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光纖基本參數及其測量方法

來(lái)源:本站 時(shí)間:2012-12-27

1.單模光纖模場(chǎng)直徑的測量

   從理論上講單模光纖中只有基模(LP0l)傳輸,基模場(chǎng)強在光纖橫截面的存在與光纖的結構有關(guān),而模場(chǎng)直徑就是衡量光纖模截面上一定場(chǎng)強范圍的物理量。對于均勻單模光纖,基模場(chǎng)強在光纖橫截面上近似為高斯分布,通常將纖芯中場(chǎng)強分布曲線(xiàn)最大值1/e處所對應的寬度定義為模場(chǎng)直徑。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)它是描述光纖中光功率沿光纖半徑的分布狀態(tài),或者說(shuō)是描述光纖所傳輸的光能的集中程度的參量。因此測量單模光纖模場(chǎng)直徑的核心就是要測出這種分布。

   測量單模光纖模場(chǎng)直徑的方法有:橫向位移法和傳輸功率法。下面介紹傳輸功率法。測量系統的原理方框示意如圖1所示。

   取一段2米長(cháng)的被測光纖,將端面處理后放入測量系統中,測量系統主要由光源和角度可以轉動(dòng)的光電檢測器構成。光纖的輸入端應與光源對準。另外為了保證只測主模(LP01)而沒(méi)有高次模,在系統中加了一只濾模器,最簡(jiǎn)單的辦法是將光纖打一個(gè)直徑60mm的小圓圈。當光源所發(fā)的光通過(guò)被測光纖,在光纖末端得到遠場(chǎng)輻射圖,用檢測器沿極坐標作測量,即可測得輸出光功率與掃描角度間的關(guān)系,P—θ線(xiàn)如圖2所示。然后,按模場(chǎng)直徑的定義公式輸入P和θ值,由計算機按計算程序算出模場(chǎng)直徑。

   2.光纖損耗的測量

   光纖損耗是光纖的一個(gè)重要傳輸參數。由于光纖有衰減,光纖中光功率隨距離是按指數的規律減小的。但是,對于單模光纖或近似穩態(tài)的模式分布的多模光纖衰減系數a是一個(gè)與位置無(wú)關(guān)的常數。若設P(Z1)為Z=Z1處的光功率,即輸入光功率。若設P(Z2)為Z2處的光功率,即這段光纖的輸出功率。因此,光纖的衰減系數a定義為

   因此,只要知道了光纖長(cháng)度Z2-Z1和Z2、Z1處的光功率P(Z1)、P(Z2),就可算出這段光纖的衰減系數a。測量光纖的損耗有很多種辦法,下面只介紹其中的兩種辦法。

   1)截斷法
   截斷法是一種測量精度最好的辦法,但是其缺點(diǎn)是要截斷光纖。這種測量方法的測量方框如圖3所示。

   取一條被測的長(cháng)光纖接入測量系統中,并在圖中的“2”點(diǎn)位置用光功率計測出該點(diǎn)的光功率P(Z2)。然后,保持光源的輸入狀態(tài)不變,在被測量光纖靠近輸入端處“1”點(diǎn)將光纖截斷,測量“l(fā)”點(diǎn)處的光功率P(Z1)。這個(gè)測量過(guò)程等于測了1~2兩點(diǎn)間這段光纖的輸入光功率P(Z1)和輸出光功率P(Z2),又知道“1”、“2”點(diǎn)間的距離Z2-2l,因此,將這些值代入

   即可算出這段光纖的平均衰減系數。

   在測量方框圖中斬波器(又稱(chēng)截光器)是一種能周期斷續光束的器件。例如是一個(gè)有徑向開(kāi)縫的轉盤(pán)。它將直流光信號變?yōu)榻蛔児庑盘?,作為參考光信號送到鎖相放大器中,與通過(guò)了被測光纖的光信號鎖定,以克服直流漂移和暗電流等影響,以確保測量精度。

   2)背向散射法
   測量原理。用背向散射法測量光纖損耗的原理與雷達探測目標的原理相似。在被測光纖的輸入端射入一個(gè)強的光脈沖,這個(gè)光窄脈沖在光纖內傳輸時(shí),由于光纖內部的不均勻性將產(chǎn)生瑞利散射(當然遇到光纖的接頭及斷點(diǎn)將產(chǎn)生更強烈的反射)。這種散射光有一部分將沿光纖返回向輸入端傳輸,這種連續不斷向輸入端傳輸散射光稱(chēng)為背向散射光。從物理概念上看,這種背向散射光就將光纖上各點(diǎn)的“信息”送回了輸入端??拷斎攵说墓獠▊鬏敁p耗少,故散射回來(lái)的信號就強,離輸入端遠的地方光波傳輸損耗大,散射回來(lái)的信號就弱。人們就用這種帶有光纖各點(diǎn)“信息”的背向散射對光纖的損耗等進(jìn)行測量。這個(gè)測量?jì)x器稱(chēng)為光時(shí)域反射儀,簡(jiǎn)寫(xiě)成OTDR(Optical Time Domain Reflectometer)。一條有代表性的測量曲線(xiàn)如圖4所示。

   曲線(xiàn)上A、D兩個(gè)很強的回波對應于光纖的輸入端面和輸出端面引起的反射。曲線(xiàn)B點(diǎn)對應于一個(gè)光纖接頭引起的散射回波。C點(diǎn)可能對應于光纖中的一個(gè)氣泡引起的散射回波。怎樣利用光纖的瑞利散射對光纖進(jìn)行測量,是關(guān)于從定量的角度進(jìn)行討論。由于現在利用OTDR機器對光纖鏈路的損耗進(jìn)行測量時(shí),能直觀(guān)、直接從OTDR機器內讀出所需數據,所以這里不作定量討論。

   光時(shí)域反射儀原理方框圖,如圖5所示。這種儀表的工作原理是:首先用脈沖發(fā)生器調制一個(gè)光源使光源產(chǎn)生窄脈沖光波,經(jīng)光學(xué)系統耦入光纖。光波在光纖中傳輸時(shí)出現散射,散射光沿光纖返回,途中經(jīng)過(guò)光纖定向耦合器輸入光電檢測器,經(jīng)光電檢測器變?yōu)殡娦盘?,再?jīng)放大及信號處理送入顯示器。其中對信號處理的原因是,背向散射光非常微弱,淹沒(méi)在一片噪聲中,因此,要用取樣積分器積分,在一定時(shí)間間隔對微弱的散射信號取樣并求和。在這過(guò)程中,由于噪聲是隨機的,在求和時(shí)抵消掉了,從而將散射信號取了出來(lái)。用OTDR除了可以測量光纖的損耗以外,還可以觀(guān)察光纖沿線(xiàn)的損耗情況,以及某損耗突然變化點(diǎn)的裝置,光纖接頭的插入損耗等。OTDR還有一個(gè)工程上的重大用處,能夠方便地找出光纖的斷點(diǎn)?,F在用OTDR測量光纖損耗是最常用的一種方法。優(yōu)點(diǎn)是測量非破壞性,功能多,使用方便。但是,在使用時(shí)始終有一段盲區。另外用OTDR從光纖兩端測出的衰減值有差別,通常取平均值。

   3.光纖色散與寬帶的測量

   光纖的色散特性是影響光纖通信傳輸容量和中繼距離的一個(gè)重要因素。在數據信號通信中,如色散大,光脈沖展寬就嚴重,在接收端就可能因脈沖展寬而出現相鄰脈沖的重疊,從而出現誤碼。為了避免出現這種情況,只好使碼元間隔加大,或使傳輸距離縮短。顯然這就使得傳輸容量降低,中繼局距離變短,這是人們所不希望的。在模擬傳輸中,同樣由于色散大,不同頻率的模擬光信號頻譜不相同,在接收端就會(huì )使模擬信號出現嚴重失真。同樣為了避免出現這種情況,只好使傳輸模擬帶寬下降,或傳輸距離縮短,這是人們所不希望的。為此,高碼率、寬帶寬模擬信號的光纖通信系統中對光纖的色散就要認真考慮。如同前面所述,因為光纖色散造成光脈沖的波形展寬,這是從時(shí)域觀(guān)點(diǎn)分析的情況,若是從頻域角度來(lái)看,光纖有色散就表示光纖是有一定傳輸帶寬的。因此脈沖展寬和帶寬是從不同角度描述光纖傳輸特性的兩個(gè)緊密聯(lián)系的參量。

   從測量方法上與此對應也有兩種方法。一種是從時(shí)域角度來(lái)測量光脈沖的展寬;另一種是從頻域角度來(lái)測量光纖的基帶寬度。

   1)用時(shí)域方法來(lái)測量脈沖展寬
   測量原理。首先為了使問(wèn)題還不至于復雜,假設輸入光纖和從光纖輸出的光脈沖波形都近似成高斯分布的如圖6所示。圖6(a)是光纖輸出光功率Pin(t)的波形圖,從最大值A1降到A1/2時(shí)的寬度為Δτ1。圖6(b)是光纖的輸出光功率Pout(t)的波形圖,其幅度降為一半時(shí)的寬度為Δτ2可以證明,脈沖通過(guò)光纖后的展寬Δτ與其輸入、輸出波形寬度Δτ1和Δτ2的關(guān)系為:
(1-1)
   由此可見(jiàn),Δτ不是Δτ2與Δτ1的簡(jiǎn)單相減的關(guān)系。所以,只要將測出來(lái)的Δτ1和Δτ2代入上式即可以算出脈沖展寬Δτ。求出Δτ以后,再根據脈沖的展寬Δτ和相應的帶寬B間的公式
B=0.44/Δτ (1-2)
   將Δτ代入式中可求出相應的光纖每公里帶寬。若Δτ的單位用ns,則B的單位是MHz。

   測量方框圖。用時(shí)域法測量光纖的脈沖展寬(進(jìn)而計算出光纖帶寬的方框圖如圖7所示)

   首先用一臺脈沖信號發(fā)生器去調制一個(gè)激光器。從激光器輸出的光信號通過(guò)分光鏡分為兩路。一路進(jìn)入被測光纖(由于色散作用,這一路的光脈沖信號被展寬),經(jīng)光纖傳輸到達光電檢測器1和接收機1,送入雙蹤取樣示波器并顯示出來(lái),這個(gè)波形相當于前面講的Pout(t)。另一路,不經(jīng)過(guò)被測光纖,通過(guò)反射鏡直接進(jìn)入光檢測器2和接收機器2,然后也被送入雙蹤示波器顯示出來(lái)。由于這個(gè)波形沒(méi)有經(jīng)過(guò)被檢測光纖,故相當于被測光纖輸入信號的波形,即相當于Pin(t)。從顯示出的脈沖波形上分別測得Pin(t)的寬度Δτ1和Pout(t)的寬度Δτ2。這樣就可將Δτ1和Δτ2代入式(1-1)及(1-2)最終算出帶寬B。最后還應該指出,用這種方法測量單模光纖比較困難,因為其Δτ太小。

   2)用頻域法測量光纖帶寬
   頻域法測量,就是用一個(gè)掃頻振蕩器產(chǎn)生的頻率連續變化的正弦信號去調制激光器,從而研究光纖對于不同的頻率,來(lái)調制的光信號的傳輸能力。具體的說(shuō),就是要設法測出光纖傳輸己調制光波的頻率響應特性。得到了頻率響應特性后,即可按一般方法求出光纖的帶寬。

   設Pin(f)為輸入被測光纖的光功率與調制頻率f間的關(guān)系。Pout(f)為被測光纖輸出的光功率與調制頻率f關(guān)系。則被測光纖的頻率響應特性H(f)為H(f)=Pout(f)/Pin(f),若以半功率點(diǎn)來(lái)確定光纖的帶寬fc即10lgH(f)=10lg[Pout(f)/Pin(f)]=10lg1/2=-3dB。fc稱(chēng)為光纖的3dB光帶寬。用頻域法測量光纖帶寬的方框圖如9所示:

   由于測量光纖的頻率響應特性,需要測出輸入光纖的光功率特性和從光纖輸出的光功率特性,即需要得到兩個(gè)信號,故在圖9中用一條短光纖的輸出光功率來(lái)代替被測光纖的輸入光功率。在圖9中,由掃頻信號發(fā)生器輸出一個(gè)頻率連續可調的正弦信號。利用這個(gè)信號去對激光器的光信號進(jìn)行強度調制,然后將這個(gè)已調光信號耦合入光開(kāi)關(guān),由光開(kāi)關(guān)依次送出兩路信號,一路光信號進(jìn)入短光纖,經(jīng)短光纖后面過(guò)光電檢測器送入頻譜分析儀。用短光纖的輸出信號來(lái)代替被測光纖的輸入信號(由于光纖短,經(jīng)過(guò)傳輸后信號變化很小,故可以認為即是輸入信號)。另一路光信號是經(jīng)過(guò)光開(kāi)關(guān)送入被測光纖,由連續的正弦波調制的光信號經(jīng)過(guò)光纖傳輸,攜帶了被測光纖對不同調制頻率光信號的反應,從光纖輸出,經(jīng)光電檢測器送入頻譜分析儀。這樣頻譜分析儀中就得到了被測光纖的輸入和輸出兩種光信號,因此,就可得到被測光纖的頻率響應,從而可測出光纖的帶寬。

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