。由 于高次模和低次模的光线分别在不同的折射率层界面上按折射定律产生折射，进 入低折射率层中去，因此，光的行进方向与光纤轴方向所形成的角度将逐渐变小。 同样的过程不断发生，直至光在某一折射率层产生全反射，使光改变方向，朝中 心较高的折射率层行进。这时，光的行进方向与光纤轴方向所构成的角度，在各 折射率层中每折射一次，其值就增大一次，最后达到中心折射率最大的地方。在 这以后。和上述完全相同的过程不断重复进行，由此实现了光波的传输。可以看 出，光在渐变光纤中会自觉地进行调整，从而最终到达目的地，这叫做自聚焦。 按光纤的工作波长分类，有短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。 1 2 2 光纤制造 目前通信中所用的光纤一般是纯度极高的石英光纤。在主体材料里掺入微量 的掺杂剂，使纤芯折射率略高于包层，制造成光纤预制棒，最后拉制成光纤。 制造光纤预制棒的方法很多，目前主要有：管内m c v d ( 化学汽相沉积) 法， 第一章绪论 棒内c v d 法，p c v d ( 等离子体化学汽相沉积) 法和v a d ( 轴向汽相沉积) 法p j 。但 不论用哪一种方法，都要先在高温下做成预制棒，然后在高温炉中加温软化，拉 成长丝，再进行涂覆、套塑，成为光纤芯线。光纤的制造要求每道工序都要相当 精密，由计算机控制。在制造光纤的过程中，要注意： 光纤原材料的纯度必须很高； 必须防止杂质污染，以及气泡混入光纤； 要正确控制折射率的分布； 正确控制光纤的结构尺寸； 尽量减小光纤表面的伤痕损害，提高光纤机械强度。 光缆的优点：光导纤维是一种传输光束的细微而柔韧的媒质。光导纤维电缆 由一捆光纤组成，简称为光缆。光缆是数据传输中最有效的一种传输介质，它的 优点和光纤的优点类似，主要有以下几个方面： 1 频带较宽。 2 电磁绝缘性能好。光纤电缆中传输的是光束，由于光束不受外界电磁干 扰与影响，而且本身也不向外辐射信号，因此它适用于长距离的信息传输以及要 求高度安全的场合。当然，抽头困难是它固有的难题，因为割开的光缆需要再生 和重发信号。 3 衰减较小。可以说在较长距离和范围内信号是一个常数。 4 中继器的间隔较大，因此可以减少整个通道中继器的数目，可降低成本。 根据贝尔实验室的测试，当数据的传输速率为4 2 0 m b p s 且距离为1 1 9 公里无中 继器时，传输质量很好。而同轴电缆和双绞线每隔几千米就需要接一个中继器。 在使用光缆互联多个小型机的应用中，必须考虑光纤的单向特性，如果要进 行双向通信，那么就应使用双股光纤。由于要对不同频率的光进行多路传输和多 路选择，因此在通信器件市场上又出现了光学多路转换器。 在普通计算机网络中安装光缆是从用户设备开始的。因为光缆只能单向传 输。为了实现双向通信，光缆就必需成对出现，一个用于输入，一个用于输出。 光缆两端接光学接口器。 安装光缆需格外谨慎。连接每条光缆时都要磨光端头，通过电烧烤或化学环 氯工艺与光学接口连在一起，确保光通道不被阻塞。光纤不能拉得太紧，也不能 形成直角。 常用光缆光纤的类型由模材料( 玻璃或塑料纤维) 及芯和外层尺寸决定，芯的 尺寸大小决定光的传输质量。常用的光缆有： 8 3 1 a m ：签、1 2 5 1 t m 外层、单模。 6 2 5 9 m 芯、1 2 5 1 a m 外层、多模。 第一章绪论 5 0 p , m 芯、1 2 5 1 x m 外层、多模。 1 0 0 1 a m 芯、1 4 0 t a m 外层、多模。 1 2 3 光缆敷设方式 通信光缆自7 0 年代开始应用以来，现在已经发展成为长途干线、市内电话 中继、水底和海底通信以及局域网、专用网等有线传输的骨干，并且已开始向用 户接入网发展，由光纤到路边( f ”r c ) 、光纤到大楼( f 1 v r b ) 等向光纤到户( f t 丁h ) 发展。针对各种应用和环境条件等，通信光缆有架空、直埋、管道、水底、室内 等敷设方式。 架空光缆是架挂在电杆上使用的光缆。这种敷设方式可以利用原有的架空明 线杆路，节省建设费用、缩短建设周期。架空光缆挂设在电杆上，要求能适应各 种自然环境。架空光缆易受台风、冰凌、洪水等自然灾害的威胁，也容易受n ； i - 力影响和本身机械强度减弱等影响，因此架空光缆的故障率高于直埋和管道式的 光纤光缆。一般用于长途二级或二级以下的线路，适用于专用网光缆线路或某些 局部特殊地段。架空光缆的敷设方法有两种：吊线式：先用吊线紧固在电杆上， 然后用挂钩将光缆悬挂在吊线上，光缆的负荷由吊线承载。自承式：用一种自承 式结构的光缆，光缆呈“8 ”字型，上部为自承线，光缆的负荷由自承线承载。 直埋光缆：这种光缆外部有钢带或钢丝的铠装，直接埋设在地下，要求有抵 抗外界机械损伤的性能和防止土壤腐蚀的性能。要根据不同的使用环境和条件选 用不同的护层结构，例如在有虫鼠害的地区，要选用有防虫鼠咬啮的护层的光缆。 根据土质和环境的不同，光缆埋入地下的深度一般在0 8 m 至1 2 m 之间。在敷设 时，还必须注意保持光纤应变要在允许的限度内。 管道光缆：管道敷设一般是在城市地区，管道敷设的环境比较好，因此对光 缆护层没有特殊要求，无需铠装。管道敷设前必须选下敷设段的长度和接续点的 位置。敷设时可以采用机械旁引或人工牵引。一次牵引的牵引力不要超过光缆的 允许张力。制作管道的材料可根据地理选用混凝土、石棉水泥、钢管、塑料管等。 水底光缆：水底光缆是敷设于水底穿越河流、湖泊和滩岸等处的光缆。这种 光缆的敷设环境比管道敷设、直埋敷设的条件差得多。水底光缆必须采用钢丝或 钢带铠装的结构，护层的结构要根据河流的水文地质情况综合考虑。例如在石质 壤、冲刷性强的季节性河床，光缆遭受磨损、拉力大的情况，不仅需要粗钢丝 做铠装，甚至要用双层的铠装。施工的方法也要根据河宽、水深、流速、河床、 流速、河床土质等情况进行选定。水底光缆的敷设环境条件比直埋光缆严竣得多， 修复故障的技术和措施也困难得多，所以对水度光缆的可靠性要求也比直埋光缆 高。 第一章绪论 海底光缆也是水底电缆，但是敷设环境条件比一般水底光缆更加严竣，要求 更高，对海底光缆系统及其元器件的使用寿命要求在2 5 年以上。 海底光缆：1 9 8 8 年，在美国与英国、法国之间敷设了越洋的海底光缆 ( t a - t 8 ) 系统，全长6 7 0 0 公里。这条光缆含有3 对光纤，每对的传输速率为 2 8 0 m b s ，中继站距离为6 7 公里。这是第一条跨越大西洋的通信海底光缆，标志 着海底光缆时代的到来。1 9 8 9 年，跨越太平洋的海底光缆( 全长1 3 2 0 0 公里) 也建设成功，从此，海底光缆就在跨越海洋的洲际海缆领域取代了同轴电缆，远 洋洲际间不再敷设海底电缆。 光纤的传输容量大，中继站间的距离长，适用于海底长距离的通信。用于海 底光缆的光纤比陆地光缆所用的光纤有更高的要求；要求低损耗、高强度、制造 长度长，光缆的中继距离长，一般都在5 0 公里以上，在光纤的传输性能方面要 求在2 5 年以内不会变化。在海底光缆的结构方面：要求能经受强大的压力和拉 力，特别是深海光缆( 敷设在水深1 0 0 0 米以上海底的光缆) ，在敷设和维修作业 中除了光缆本身的重量外，还要加上海浪加到光缆上的动态应力，在如此大的负 荷条件下，光缆的应变要限制在0 7 - - - 0 8 之内；海底光缆的结构要求坚固、材 料轻，但不能用轻金属铝，因为铝和海水会发生电化学反应而产生氢气，氢分子 会扩散到光纤的玻璃材料中，使光纤的损耗变大【l 们。因此海底光缆既要防止内部 产生氢气，同时还要防止氢气从外部渗入光缆。为此，在9 0 年代初期，研制开 发出一种涂碳或涂钛层的光纤，能阻止氢的渗透和防止化学腐蚀。光纤接头也要 求是高强度的，要求接续保持原有光纤的强度和原有光纤的表面不受损伤。 按照上述要求和特点，海底光缆的基本结构是将经过一次或两次涂层处理后 的光纤螺旋地绕包在中心加强构件( 用钢丝制成) 的周围。光纤设在螺旋形的u 形槽塑料骨架中，槽内填满油膏或弹性塑料体形成纤芯。纤芯周围用高强度的钢 丝绕包，在绕包过程中要把所有缝隙都用防水材料填满，再在钢丝周围绕包一层 铜带并焊接搭缝，使钢丝和铜管形成一个抗压和抗拉的联合体，这个铜管还是传 送远供电流的导体。在钢丝和铜管的外面还要再加一层聚乙烯护套。这样严密多 层的结构是为了保护光纤、防止断裂以及防止海水的侵入，同时也是为了在敷设 和回收修理时可以承受巨大的张力和压力。 进入9 0 年代，海底光缆已经和卫星通信成为当代洲际通信的主要手段。海 底光缆承担的洲际通信业务量逐年上升，已经超过了卫星通信的业务量，成为现 代洲际通信的主力。 第一章绪论 主动牵引轮 送棒装置 光纤预制棒 拉丝炉 百级净化箱 退火管 激光测径仪 冷却管 百级净化箱 辅助牵引轮 一次涂覆器 u v 固化系统 一涂直径测径仪 冷却管 二次涂覆器 同心度监控仪 u v 固化系统 二涂直径测径仪 p m d 搓线机 图1 、光纤拉制示意图 在光纤预制棒完成后，就进入到光纤拉丝的过程。其作法是在洁净间中将光 纤预制棒固定在拉丝机顶端，并逐渐加温至摄氏2 1 0 0 摄氏度左右。光纤预制棒 一8 第。章绪论 受热后便逐渐融化并在底部累积液体，待其自然垂下，经过冷却系统，在光纤表 面的裂纹尚没受空气中的水分等的影响扩大，就迅速地进行两层涂覆来保护光纤 表耐1 2 】。内层涂覆涂层材料折射率比玻璃大且弹性模量较低，用来吸收包层多余 的光并保护光纤表面，起到缓冲外界应力作用。外层涂覆较硬，弹性模量较高， 有利于防止磨损并提高强度l l 】。此过程的关键在于均匀加热、拉制速度的控制等。 拉制技术无误时，拉出的光纤结构会与光纤预制棒的结构相同。涂覆材料也在拉 丝机上及时涂敷，以保护光纤免受潮气、磨损的伤害。有的涂覆材料( 如硅橡胶， 采用热固化方式) 是通过自然冷却附在光纤上，有的是用紫外光线照射固化在光 纤上( 如丙烯酸树脂，采用紫外光固化，适合高速拉丝，通信用光纤都采用此固 化系统，拉丝速度几百米到2 0 0 0 米分钟) 。拉丝的过程中，通过均匀稳定的热 场加热，以及激光测径仪与拉丝主动牵引轮和送料机构的自动闭环反馈，在一定 的拉丝速度下对光纤直径进行测量及控制。光纤的直径和结构等质量多与拉制速 度有关，自动化的测量监控会随时调节拉丝的速度【i 。 光纤拉丝机通常称为拉丝塔，因为光纤须拉出一段距离后才能绕最后成为产 品，所以机器要有一定的高度。现在的通信光纤拉丝塔一般高度在2 0 米以上。 1 4 光纤参数测试 2 0 0 0 年光纤的紧缺使得国内许多光通信企业甚至非本行业内企业纷纷上马 光纤项目，随着北美通信泡沫经济的破灭，整个行业一落千丈，马上出现了光纤 市场供大于求的局面，一些厂家纷纷破产改行或停产关门。从2 0 0 5 年以来光纤 市场出现了回暖现象，但光纤的价格仍处于低谷，这对于光纤成产厂家造成很大 的压力，要在这种微利甚至无利时代求得生存，只有提高产品质量，走降低光纤 生产成本之路。提高光纤拉丝效率是降低生产成本行之有效的方法之一，提高光 纤拉丝速度和减少降温停机时间是提高拉丝效率的两种主要方式。高性能的光纤 需要严格的质量控制，离不开光纤参数测试的正确选择与应用。 光纤测试技术的应用贯穿于光纤的制造的整个过程。包括后续的光缆生产、 敷设、通信系统调试及维护，都离不开光纤的测试技术。如拉丝炉的炉温控制系 统，最重要的部分就是采用红外高温探测技术。拉丝过程的光纤裸纤、一次涂覆 和二次涂覆直径的测量控制，采用的就是激光测径技术。光纤最终检验的常规测 量项目有光纤衰减、纵向均匀、几何尺寸、截止波长、模场直径、色散和偏振模 色散( p m d ) 等。 第一章绪论 1 5 本论文的主要工作 本文系统研究了光纤测试的光纤衰减、光纤的纵向特性、截止波长、模场直 径、色散和偏振模色散的测试方法，介绍了不同的测量方法和原理，分析了影响 测量的因素，提出了部分光纤生产过程的质量控制办法。 第二章描述了光纤的衰减和纵向特性的主要测试方法：截断法和后向散射 法，介绍光纤衰减的产生机理以及生产过程对光纤衰减和纵向特性的影响因素。 针对各种测试结果进行了分析，以通过测量结果对光纤生产进行指导。最后重点 对截断法在科研项目的尝试和应用研究( “2 - 6 u m 砷硫系红外光纤”项目) 作了详 细介绍，创新点在于首次使用傅里叶光谱仪替代常用的单色仪，组建了中红外光 纤损耗测试系统并获得成功。 第三章对单模光纤的截止波长测量进行了深入研究。介绍了采用单模和多模 光纤参考的传输功率法，通过实验验证两种测试方法的一致性，并对影响截止波 长的因素做了实验分析，提出了精确测量截止波长的条件。 第四章对保偏光纤的模场直径测量方法( 国防科技预研基金项目“保偏光纤 模场直径测量技术研究”) 作了较深入研究。通过分析、对比和推导及实验，提 出了适合保偏光纤模场直径的测量方法。 第五章介绍了保偏光纤的串音的测量方法。针对在自行搭建偏振串音测试装 置时遇到的一些实际问题进行了详细分析，提出了一些实用的解决方案，提高了 偏振串音的测量重复性。 第六章介绍了光纤色散及偏振模色散产生的机理和几种测量方法，分析了影 响p m d 测量的因素，提出了采用零张力绕制光纤模拟光纤在光缆中的状态测量 偏振模色散的方法。 第七章总结了整个论文的工作，提出了对后续工作的展望。 第二章光纤损耗测试及其在生产和科研中的应用 第二章光纤损耗测试及其在生产和科研中的应用 2 1 光纤的衰减基本概念 衰减是光纤的重要特性，直接影响到光纤通信中继站的建设距离，中继站的 数量对光缆施工、维护及运营成本影响非常大。如何降低光纤衰减，提高光纤的 传输性能一直是各个光纤生产厂家不懈追求的目标。 2 1 1 光纤的衰减、衰减系数和衰减谱 光纤的衰减是指光信号沿光纤传输时，光功率的损耗，在不同的波长( ”上 其损耗是不同的。 其定义式为【2 1 】： 砌川吨( 怒) q 。1 其中p i ( 柚、p 2 ( x ) 分别为注入端和输出端的光功率；衰减的单位是d b 。它是 影响光纤通信系统中继距离的一个重要因素。 衰减系数则是指对于稳态条件下的均匀的光纤，其单位长度上的衰减，因此 衰减系数的单位是d b k m 。在日常工作中我们也常把衰减系数简称为衰减。其中 所谓的均匀光纤，也就是要求光纤中的模功率达到近似稳态分布。因此，在日常 测量中，我们常用长光纤激励法在被测光纤中激励出近似的稳态模功率分布，也 就是利用一根长光纤( 5 0 0 - - 1 0 0 0 米) 接在光源和被测光纤之间作为尾纤来产生模 耦合。 衰减谱则是指光信号沿光纤传输时，光功率在不同波长上所产生的单位长度 上的衰减值。因此它所表示的是一系列不同大小的衰减值。 2 1 2 光纤的衰减产生的原因 降低光纤的衰减，可以使其光学性能更加优化，有利于长距离传输。光纤的 衰减来自多个方面，散射和吸收是造成石英光纤衰减的最为重要的原因，下式是 石英光纤衰减拟合公式： a t = a ( i 卜a ( 2 ) + a ( 3 ) + a ( 4 ) + a ( 5 卜a ( 6 )( 2 2 ) 第二章光纤损耗测试及其在生产和科研中的应用 a ( 1 ) ：紫外线本征衰减 a ( 2 ) ：红外光本征衰减 a ( 3 ) ：瑞利散射衰减 a ( 4 ) ：与波长有关的吸收衰减( 水峰、氢损、其他金属杂质离子等) a ( 5 ) ：由拉丝工艺造成的附加衰减。 a ( 6 ) ：接续衰减。 其中a ( 1 ) 、a ( 2 ) 是材料的固有衰减，不易除去。a ( 3 ) 与波长的四次方成反比， 在长波长下作用不明显。a ( 4 ) 与光纤本身所含有的杂质有关，a ( 6 ) 是光纤在进行 接续时附加的衰减。 拉丝的过程就是要将光纤预制棒等比例缩小，保持其本身的光学性能，但是 由于拉丝工艺的问题，在拉丝过程中不可避免的会造成光纤的附加衰减。 2 2 光纤衰减测试方法 进入2 1 世纪后，通信业务量与日俱增，势必需要传输线路提供更大的带宽 或更高的数字速率，传统电缆已难以胜任。光缆加上其平台上开发的新技术正适 应了时代发展的需要，其传输速率已达到1 6 t b s 。可以说，光纤通信的诞生和 发展是电信史上的一次重要革命。 。 在这种背景下，近一步研究光纤( 尤其是通信线路主干网所敷设的长波长单 模光纤的通信性能、传输衰耗、测量精度和检查维修等方面) 有一定的现实意义。 随着多媒体通信和信息高速公路的发展，对系统的传输距离和传输速率提出了更 高的要求，同时对光纤的衰减特性要求也越来越高；因此，我们必须准确熟练地 掌握它的测试方法。 测量衰减的方法有截断法、插入损耗法和后向散射法i z 。 截断法( 也叫剪断法) 是测量衰减的基准测试法。它的测量精度较高，但是由 于它在测量时要剪断数米光纤，对被测光纤有破坏性，以前一般不常用，只是在 测量有争议时，才用它作为判断的主要依据。但是近年来一些光纤厂逐渐开始采 用此方法，如长飞光纤光缆公司和鑫茂科技( 原天大天财) 公司等。因为它使用单 色仪能够测量7 0 0 - - - 1 7 2 5 n m 范围损耗谱，覆盖了石英光纤的完整波段，尤其是低 水峰光纤l3 8 3 n m 的衰减，插入损耗法和后向散射法因使用的是单一波长的激光 器作光源，没办法实现损耗谱的测量。后面会重点介绍截断法在组建中红外光纤 损耗系统中的应用。 插入损耗法简称插入法，它也是根据衰减的定义进行测量的方法。虽然它对 第二章光纤损耗测试及其在乍产和科研中的应用 被测光纤没有破坏性，但其测量结果误差较大，因此不宜用来测量制造长度的光 纤光缆的衰减，而适于测量中继段光缆线路的衰减。 2 2 1 后向散射法工作原理 后向散射法是目前生产检测中最常用的衰减测试方法。光时域反射仪( o t d r ) 的工作原理就是按这种方法来进行的。在光缆施工和维护测试中，用o t d r 准 确判断光纤的异常，及时排除故障，对整个施和维护过程至关重要。下面介绍 o t d r 的工作原理，使用不同波长的注意事项、几种特殊衰耗的判断以及盲区的 产生。 后向散射法是将大功率的窄脉冲光注入待测光纤，然后在同一端，检测沿光 纤轴向向后返回的散射光功率。由于光纤材料密度不均匀，其本身的缺陷和掺杂 成分不均匀，当光脉冲通过光纤传输时，沿光纤长度上的每一点均会引起瑞利散 射。这种散射向四面八方，其中总有一部分会进入光纤的数值孔径角，沿光纤轴 反向传输到输入端。瑞利散射光的波长与入射光的波长相同，其光功率与散射点 的入射光功率成正比。测量沿光纤轴向返回的背向瑞利散射光功率可获得沿光纤 传输损耗的信息，从而测得光纤