光纖通信英文CAINumb

課堂教學(xué)設(shè)計計劃執(zhí)行時間：2004年4月5日計劃執(zhí)行學(xué)時：2學(xué)時本次課堂教學(xué)內(nèi)容安排：*§2.5：光纖特性測量方法*章總結(jié)小結(jié)及習題光纖通信英文CAINumb共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!2.5光纖特性測量方法光纖的特性參數(shù)很多，基本上可分為幾何特性、光學(xué)特性和傳輸特性三類。幾何特性包括纖芯與包層的直徑、偏心度和不圓度；光學(xué)特性主要有折射率分布、數(shù)值孔徑、模場直徑和截止波長；傳輸特性主要有損耗、帶寬和色散。每個特性參數(shù)有多種不同的測量方法，國際標準和國家標準對各個特性參數(shù)規(guī)定了基準測量方法和替代測量方法。在光纖通信系統(tǒng)的應(yīng)用中，當使用條件變化時，幾何特性和大多數(shù)光學(xué)特性基本上是穩(wěn)定的，一般可以采用生產(chǎn)廠家的測量數(shù)據(jù)。損耗、帶寬(色散)和截止波長，不同程度地受使用條件的影響，直接關(guān)系到光纖傳輸系統(tǒng)的性能，也是我們要特別關(guān)注的指標。光纖通信英文CAINumb共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!本節(jié)介紹光纖損耗、帶寬(色散)和截止波長的測量原理和測量方法。這些特性參數(shù)的測量的共同的特點是用特定波長的光通過光纖，然后測出輸出端相對于輸入端的光功率或幅度、相位等物理量的變化，再經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理而實現(xiàn)的。測量系統(tǒng)一般包括發(fā)射光源、注入裝置和接收與數(shù)據(jù)處理設(shè)備。測量儀器要求穩(wěn)定、可靠，并有足夠的精確度。測量的詳細技術(shù)規(guī)范由國際標準(例如ITU-T，即原CCITTG650)或國家標準確定。光纖通信英文CAINumb共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!

2.5.1損耗測量光纖損耗測量有兩種基本方法：一種是測量通過光纖的傳輸光功率，稱剪斷法和插入法；另一種是測量光纖的后向散射光功率，稱后向散射法。

1.剪斷法光纖損耗系數(shù)由式(2.61a)確定，即式中，L為被測光纖長度(km)，P1和P2分別為輸入光功率和輸出光功率(mW或W)。光纖通信英文CAINumb共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!圖2.21光功率和光纖長度的關(guān)系光纖通信英文CAINumb共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!圖2.22示出剪斷法光纖損耗測量系統(tǒng)的框圖。光源一般采用譜線寬度足夠窄的激光器。在整個測量過程中，光源位置、強度和波長應(yīng)保持穩(wěn)定。注入裝置的功能是保證多模光纖在短距離內(nèi)達到穩(wěn)態(tài)模式分布。對于單模光纖，應(yīng)保證全長為單模傳輸。接收一般包括光敏面積足夠大的光檢測器、放大器和電平測量或數(shù)據(jù)顯示，通常用光功率計來實現(xiàn)。根據(jù)測得的P1和P2計算α值。對于損耗譜的測量要求采用譜線寬度很寬的光源(例如鹵燈或發(fā)光管)和波長選擇器(例如單色儀或濾光片)，測出不同波長的光功率P1(λ)和P2(λ)，然后計算α(λ)值。剪斷法是根據(jù)損耗系數(shù)的定義，直接測量傳輸光功率而實現(xiàn)的，所用儀器簡單，測量結(jié)果準確，因而被確定為基準方法。但這種方法是破壞性的，不利于多次重復(fù)測量。光纖通信英文CAINumb共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!在實際應(yīng)用中，可以采用插入法作為替代方法。插入法是在注入裝置的輸出和光檢測器的輸入之間直接連接，測出光功率P1，然后在兩者之間插入被測光纖，再測出光功率P2，據(jù)此計算α值。這種方法可以根據(jù)工作環(huán)境，靈活運用，但應(yīng)對連接損耗作合理的修正。

2.后向散射法瑞利散射光功率與傳輸光功率成比例。利用與傳輸光相反方向的瑞利散射光功率來確定光纖損耗系數(shù)的方法，稱為后向散射法。設(shè)在光纖中正向傳輸光功率為P，經(jīng)過L1和L2點(L1<L2)時分別為P1和P2(P1>P2)，從這兩點返回輸入端(L=0)。光檢測器的后向散射光功率分別為Pd(L1)和Pd(L2)，經(jīng)分析推導(dǎo)得到，正向和反向平均損耗系數(shù)光纖通信英文CAINumb共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!圖2.23后向散射法光纖損耗測量

光纖通信英文CAINumb共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!圖2.24后向散射功率曲線的示例光纖通信英文CAINumb共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!

2.5.2帶寬測量光纖帶寬測量有時域和頻域兩種基本方法。時域法是測量通過光纖的光脈沖產(chǎn)生的脈沖展寬，又稱脈沖法；頻域法是測量通過光纖的頻率響應(yīng)，又稱掃頻法。兩種方法是等效的，這里只介紹掃頻法。這種方法通常用于多模光纖的測量。設(shè)在測量系統(tǒng)中，接入一段短光纖時，測出的頻率響應(yīng)為H1(f)，接入被測長光纖時，測出的頻率響應(yīng)為H2(f)，則光纖頻率響應(yīng)H(f)和3dB光帶寬f3dB應(yīng)滿足下式：|H(f3dB)|=光纖通信英文CAINumb共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!圖2.25光纖頻率響應(yīng)和6dB電帶寬光纖通信英文CAINumb共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!光源應(yīng)采用線性良好、功率和頻率穩(wěn)定的激光器，其調(diào)制頻率上限應(yīng)大于光纖帶寬。光檢測器應(yīng)采用高速光電二極管，其頻率響應(yīng)要與光源調(diào)制頻率相適應(yīng)。頻譜分析儀應(yīng)具有良好的幅度—頻率特性。光纖通信英文CAINumb共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!C(λ)=圖2.27示出相移法光纖色散測量系統(tǒng)的框圖。用高穩(wěn)定度振蕩器產(chǎn)生的正弦信號調(diào)制光源，輸出光經(jīng)光纖傳輸和光檢測器放大后，由相位計測出相位?？勺儾ㄩL的光源可以由發(fā)光管(LED)和波長選擇器組成，也可以由不同中心波長的激光器(LD)組成。為避免測量誤差，一般要測量一組λi-φi值，再計算出C(λ)。光纖通信英文CAINumb共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!

2.5.4截止波長測量根據(jù)式(2.37)p2-43和式(2.36)p2-42，截止波長λc=對常規(guī)單模光纖，通過對折射率分布的測量，確定纖芯半徑a，纖芯和包層的折射率n1和n2，由式(2.66)就可以計算出理論截止波長λc。實際截止波長的測量有：在彎曲狀態(tài)下，測量損耗—波長函數(shù)的傳輸功率法；改變波長，觀察LP01模和LP11模產(chǎn)生的兩個脈沖變?yōu)橐粋€脈沖的時延法；改變波長，觀察近場圖由環(huán)形變?yōu)楦咚剐蔚慕鼒龇?。這里只介紹傳輸功率法，這種方法是測量單模光纖截止波長的基準方法。光纖通信英文CAINumb共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!圖2.28示出R(λ)曲線，0.1dB平行線與R(λ)的交點，確定為截止波長λc。一般實測截止波長稍小于理論截止波長。圖2.29示出傳輸功率法截止波長測量系統(tǒng)的框圖，這個系統(tǒng)和損耗譜測量系統(tǒng)完全相同。由鹵燈輸出的穩(wěn)定白光，經(jīng)斬光器變?yōu)榫匦喂饷}沖，單色儀選擇的波長一般可以在0.6~1.8μm范圍變化，經(jīng)光檢測器后進行放大和數(shù)據(jù)處理。光纖通信英文CAINumb共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!圖2.29傳輸功率法截止波長測量系統(tǒng)框圖光纖通信英文CAINumb共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!由此可見，只要測量長度為L2的長光纖輸出光功率P2，保持注入條件不變，在注入裝置附近剪斷光纖，保留長度為L1（一般為2~3m）的短光纖，測量其輸出光功率P1(即長度為L=L2-L1這段光纖的輸入光功率)，根據(jù)式(2.62a)就可以計算出α值。問題是由于高階模式的損耗比低階模式的更大，在光纖中傳輸?shù)?對數(shù))光功率lgP與光纖長度L的關(guān)系不是線性關(guān)系。如圖2.21所示，測得的α值與注入條件和光纖長度有關(guān)，但不能惟一代表光纖的本征特性。由圖可見，只有在穩(wěn)態(tài)模式分布(注入光束數(shù)值孔徑NAb和被測光纖數(shù)值孔徑NAf相匹配)的注入條件下，lgP與L才是線性關(guān)系。光纖通信英文CAINumb共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!在滿注入(NAb>NAf)或欠注入(NAb<NAf)的條件下，被測短光纖的長度要等于或大于光纖耦合長度(L1≥Lc)，才能獲得穩(wěn)態(tài)模式分布。只有在穩(wěn)態(tài)模式分布的條件下，才能得到惟一代表光纖本征特性的α值。獲得穩(wěn)態(tài)模式分布有三種方法：(1)建立NAb≈NAf的光學(xué)系統(tǒng)；(2)建立穩(wěn)態(tài)模式模擬器，一般包括擾模器和包層模消除器；(3)用一根性能和被測光纖相同或相似的輔助光纖，代替光纖耦合長度的作用，這種方法在現(xiàn)場應(yīng)用得非常方便。光纖通信英文CAINumb共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!圖2.22剪斷法光纖損耗測量系統(tǒng)框圖光纖通信英文CAINumb共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!式中右邊分母中因子2是光經(jīng)過正向和反向兩次傳輸產(chǎn)生的結(jié)果。后向散射法不僅可以測量損耗系數(shù)，還可利用光在光纖中傳輸?shù)臅r間來確定光纖的長度L。顯然，式中，c為光速，n1為光纖的纖芯折射率，t為光脈沖發(fā)出到返回的時間。圖2.23示出后向散射法光纖損耗測量系統(tǒng)的框圖。光源應(yīng)采用特定波長穩(wěn)定的大功率激光器，調(diào)制的脈沖寬度和重復(fù)頻率應(yīng)和所要求的長度分辨率相適應(yīng)。光纖通信英文CAINumb共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!耦合器件把光脈沖注入被測光纖，又把后向散射光注入光檢測器。光檢測器應(yīng)有很高的靈敏度。圖2.24是后向散射功率曲線的示例，圖中(a)輸入端反射區(qū)；(b)恒定斜率區(qū)，用以確定損耗系數(shù)；(c)連接器、接頭或局部缺陷引起的損耗；(d)介質(zhì)缺陷(例如氣泡)引起的反射；(e)輸出端反射區(qū)，用以確定光纖長度。光纖通信英文CAINumb共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!用后向散射法的原理設(shè)計的測量儀器稱為光時域反射儀(OTDR)。這種儀器采用單端輸入和輸出，不破壞光纖，使用非常方便。OTDR不僅可以測量光纖損耗系數(shù)和光纖長度，還可以測量連接器和接頭的損耗，觀察光纖沿線的均勻性和確定故障點的位置，確實是光纖通信系統(tǒng)工程現(xiàn)場測量不可缺少的工具。光纖通信英文CAINumb共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!寫成對數(shù)形式：T(f)=10lg|(Hf3dB)|=10［lg|H2(f)|-lg|H1(f)|］=-3注意：由于經(jīng)光檢測器后，光功率按比例轉(zhuǎn)換為電流(或電壓)，因此3dB光帶寬相應(yīng)于6dB電帶寬。圖2.25示出用對數(shù)電平顯示的頻率響應(yīng)H1(f)、H2(f)和由兩曲線相減得到的光纖頻率響應(yīng)H(f)和6dB電帶寬。圖2.26示出掃頻法光纖帶寬測量系統(tǒng)的框圖。掃頻儀輸出各種頻率的正弦信號，對光源進行直接光強調(diào)制，輸出光經(jīng)光纖傳輸和光檢測后，由選頻表直接獲得頻率響應(yīng)。光纖通信英文CAINumb共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!圖2.26掃頻法光纖帶寬測量系統(tǒng)框光纖通信英文CAINumb共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!

2.5.3色散測量光纖色散測量有相移法、脈沖時延法和干涉法等。這里只介紹相移法，這種方法是測量單模光纖色散的基準方法。用角頻率為ω的正弦信號調(diào)制的光波，經(jīng)長度為L的單模光纖傳輸后，其時間延遲τ取決于光波長λ。不同時間延遲產(chǎn)生不同的相位φ。用波長為λ1和λ2的受調(diào)制光波，分別通過被測光纖，由Δλ=λ2-λ1產(chǎn)生的時間延遲差為Δτ，相位移為Δφ。根據(jù)式(2.52)p3-16，長度為L的光纖總色散為C(λ)L=用Δτ=Δφ/ω代入上式，得到光纖色散系數(shù)光纖通信英文CAINumb共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!圖2.27相移法光纖色散測量系統(tǒng)框圖光纖通信英文CAINumb共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁!LP11模在接近截止波長時，其傳輸功率對光纖彎曲十分靈敏，而基模LP01模在接近LP11模的截止波長時，其傳輸功率對光纖彎曲不十分靈敏。利用這個特點，測量在彎曲狀態(tài)下的傳輸光功率隨波長的變化，就可以確定截止波長。用2m長的被測光纖，接入測量系統(tǒng)的注入裝置和光檢測器之間，把被測光纖彎曲成φ280的圓圈，測量輸出光功率P1(λ)；保持注入條件不變，把被測光纖彎曲成φ60的圓圈，這時消除了次低階模LP11，只有基模