光纤通信英文CAINumber4课件

课堂教学设计计划执行时间：2004年4月5日计划执行学时：2学时本次课堂教学内容安排：*§2.5：光纤特性测量方法*小结及习题2.5光纤特性测量方法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。每个特性参数有多种不同的测量方法，国际标准和国家标准对各个特性参数规定了基准测量方法和替代测量方法。在光纤通信系统的应用中，当使用条件变化时，几何特性和大多数光学特性基本上是稳定的，一般可以采用生产厂家的测量数据。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，也是我们要特别关注的指标。本节介绍光纤损耗、带宽(色散)和截止波长的测量原理和测量方法。这些特性参数的测量的共同的特点是用特定波长的光通过光纤，然后测出输出端相对于输入端的光功率或幅度、相位等物理量的变化，再经过相应的数据处理而实现的。测量系统一般包括发射光源、注入装置和接收与数据处理设备。测量仪器要求稳定、可靠，并有足够的精确度。测量的详细技术规范由国际标准(例如ITU-T，即原CCITTG650)或国家标准确定。由此可见，只要测量长度为L2的长光纤输出光功率P2，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P1(即长度为L=L2-L1这段光纤的输入光功率)，根据式(2.62a)就可以计算出α值。问题是由于高阶模式的损耗比低阶模式的更大，在光纤中传输的(对数)光功率lgP与光纤长度L的关系不是线性关系。如图2.21所示，测得的α值与注入条件和光纤长度有关，但不能惟一代表光纤的本征特性。由图可见，只有在稳态模式分布(注入光束数值孔径NAb和被测光纤数值孔径NAf相匹配)的注入条件下，lgP与L才是线性关系。图2.21光功率和光纤长度的关系在满注入(NAb>NAf)或欠注入(NAb<NAf)的条件下，被测短光纤的长度要等于或大于光纤耦合长度(L1≥Lc)，才能获得稳态模式分布。只有在稳态模式分布的条件下，才能得到惟一代表光纤本征特性的α值。获得稳态模式分布有三种方法：(1)建立NAb≈NAf的光学系统；(2)建立稳态模式模拟器，一般包括扰模器和包层模消除器；(3)用一根性能和被测光纤相同或相似的辅助光纤，代替光纤耦合长度的作用，这种方法在现场应用得非常方便。图2.22剪断法光纤损耗测量系统框图在实际应用中，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P1，然后在两者之间插入被测光纤，再测出光功率P2，据此计算α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.后向散射法瑞利散射光功率与传输光功率成比例。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(L1<L2)时分别为P1和P2(P1>P2)，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式中右边分母中因子2是光经过正向和反向两次传输产生的结果。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。显然，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。图2.23示出后向散射法光纤损耗测量系统的框图。光源应采用特定波长稳定的大功率激光器，调制的脉冲宽度和重复频率应和所要求的长度分辨率相适应。耦合器件把光脉冲注入被测光纤，又把后向散射光注入光检测器。光检测器应有很高的灵敏度。图2.24是后向散射功率曲线的示例，图中(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。图2.24后向散射功率曲线的示例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)。这种仪器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，确实是光纤通信系统工程现场测量不可缺少的工具。写成对数形式：T(f)=10lg|(Hf3dB)|=10［lg|H2(f)|-lg|H1(f)|］=-3注意：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2.25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。图2.26示出扫频法光纤带宽测量系统的框图。扫频仪输出各种频率的正弦信号，对光源进行直接光强调制，输出光经光纤传输和光检测后，由选频表直接获得频率响应。图2.25光纤频率响应和6dB电带宽图2.26扫频法光纤带宽测量系统框

2.5.3色散测量光纤色散测量有相移法、脉冲时延法和干涉法等。这里只介绍相移法，这种方法是测量单模光纤色散的基准方法。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Δλ=λ2-λ1产生的时间延迟差为Δτ，相位移为Δφ。根据式(2.52)p3-16，长度为L的光纤总色散为C(λ)L=用Δτ=Δφ/ω代入上式，得到光纤色散系数C(λ)=图2.27示出相移法光纤色散测量系统的框图。用高稳定度振荡器产生的正弦信号调制光源，输出光经光纤传输和光检测器放大后，由相位计测出相位。可变波长的光源可以由发光管(LED)和波长选择器组成，也可以由不同中心波长的激光器(LD)组成。为避免测量误差，一般要测量一组λi-φi值，再计算出C(λ)。图2.27相移法光纤色散测量系统框图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。利用这个特点，测量在弯曲状态下的传输光功率随波长的变化，就可以确定截止波长。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R(λ)=10lg图2.28示出R(λ)曲线，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。图2.29示出传输功率法截止波长测量系统的框图，这个系统和损耗谱测量系统完全相同。由卤灯输出的稳定白光，经斩光器变为矩形光