光纖特征參數(shù)測量課件

第七章

光纖特征參數(shù)的測量前言特性參數(shù)的意義1.檢測光纖的質(zhì)量,2.不同類型的光纖的連接3.防止國外的廠家的傾銷光纖的特性參數(shù)：1.光纖的損耗系數(shù)材料的吸收損耗,散射損耗,彎曲損耗2.光纖的色散系數(shù)與帶寬材料色散,波導(dǎo)結(jié)構(gòu)色散,模間色散3.單模光纖截止波長、模場半徑4.光纖的幾何尺寸、折射率分布和NA7.2衰減測量

測量光纖的傳輸總損耗系數(shù)衰減系數(shù)（db/km）α（λ）＝-10log（Pout/Pin)/L常見的測定方法有：切斷法，插入損耗法、背向散射法－b）濾模器

選擇性抑制某些模式繞棒式折射液抑模圖

c）包層模剝除器

去掉一小段涂敷層，浸入等于或稍大于包層折射率的匹配液中，使包層模被剝除適當(dāng)?shù)墓怦詈舷到y(tǒng)與擾模器，濾模器及包層剝除器一起構(gòu)成“注入系統(tǒng)”

穩(wěn)態(tài)分布的判斷：1擾模后輸出功率變化緩慢2看光纖輸出近場和遠(yuǎn)場分布注意：長光纖自動能達(dá)到模式穩(wěn)態(tài)分布7.2.2切斷法先測量出整個光纖的輸出光功率P2（λ），

保持注入條件不變，切斷光纖測量2m處輸出的光功率P1(λ)光源

注入系統(tǒng)

被測光纖

探測器斬波器

參考信號鎖相放大器

12測量特點(diǎn)：基準(zhǔn)測試法，屬于破壞性測量，測量精度高，誤差可低于0.1dB7.2.2插入損耗法偏置電路注入系統(tǒng)探測器放大器

光源

被測光纖

耦合接頭

12原理：用一根長2m的和待測光纖完全相同的短光纖與光源耦合，校準(zhǔn)其輸出功率P1作為待測光纖的注入功率Pin特點(diǎn)：測量精度受到耦合接頭的精度和重復(fù)性影響，但測量簡便是非破壞性的散射光到達(dá)輸入端時的輸出功率為：R（z）：反射系數(shù)P（z）：光到達(dá)待測點(diǎn)z處的功率αs（x）：背向散射光的單位長度衰減系數(shù)αi（x）：光信號沿正向傳播時單位長度損耗系數(shù)Pi：輸入功率特點(diǎn)：不僅可測衰減系數(shù)，還能確定斷點(diǎn)、接頭位置，測量光纖長度缺點(diǎn)：1.無法控制背向散射光的模式分布2.對光纖的非均勻性很敏感7.2.1時域法以窄脈沖調(diào)制光源，采用滿注入方式激勵待測光纖，在待測光纖輸出斷測得輸出脈沖P2（t），然后在輸入斷2m處剪斷光纖測得輸入脈沖P1（t）,則即輸出脈沖應(yīng)等于輸入脈沖與脈沖響應(yīng)h（t）的卷積，響應(yīng)的傅氏變換關(guān)系式為P2（w）＝H（w）P1（w）測得P1（t）和P2（t）的-3dB脈寬，由式得出相應(yīng)的rms脈寬σ1和σ2，從而求得脈沖響應(yīng)脈寬所以光纖的脈寬為-3dB脈寬（半高全寬度脈寬）：脈沖發(fā)生器激光器注入系統(tǒng)光探測器取樣示波器計算機(jī)被測光纖時域法基帶展寬測量系統(tǒng)7.2.2頻域法以連續(xù)可調(diào)的正弦波調(diào)制光源，采用滿注入方式激勵光纖，在待測光纖輸出端測得輸出光頻函數(shù)P2（w），然后在距注入端約2m處剪斷光纖，測得輸入光頻函數(shù)P1（w），于是求得基帶頻響為：H（w）＝P2（w）/P1（w）根據(jù)H（w）函數(shù)曲線可以確定BT3dB的值E/O注入系統(tǒng)濾模器包模層剝除O/E頻譜分析儀數(shù)字寄存器被測光纖掃頻信號發(fā)生器跟蹤同步信號頻率計頻域法基帶展寬測量裝置7.3色散測量

色散：在光纖中傳播時，不同波長的光波群延時不同設(shè)色散與光纖長度成正比（這是合理的），則可用單位長度單位波長間隔內(nèi)的平均群延時來表示色散程度，定義色散系數(shù)為：

則基帶帶寬與色散系數(shù)的關(guān)系可表示為：測量方式按光強(qiáng)度調(diào)制的波形來劃分有：相移法（正弦信號調(diào)制）脈沖延時法（脈沖調(diào)制）1相移法通過測量不同波長下同一正弦調(diào)制信號的相移得出群延時與波長的關(guān)系，進(jìn)而計算出色散系數(shù)的方法基本原理是：比較基帶調(diào)制信號在不同波長下的相位來確定色散特性設(shè)光源的調(diào)制頻率為f（應(yīng)小于光纖的基帶帶寬），傳播長度L后，波長為λ2的光年個點(diǎn)月波長為λ1的光的調(diào)制波形相位差滿足下式

所以延時差△t為單位長度平均延時差為測出不同波長下的，算出相應(yīng)，并表示為：7.4截止波長的測量截止波長λc：使最臨近基模的高階模LP11模截止的波長為單模光纖的截止波長光纖的截止波長類型：1.理論截止波長(由光纖的折射率分布計算出)2.CCITT規(guī)定的基準(zhǔn)測試方法測得的截止波長3.光纜制造長度的截止波長4.一個中繼段中光纖的截止波長7.4.1傳導(dǎo)功率法由光纖的傳導(dǎo)功率與波長的關(guān)系曲線來確定截止波長λc的方法基本原理：當(dāng)λ0>>λc時，光纖中只有LP01模傳播；當(dāng)λ0接近λc時，光纖中開始出現(xiàn)LP11模，由于LP11模對彎曲敏感程度比LP01模高很多，所以隨著λ0的減小，彎曲光纖中的LP11模功率的衰減要比直光纖中的大；因此，根據(jù)LP11模的功率急劇衰減的位置，就可以確定截止波長

如下圖的傳導(dǎo)功率法測量裝置待測光纖（2m）打一個104mm的大圓圈，同樣參考光纖打一個半徑30mm的圓圈，當(dāng)被相同的注入條件激勵時，分別測出輸出功率P1(λ0)、P2（λ0），并令兩者比值為7.4.2模場半徑法

利用模場半徑隨波長變化的曲線來確定截止波長在λ0>>λc用單模光纖作參考光纖的R（λ）曲線時，ω0隨λ0的減小而呈線性減小；當(dāng)λ0≤λc時，由于出現(xiàn)LP11模，且LP11驀地分布范圍要大于LP01模，故模場分布會突然變寬，利用這種突變即可準(zhǔn)確地測定截止波長

采用橫向偏移法（相似于后面模場半徑的測量方法）圖7.5折射率分布的測量7.5.1折射近場法根據(jù)光纖折射光（輻射模）功率與折射率n（r）成正比而建立起來的測試方法θ1θfn2n2n（r）θ2如上圖所示,設(shè)光以θ1角入射，入射點(diǎn)距軸線距離為r。端面折射角為θf，在纖壁光線進(jìn)入包層，設(shè)折射角為θ2，則由廣義折射定律有式7.6.1由式（7.6.3）則有當(dāng)入射點(diǎn)落在包層上時，n（r）＝n2，折射功率為Pcl代入式（7.6.5）即求得折射率分布n2（r）為：若已測得n2、P0、Pcl、P（r），可由上式求出n（r）式7.6.5式7.6.6式7.6.77.5.2近場掃描法當(dāng)以非相干光入射光纖端面，且各個模式均勻激勵時，光纖輸出端的導(dǎo)模功率分布P（r）的變化規(guī)律和折射率分布n（r）相似：因此，在光纖輸出端近場沿直徑掃描測得功率分布P（r），就得到了光纖沿直徑的相對折射率變化曲線：由此還可測得折射率分布參數(shù)g近場掃描法精度比折射近場法要差一些7.6模場直徑的測量模場直徑是單模光纖的重要參數(shù)，由它可導(dǎo)出等效階躍光纖（ESF）的構(gòu)成參數(shù)，還可估算單模光纖的連接損耗、彎曲損耗、微彎損耗和光纖的色散值，被稱為單模光纖的萬用參數(shù)除平方律分布光纖外，其它光纖的場分布都不同程度的偏離高斯分布，其模場直徑取決于實(shí)際場分布與高斯分布的擬合方法。因此，單模光纖的模場直徑不僅隨測量方法而不同，還受模場直徑定義的影響。其四種定義：1.功率傳輸函數(shù)定義模場直徑2.最大激發(fā)效率定義模場直徑3.近場二階矩定義模場直徑4.遠(yuǎn)場二階矩定義模場直徑由圖中的幾何關(guān)系容易求得對于圓對成光纖，其徑向場也為圓對稱，因此可令θd＝0而不失一般性，此時式（7.7.1）簡化為如果E（r）為高斯分布，則有測出T（d）曲線，即可取T（d）下降到中心最大值的1/e處對應(yīng)的橫向位移值為模場直徑W07.6.2傳輸場法根據(jù)最大激發(fā)效率定義模場半徑Wη當(dāng)以場分布為g（r）的光源激發(fā)單模光纖時，激發(fā)效率（耦合效率）η可表示為f（r）光纖的近場分布G（q）光源的遠(yuǎn)場分布F（q）光纖的遠(yuǎn)場分布q＝sinθ/λ0從數(shù)學(xué)上講，使η最大等效于使下式ξ最小：f（r）與F（q）都是可測量（近場或遠(yuǎn)場光功率的平方根）因此有了四種數(shù)學(xué)上等效的方法來確定Wη:1.測出光纖的近場分布f（r），改變褒姒函數(shù)的WG使η為最大，此時WG即為Wη2.測出f（r），改變WG使ξ為最小，此時的WG亦為Wη3.測出光纖的遠(yuǎn)場分布F（q），改變WG使η為最大，此時WG為Wη4.測出F（q）,改變WG使ξ為最小，亦可求得Wη7.7最大理論數(shù)值孔徑的測量光纖的數(shù)值孔徑定義為：由此即得兩種數(shù)值孔徑的測量方法：折射近場法與遠(yuǎn)場法7.8.1折射近場法此方法與測試折射率分布n（r）方法相同，由測得的n（r）曲線可求得n1和n2，代入上式就能得到NA的值，這種方法得到的數(shù)值孔徑通常稱為標(biāo)稱數(shù)值孔徑或最大理論數(shù)值孔徑7.7.2遠(yuǎn)場法光纖的輸出遠(yuǎn)場功率分布P（θ）與θ的關(guān)系為P（θ）遠(yuǎn)場輻射圖半角θ處的功率P（0）軸線處（θ＝0）的功率G光纖折射率分布參數(shù)NAm最大理論數(shù)值孔徑若設(shè)Ks為與遠(yuǎn)場功率分布有關(guān)的比例系數(shù)：式7.8.1則式（7.8.1）化為sinθ＝KsNAm這表明，遠(yuǎn)場輻射角的正弦值與最大理論數(shù)值孔徑成正比。表7.8.1示出了P(θ)/p(0)=5%時的Ks值G1.01.52.02.5410Ks0.8810.9460.9750.9880.9991.0001.000表7.8.1比例系數(shù)Ks值表從表中可知，若取功率下降到中心最大值的5％時的θ的正弦值作為數(shù)值孔徑，則與最大理論數(shù)值孔徑的差別在g>2時相差很小，因此可以通過測量P（θ）來確定數(shù)值孔徑，稱之為有效數(shù)值孔徑NAeff7.8高雙折射光纖拍長的測量

測試方法：散射光法－－通過測量散射光的偏振特性以確定光纖的拍長透射光法－－通過測量透射光的偏振特性與外加調(diào)制因素的關(guān)系來確定光纖的拍長7.8.1散射光法1.側(cè)向散射光法xyERSOβψxy分別為光纖的快慢軸Ψ是光矢量E和x軸的夾角這時沿S方向的散射光的光強(qiáng)為對于給定的ψ和β，散射光強(qiáng)只是相位差δ的周期函數(shù)，δ的周期變化就形成了被測光纖上周期性變化的明暗條紋優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡單，方便易行缺點(diǎn)：屬于破壞性測量目視法不能測量不可見光的拍長低損光纖測量困難光纖若由扭曲會產(chǎn)生誤差空間分辨率低2.背向散射光法基本原理：偏振光在Z＝0處耦合進(jìn)光纖，不斷沿光纖傳播并受到瑞利散射，部分散射光返回到Z＝0處并保持偏振態(tài)不變，檢測到的散射光電流變化周期△Z依賴于雙折射△β，且有△Z=π/△β=LB/2優(yōu)點(diǎn)：測量方法簡單缺點(diǎn)：空間分辨率太低，測量儀器太貴7.8.2透射