光纤色散测量课件

1、第四章 光纤色散测量Measurement of Fiber Dispersion 内 容一、时域法二、频域法三、时域法和频域法的比较色散：光信号在光纤中传输时，由于不同成分的光传输时延t不同引起的脉冲展宽的物理效应。不同成分包括：波长、模式、偏振.色散主要影响系统的传输容量，也对中继距离有影响。光纤的色散 (Dispersion)模式色散：多模光纤中，不同模式的光沿着不同的路径传输，各模式群速度不同而产生色散。色散分类模内色散模间色散材料色散： 材料对不同频率光的折射率不同而产生的色散波导色散： 同一模式下,不同频率光的群速不同而产生的色散色散引起的光脉冲展宽光纤的色散可以从光纤的时域特性和

2、频域特性两个方面来描述光脉冲波形在时间上发生了展宽是从时域特性来描述了光纤的色散效应而光纤的频域特性，则是把光纤看作一个传输“网络”由于网络总是有一定带宽的，所以就用光纤的频带宽度来从频域特性描述光纤的色散效应色散的时域和频域描述从光纤的时域特性看，色散使光脉冲沿着光纤行进一段距离后脉冲变宽。时域描述Dt s（l）Dl ;Dt为光脉冲通过单位长度光纤后的展宽;s（l）(ps/kmnm)为色散系数;Dl为光源的谱线宽度。时域测量从光纤的频域特性来描述, 是把光纤看作一个有一定带宽B的传输“网络”通常把调制信号经过光纤传播后，光功率下降一半(即3dB)时的频率(fc)的大小，定义为光纤的带宽(B)

3、。光纤的频域描述光纤频率传递函数H(f )带宽和色散的关系可用下式表示：光纤的色散和带宽的关系式中， Dt为光脉冲通过单位长度光纤后的展宽(ps) 。色散是光信号在光纤中传输时，由于不同成分的光传输时延t不同引起的脉冲展宽的物理效应。光纤带宽与脉冲展宽在实质上是一致的。光脉冲变宽是色散在时域的反映。光纤带宽是色散在频域的反映。光纤色散越严重，脉冲展宽的就越多，带宽就越窄。色散、脉冲展宽、带宽及其关系光纤色散的测量是测量光纤对信号展宽的程度。色散的测试方法有时域法和频域法两种。时域法又称脉冲展宽法。利用测量通过光纤的光脉冲产生的脉冲宽度确定光纤的色散。频域法又称扫频法，通过光纤的频率响应测量带宽

4、，然后确定色散系数。色散的测量方法注入有两种方式：满注入和限制注入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。色散测量与衰减测量不同，它们不是测量输入和输出的光功率电平，而是测量沿全光纤长度传输的光脉冲时间展宽量。当测量光纤的色散时，应采用满注入方式。色散测量的光激励色散测量中多模光纤的注入条件光源透镜色散测量多模光纤的光注入要求满注入条件是具有均匀空间分布的入射光束近场光斑直径大于被测光纤的纤芯直径，远场辐射角的数值孔径大于被测光纤的数值孔径。具体地说对50125m，NA=0.25的多模光纤，满注入条件是：入射光束必须以光

5、斑形式入射到光纤端面中心区，近场光斑-3dB直径不小于70 m ，远场-3dB半辐射角正弦值不小于0.30-3dB例为了使接收端的稳态功率分布符合满注入条件，应使用扰模器、滤模器和包层模剥除器来实现。滤模器和包层模剥除器应在距离待测光纤始端约1m处使用。经过扰模、滤模和包层模剥除后，离注入端约2m处待测光纤的理想近场和远场分布图应与长光纤或接续光纤终端的近场和远场分布图相似。稳态模功率分布模拟装置色散测量的光激励4.2 时域法光纤模内色散与模间色散的测量一、光纤模内色散的测量由于单模光纤只传输一种模式，因而它不存在模间色散，只有模内色散，即材料色散和波导色散。通常材料色散比波导色散大两个量级。

6、但是，在零色散区，材料色散与波导色散值大致相当，只是两者符号相反。即：l01.3mm处，色散近似为零。因而称l0 为零色散点。（注：1.55附近，是光纤的最低损耗点） 时域法若在波长l的光的群时延为t(l)，则色散的程度可用色散系数 (l)来评定。其定义如下:模内色散或频率色散系数对谱宽为Dl的光源光沿光纤传输距离L脉冲展宽为:时域法模内色散测量方法：s(l)单模光纤的模内色散，它是波长的函数。从原理上讲，测量s(l)时，只要观察脉冲到达的时间和波长的关系，即可由上式计算出s(l)。进行时域测量，需要一系列可以使用的单色光源或一个波长连续可调的光源，还需要一个能测量时间延迟的装置。时域脉冲延迟

7、测量装置演示光纤传输延迟与波长的关系B-3光纤是含有三氧化二硼的梯度光纤，GB-4到GB-6是含有少量三氧化二硼而含有较多的二氧化锗的梯度光纤，杂质含量从GB4到GB6逐步增加。零色散点二、多模光纤色散的测量对于多模光纤，模间色散通常占主导地位。通过观察脉冲展宽可以测量色散。脉冲展宽由下式计算： 输入脉冲输出脉冲光脉冲要求：窄脉冲且波形接近高斯分布。光注入要求：采用“满注入”方式。首先用一短光纤将“1 ” 、“2” 两点相连，这时从示波器中得到的波形相当于Pin(t)，并测量其宽度Dti,然后再将被测光纤连到“1”，“2”两点之间，此时从示波器得到Pout(t)波形，并测量它的宽度Dto 。由

8、下式计算脉冲的展宽：脉冲展宽测量装置三、脉冲展宽的测量误差分析时域法影响测量误差因素： 光源噪声 光电探测器噪声 电路噪声 示波器噪声 读书误差4.3 频域法从光纤的频域特性来描述, 是把光纤看作一个有一定带宽B的传输“网络”通常把调制信号经过光纤传输后，光功率下降一半(即3dB)时的频率(fc)的大小，定义为光纤的带宽(B)。光纤频率传递函数扫频法测量色散通过连续改变调制信号的频率并测定光纤输入和输出的信号幅度，可以得到光纤的频率响应。对光电探测器输出的电信号进行测量时，通常使用频谱分析仪或矢量电压表。频谱分析仪可测量光纤响应的幅频特性。切断法光纤带宽扫频测试系统图417并与第二步的长光纤扫

9、频测量结果相减。其差值由寄存器输出，并由xy函数记录仪绘出基带频响的幅频曲线。幅频曲线的6dB(电带宽)点对应的频率为测得的光纤带宽B。测量步骤：第一、用一段短光纤连接EO与OE，以便调节发射功率使接收设备工作在线性范围内。第二、接入被测光纤并进行同步扫频测量。扫频范围应超过被测光纤的带宽。频谱仪测量的结果以分贝数存储在寄存器中。第三、保持注入条件不变，在距注入端约2米处截断光纤，并对此短光纤进行同样的扫频测量。频谱分析的结果送入寄存器，光纤频率传递函数H(f)带宽和色散的关系Dt的单位ps插入法光纤带宽扫频测试系统时域法和频域法的比较时间延迟脉冲展宽测光纤的基带响应极窄的脉冲可调信号源 （1

10、）时域法测光纤色散是观察脉冲光信号通过光纤后的时间延迟或脉冲展宽。频域法是使用不同频率的正弦波调制光信号测得光纤的基带响应。 （2）时域法要求产生和探测极窄的脉冲，而频域法需要一个从低频到高频的可调信号源用以驱动激光器或发光管。 （3）在测量准确度方面，频域法优于时域法。在实际测量中，由于输入脉冲本身或光输出探测器等原因，检测到的脉冲不可能很窄。因此，如用频域法来测量，只要根据H (w)Po(w) Pi(w),测量在光纤输入端和输出端的频率响应，并求它们的商，就可以得到光纤的基带响应的幅值。时域法和频域法的比较通常感兴趣的波长范围是1.21.6mm，这里选用了两个In GaAsPInP发光二极管其峰值波长分别为1.33mm和1.47mm，谱线半宽Dl均为0.1mm左右。用两个发光二极管就可覆盖1.271.37mm， 1.41.57mm的波长范围，满足了1.3mm和1.55mm两个最感兴趣的波长范围。发光二极管（LED）返回调制频率为30 MHz。如果采用侧面发光二极管。正弦调制信号频率f可达90100MHz则更有利于提高分辨率。温度变化可能引起发光二极管调制信号的相位变化,因此,要将发光二极管放在恒温槽中。信号