光纖通信測量-2

1、第2章 光纖特性的測量 2014-2015學(xué)年第一學(xué)期光纖通信測量要解決的問題 n一、光纖的參數(shù)測量n二、光端機(jī)主要性能的測量n三、光纖通信系統(tǒng)的測量光纖特性測試的重要意義n影響光纖傳輸系統(tǒng)的傳輸特性光纖的實用特性參數(shù) n一、幾何特性和光學(xué)特性、幾何特性和光學(xué)特性 n與耦合連接損耗有著密切的關(guān)系。主要包括光纖包層直徑、纖芯直徑、包層不圓度、纖芯不圓度、芯包同心誤差，多模光纖的折射率分布和數(shù)值孔徑、單模光纖的模場直徑、模場同心誤差、截止波長等。 光纖的實用特性參數(shù)n二、傳輸特性二、傳輸特性 n與中繼距離和通信容量有關(guān)。主要包括光纖的衰減系數(shù)、多模光纖的帶寬和單模光纖的色散特性等。光纖的實用特性參

2、數(shù)n三、光纖的機(jī)械特性和溫度特性三、光纖的機(jī)械特性和溫度特性n光纖(光纜)在實際的工程應(yīng)用中，不僅要經(jīng)受較強(qiáng)的機(jī)械拉力、壓力，還需要適應(yīng)各種不同的環(huán)境變化，如溫度、濕度變化等。這些因素都有可能影響光纖的傳輸特性。為了保證光纖傳輸?shù)姆€(wěn)定性能，還需要分析光纖的機(jī)械特性和溫度特性。 2.1光纖光學(xué)特性的測量光纖光學(xué)特性的測量光纖的折射率分布測量n在多模光纖中，這一分布對模畸變、帶寬具有決定性的影響，分布最佳，帶寬最高 n單模光纖中，它決定著截止波長、模場直徑和色散特性。 nITU-T推薦了折射近場法為基準(zhǔn)測試方法，近場法為替代測試方法。最簡單的方法是反射法。折射近場法（RNF） n折射近場法是測量光

3、纖的折射率分布和幾何參數(shù)的一種方法，可用來測量單模、多模光纖的折射率分布，折射率差值以及幾何參數(shù)。 折射近場法測試原理示意圖折射模折射模和泄漏模擋板會聚透鏡待測光纖匹配液傳導(dǎo)模和泄漏模匹配液盒大孔徑透鏡He-Ne 激光束n匹配液：浸油折射率比光纖包層折射率略高 n大孔徑透鏡 ：將擴(kuò)展了的He-Ne激光束會聚為一小光斑（約為1m） n注入到光纖端面上的光束將激勵起三種類型的模式：較小入射角的光線將在光纖中激勵起導(dǎo)模并傳到輸出端；較大入射角的光線僅激勵起折射模，逸向包層外面；入射角介于上述兩者之間的光線則可形成泄漏模，一部分隨導(dǎo)模一起傳到輸出端，一部分與折射模一樣輻射到包層外面。 n當(dāng)入射光斑沿光

4、纖直徑掃描時，由于n(r)變化，各點的本地數(shù)值孔徑NA(r)不同，對應(yīng)各處的折射模功率亦不同，折射模功率分布與折射率分布相似。測得折射模功率分布就可求出折射率分布。折射近場法就是通過測量從光纖泄漏出來的折射模來實現(xiàn)的。n擋光板屏蔽掉輻射角較小的那部分泄漏模，被檢測的只有折射模 n折射率分布只有徑向變化，所以波矢量的軸向分量處處守恒，即 nL為液體的折射率，n(r)為入射光在光纖表面r處光纖的折射率，j是遮光圓盤擋住部分對應(yīng)的出射角 q, j為光在光纖中及匹配液中與光纖軸線的夾角。 00coscosLn r kn kqjn由折射定律有：n由上可得 n還可表示為 qqcoscos000knkrnj

5、jcoscos000knknL jq22122sinsinLnrn )(sinsin22222rNAnrnLjqn若光強(qiáng)是朗伯型（各輻射方向光強(qiáng)度都相等的電光源），則射入立體角內(nèi)的入射光功率為：n進(jìn)行積分可得到檢測器接收到的光功率為：n由（2-4）可得qmin與遮光角度jS的關(guān)系為： jqqqddIdposincosqqqj20sinsin22min2)(sin2)(ddIrPo)sin(sinmin22qqoI SLnrnjq222min2sinsinn可得：n當(dāng)入射光射向包層時，則探測到的光功率為：nPc為包層光功率，n(r)=nL。n 由上兩式合并，得 )(sinsin)(2222LSo

6、nrnIrPjq)sin(sin22SocIPjq )(22LocnrnIPrPn可見P(r)與n2(r)成正比。在弱導(dǎo)近似下（ n(r)nL ）： n式中 ，則可得到：n即在弱導(dǎo)近似下，P與n(r)成正比。 SLccnrnPrPPjq2222sinsin)( )(222rnnnrnLL Lnrnrn)( rnnPPSLcjq22sinsin2n將（2-11）可改寫為：n 為比例系數(shù) n測得P(r)n=n(r)-nL。n對q和jS測量的精度必須很高，K難以高精度計算 ，常用校準(zhǔn)測量來確定K值。 rnnnrnPPKLLc2)(22SKjq22sinsinn利用折射率已知且為常數(shù)的普通玻璃纖維代替

7、被測光纖，若已知折射率為np（npnL），由前式可得：nP：普通纖維代替被測光纖時測得的光功率，注意：普通實心纖維不存在包層，由折射率匹配液來起包層的作用，計算K。 )( )(22rpPnnPKcLpcPPnKrncL2)(nA為比例系數(shù),可通過移動圓盤位置來校準(zhǔn)確定 ( )( )n rA p r n比例系數(shù)A可轉(zhuǎn)化為調(diào)節(jié)Z的大小來校準(zhǔn)。校準(zhǔn)測量設(shè)備的幾何示意圖Dzz0zrnL匹配液盒圓盤022cossinsinLZDZnqqq折射近場法測試系統(tǒng)框圖激光器1/4波長片透鏡組I透鏡組II液體盒檔盤檢測器放大器X-Y記錄儀M電動機(jī)電子測微計燈透鏡50m小孔被測光纖優(yōu)點：n直接給出光纖的絕對折射率分

8、布n可測多模光纖和單模光纖n測量精度高，空間分辨率小。n對系統(tǒng)進(jìn)行一次校正近場法（近場法（NFP） n近場法：測量光纖出射端面上導(dǎo)模功率的空間分布（即近場分布）來確定光纖的折射率分布。nITU-T定為多模光纖折射率分布的替代測試法。 n測試系統(tǒng)較簡單，但需要修正泄漏模 。 n光源的輻射區(qū)可分為近場輻射和遠(yuǎn)場輻射：n遠(yuǎn)場輻射是在離光源很遠(yuǎn)處觀察到的輻射，遠(yuǎn)場輻射中光功率的空間分布保持不變，遠(yuǎn)場分布由于光纖的尺寸較小的緣故，一般2-3cm即可。n近場輻射是在光源附近的輻射，光纖測量中的近場一般指光纖的出射端面。n檢測器放在針孔后緊靠光纖端面，沿光纖端面的直徑運(yùn)動，即可進(jìn)行近場掃描n簡單方法：先產(chǎn)生

9、光纖端面的像，然后在透鏡的像平面上對光強(qiáng)進(jìn)行掃描。 近場法n注入條件：用非相干的朗伯光源激勵光纖 ，導(dǎo)模都是均勻激勵 ，衰減相同，且無模間耦合，則在光纖的輸出端面上，導(dǎo)模的功率分布與光纖的折射率分布相似。 n由光源的面積元dxdy射入立體角d中的功率為： dxdyddIdpjqqqsincos0n折射定律：n光纖中導(dǎo)模傳輸條件：k0n2 k0n1frnnqqsin)(sin0fdnrnddqqqqq22022sin)2/ )()(sin21sincosn傳導(dǎo)光線的最大允許角度：n可得到自半徑r處的小面積Ad到達(dá)檢測器的功率為：n在弱導(dǎo)近似下，P(r)與折射率差成正比。2cos)(nrncq)(

10、)(sin2)()(22220sin020022020nrnnAdIddnrAdnIrPcfqqjn光纖的局部NA可定義為：nn(r)為照射到光纖端面r處的折射率，qc(r)為局部接收角 n光纖中距纖芯軸線為r處傳輸?shù)墓夤β蔖(r)： 12222( )( )sin( )( )cNA rn rrn rnq222222( )( )( )( )(0)(0)(0)(0)( )NA rn rn aP rPPNAnn an在弱導(dǎo)近似下： nPm為接收到的最大光功率，nm為纖芯中的最大折射率。 )()(2rnnrn)(2)(2222rnnnnPrPmmn多模光纖n假設(shè)每個模衰減相同，無模間耦合，通過測量光強(qiáng)

11、分布圖(NFP)，即P(r)，求得折射率分布(r/a)g。 1 21212,0( ),grnran ranra ( )1(0)gp rrpa n缺點：不能直接給出光纖的絕對折射率分布；漏模影響不能完全消除；測量精度低；對模式少的光纖不適用，因此不能測量單模光纖。 透鏡測試光纖針孔放大器X-Y記錄儀掃描儀光電探測器NFP測量系統(tǒng)漏模修正nC(r,z)修正因子，當(dāng)z=0時，全部漏模沒有衰減掉n當(dāng) 時，無漏模C(r,z)=1n當(dāng) 時， C(r,z)近似為1 222222( )( , )mmnrnp rC r zpnn122( , )1 ( ) rC r zaz 1Lm反射法反射法 n菲聶耳公式（由于

12、材料表面的反射率與周圍介質(zhì)和材料的折射率有關(guān)），即當(dāng)光垂直照射時：nR(r)表示光纖端面r處的反射率nPi和Pr(r)分別表示入射到樣品上的入射光功率和從樣品表面反射回來的反射光功率。nn0為周圍介質(zhì)（空氣或匹配液）的折射率，n(r)為光纖端面r處的折射率n測得Pi和Pr(r)，則可獲得光纖的折射率分布n(r)。 200( )( )( )( )rin rnP rR rPn rnn注意：光學(xué)系統(tǒng)會聚光束，提高測量精度和空間分辨率，使光束到達(dá)樣品表面時，光斑盡可能的小。但此時到達(dá)樣品表面的光束并不完全為垂直入射光束，大部分光線為斜入射。 在n=1.5的玻璃界面上菲涅耳反射率曲線 n由圖可看出：（一

13、）在入射角i2Wb/l。n單模光纖遠(yuǎn)場強(qiáng)度分布有一旁瓣，為了能探測到旁瓣的功率，測量系統(tǒng)的動態(tài)范圍要大，至少50dB。如果探測器測得的最大掃描光功率為100nW，則此接收系統(tǒng)還應(yīng)能夠測出1pW以下的微弱光功率，而且探測接收系統(tǒng)應(yīng)在這個范圍內(nèi)保持良好的線性關(guān)系。 n測量時，將光纖的注入端與入射光束對準(zhǔn)，光纖輸出端對準(zhǔn)合適的探測器，以固定程序啟動掃描探測器，特別要保證掃描探測器通過模場中心，探測器將各個角度上探測到的光功率轉(zhuǎn)化為電信號，由放大器放大后送入信號處理部分，與相應(yīng)的測角儀的角信號進(jìn)行處理后送入計算機(jī)，計算機(jī)由測得的遠(yuǎn)場強(qiáng)度F2(q)及按定義式(2.22)編制好的積分程序進(jìn)行計算，得出光纖

14、的模場直徑。 可變孔徑法測量模場直徑 n對光源、注入條件及探測器的要求與遠(yuǎn)場掃描法基本上一致。主要差別是在光纖端面與透鏡之間，裝有一個與光學(xué)系統(tǒng)光軸垂直的轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤上開有至少12個以上的直徑不同的圓孔，要求這些圓孔半徑對應(yīng)的遠(yuǎn)場半張角的數(shù)值孔徑覆蓋0.020.25的范圍（對G.653光纖，要求覆蓋的范圍為0.020.40）。n測量時，將被測光纖放入測試系統(tǒng)，依次轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤，測量通過每一個孔徑x的光功率P(x)，求出透射互補(bǔ)函數(shù)a(x)=1- P(x)/Pmax，式中Pmax為經(jīng)過最大圓孔的光功率。算出a(x)后，即可根據(jù)定義式，計算出模場直徑。 光源濾模包層模剝除器微調(diào)器透鏡系統(tǒng)檢測器鎖相放大器

15、計算機(jī)可變孔徑法測試裝置示意圖 刀口掃描法測量模場直徑v刀刃PDxS(z)P(x、y、z)P(x)vzy被測光纖刀口掃描法測試原理示意圖n在被測光纖的輸出端與匯聚透鏡之間的與光軸垂直的X-Y平面內(nèi)放置一刀片，刀片的作用是用來擋住一部分光功率，未經(jīng)刀片擋住的光由會聚透鏡會聚到光電探測器上。當(dāng)?shù)镀豖軸移動掃描時（圖中v所指方向），就可以測得刀口光功率透射函數(shù)k(x)，由定義式（2.28）計算可得模場直徑。n近場掃描法測量模場直徑 光纖幾何參數(shù)測量中的近場法不需要進(jìn)行全屏掃描，只需沿著一直徑掃描測出近場光強(qiáng)分布f 2(r)即可，然后用式（2.29）計算出模場直徑。遠(yuǎn)場掩模法 n它是將一塊特制的遮光

16、玻璃板插入到光纖出射端面與集光系統(tǒng)之間，由測量接收光功率的變化來確定模場直徑的方法 。n遮光區(qū)由兩個底部相對的桃形金屬膜構(gòu)成，圖案的對稱性有助于調(diào)節(jié)它的中心與遠(yuǎn)場分布的中心重合，掩模的邊界滿足一定的數(shù)學(xué)方程，從而可進(jìn)行定義的積分計算，因此又叫光學(xué)積分法。 n掩模板是在透明玻璃片上鍍制了一層不透明的金屬模而成。 n金屬模的形狀像兩個并蒂桃，邊界是Fermat螺線的一部分，滿足下列方程：LPIN顯示光學(xué)系統(tǒng)掩模板微調(diào)架光源遠(yuǎn)場掩膜法測試裝置示意圖22Rjn測量時，將掩模板插入到光路中，調(diào)整微調(diào)架，使圖形中心與模場中心重合，測出探測器所收集的光功率P，然后拿掉掩模板(Mask)，測出相應(yīng)的功率P0，

17、令h為兩次功率的比值：n由ITU-T對于模場直徑定義的積分公式出發(fā)，經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，在掩模測試條件下， 可得：0PPh122()22TTLWRTThlhn式中l(wèi)為工作波長，R為掩模半徑，L為光纖端面到掩模板的距離，T1和T2分別為掩模板上透明區(qū)和掩模區(qū)的透光率，以上參數(shù)是系統(tǒng)的固有參數(shù)。因此，只要測出h，即P0和P就可計算出模場直徑。n特點：一是操作方便，測試速度快；二是計算簡單，不需進(jìn)行積分；三是不需要復(fù)雜龐大的設(shè)備，可以做成輕便的儀表。模場直徑的大小和容差范圍 n光纖的模場直徑越小，它的抗彎特性越小，而要使光纖的模場直徑減小，就得增加光纖的相對折射率差，但這又會增加光纖的衰減，因此，模

18、場直徑的選擇即不能太大，也不能太小，應(yīng)折衷。 光纖類型 波長波長(nm) 模場直徑標(biāo)稱值(m)容差 G652G6521310nm1550nm9107.08.3 10%10%n模場直徑的容差還直接影響著光纖的接頭損耗，研究表明，兩根模場直徑分別為2W1和2W2的單模光纖的接頭損耗可用下式表示：n當(dāng)W1=W2時，兩根光纖的模場直徑相同，接頭損耗as=0，這里計算條件為在理想的熔接情況下。在ITU-T給定的最大容差下，若標(biāo)稱值為W，W1=W-10%；W2=W+10%，則由式計算as=0.17dB。 22121220lg2sWWWWa單模光纖截止波長及其測量 n截止波長是單模光纖所特有的另一個重要參數(shù)

19、，它給出了單模運(yùn)行時的光波長范圍，是保證光纖實現(xiàn)單模傳輸?shù)谋匾獥l件，常用lc表示。當(dāng)lc小于傳輸波長時，該光纖為單模光纖，只能傳輸基模；反之就不是單模光纖了。顯然單模光纖是相對于使用的工作波長而言的。 截止波長的物理概念和定義 n根據(jù)波動理論，多模光纖中傳導(dǎo)有限個分離的模：基模LP01 (HE11)、次低階模LP11（TE01、TM01、HE21）及高階模等。模的數(shù)目可以從求解波動方程得出。對于折射率為冪律分布的光纖，近似計算公式為： 222VNaa22212221llannnaVn計算的截止波長僅與光纖的剖面指數(shù)a、半徑a和相對折射率差決定，與光纖的長度和狀態(tài)無關(guān)，稱之為理論截止波長，記作l

20、ct。 n其中，Vc=2.40483為階躍單模光纖實現(xiàn)單模傳輸?shù)臍w一化截止頻率，對于折射率為冪次分布的光纖，歸一化截止頻率Vc與剖面指數(shù)a有關(guān)， 22121222cccaannnVVl1222.40483 1cVanITU-T規(guī)定了兩種有用的截止波長：2m長預(yù)涂覆光纖的截止波長，一般用lc表示；成纜光纖的截止波長，用lcc表示。 n1） 2m長預(yù)涂覆光纖的截止波長lc n根據(jù)ITU-T規(guī)定，大于lc的波長l可沿打有一個60圈的2m長度的光纖單模傳輸，lc可看作相應(yīng)于幾米長的短光纖的截止波長。 n對1310nm零色散的G.652光纖，取值規(guī)定為：1100nmlc1280nm n2、成纜光纖的截止

21、波長lcc nITU-T規(guī)定為在22m長的光纜上進(jìn)行相應(yīng)的彎曲之后，所測得的LP11模的截止波長n lctlc lcc n對G.652光纖推薦lcc最大值是1260nm或1270nm。n對于跳線光纜，考慮到最壞情況，光纜最大截止波長應(yīng)不高于1240nm。 截止波長的測量 n傳輸功率法是一種由光纖的傳導(dǎo)功率與波長的關(guān)系曲線來確定截止波長的方法，測量精度可達(dá)0.005m (5nm) n在截止波長附近，LP11模僅受到微弱的導(dǎo)引，因而由光纖的彎曲所引起的輻射會使傳輸功率產(chǎn)生顯著的損耗。當(dāng)工作波長稍低于理論截止波長時，光纖中激勵的LP11模急劇衰減，傳輸功率法就是利用這個位置來決定截止波長的 n取2m

22、長的待測光纖做樣品，將其傳輸功率譜同參考傳輸功率譜相比較則可定出截止波長。 計算機(jī)繪圖儀檢測器被測光纖鎖相放大器波長控制參考信號斬光器單色儀注入系統(tǒng)包層模剝除器傳輸功率法的典型測試裝置鹵燈n獲得參考傳輸功率的方法 ： (1)將待測光纖樣品打一直徑為60的圈作參考光纖 (2)用一根12m長的多模光纖作為參考光纖。 設(shè)備要求：光源：鹵燈，寬帶光源 ，光源要求在測試過程中應(yīng)保持位置、強(qiáng)度和波長的穩(wěn)定。波長應(yīng)在所要求的較寬范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，F(xiàn)WHM（半幅值全寬）不超過10nm n注入系統(tǒng)：基本上均勻地激勵起LP01模和LP11模，可用與多模光纖連接或用一適當(dāng)大光斑大數(shù)值孔徑的光學(xué)系統(tǒng)注入 n包層模剝除器

23、 n探測放大系統(tǒng)：收集來自光纖的全部光功率，光譜響應(yīng)與光源的譜特性一致n探測器光敏面均勻且具有良好的線形靈敏度n放大系統(tǒng)也應(yīng)有足夠的線性度和線性范圍。 實驗步驟： n1）將2m長的待測光纖接入測量系統(tǒng)中，打一個=280mm的圈，整根光纖上要避免出現(xiàn)半徑小于140mm的任何彎曲。改變波長，記錄輸出光功率譜P1(l)曲線。n2）在同樣的波長范圍內(nèi)測出參考光纖的傳輸功率譜。參考光纖的選取，可采用以下兩種方法：第一，用待測光纖，保持激勵狀態(tài)不變，將光纖至少打一個小圈，一般打一個60mm的小圈，這樣有利于濾除LP11模，測出傳導(dǎo)輸出功率譜P2(l)。第二， 取12m的多模光纖，在同樣的波長范圍內(nèi)測出傳導(dǎo)

24、輸出功率譜P3(l)。一般選取第一種方法。n）數(shù)據(jù)處理：利用上面的P1(l)與P2(l)的比值的對數(shù)作彎曲衰減函數(shù)R(l)。 )()(lg10)(21lllPPR單模光纖作參考光纖的典型R(l)曲線預(yù)涂覆光纖截止波長的測試方法 n預(yù)涂覆光纖截止波長的基準(zhǔn)測試法是傳輸功率法 nG.650定義：截止波長是在各次模大體均勻激勵的條件下，注入的包括高次模在內(nèi)的總光功率與基模光功率的比隨波長變化減小到0.1dB以下時，對應(yīng)的較長的波長值，即：n n測量樣品長2m，制備好光纖端面，與注入系統(tǒng)和探測器相連。先將光纖彎成一個280的圈，在估計的lc附近足夠?qū)挼姆秶鷥?nèi)進(jìn)行波長掃描，記錄P1(ll曲線。將待測光纖

25、打一個60的小圈，在同樣的波長范圍內(nèi)測P2(l，求R(l)=10lg P1(l/P2(l，作R(ll曲線，則R(l)=10lg P1(l/P2(l=0.1時對應(yīng)的較大波長即為截止波長。 1 . 0)()(lg1021llPP成纜光纖截止波長的測試 n成纜光纖截止波長lcc的基準(zhǔn)測試方法也為傳輸功率法 nlcc的樣品為22m長的光纜，將光纜每端各剝開1m，將露出的光纖各打一個80的圈，用以模擬接續(xù)構(gòu)件的影響，20m的光纜部分的放置應(yīng)平整，不應(yīng)有任何影響測量值的小彎曲 n將制備好的端面分別與光源和探測器耦合，先測出光纖輸出功率P1(l與l的關(guān)系曲線，然后將光纖打一個小于60的圈，測量P2(l，根據(jù)

26、P1(l和P2(l算出彎曲函數(shù)R(l)。作R(ll曲線，0.1dB橫線與R(l曲線的交點所對應(yīng)的最大波長為lcc。20m1m1m2X2X光纜 用成纜光纖測量截止波長的cc使用條件n成纜光纖截止波長的替代測試法 n測量樣品所用未成纜光纖為一次涂覆光纖或二次套塑光纖（如果有的話）。光纖長度仍是22m 2X2X2rN圈1圈1圈22m(包括環(huán)長) 用未成纜光纖測量截止波長的cc使用條件光纖幾何參數(shù)的測量n傳輸性能和機(jī)械性能 n連接損耗 n光纖制造的尺寸依據(jù) n光纖制造中嚴(yán)格控制的指標(biāo) n判別光纖產(chǎn)品合格與否的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) n多模光纖的幾何參數(shù)包括纖芯直徑、包層直徑、芯不圓度、包層不圓度、纖芯、包層同心度等

27、 n單模光纖的幾何尺寸參數(shù)包括包層直徑、包層不圓度、纖芯、包層同心度誤差（當(dāng)用模場直徑作參數(shù)時，應(yīng)是模場、包層同心度誤差） 折射近場法折射近場法 n多模光纖幾何特性測試的基準(zhǔn)測試方法，是單模光纖幾何特性測試的替代方法 n1n2n3n4(a)(b) 由折射率分布確定芯徑幾何參數(shù)定義n(1)、多模光纖n包層是光纖橫截面上最外面折射率為常數(shù)的區(qū)域 n芯區(qū)是折射率（排除任何折射率凹坑）超過最大折射率n1與最里層折射率均勻區(qū)域n2之差乘以一定比例系數(shù)k后得到的n3以內(nèi)的區(qū)域nk為一常數(shù)，一般取作0.05 3212nnk nnn纖芯、包層區(qū)域的最大直徑定義為纖芯直徑和包層直徑，分別用d和D表示。 d0D0

28、dmaxdminDmaxDminX光纖幾何尺寸和同心度定義n纖芯直徑n包層直徑n纖芯不圓度n包層不圓度n同心度 2minmaxdddmaxmin2DDDmaxmin100%ddd芯maxmin100%DDD包100%xCdnx為纖芯中心到包層中心之間的距離 n單模光纖 ： 基本上與多模光纖一樣，纖芯直徑一般不要求。 k值通常取作0.5。可用纖芯、包層同心度誤差替代模場、包層同心度誤差，這時用纖芯、包層中心間距離的絕對值x表示（單位m）。 折射近場法 n對光纖整個橫截面進(jìn)行全屏掃描，得到折射率的兩維分布圖 n取折射率的一定高度為纖芯、包層交界的點得到芯輪廓，多模取值5%，單模取值50%；用同樣的

29、方法取包層和匹配液交界的點得到包層輪廓 n按照定義，計算出纖芯、包層的直徑、不圓度、同心度等 近場法近場法n單模光纖幾何特性的基準(zhǔn)測試方法和多模光纖幾何特性的替代測試方法 n單模光纖與多模光纖近場測量裝置的主要差別是所用的光源。多模光纖近場法使用的是非相干的短波長光源；單模光纖測量用的是1310nm（對G.652光纖）或1550 nm（G.653、 G.654）波長光源，譜特性要防止光纖處于多模狀態(tài)。且使用了濾模器，以移去LP11模 實驗裝置n光源 ：強(qiáng)度穩(wěn)定可調(diào)，波長穩(wěn)定 n第二光源(可見光) ：為了光纖輸出端照明包層，譜特性不得引起像的散焦效應(yīng)n包層模剝除器 ：移除包層中的光功率,僅測量包

30、層的幾何尺寸時，可以不用 n光學(xué)放大裝置 ：使光纖輸出近場放大后再聚焦到掃描探測器平面上。光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑和分辨能力應(yīng)與所要求的測量精度相一致，N.A0.3，放大倍數(shù)應(yīng)選得與所希望的空間分辨率相匹配。 n光探測器 (1)、具有針孔的掃描光探測器(2)、具有固定針孔和光探測器的掃描鏡 (3)、掃描電視攝像管，電荷耦合器件等n要求探測器在測量的光強(qiáng)度范圍內(nèi)線性好 n整個系統(tǒng)光路要對準(zhǔn)為減小因掃描散焦像而引起的尺寸誤差，應(yīng)以極高的精度完成聚焦。n最后根據(jù)所測光纖的類型，按照定義計算出所要的幾何參數(shù)。n定標(biāo)方法是對一個具有合適精度的已知尺寸標(biāo)準(zhǔn)樣品的聚焦像進(jìn)行掃描，從而確定光學(xué)系統(tǒng)的放大倍數(shù)。光源注

31、入系統(tǒng)擾模器包層模剝除器光纖放大光學(xué)系統(tǒng)檢測器 放大器數(shù)據(jù)處理 近場法測試光纖幾何尺寸裝置n國內(nèi)外使用的幾何參數(shù)測試系統(tǒng)多是PK公司的2400和YORK公司的S-20。芯區(qū)照明光源都是850nmLED，因此對單模光纖只能測出纖芯、包層同心度誤差，而不能測量模場同心度誤差。 2a=8.5mD=125.2m芯=1.36%包=0.12%同心度=0.23m -125.0 -50 0.0 +50 +125.0 芯徑r(m)用2400測得的一根光纖的近場強(qiáng)度分布側(cè)視法n對單模光纖，ITU-T還規(guī)定了側(cè)視法為幾何尺寸參數(shù)的第二替代測試方法。側(cè)視法的測量原理是通過測量光纖中折射光的光強(qiáng)分布來確定光纖的尺寸參數(shù)

32、 顯微鏡法 n一般使用分辨率為0.5m的讀數(shù)顯微鏡，測量重復(fù)性約為1m。該方法操作簡單，使用方便，價格便宜，適于批量產(chǎn)品的檢驗。需要注意的是，當(dāng)測量纖芯時，必須經(jīng)常與折射率分布曲線確定的幾何尺寸對比定標(biāo)。 “四圓容差場”法 n里面兩個直徑分別為d-4m和 d+4m，供測芯徑時用；外面兩個圓的直徑分別為D-5m和 D+5m，供測包層直徑用。 Dcor- DcorDcor+ DcorDcor推薦芯標(biāo)稱值 Dcor=4m芯徑公差DRr推薦參考表面外徑標(biāo)稱值 DRr=5m參考表面外徑公差DRr- DRrDRr+ DRr “四圓容差法”樣板多模光纖的數(shù)值孔徑及其測量 n數(shù)值孔徑N.A(Numerical

33、 Aperture) n表征多模光纖集光能力的大小以及與光源耦合難易的程度，同時，對連接損耗、微彎損耗及衰減溫度特性、傳輸帶寬等都有影響。 n1、最大理論數(shù)值孔徑N.AmaxtnN.Amaxt的物理意義是光纖最大可能接受角的正弦值，反映了光纖收集光線的能力n2、遠(yuǎn)場強(qiáng)度有效數(shù)值孔徑N.A(或N.Aff)n定義為光纖遠(yuǎn)場輻射圖上光強(qiáng)下降到最大值5%處的半張角P0.05的正弦值。ITU-T規(guī)定的數(shù)值孔徑就是這種數(shù)值孔徑，推薦值是（0.180.24）0.02。 22max121.2tN Annnn3 、N.A與N.Amaxt之間的關(guān)系n式中，是折射率分布指數(shù)； k為與有關(guān)的比例系數(shù)（表1中給出了不同

34、取值時k的值）。一般情況下，梯度光纖接近拋物線分布，=2，則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數(shù)值孔徑的波長特性 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數(shù)值孔徑的測量數(shù)值孔徑的測量 遠(yuǎn)場光強(qiáng)法 IT

35、U-T規(guī)定遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布法為G.651多模光纖數(shù)值孔徑的基準(zhǔn)測試方法。遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布法測量原理是先測量出光纖遠(yuǎn)場角輻射光強(qiáng)分布，再利用遠(yuǎn)場分布法N.A的定義式，計算出光纖的數(shù)值孔徑。 n光源為強(qiáng)度可調(diào)的非相干光源，它能在光纖試樣端面上產(chǎn)生基本恒定的輻射（光強(qiáng)變化10%）面。光源的強(qiáng)度、波長和位置應(yīng)保持穩(wěn)定。n探測器應(yīng)為線性的。 n被測光纖2m左右，兩端面制備要整潔、平整光滑，與光纖軸垂直，端面角2。為避免彎曲產(chǎn)生模轉(zhuǎn)換和模輻射，樣品要擺直。 光源光纖cc檢測器注入光器件包層模剝除器Ld 典型的遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布法測試系統(tǒng)原理圖n注入條件必須采用滿注入（即遠(yuǎn)場數(shù)值孔徑大于0.3，近場光斑大于70m）。樣品

36、輸出端到探測器的距離必須大于芯直徑，取幾厘米即可。測出遠(yuǎn)場光強(qiáng)隨角度的分布P()，然后從遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布圖上找出最大值的5%處的點，然后計算出該點對應(yīng)的遠(yuǎn)場角的正弦值，即為所要求的數(shù)值孔徑N.A。 遠(yuǎn)場光斑法 n類似于遠(yuǎn)場光強(qiáng)法 ，簡單易行 He-Ne被測光纖50cmp 遠(yuǎn)場光斑法測試系統(tǒng)原理圖n不是掃描光強(qiáng)分布，可直接用相干光源（如He-Ne激光器） n測量時，在暗室中將光纖出射遠(yuǎn)場投影到有坐標(biāo)格的屏幕上，用數(shù)格子的辦法測出光斑直徑d，通過下式算出數(shù)值孔徑： dkAN.折射近場法 n用來測量最大理論數(shù)值孔徑，是替代測試法 n首先用近場法測出光纖的折射率分布曲線，然后從曲線上求出纖芯中心最大折射率

37、n1和包層折射率n2，根據(jù)式（2.18）計算出光纖的最大理論數(shù)值孔徑N.Amaxt。 2.3光纖的傳輸特性及測量 n衰減和衰減系數(shù)的定義 n光在光纖中傳播的平均光功率沿光纖長度方向呈指數(shù)規(guī)律減少，即：nP(Z)和和P(0)分別為軸向距離分別為軸向距離Z處和處和Z=0處的光功處的光功率；率；a a是衰減系數(shù)，定義為單位長度光纖引起是衰減系數(shù)，定義為單位長度光纖引起的光功率衰減，單位是的光功率衰減，單位是dB/km。 10/100ZPZPan當(dāng)Z=L時，nal表示在波長l處的衰減系數(shù) n注意 ：n（1）假定光纖沿軸向是均勻的，即al與軸向距離無關(guān)。n（2）對多模光纖，必須達(dá)到平衡模分布。 )0()

38、(lg10)(PZPLla衰減系數(shù)測試方法 n對制造長度所規(guī)定的衰減值應(yīng)在室溫下測量，即1035之間，ITU-T的G.650、G.651都規(guī)定截斷法為基準(zhǔn)測試方法，后向散射法和插入法為替代測試法。 截斷法 n截斷法是一個直接利用衰減系數(shù)定義來測試衰減的一種測試方法。在不改變注入條件的情況下，分別測出長光纖的輸出功率P(L)和剪斷后約2m長度左右短光纖的輸出功率P(0)，按定義式計算光纖的單位長度衰減值al，該方法的測試精度最高。 截斷法定波長衰減測試系統(tǒng)裝置截斷法衰減譜測試系統(tǒng)裝置濾模器被測光纖檢測器放大器電平測量包層模剝除器偏置電路光源注入系統(tǒng)光源單色儀斬波器參考信號波長控制控制器繪圖儀鎖相

39、放大器檢測器被測光纖包層模剝除器濾模器注入系統(tǒng)n光源 ：激光器或發(fā)光二極管 ，保持光源強(qiáng)度、波長和位置的穩(wěn)定 n光功率計：光檢測器譜響應(yīng)要與光源的譜特性相匹配，靈敏度線性要好 n注入系統(tǒng) ：有效的激勵起基模(LP01模) n要求：(1)測試系統(tǒng)的高度穩(wěn)定。如光源輸出功率的恒定。(2)合適的注入條件。(3)長短被測光纖與光檢測器兩次耦合接頭損耗一致性好。 插入法 n用帶活接頭的連接軟纖代替短纖進(jìn)行參考測量，計算在預(yù)先相互連接的注入系統(tǒng)和接收系統(tǒng)之間（參考條件）由于插入被測光纖引起的功率損耗。 n有非破壞性不需剪斷和操作簡便的優(yōu)點 ，適用與中繼段長總衰減的測量 (a)(b)被測光纖被測光纖參考系統(tǒng)

40、MFMF包層模剝除器參考條件1 221檢測器測量系統(tǒng)包層模剝除器光源注入系統(tǒng)注入系統(tǒng)光源調(diào)制器檢測器測量系統(tǒng)典型的插入損耗法測量裝置調(diào)制器n（a）首先將注入系統(tǒng)的光纖與接收系統(tǒng)的光纖相連，測出功率P1；然后將待測光纖連到注入系統(tǒng)和接收系統(tǒng)之間，測出功率P2，則被測光纖段的總衰減A可由下式計算nCr、C1、C2分別是在參考條件下、試驗條件下光纖輸入端、輸出端連接器的標(biāo)稱平均損耗值n（b）首先將參考系統(tǒng)連在注入系統(tǒng)和接收系統(tǒng)之間，測出功率P1；然后測出功率P2，則被測光纖段的總衰減由下式給出n 2121)()(lg10CCCPPArll)()(lg1021llPPA 后向散射法 n后向散射法是通過

41、光纖中后向散射光信號來提取光纖衰減及其它信息，例如光纖光纜的光學(xué)連續(xù)性、物理缺陷、接頭損耗和光纖長度等，是一種間接地測量均勻樣品衰減的方法。 n將光功率為P0、脈沖寬度為T0的窄光脈沖信號注入光纖，由于光纖的衰減，光脈沖信號在傳輸距離Z后，在Z處的光功率為P(Z) n由于瑞利散射，原注入端出射的后向散射光功率為： )10/(010)(ZPZPa)10/(20)10/(10)(10)()()(ZZbsZPZPZZPaan(Z)是光脈沖在Z處的光纖的瑞利后向散射系數(shù)，定義(Z)為：naR是瑞利散射系數(shù)，Vg是光在光纖中的群速度，S代表后向散射功率與瑞利散射總功率之比，它與光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)（芯徑、相對折

42、射率差）有關(guān) n設(shè)Z=0處的后向散射光功率為 STVZRga2/)(0)0()0(0PPbsn得到0Z間的平均衰減系數(shù)為:n如果光纖軸向不均勻，不是常數(shù)， n假定光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)沿軸向均勻時，(0)=(Z)，0Z間的平均衰減系數(shù)為 n )()0(log)()0(log5ZZPPZbsbsa)()0(log5ZPPZbsbsa被測光纖示波器數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)信號處理系統(tǒng)放大器光檢測器光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)耦合器件光學(xué)系統(tǒng)光源背向散射法測試系統(tǒng)OTDR(Optical Time Domain Reflectometer) nOTDR送出一窄脈沖，功率為P0，又會在同一點接收由光纖各處后向散射回來的光脈沖信號，其功

43、率為Pbs(Z)，并將Pbs(Z)與Z的關(guān)系經(jīng)過取樣積分器處理后記錄下來，得到后向散射曲線。 )(21)(BABAVVAlLAan若光脈沖從起點入射到尾端反射，再返回到起點所經(jīng)歷的時間為t0，則光纖的長度可用下式計算 n對純SiO2，N1=1.4616(1310nm)，對常規(guī)單模光纖，N1=1.467（0.4%） 012tNCL n1）光纖輸入端耦合器件產(chǎn)生的菲涅爾反射；n2）斜率為一常數(shù)的區(qū)間；n3）由于局部缺陷、連接或耦合造成的不連續(xù)性；n4）由于介電波導(dǎo)本身的缺陷引起的反射；n5）光纖尾端的菲涅爾反射。典型的OTDR曲線長度單模光纖彎曲損耗的測量 n1）對G.652光纖，用半徑為37.5

44、mm松繞100圈，在1550nm波長測得的損耗增加應(yīng)小于1dB。n2）對G.653光纖，用半徑為37.5mm松繞100圈，在1550nm波長測得的損耗增加應(yīng)小于0.5dB。n說明：一是上述100圈大約相當(dāng)于典型中繼距離所有接頭盒中采用的總?cè)?shù)；二是彎曲半徑37.5mm則是考慮在光纖長期運(yùn)用的條件下不致產(chǎn)生靜態(tài)疲勞的廣泛可接受的最小彎曲半徑。 n測量時，將幾十米被測光纖偶合到測試系統(tǒng)中，保持注入狀態(tài)和接收端耦合狀態(tài)不變的情況下，分別測出松繞100圈前后的輸出功率P1 和P2，彎曲損耗ab可由下式計算出來 n測試系統(tǒng)高度穩(wěn)定，保持光纖松繞過程中不受到任何附加的應(yīng)力。1210lgbPPa多模光纖的帶

45、寬及其測量多模光纖的帶寬及其測量n限制光纖通信系統(tǒng)的傳輸碼速和最大通信容量n基帶頻響 21()()mmmP fHfP f 21()()0(0)mmmH fPfHfHPn當(dāng)時 的調(diào)制頻率為光纖的帶寬n總帶寬 nBm為模畸變帶寬；Bc為波長色散帶寬n假定光源譜特性為高斯分布，波長色散帶寬可用下式表示： n （MHz） ()0.50mH fH1222TmcBBB 16100.44cBDLll n?；儙抧 （MHz） n每單位長度（km）的帶寬B與全長帶寬的關(guān)系為 n （MHzkm）n對一個單元光纜段，由于接頭造成的模耦合和其他影響，總的?；儙捙c各根模畸變帶寬之間不是線性關(guān)系，而是通常用下式表

46、示 122621010.44mTDLBBllTBBL11nmTmiiBB帶寬的測量 n脈沖響應(yīng)g(t) ，頻率響應(yīng)G(f) n基帶響應(yīng)測試方法既可用頻域的方法，也可用時域的方法。 ITU-T G.651規(guī)定，最后結(jié)果必須以頻率形式給出 。( )( )exp(2)G fg tjft dtn頻域法就是利用頻率連續(xù)可變的正弦波調(diào)制光源作為注入信號，通過注入系統(tǒng)耦合到被測光纖中，測量并記錄幅頻函數(shù)P2(fm)；然后在距注入端2m處剪斷光纖，保持注入條件不變的情況下，測量并記錄短光纖（參考信號）的輸出P1(fm)；利用式（2.56）得到基帶頻響特性曲線，曲線上-6dB電功率處對應(yīng)的頻率即為光纖的帶寬。

47、包含擾模器的注入系統(tǒng)擾模器試驗光纖包層模剝除器檢測器 記錄系統(tǒng)被調(diào)制的LD光源多模光纖帶寬測試裝置0-20050010006dB帶寬：554MHz 長度：1.06km基帶幅度響應(yīng)電平dB實測的基帶頻響曲線n時域法利用的是脈沖調(diào)制。按照對脈沖信號采集及數(shù)學(xué)處理方法的不同，又分脈沖展寬法、快速傅立葉變換法和頻譜分析法。n脈沖展寬法就是分別測出長短光纖的輸出脈沖P2(t)和P1(t)，當(dāng)脈沖形狀近似高斯分布時，分別測出它們的半幅全寬2和1，然后按照下面的公式求出帶寬： 22210.441BnG.651規(guī)定，時域函數(shù)變?yōu)轭l域函數(shù)，變換方法：對長短光纖輸出脈沖P2(t)和P1(t)分別進(jìn)行快速傅立葉變換

48、（FFT），求出響應(yīng)的幅頻函數(shù)P2(f)和P1(f)。像頻域法一樣，基帶頻響曲線上的-6dB點所對應(yīng)的頻率就是被測光纖的總帶寬。n光源：功率、中心波長和譜寬穩(wěn)定 ，譜寬窄 n850nm波長，l5nm；1300nm波長，l10nm n注入方法，一是均勻模分布注入（滿注入），就是注入光斑有比纖芯大的均勻空間分布和在被測光纖數(shù)值孔徑之內(nèi)的郎伯角分布；二是接近實際穩(wěn)態(tài)的穩(wěn)態(tài)注入，在滿注入條件下，采用擾模器、濾模器和包層模剝除器來實現(xiàn)平衡模分布。 單模光纖的波長色散及其測量單模光纖的波長色散及其測量n單模光纖的色散決定著光纖所能傳輸?shù)乃俾省⒕嚯x、容量，對于超長距離、超大容量、超高速率的通信系統(tǒng)有極為重要

49、的意義 n測量方法：相移法、干涉法和脈沖時延法 相移法 n假定有波長l1ln的n個光源，分別用頻率為f的正弦電信號調(diào)制，光纖輸入端信號的初始相位是q1qn，用1 n表示傳輸群時延，則通過被測光纖后的相位分別為：n q1+2f1 qn+2fn n假定通過一段光纖每一波長的參考信號的時延都一樣，且用0表示則測量信號與參考信號相比后，每一波長的相位差分別為：n f1=2f(1-0) fn=2f(n-0) n相應(yīng)的時延表示分別為：n 1=f1/2f+0 n=fn/2f+0 n 測量時，為了消除相位旋轉(zhuǎn)數(shù)目的影響，使用的調(diào)制頻率f必須滿足：n (2N-1)f1，fn(2N+1)n式中N為相位旋轉(zhuǎn)數(shù)目，于

50、是，相差f1fn可重新表示為： n f1=f1 2N fn=fn 2N n 相應(yīng)的延遲時間重新表示為：n 1= f1 2N/2f+0 n n= fn 2N)/2f+0 n從測得的相移量f1 fn就能計算得到不同波長間的相對群時延，而不受初始相位和相位旋轉(zhuǎn)數(shù)目的影響。根據(jù)(li)得到最佳擬合群時延(l)，經(jīng)過數(shù)學(xué)計算進(jìn)一步得到光纖的色散特性曲線D(l)。n D(l)=d/dl n當(dāng)D(l)=0時，就稱之為零色散波長l0 測試裝置 信號通道光檢測器試驗光纖包層模剝除器延遲檢測器信號處理單元計算機(jī)時延發(fā)生器信號發(fā)生器波長選擇器光源參考通道 單模光纖波長色散測試系統(tǒng)n光源采用激光器陣列 n波長選擇器可用光開關(guān) n光探測器要求有低的噪聲，波長響應(yīng)要同光源的波長范圍相匹配，可選用PIN-FET或APD-FET組件 n參考信道可以是電信號線，也可以是光信號線，配置一適當(dāng)?shù)臅r延發(fā)生器 ，也可用試驗光纖本身作參考通道線 n時延檢測器用來測量參考信號與被測信號間的相移，一般使用一個矢量電壓表。矢量電壓表是一種即能測量正弦信號的幅度又能測量相對于參考信號的相位差的電壓表。 測試和計算 n測試時，將被測光纖耦合到測試系統(tǒng)中，測量l1ln被測信號與參考信號間的相移，由相移得到時延