光纤技术课件--第三章光纤衰减测量

1、光纤传感技术光纤传感技术Fiber Optical SensorMeasurement of Fiber Measurement of Fiber Attenuation Attenuation 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5衰减（衰减（dB/km）波长波长（m）6 5 4 3 2 10。40。2第一窗口第一窗口第二窗口第二窗口第三窗口第三窗口 C 波段波段15251565nm 1.57 1.62 L波段波段 1多模光纤多模光纤的注入条件的注入条件当光耦合进多模光纤时，会激励起很多模式，这当光耦合进多模光纤时，会激励起很多模式，这些模式所携带的能量各不和

2、同，传输时的损耗也些模式所携带的能量各不和同，传输时的损耗也不相同，而且由于光纤的弯曲及结构的不均匀性不相同，而且由于光纤的弯曲及结构的不均匀性等原因，使得各模式之间发生能量转换经过相等原因，使得各模式之间发生能量转换经过相当长一段距离后，最终损耗较小的低阶模将携带当长一段距离后，最终损耗较小的低阶模将携带较大光功率、损耗较大的高阶模将携带较小光功较大光功率、损耗较大的高阶模将携带较小光功率，于是各个模式携带和传送的光功率达到稳定，率，于是各个模式携带和传送的光功率达到稳定，此时称为稳态模分布，因此对于多模光纤各参数此时称为稳态模分布，因此对于多模光纤各参数的测量，只有在它达到稳态模分布之后才

3、有意的测量，只有在它达到稳态模分布之后才有意义义 能使多模光纤达到稳态模分布的注入条件有两能使多模光纤达到稳态模分布的注入条件有两种方式：种方式：所谓满注入就是所谓满注入就是要均匀地激励起所有的传导模式，而限制注入要均匀地激励起所有的传导模式，而限制注入就是只激励起较低损耗的低阶模，而适当的抑就是只激励起较低损耗的低阶模，而适当的抑制损耗较大的高阶模制损耗较大的高阶模当测量光纤的损耗时，采用限制注入方式，因当测量光纤的损耗时，采用限制注入方式，因为损耗较大的高阶模的注入，会由于被测光纤为损耗较大的高阶模的注入，会由于被测光纤长度不同而使输出光功率不同，从而产生测量长度不同而使输出光功率不同，从

4、而产生测量误差。误差。无论以哪种注入方式，要达到稳态模分布需要配无论以哪种注入方式，要达到稳态模分布需要配置的设备有：扰模器、滤模器和包层模剥除器置的设备有：扰模器、滤模器和包层模剥除器 要达到稳态模分布，需要在光纤中传输很长距要达到稳态模分布，需要在光纤中传输很长距离之后才行，这给测绘带来很多麻烦根据模耦离之后才行，这给测绘带来很多麻烦根据模耦合原理，采用强烈的几何扰动的方法就能使多合原理，采用强烈的几何扰动的方法就能使多模光纤各模式迅速达到稳态分布，这种器件称为模光纤各模式迅速达到稳态分布，这种器件称为扰模器扰模器 当光耦合进光纤时会激起瞬态模或其他不需要的传当光耦合进光纤时会激起瞬态模或

5、其他不需要的传导模，为了测量准确，要抑制掉这些模式，那么用来滤导模，为了测量准确，要抑制掉这些模式，那么用来滤除这些模的器件称为滤模器通常这些需滤去的模损耗除这些模的器件称为滤模器通常这些需滤去的模损耗都较大如对光纤稍加弯曲，这些模很块就会衰减掉都较大如对光纤稍加弯曲，这些模很块就会衰减掉当光耦合进光纤时，不仅会激起传导模，还会激当光耦合进光纤时，不仅会激起传导模，还会激起非传导的辐射模辐射到包层中当光纤的涂敷起非传导的辐射模辐射到包层中当光纤的涂敷层的折射率比包层的折射率低时，辐射模会在包层的折射率比包层的折射率低时，辐射模会在包层与涂覆层界面上发生全反射，从而在包层中传层与涂覆层界面上发生

6、全反射，从而在包层中传输，形成包层模因为包层模会对测量产生严重输，形成包层模因为包层模会对测量产生严重影响，所以需要除去影响，所以需要除去是一种使包层模转换成辐射模的部是一种使包层模转换成辐射模的部件，它可以将包层模从光纤中除掉。件，它可以将包层模从光纤中除掉。 在测量单模光纤的衰减时，由于光纤只传在测量单模光纤的衰减时，由于光纤只传导一个模式，没有稳态模功率分布问题，导一个模式，没有稳态模功率分布问题，所以注入系统不需要扰模器，只需要保证所以注入系统不需要扰模器，只需要保证激励基模。常用的注入方法有，用一段光激励基模。常用的注入方法有，用一段光纤来接续或用适当的光学系统来注入。这纤来接续或用

7、适当的光学系统来注入。这些方法的具体要求应根据实验来确定，目些方法的具体要求应根据实验来确定，目前尚无明确的规定。前尚无明确的规定。)/()()(lg1021kmdBPPL(km(km) )为光纤的长度为光纤的长度，为为输入光功率光功率，为输出光功率为输出光功率. . 剪断法是一种按衰减定义进行测量的方法。剪断法是一种按衰减定义进行测量的方法。首先，测量整根光纤的输出光功率首先，测量整根光纤的输出光功率，然后，然后，保持注入条件不变，在离注入端约保持注入条件不变，在离注入端约2米处切断米处切断光纤，并测量该短光纤的输出光功率光纤，并测量该短光纤的输出光功率 。由。由于测量是在稳态条件下进行的，

8、且约于测量是在稳态条件下进行的，且约2米光纤米光纤的衰减可忽略不计，故可将的衰减可忽略不计，故可将 看作是被测光看作是被测光纤的始端注入功率。纤的始端注入功率。剪断法测量准确度高剪断法测量准确度高(误差小于误差小于0.1dB)，它是，它是一种光纤衰减测量的标准方法。一种光纤衰减测量的标准方法。2米米在测量衰减时，通常的剪断法要求两次测量，且在光纤始端和在测量衰减时，通常的剪断法要求两次测量，且在光纤始端和终端使用同一个光源和探测器。终端使用同一个光源和探测器。注入系统注入系统波长波长滤光滤光器器宽光宽光谱谱(a)校准输入参考电平校准输入参考电平(b)衰减测量衰减测量三、插入损耗法三、插入损耗法

9、利用与传输光相反方向的瑞利散射光功率来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，称为确定光纤损耗系数的方法，称为背向散射法。背向散射法。瑞利散射光功率与散射点的入射光功率成正瑞利散射光功率与散射点的入射光功率成正比，因此测量沿光纤轴向返回的背向瑞利散比，因此测量沿光纤轴向返回的背向瑞利散射光功率就可以获得光沿光纤传输损耗的信射光功率就可以获得光沿光纤传输损耗的信息，从而可以测得光纤的衰减。息，从而可以测得光纤的衰减。P后散射后散射=kPi用对数表示：用对数表示： lgP后散射后散射=lgPi+lgk)()(lg1021PPL(dB/km) )lg(lg1021PPL背向散射

10、法是将大背向散射法是将大功率的窄脉冲光注功率的窄脉冲光注人待测光纤，然后人待测光纤，然后在同一端检测沿光在同一端检测沿光纤轴向向后返回的纤轴向向后返回的散射光功率。散射光功率。：接收端一般由光电二极管探测器和放大电接收端一般由光电二极管探测器和放大电路组成。探测器可选用雪崩光电二极管路组成。探测器可选用雪崩光电二极管APD和场和场效应管效应管FET。：背向散射法测得的信号很弱，比入射背向散射法测得的信号很弱，比入射光功率低几十分贝。要从噪声中把所需的信号检光功率低几十分贝。要从噪声中把所需的信号检测出来，必须采用一种降低噪声的信号处理方法。测出来，必须采用一种降低噪声的信号处理方法。例如，采用

11、取样积分器利用平均法消除噪声。这例如，采用取样积分器利用平均法消除噪声。这种方法的原理是噪声的统计平均值趋于零，且信种方法的原理是噪声的统计平均值趋于零，且信号是周朗的，可以不断积累，因此信噪比可以提号是周朗的，可以不断积累，因此信噪比可以提高。高。 背向散射记录曲线背向散射记录曲线2)(itnCL当光纤存在故障点时，亦可采用此方法检测。当光纤存在故障点时，亦可采用此方法检测。故障点位置：故障点位置： 背向散射法与剪断法、插人损耗法背向散射法与剪断法、插人损耗法相比，突出的优点是：相比，突出的优点是：1它是一种非破坏性的测量方法。它是一种非破坏性的测量方法。2它是一种单端口测量法，即测量只需在

12、光纤的它是一种单端口测量法，即测量只需在光纤的一端进行。这便于现场测量数公里的光缆。一端进行。这便于现场测量数公里的光缆。3它可以提供光纤损耗与长度关系的详细信息。它可以提供光纤损耗与长度关系的详细信息。因此，可检测光纤的物理缺陷或断裂点位置，测量因此，可检测光纤的物理缺陷或断裂点位置，测量接头损耗和位置，以及测量光纤长度等。接头损耗和位置，以及测量光纤长度等。测量误差来源于系统的噪声，光纤本身参数的不均匀性以及前、测量误差来源于系统的噪声，光纤本身参数的不均匀性以及前、后散射功率分布的不均匀性等。通常，最大误差可减小到后散射功率分布的不均匀性等。通常，最大误差可减小到0.1dB。背向散射法测

13、量衰减时存在的主要问题是：。背向散射法测量衰减时存在的主要问题是： 1由于背向散射系数非常小，因此注入端需要非常大的光由于背向散射系数非常小，因此注入端需要非常大的光功率。功率。 2. 由于散射体密度或数值孔径的影响，脉冲宽度值呈现不由于散射体密度或数值孔径的影响，脉冲宽度值呈现不均匀性从而产生某些测量的不确定性。均匀性从而产生某些测量的不确定性。 3测量的分辨率、信噪比和动态范围之间存在矛盾。如要测量的分辨率、信噪比和动态范围之间存在矛盾。如要提高故障检测的分辨率，则脉冲的能量要降低，因而信噪比和提高故障检测的分辨率，则脉冲的能量要降低，因而信噪比和动态范围均下降。动态范围均下降。 由于背向

14、散射法存在上述缺点，故不能作为衰减测量的基准由于背向散射法存在上述缺点，故不能作为衰减测量的基准方法。如怀疑其测量结果时，应以切断法的测量结果为标准。方法。如怀疑其测量结果时，应以切断法的测量结果为标准。 剪断法是根据损耗系数的定义，直接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，可以采用插入法和背量。在实际应用中，可以采用插入法和背向散射法作为替代方法。插入法和背向

15、散向散射法作为替代方法。插入法和背向散射法可以根据工作环境，灵活运用。但准射法可以根据工作环境，灵活运用。但准确度不如剪断法。确度不如剪断法。OTDR是利用背向散射法所做成的仪器。用单脉冲是利用背向散射法所做成的仪器。用单脉冲做探测信号的传统的做探测信号的传统的OTDR 存在着分辨率和信噪比、存在着分辨率和信噪比、动态范围、测量时间之间的矛盾。动态范围、测量时间之间的矛盾。如何解决这个矛盾？原则：在保证分辨率的前提下，如何解决这个矛盾？原则：在保证分辨率的前提下，尽可能提高信噪比和动态范围，并减少测量时间。尽可能提高信噪比和动态范围，并减少测量时间。 式中式中为脉冲宽度。对单脉冲来说其能量取决

16、于脉为脉冲宽度。对单脉冲来说其能量取决于脉宽，故瑞利散射回来的信号能量也取决于脉宽，因而，宽，故瑞利散射回来的信号能量也取决于脉宽，因而，提高分辨势必降低信噪比，怎样才能在不加宽单脉冲提高分辨势必降低信噪比，怎样才能在不加宽单脉冲宽度的基础上提高脉冲的能量呢宽度的基础上提高脉冲的能量呢?采用编码信号代替单脉冲可以解决上述的矛盾。此时，采用编码信号代替单脉冲可以解决上述的矛盾。此时，响应的分辨率取决于编码序列的码元宽度，不取决于响应的分辨率取决于编码序列的码元宽度，不取决于编码序列的总长度。然而，信号的能量取决于编码序编码序列的总长度。然而，信号的能量取决于编码序列的相关长度，其相关长度越长越好

17、。列的相关长度，其相关长度越长越好。例如纠错编码序列，一种是伪随机序列。例如纠错编码序列，一种是伪随机序列。可分辨的两个故障点的最小距离为可分辨的两个故障点的最小距离为 使用数字相关技术，对单模光纤在使用数字相关技术，对单模光纤在1300 nm时能产生时能产生28dB的动态测量范围。它比传统的的动态测量范围。它比传统的OTDR 测量速度快测量速度快150倍，功率分辨率达倍，功率分辨率达0.01 dB，距离分辨率为距离分辨率为1m，最大测量距离为，最大测量距离为200 km。 OTDR 内部有一个内部有一个32位微处理器，用以自动计算连位微处理器，用以自动计算连接损耗。它可提供宽度为接损耗。它可

18、提供宽度为125ns、250ns、500ns、1m ms、2m ms、4m ms、8m ms几种探测脉冲。光源波长可几种探测脉冲。光源波长可选择选择1300nm和和1540nm两种低损耗波长。连接损两种低损耗波长。连接损耗测量的重复性误差以耗测量的重复性误差以95的概率优于的概率优于0.015dB衰衰减系数的测量误差以减系数的测量误差以95的概率小于的概率小于0.015dBkm . HP 8145A采用格林码作为输入光的调制信号。采用格林码作为输入光的调制信号。格林码是一种纠错编码脉冲。它的自相关函数的格林码是一种纠错编码脉冲。它的自相关函数的特点是主瓣特点是主瓣(时域时域)近似于一个近似于一

19、个d d函数，而旁瓣很小函数，而旁瓣很小(实际可达峰值的实际可达峰值的10)。1957 1957 年发现年发现循环性循环性任一许用码字经过循环移位后，得到的任一许用码字经过循环移位后，得到的码组仍为一个许用码组码组仍为一个许用码组如如 是循环码的一许用码组是循环码的一许用码组 则则 也是一许用码组也是一许用码组 )(0123456aaaaaaa)(1234560aaaaaaaA1 : 1 1 0 0 1 0 1A1左移左移 3 位后，得位后，得A2 A2: 0 1 0 1 1 1 0美国美国Acterna公司公司 MTS 5000光时域反射仪光时域反射仪 美国Acterna公司 用背向散射法测量光纤损耗的根据是什么用背向散射法测量光纤损耗的根据是什么?各院（系）：各院（系）：为了加强对学生学习的过程管理，加强学风建设，提高教学质量，为了加强对学生学习的过程管理，加强学风建设，提高教学质量，特对特对苏州大学普通高等教育本、专科考试工作的规定苏州大学普通高等教育本、专科考试工作的规定（苏大教（苏大教号）文中的本科生的必修课程的考试作如下补充说号）文中的本科生的必修课程的考试作如下补充说明：明：、本科生的必修课程必须进行期中考试，期中考试的成绩占总、本科生的必修课程必须进行期中考试，期中考试的成绩占总成绩的成绩的，期中考试的试卷交由学院