光纤通信测量-2

1、第2章 光纤特性的测量 2014-2015学年第一学期光纤通信测量要解决的问题 n一、光纤的参数测量n二、光端机主要性能的测量n三、光纤通信系统的测量光纤特性测试的重要意义n影响光纤传输系统的传输特性光纤的实用特性参数 n一、几何特性和光学特性、几何特性和光学特性 n与耦合连接损耗有着密切的关系。主要包括光纤包层直径、纤芯直径、包层不圆度、纤芯不圆度、芯包同心误差，多模光纤的折射率分布和数值孔径、单模光纤的模场直径、模场同心误差、截止波长等。 光纤的实用特性参数n二、传输特性二、传输特性 n与中继距离和通信容量有关。主要包括光纤的衰减系数、多模光纤的带宽和单模光纤的色散特性等。光纤的实用特性参

2、数n三、光纤的机械特性和温度特性三、光纤的机械特性和温度特性n光纤(光缆)在实际的工程应用中，不仅要经受较强的机械拉力、压力，还需要适应各种不同的环境变化，如温度、湿度变化等。这些因素都有可能影响光纤的传输特性。为了保证光纤传输的稳定性能，还需要分析光纤的机械特性和温度特性。 2.1光纤光学特性的测量光纤光学特性的测量光纤的折射率分布测量n在多模光纤中，这一分布对模畸变、带宽具有决定性的影响，分布最佳，带宽最高 n单模光纤中，它决定着截止波长、模场直径和色散特性。 nITU-T推荐了折射近场法为基准测试方法，近场法为替代测试方法。最简单的方法是反射法。折射近场法（RNF） n折射近场法是测量光

3、纤的折射率分布和几何参数的一种方法，可用来测量单模、多模光纤的折射率分布，折射率差值以及几何参数。 折射近场法测试原理示意图折射模折射模和泄漏模挡板会聚透镜待测光纤匹配液传导模和泄漏模匹配液盒大孔径透镜He-Ne 激光束n匹配液：浸油折射率比光纤包层折射率略高 n大孔径透镜 ：将扩展了的He-Ne激光束会聚为一小光斑（约为1m） n注入到光纤端面上的光束将激励起三种类型的模式：较小入射角的光线将在光纤中激励起导模并传到输出端；较大入射角的光线仅激励起折射模，逸向包层外面；入射角介于上述两者之间的光线则可形成泄漏模，一部分随导模一起传到输出端，一部分与折射模一样辐射到包层外面。 n当入射光斑沿光

4、纤直径扫描时，由于n(r)变化，各点的本地数值孔径NA(r)不同，对应各处的折射模功率亦不同，折射模功率分布与折射率分布相似。测得折射模功率分布就可求出折射率分布。折射近场法就是通过测量从光纤泄漏出来的折射模来实现的。n挡光板屏蔽掉辐射角较小的那部分泄漏模，被检测的只有折射模 n折射率分布只有径向变化，所以波矢量的轴向分量处处守恒，即 nL为液体的折射率，n(r)为入射光在光纤表面r处光纤的折射率，j是遮光圆盘挡住部分对应的出射角 q, j为光在光纤中及匹配液中与光纤轴线的夹角。 00coscosLn r kn kqjn由折射定律有：n由上可得 n还可表示为 qqcoscos000knkrnj

5、jcoscos000knknL jq22122sinsinLnrn )(sinsin22222rNAnrnLjqn若光强是朗伯型（各辐射方向光强度都相等的电光源），则射入立体角内的入射光功率为：n进行积分可得到检测器接收到的光功率为：n由（2-4）可得qmin与遮光角度jS的关系为： jqqqddIdposincosqqqj20sinsin22min2)(sin2)(ddIrPo)sin(sinmin22qqoI SLnrnjq222min2sinsinn可得：n当入射光射向包层时，则探测到的光功率为：nPc为包层光功率，n(r)=nL。n 由上两式合并，得 )(sinsin)(2222LSo

6、nrnIrPjq)sin(sin22SocIPjq )(22LocnrnIPrPn可见P(r)与n2(r)成正比。在弱导近似下（ n(r)nL ）： n式中 ，则可得到：n即在弱导近似下，P与n(r)成正比。 SLccnrnPrPPjq2222sinsin)( )(222rnnnrnLL Lnrnrn)( rnnPPSLcjq22sinsin2n将（2-11）可改写为：n 为比例系数 n测得P(r)n=n(r)-nL。n对q和jS测量的精度必须很高，K难以高精度计算 ，常用校准测量来确定K值。 rnnnrnPPKLLc2)(22SKjq22sinsinn利用折射率已知且为常数的普通玻璃纤维代替

7、被测光纤，若已知折射率为np（npnL），由前式可得：nP：普通纤维代替被测光纤时测得的光功率，注意：普通实心纤维不存在包层，由折射率匹配液来起包层的作用，计算K。 )( )(22rpPnnPKcLpcPPnKrncL2)(nA为比例系数,可通过移动圆盘位置来校准确定 ( )( )n rA p r n比例系数A可转化为调节Z的大小来校准。校准测量设备的几何示意图Dzz0zrnL匹配液盒圆盘022cossinsinLZDZnqqq折射近场法测试系统框图激光器1/4波长片透镜组I透镜组II液体盒档盘检测器放大器X-Y记录仪M电动机电子测微计灯透镜50m小孔被测光纤优点：n直接给出光纤的绝对折射率分

8、布n可测多模光纤和单模光纤n测量精度高，空间分辨率小。n对系统进行一次校正近场法（近场法（NFP） n近场法：测量光纤出射端面上导模功率的空间分布（即近场分布）来确定光纤的折射率分布。nITU-T定为多模光纤折射率分布的替代测试法。 n测试系统较简单，但需要修正泄漏模 。 n光源的辐射区可分为近场辐射和远场辐射：n远场辐射是在离光源很远处观察到的辐射，远场辐射中光功率的空间分布保持不变，远场分布由于光纤的尺寸较小的缘故，一般2-3cm即可。n近场辐射是在光源附近的辐射，光纤测量中的近场一般指光纤的出射端面。n检测器放在针孔后紧靠光纤端面，沿光纤端面的直径运动，即可进行近场扫描n简单方法：先产生

9、光纤端面的像，然后在透镜的像平面上对光强进行扫描。 近场法n注入条件：用非相干的朗伯光源激励光纤 ，导模都是均匀激励 ，衰减相同，且无模间耦合，则在光纤的输出端面上，导模的功率分布与光纤的折射率分布相似。 n由光源的面积元dxdy射入立体角d中的功率为： dxdyddIdpjqqqsincos0n折射定律：n光纤中导模传输条件：k0n2 k0n1frnnqqsin)(sin0fdnrnddqqqqq22022sin)2/ )()(sin21sincosn传导光线的最大允许角度：n可得到自半径r处的小面积Ad到达检测器的功率为：n在弱导近似下，P(r)与折射率差成正比。2cos)(nrncq)(

10、)(sin2)()(22220sin020022020nrnnAdIddnrAdnIrPcfqqjn光纤的局部NA可定义为：nn(r)为照射到光纤端面r处的折射率，qc(r)为局部接收角 n光纤中距纤芯轴线为r处传输的光功率P(r)： 12222( )( )sin( )( )cNA rn rrn rnq222222( )( )( )( )(0)(0)(0)(0)( )NA rn rn aP rPPNAnn an在弱导近似下： nPm为接收到的最大光功率，nm为纤芯中的最大折射率。 )()(2rnnrn)(2)(2222rnnnnPrPmmn多模光纤n假设每个模衰减相同，无模间耦合，通过测量光强

11、分布图(NFP)，即P(r)，求得折射率分布(r/a)g。 1 2121 2,0( ),grnran ranra ( )1(0)gp rrpa n缺点：不能直接给出光纤的绝对折射率分布；漏模影响不能完全消除；测量精度低；对模式少的光纤不适用，因此不能测量单模光纤。 透镜测试光纤针孔放大器X-Y记录仪扫描仪光电探测器NFP测量系统漏模修正nC(r,z)修正因子，当z=0时，全部漏模没有衰减掉n当 时，无漏模C(r,z)=1n当 时， C(r,z)近似为1 222222( )( , )mmnrnp rC r zpnn122( , )1 ( ) rC r zaz 1Lm反射法反射法 n菲聂耳公式（由

12、于材料表面的反射率与周围介质和材料的折射率有关），即当光垂直照射时：nR(r)表示光纤端面r处的反射率nPi和Pr(r)分别表示入射到样品上的入射光功率和从样品表面反射回来的反射光功率。nn0为周围介质（空气或匹配液）的折射率，n(r)为光纤端面r处的折射率n测得Pi和Pr(r)，则可获得光纤的折射率分布n(r)。 200( )( )( )( )rin rnP rR rPn rnn注意：光学系统会聚光束，提高测量精度和空间分辨率，使光束到达样品表面时，光斑尽可能的小。但此时到达样品表面的光束并不完全为垂直入射光束，大部分光线为斜入射。 在n=1.5的玻璃界面上菲涅耳反射率曲线 n由图可看出：（

13、一）在入射角i2Wb/l。n单模光纤远场强度分布有一旁瓣，为了能探测到旁瓣的功率，测量系统的动态范围要大，至少50dB。如果探测器测得的最大扫描光功率为100nW，则此接收系统还应能够测出1pW以下的微弱光功率，而且探测接收系统应在这个范围内保持良好的线性关系。 n测量时，将光纤的注入端与入射光束对准，光纤输出端对准合适的探测器，以固定程序启动扫描探测器，特别要保证扫描探测器通过模场中心，探测器将各个角度上探测到的光功率转化为电信号，由放大器放大后送入信号处理部分，与相应的测角仪的角信号进行处理后送入计算机，计算机由测得的远场强度F2(q)及按定义式(2.22)编制好的积分程序进行计算，得出光

14、纤的模场直径。 可变孔径法测量模场直径 n对光源、注入条件及探测器的要求与远场扫描法基本上一致。主要差别是在光纤端面与透镜之间，装有一个与光学系统光轴垂直的转盘，转盘上开有至少12个以上的直径不同的圆孔，要求这些圆孔半径对应的远场半张角的数值孔径覆盖0.020.25的范围（对G.653光纤，要求覆盖的范围为0.020.40）。n测量时，将被测光纤放入测试系统，依次转动转盘，测量通过每一个孔径x的光功率P(x)，求出透射互补函数a(x)=1- P(x)/Pmax，式中Pmax为经过最大圆孔的光功率。算出a(x)后，即可根据定义式，计算出模场直径。 光源滤模包层模剥除器微调器透镜系统检测器锁相放大

15、器计算机可变孔径法测试装置示意图 刀口扫描法测量模场直径v刀刃PDxS(z)P(x、y、z)P(x)vzy被测光纤刀口扫描法测试原理示意图n在被测光纤的输出端与汇聚透镜之间的与光轴垂直的X-Y平面内放置一刀片，刀片的作用是用来挡住一部分光功率，未经刀片挡住的光由会聚透镜会聚到光电探测器上。当刀片沿X轴移动扫描时（图中v所指方向），就可以测得刀口光功率透射函数k(x)，由定义式（2.28）计算可得模场直径。n近场扫描法测量模场直径 光纤几何参数测量中的近场法不需要进行全屏扫描，只需沿着一直径扫描测出近场光强分布f 2(r)即可，然后用式（2.29）计算出模场直径。远场掩模法 n它是将一块特制的遮

16、光玻璃板插入到光纤出射端面与集光系统之间，由测量接收光功率的变化来确定模场直径的方法 。n遮光区由两个底部相对的桃形金属膜构成，图案的对称性有助于调节它的中心与远场分布的中心重合，掩模的边界满足一定的数学方程，从而可进行定义的积分计算，因此又叫光学积分法。 n掩模板是在透明玻璃片上镀制了一层不透明的金属模而成。 n金属模的形状像两个并蒂桃，边界是Fermat螺线的一部分，满足下列方程：LPIN显示光学系统掩模板微调架光源远场掩膜法测试装置示意图22Rjn测量时，将掩模板插入到光路中，调整微调架，使图形中心与模场中心重合，测出探测器所收集的光功率P，然后拿掉掩模板(Mask)，测出相应的功率P0

17、，令h为两次功率的比值：n由ITU-T对于模场直径定义的积分公式出发，经过相应的数学推导，在掩模测试条件下， 可得：0PPh122()22TTLWRTThlhn式中l为工作波长，R为掩模半径，L为光纤端面到掩模板的距离，T1和T2分别为掩模板上透明区和掩模区的透光率，以上参数是系统的固有参数。因此，只要测出h，即P0和P就可计算出模场直径。n特点：一是操作方便，测试速度快；二是计算简单，不需进行积分；三是不需要复杂庞大的设备，可以做成轻便的仪表。模场直径的大小和容差范围 n光纤的模场直径越小，它的抗弯特性越小，而要使光纤的模场直径减小，就得增加光纤的相对折射率差，但这又会增加光纤的衰减，因此，

18、模场直径的选择即不能太大，也不能太小，应折衷。 光纤类型 波长波长(nm) 模场直径标称值(m)容差 G652G6521310nm1550nm9107.08.3 10%10%n模场直径的容差还直接影响着光纤的接头损耗，研究表明，两根模场直径分别为2W1和2W2的单模光纤的接头损耗可用下式表示：n当W1=W2时，两根光纤的模场直径相同，接头损耗as=0，这里计算条件为在理想的熔接情况下。在ITU-T给定的最大容差下，若标称值为W，W1=W-10%；W2=W+10%，则由式计算as=0.17dB。 22121220lg2sWWWWa单模光纤截止波长及其测量 n截止波长是单模光纤所特有的另一个重要参

19、数，它给出了单模运行时的光波长范围，是保证光纤实现单模传输的必要条件，常用lc表示。当lc小于传输波长时，该光纤为单模光纤，只能传输基模；反之就不是单模光纤了。显然单模光纤是相对于使用的工作波长而言的。 截止波长的物理概念和定义 n根据波动理论，多模光纤中传导有限个分离的模：基模LP01 (HE11)、次低阶模LP11（TE01、TM01、HE21）及高阶模等。模的数目可以从求解波动方程得出。对于折射率为幂律分布的光纤，近似计算公式为： 222VNaa22212221llannnaVn计算的截止波长仅与光纤的剖面指数a、半径a和相对折射率差决定，与光纤的长度和状态无关，称之为理论截止波长，记作

20、lct。 n其中，Vc=2.40483为阶跃单模光纤实现单模传输的归一化截止频率，对于折射率为幂次分布的光纤，归一化截止频率Vc与剖面指数a有关， 22121222cccaannnVVl1222.40483 1cVanITU-T规定了两种有用的截止波长：2m长预涂覆光纤的截止波长，一般用lc表示；成缆光纤的截止波长，用lcc表示。 n1） 2m长预涂覆光纤的截止波长lc n根据ITU-T规定，大于lc的波长l可沿打有一个60圈的2m长度的光纤单模传输，lc可看作相应于几米长的短光纤的截止波长。 n对1310nm零色散的G.652光纤，取值规定为：1100nmlc1280nm n2、成缆光纤的截

21、止波长lcc nITU-T规定为在22m长的光缆上进行相应的弯曲之后，所测得的LP11模的截止波长n lctlc lcc n对G.652光纤推荐lcc最大值是1260nm或1270nm。n对于跳线光缆，考虑到最坏情况，光缆最大截止波长应不高于1240nm。 截止波长的测量 n传输功率法是一种由光纤的传导功率与波长的关系曲线来确定截止波长的方法，测量精度可达0.005m (5nm) n在截止波长附近，LP11模仅受到微弱的导引，因而由光纤的弯曲所引起的辐射会使传输功率产生显著的损耗。当工作波长稍低于理论截止波长时，光纤中激励的LP11模急剧衰减，传输功率法就是利用这个位置来决定截止波长的 n取2

22、m长的待测光纤做样品，将其传输功率谱同参考传输功率谱相比较则可定出截止波长。 计算机绘图仪检测器被测光纤锁相放大器波长控制参考信号斩光器单色仪注入系统包层模剥除器传输功率法的典型测试装置卤灯n获得参考传输功率的方法 ： (1)将待测光纤样品打一直径为60的圈作参考光纤 (2)用一根12m长的多模光纤作为参考光纤。 设备要求：光源：卤灯，宽带光源 ，光源要求在测试过程中应保持位置、强度和波长的稳定。波长应在所要求的较宽范围内连续可调，FWHM（半幅值全宽）不超过10nm n注入系统：基本上均匀地激励起LP01模和LP11模，可用与多模光纤连接或用一适当大光斑大数值孔径的光学系统注入 n包层模剥除

23、器 n探测放大系统：收集来自光纤的全部光功率，光谱响应与光源的谱特性一致n探测器光敏面均匀且具有良好的线形灵敏度n放大系统也应有足够的线性度和线性范围。 实验步骤： n1）将2m长的待测光纤接入测量系统中，打一个=280mm的圈，整根光纤上要避免出现半径小于140mm的任何弯曲。改变波长，记录输出光功率谱P1(l)曲线。n2）在同样的波长范围内测出参考光纤的传输功率谱。参考光纤的选取，可采用以下两种方法：第一，用待测光纤，保持激励状态不变，将光纤至少打一个小圈，一般打一个60mm的小圈，这样有利于滤除LP11模，测出传导输出功率谱P2(l)。第二， 取12m的多模光纤，在同样的波长范围内测出传

24、导输出功率谱P3(l)。一般选取第一种方法。n）数据处理：利用上面的P1(l)与P2(l)的比值的对数作弯曲衰减函数R(l)。 )()(lg10)(21lllPPR单模光纤作参考光纤的典型R(l)曲线预涂覆光纤截止波长的测试方法 n预涂覆光纤截止波长的基准测试法是传输功率法 nG.650定义：截止波长是在各次模大体均匀激励的条件下，注入的包括高次模在内的总光功率与基模光功率的比随波长变化减小到0.1dB以下时，对应的较长的波长值，即：n n测量样品长2m，制备好光纤端面，与注入系统和探测器相连。先将光纤弯成一个280的圈，在估计的lc附近足够宽的范围内进行波长扫描，记录P1(ll曲线。将待测光

25、纤打一个60的小圈，在同样的波长范围内测P2(l，求R(l)=10lg P1(l/P2(l，作R(ll曲线，则R(l)=10lg P1(l/P2(l=0.1时对应的较大波长即为截止波长。 1 . 0)()(lg1021llPP成缆光纤截止波长的测试 n成缆光纤截止波长lcc的基准测试方法也为传输功率法 nlcc的样品为22m长的光缆，将光缆每端各剥开1m，将露出的光纤各打一个80的圈，用以模拟接续构件的影响，20m的光缆部分的放置应平整，不应有任何影响测量值的小弯曲 n将制备好的端面分别与光源和探测器耦合，先测出光纤输出功率P1(l与l的关系曲线，然后将光纤打一个小于60的圈，测量P2(l，根

26、据P1(l和P2(l算出弯曲函数R(l)。作R(ll曲线，0.1dB横线与R(l曲线的交点所对应的最大波长为lcc。20m1m1m2X2X光缆 用成缆光纤测量截止波长的cc使用条件n成缆光纤截止波长的替代测试法 n测量样品所用未成缆光纤为一次涂覆光纤或二次套塑光纤（如果有的话）。光纤长度仍是22m 2X2X2rN圈1圈1圈22m(包括环长) 用未成缆光纤测量截止波长的cc使用条件光纤几何参数的测量n传输性能和机械性能 n连接损耗 n光纤制造的尺寸依据 n光纤制造中严格控制的指标 n判别光纤产品合格与否的质量标准 n多模光纤的几何参数包括纤芯直径、包层直径、芯不圆度、包层不圆度、纤芯、包层同心度

27、等 n单模光纤的几何尺寸参数包括包层直径、包层不圆度、纤芯、包层同心度误差（当用模场直径作参数时，应是模场、包层同心度误差） 折射近场法折射近场法 n多模光纤几何特性测试的基准测试方法，是单模光纤几何特性测试的替代方法 n1n2n3n4(a)(b) 由折射率分布确定芯径几何参数定义n(1)、多模光纤n包层是光纤横截面上最外面折射率为常数的区域 n芯区是折射率（排除任何折射率凹坑）超过最大折射率n1与最里层折射率均匀区域n2之差乘以一定比例系数k后得到的n3以内的区域nk为一常数，一般取作0.05 3212nnk nnn纤芯、包层区域的最大直径定义为纤芯直径和包层直径，分别用d和D表示。 d0D

28、0dmaxdminDmaxDminX光纤几何尺寸和同心度定义n纤芯直径n包层直径n纤芯不圆度n包层不圆度n同心度 2minmaxdddmaxmin2DDDmaxmin100%ddd芯maxmin100%DDD包100%xCdnx为纤芯中心到包层中心之间的距离 n单模光纤 ： 基本上与多模光纤一样，纤芯直径一般不要求。 k值通常取作0.5。可用纤芯、包层同心度误差替代模场、包层同心度误差，这时用纤芯、包层中心间距离的绝对值x表示（单位m）。 折射近场法 n对光纤整个横截面进行全屏扫描，得到折射率的两维分布图 n取折射率的一定高度为纤芯、包层交界的点得到芯轮廓，多模取值5%，单模取值50%；用同样

29、的方法取包层和匹配液交界的点得到包层轮廓 n按照定义，计算出纤芯、包层的直径、不圆度、同心度等 近场法近场法n单模光纤几何特性的基准测试方法和多模光纤几何特性的替代测试方法 n单模光纤与多模光纤近场测量装置的主要差别是所用的光源。多模光纤近场法使用的是非相干的短波长光源；单模光纤测量用的是1310nm（对G.652光纤）或1550 nm（G.653、 G.654）波长光源，谱特性要防止光纤处于多模状态。且使用了滤模器，以移去LP11模 实验装置n光源 ：强度稳定可调，波长稳定 n第二光源(可见光) ：为了光纤输出端照明包层，谱特性不得引起像的散焦效应n包层模剥除器 ：移除包层中的光功率,仅测量

30、包层的几何尺寸时，可以不用 n光学放大装置 ：使光纤输出近场放大后再聚焦到扫描探测器平面上。光学系统的数值孔径和分辨能力应与所要求的测量精度相一致，N.A0.3，放大倍数应选得与所希望的空间分辨率相匹配。 n光探测器 (1)、具有针孔的扫描光探测器(2)、具有固定针孔和光探测器的扫描镜 (3)、扫描电视摄像管，电荷耦合器件等n要求探测器在测量的光强度范围内线性好 n整个系统光路要对准为减小因扫描散焦像而引起的尺寸误差，应以极高的精度完成聚焦。n最后根据所测光纤的类型，按照定义计算出所要的几何参数。n定标方法是对一个具有合适精度的已知尺寸标准样品的聚焦像进行扫描，从而确定光学系统的放大倍数。光源

31、注入系统扰模器包层模剥除器光纤放大光学系统检测器 放大器数据处理 近场法测试光纤几何尺寸装置n国内外使用的几何参数测试系统多是PK公司的2400和YORK公司的S-20。芯区照明光源都是850nmLED，因此对单模光纤只能测出纤芯、包层同心度误差，而不能测量模场同心度误差。 2a=8.5mD=125.2m芯=1.36%包=0.12%同心度=0.23m -125.0 -50 0.0 +50 +125.0 芯径r(m)用2400测得的一根光纤的近场强度分布侧视法n对单模光纤，ITU-T还规定了侧视法为几何尺寸参数的第二替代测试方法。侧视法的测量原理是通过测量光纤中折射光的光强分布来确定光纤的尺寸参

32、数 显微镜法 n一般使用分辨率为0.5m的读数显微镜，测量重复性约为1m。该方法操作简单，使用方便，价格便宜，适于批量产品的检验。需要注意的是，当测量纤芯时，必须经常与折射率分布曲线确定的几何尺寸对比定标。 “四圆容差场”法 n里面两个直径分别为d-4m和 d+4m，供测芯径时用；外面两个圆的直径分别为D-5m和 D+5m，供测包层直径用。 Dcor- DcorDcor+ DcorDcor推荐芯标称值 Dcor=4m芯径公差DRr推荐参考表面外径标称值 DRr=5m参考表面外径公差DRr- DRrDRr+ DRr “四圆容差法”样板多模光纤的数值孔径及其测量 n数值孔径N.A(Numerica

33、l Aperture) n表征多模光纤集光能力的大小以及与光源耦合难易的程度，同时，对连接损耗、微弯损耗及衰减温度特性、传输带宽等都有影响。 n1、最大理论数值孔径N.AmaxtnN.Amaxt的物理意义是光纤最大可能接受角的正弦值，反映了光纤收集光线的能力n2、远场强度有效数值孔径N.A(或N.Aff)n定义为光纤远场辐射图上光强下降到最大值5%处的半张角P0.05的正弦值。ITU-T规定的数值孔径就是这种数值孔径，推荐值是（0.180.24）0.02。 22max121.2tN Annnn3 、N.A与N.Amaxt之间的关系n式中，是折射率分布指数； k为与有关的比例系数（表1中给出了不

34、同取值时k的值）。一般情况下，梯度光纤接近抛物线分布，=2，则N.A=0.975N.Amaxt。n 1.0 1.5 2.0 2.5 10 nk 0.881 0.946 0.975 0.988 1.00 1.00n数值孔径的波长特性 20.05maxmax.sin1 0.05.PttN AN Ak N Aaaqmaxmaxmaxmaxmaxmax.(850)0.985 .(633).(1310)0.975 .(633). (850)0.960 .(633). (1310)0.955 .(633)ttttttN AN AN AN AN AN AN AN A数值孔径的测量数值孔径的测量 远场光强法

35、ITU-T规定远场光强分布法为G.651多模光纤数值孔径的基准测试方法。远场光强分布法测量原理是先测量出光纤远场角辐射光强分布，再利用远场分布法N.A的定义式，计算出光纤的数值孔径。 n光源为强度可调的非相干光源，它能在光纤试样端面上产生基本恒定的辐射（光强变化10%）面。光源的强度、波长和位置应保持稳定。n探测器应为线性的。 n被测光纤2m左右，两端面制备要整洁、平整光滑，与光纤轴垂直，端面角2。为避免弯曲产生模转换和模辐射，样品要摆直。 光源光纤cc检测器注入光器件包层模剥除器Ld 典型的远场光强分布法测试系统原理图n注入条件必须采用满注入（即远场数值孔径大于0.3，近场光斑大于70m）。

36、样品输出端到探测器的距离必须大于芯直径，取几厘米即可。测出远场光强随角度的分布P()，然后从远场光强分布图上找出最大值的5%处的点，然后计算出该点对应的远场角的正弦值，即为所要求的数值孔径N.A。 远场光斑法 n类似于远场光强法 ，简单易行 He-Ne被测光纤50cmp 远场光斑法测试系统原理图n不是扫描光强分布，可直接用相干光源（如He-Ne激光器） n测量时，在暗室中将光纤出射远场投影到有坐标格的屏幕上，用数格子的办法测出光斑直径d，通过下式算出数值孔径： dkAN.折射近场法 n用来测量最大理论数值孔径，是替代测试法 n首先用近场法测出光纤的折射率分布曲线，然后从曲线上求出纤芯中心最大折

37、射率n1和包层折射率n2，根据式（2.18）计算出光纤的最大理论数值孔径N.Amaxt。 2.3光纤的传输特性及测量 n衰减和衰减系数的定义 n光在光纤中传播的平均光功率沿光纤长度方向呈指数规律减少，即：nP(Z)和和P(0)分别为轴向距离分别为轴向距离Z处和处和Z=0处的光功处的光功率；率；a a是衰减系数，定义为单位长度光纤引起是衰减系数，定义为单位长度光纤引起的光功率衰减，单位是的光功率衰减，单位是dB/km。 10/100ZPZPan当Z=L时，nal表示在波长l处的衰减系数 n注意 ：n（1）假定光纤沿轴向是均匀的，即al与轴向距离无关。n（2）对多模光纤，必须达到平衡模分布。 )0

38、()(lg10)(PZPLla衰减系数测试方法 n对制造长度所规定的衰减值应在室温下测量，即1035之间，ITU-T的G.650、G.651都规定截断法为基准测试方法，后向散射法和插入法为替代测试法。 截断法 n截断法是一个直接利用衰减系数定义来测试衰减的一种测试方法。在不改变注入条件的情况下，分别测出长光纤的输出功率P(L)和剪断后约2m长度左右短光纤的输出功率P(0)，按定义式计算光纤的单位长度衰减值al，该方法的测试精度最高。 截断法定波长衰减测试系统装置截断法衰减谱测试系统装置滤模器被测光纤检测器放大器电平测量包层模剥除器偏置电路光源注入系统光源单色仪斩波器参考信号波长控制控制器绘图仪

39、锁相放大器检测器被测光纤包层模剥除器滤模器注入系统n光源 ：激光器或发光二极管 ，保持光源强度、波长和位置的稳定 n光功率计：光检测器谱响应要与光源的谱特性相匹配，灵敏度线性要好 n注入系统 ：有效的激励起基模(LP01模) n要求：(1)测试系统的高度稳定。如光源输出功率的恒定。(2)合适的注入条件。(3)长短被测光纤与光检测器两次耦合接头损耗一致性好。 插入法 n用带活接头的连接软纤代替短纤进行参考测量，计算在预先相互连接的注入系统和接收系统之间（参考条件）由于插入被测光纤引起的功率损耗。 n有非破坏性不需剪断和操作简便的优点 ，适用与中继段长总衰减的测量 (a)(b)被测光纤被测光纤参考

40、系统MFMF包层模剥除器参考条件1 221检测器测量系统包层模剥除器光源注入系统注入系统光源调制器检测器测量系统典型的插入损耗法测量装置调制器n（a）首先将注入系统的光纤与接收系统的光纤相连，测出功率P1；然后将待测光纤连到注入系统和接收系统之间，测出功率P2，则被测光纤段的总衰减A可由下式计算nCr、C1、C2分别是在参考条件下、试验条件下光纤输入端、输出端连接器的标称平均损耗值n（b）首先将参考系统连在注入系统和接收系统之间，测出功率P1；然后测出功率P2，则被测光纤段的总衰减由下式给出n 2121)()(lg10CCCPPArll)()(lg1021llPPA 后向散射法 n后向散射法是

41、通过光纤中后向散射光信号来提取光纤衰减及其它信息，例如光纤光缆的光学连续性、物理缺陷、接头损耗和光纤长度等，是一种间接地测量均匀样品衰减的方法。 n将光功率为P0、脉冲宽度为T0的窄光脉冲信号注入光纤，由于光纤的衰减，光脉冲信号在传输距离Z后，在Z处的光功率为P(Z) n由于瑞利散射，原注入端出射的后向散射光功率为： )10/(010)(ZPZPa)10/(20)10/(10)(10)()()(ZZbsZPZPZZPaan(Z)是光脉冲在Z处的光纤的瑞利后向散射系数，定义(Z)为：naR是瑞利散射系数，Vg是光在光纤中的群速度，S代表后向散射功率与瑞利散射总功率之比，它与光纤结构参数（芯径、相

42、对折射率差）有关 n设Z=0处的后向散射光功率为 STVZRga2/)(0)0()0(0PPbsn得到0Z间的平均衰减系数为:n如果光纤轴向不均匀，不是常数， n假定光纤结构参数沿轴向均匀时，(0)=(Z)，0Z间的平均衰减系数为 n )()0(log)()0(log5ZZPPZbsbsa)()0(log5ZPPZbsbsa被测光纤示波器数据获取系统信号处理系统放大器光检测器光学系统光学系统耦合器件光学系统光源背向散射法测试系统OTDR(Optical Time Domain Reflectometer) nOTDR送出一窄脉冲，功率为P0，又会在同一点接收由光纤各处后向散射回来的光脉冲信号，

43、其功率为Pbs(Z)，并将Pbs(Z)与Z的关系经过取样积分器处理后记录下来，得到后向散射曲线。 )(21)(BABAVVAlLAan若光脉冲从起点入射到尾端反射，再返回到起点所经历的时间为t0，则光纤的长度可用下式计算 n对纯SiO2，N1=1.4616(1310nm)，对常规单模光纤，N1=1.467（0.4%） 012tNCL n1）光纤输入端耦合器件产生的菲涅尔反射；n2）斜率为一常数的区间；n3）由于局部缺陷、连接或耦合造成的不连续性；n4）由于介电波导本身的缺陷引起的反射；n5）光纤尾端的菲涅尔反射。典型的OTDR曲线长度单模光纤弯曲损耗的测量 n1）对G.652光纤，用半径为37

44、.5mm松绕100圈，在1550nm波长测得的损耗增加应小于1dB。n2）对G.653光纤，用半径为37.5mm松绕100圈，在1550nm波长测得的损耗增加应小于0.5dB。n说明：一是上述100圈大约相当于典型中继距离所有接头盒中采用的总圈数；二是弯曲半径37.5mm则是考虑在光纤长期运用的条件下不致产生静态疲劳的广泛可接受的最小弯曲半径。 n测量时，将几十米被测光纤偶合到测试系统中，保持注入状态和接收端耦合状态不变的情况下，分别测出松绕100圈前后的输出功率P1 和P2，弯曲损耗ab可由下式计算出来 n测试系统高度稳定，保持光纤松绕过程中不受到任何附加的应力。1210lgbPPa多模光纤

45、的带宽及其测量多模光纤的带宽及其测量n限制光纤通信系统的传输码速和最大通信容量n基带频响 21()()mmmP fHfP f 21()()0(0)mmmH fP fHfHPn当时 的调制频率为光纤的带宽n总带宽 nBm为模畸变带宽；Bc为波长色散带宽n假定光源谱特性为高斯分布，波长色散带宽可用下式表示： n （MHz） ()0.50mH fH1222TmcBBB 16100.44cBDLll n模畸变带宽n （MHz） n每单位长度（km）的带宽B与全长带宽的关系为 n （MHzkm）n对一个单元光缆段，由于接头造成的模耦合和其他影响，总的模畸变带宽与各根模畸变带宽之间不是线性关系，而是通常用

46、下式表示 122621010.44mTDLBBllTBBL11nmTmiiBB带宽的测量 n脉冲响应g(t) ，频率响应G(f) n基带响应测试方法既可用频域的方法，也可用时域的方法。 ITU-T G.651规定，最后结果必须以频率形式给出 。( )( )exp(2)G fg tjft dtn频域法就是利用频率连续可变的正弦波调制光源作为注入信号，通过注入系统耦合到被测光纤中，测量并记录幅频函数P2(fm)；然后在距注入端2m处剪断光纤，保持注入条件不变的情况下，测量并记录短光纤（参考信号）的输出P1(fm)；利用式（2.56）得到基带频响特性曲线，曲线上-6dB电功率处对应的频率即为光纤的带

47、宽。 包含扰模器的注入系统扰模器试验光纤包层模剥除器检测器 记录系统被调制的LD光源多模光纤带宽测试装置0-20050010006dB带宽：554MHz 长度：1.06km基带幅度响应电平dB实测的基带频响曲线n时域法利用的是脉冲调制。按照对脉冲信号采集及数学处理方法的不同，又分脉冲展宽法、快速傅立叶变换法和频谱分析法。n脉冲展宽法就是分别测出长短光纤的输出脉冲P2(t)和P1(t)，当脉冲形状近似高斯分布时，分别测出它们的半幅全宽2和1，然后按照下面的公式求出带宽： 22210.441BnG.651规定，时域函数变为频域函数，变换方法：对长短光纤输出脉冲P2(t)和P1(t)分别进行快速傅立

48、叶变换（FFT），求出响应的幅频函数P2(f)和P1(f)。像频域法一样，基带频响曲线上的-6dB点所对应的频率就是被测光纤的总带宽。n光源：功率、中心波长和谱宽稳定 ，谱宽窄 n850nm波长，l5nm；1300nm波长，l10nm n注入方法，一是均匀模分布注入（满注入），就是注入光斑有比纤芯大的均匀空间分布和在被测光纤数值孔径之内的郎伯角分布；二是接近实际稳态的稳态注入，在满注入条件下，采用扰模器、滤模器和包层模剥除器来实现平衡模分布。 单模光纤的波长色散及其测量单模光纤的波长色散及其测量n单模光纤的色散决定着光纤所能传输的速率、距离、容量，对于超长距离、超大容量、超高速率的通信系统有极

49、为重要的意义 n测量方法：相移法、干涉法和脉冲时延法 相移法 n假定有波长l1ln的n个光源，分别用频率为f的正弦电信号调制，光纤输入端信号的初始相位是q1qn，用1 n表示传输群时延，则通过被测光纤后的相位分别为：n q1+2f1 qn+2fn n假定通过一段光纤每一波长的参考信号的时延都一样，且用0表示则测量信号与参考信号相比后，每一波长的相位差分别为：n f1=2f(1-0) fn=2f(n-0) n相应的时延表示分别为：n 1=f1/2f+0 n=fn/2f+0 n 测量时，为了消除相位旋转数目的影响，使用的调制频率f必须满足：n (2N-1)f1，fn(2N+1)n式中N为相位旋转数

50、目，于是，相差f1fn可重新表示为： n f1=f1 2N fn=fn 2N n 相应的延迟时间重新表示为：n 1= f1 2N/2f+0 n n= fn 2N)/2f+0 n从测得的相移量f1 fn就能计算得到不同波长间的相对群时延，而不受初始相位和相位旋转数目的影响。根据(li)得到最佳拟合群时延(l)，经过数学计算进一步得到光纤的色散特性曲线D(l)。n D(l)=d/dl n当D(l)=0时，就称之为零色散波长l0 测试装置 信号通道光检测器试验光纤包层模剥除器延迟检测器信号处理单元计算机时延发生器信号发生器波长选择器光源参考通道 单模光纤波长色散测试系统n光源采用激光器阵列 n波长选择器可用光开关 n光探测器要求有低的噪声，波长响应要同光源的波长范围相匹配，可选用PIN-FET或APD-FET组件 n参考信道可以是电信号线，也可以是光信号线，配置一适当的时延发生器 ，也可用试验光纤本身作参考通道线 n时延检测器用来测量参考信号与被测信号间的相移，一般使用一个矢量电压表。矢量电压表是一种即能测量正弦信号的幅度又能测量相对于参考信号的相位差的电压表。 测试和计算 n测试时，将被测光纤耦合到测试系统中，测量l1ln被测信号与参考信号间的相移，由相移得到时