光纖基本參數(shù)及其測(cè)量方法

1.單模光纖模場(chǎng)直徑的測(cè)量

　　 從理論上講單模光纖中只有基模(LP0l)傳輸，基模場(chǎng)強(qiáng)在光纖橫截面的存在與光纖的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而模場(chǎng)直徑就是衡量光纖模截面上一定場(chǎng)強(qiáng)范圍的物理量。對(duì)于均勻單模光纖，基模場(chǎng)強(qiáng)在光纖橫截面上近似為高斯分布，通常將纖芯中場(chǎng)強(qiáng)分布曲線值1／e處所對(duì)應(yīng)的寬度定義為模場(chǎng)直徑。簡(jiǎn)單說來它是描述光纖中光功率沿光纖半徑的分布狀態(tài)，或者說是描述光纖所傳輸?shù)墓饽艿募谐潭鹊膮⒘俊Ｒ虼藴y(cè)量單模光纖模場(chǎng)直徑的核心就是要測(cè)出這種分布。

　　 測(cè)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(cè)量系統(tǒng)的原理方框示意如圖1所示。

　　 取一段2米長(zhǎng)的被測(cè)光纖，將端面處理后放入測(cè)量系統(tǒng)中，測(cè)量系統(tǒng)主要由光源和角度可以轉(zhuǎn)動(dòng)的光電檢測(cè)器構(gòu)成。光纖的輸入端應(yīng)與光源對(duì)準(zhǔn)。另外為了保證只測(cè)主模(LP01)而沒有高次模，在系統(tǒng)中加了一只濾模器，的辦法是將光纖打一個(gè)直徑60mm的小圓圈。當(dāng)光源所發(fā)的光通過被測(cè)光纖，在光纖末端得到遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖，用檢測(cè)器沿極坐標(biāo)作測(cè)量，即可測(cè)得輸出光功率與掃描角度間的關(guān)系，P—θ線如圖2所示。然后，按模場(chǎng)直徑的定義公式輸入P和θ值，由計(jì)算機(jī)按計(jì)算程序算出模場(chǎng)直徑。

　　 2.光纖損耗的測(cè)量

　　 光纖損耗是光纖的一個(gè)重要傳輸參數(shù)。由于光纖有衰減，光纖中光功率隨距離是按指數(shù)的規(guī)律減小的。但是，對(duì)于單模光纖或近似穩(wěn)態(tài)的模式分布的多模光纖衰減系數(shù)a是一個(gè)與位置無關(guān)的常數(shù)。若設(shè)P(Z1)為Z＝Z1處的光功率，即輸入光功率。若設(shè)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(shù)a定義為

　　 因此，只要知道了光纖長(zhǎng)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(shù)a。測(cè)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?cái)喾?span id="lv3l7d73" class="Apple-converted-space">
　　 截?cái)喾ㄊ且环N測(cè)量精度辦法，但是其缺點(diǎn)是要截?cái)喙饫w。這種測(cè)量方法的測(cè)量方框如圖3所示。

　　 取一條被測(cè)的長(zhǎng)光纖接入測(cè)量系統(tǒng)中，并在圖中的“2”點(diǎn)位置用光功率計(jì)測(cè)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(cè)量光纖靠近輸入端處“1”點(diǎn)將光纖截?cái)啵瑴y(cè)量“l(fā)”點(diǎn)處的光功率P(Z1)。這個(gè)測(cè)量過程等于測(cè)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(shù)。

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

　　 2)背向散射法
　　 測(cè)量原理。用背向散射法測(cè)量光纖損耗的原理與雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的原理相似。在被測(cè)光纖的輸入端射入一個(gè)強(qiáng)的光脈沖，這個(gè)光窄脈沖在光纖內(nèi)傳輸時(shí)，由于光纖內(nèi)部的不均勻性將產(chǎn)生瑞利散射(當(dāng)然遇到光纖的接頭及斷點(diǎn)將產(chǎn)生更強(qiáng)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(xù)不斷向輸入端傳輸散射光稱為背向散射光。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，故散射回來的信號(hào)就強(qiáng)，離輸入端遠(yuǎn)的地方光波傳輸損耗大，散射回來的信號(hào)就弱。人們就用這種帶有光纖各點(diǎn)“信息”的背向散射對(duì)光纖的損耗等進(jìn)行測(cè)量。這個(gè)測(cè)量?jī)x器稱為光時(shí)域反射儀，簡(jiǎn)寫成OTDR(Optical Time Domain Reflectometer)。一條有代表性的測(cè)量曲線如圖4所示。

　　 曲線上A、D兩個(gè)很強(qiáng)的回波對(duì)應(yīng)于光纖的輸入端面和輸出端面引起的反射。曲線B點(diǎn)對(duì)應(yīng)于一個(gè)光纖接頭引起的散射回波。C點(diǎn)可能對(duì)應(yīng)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(duì)光纖進(jìn)行測(cè)量，是關(guān)于從定量的角度進(jìn)行討論。由于現(xiàn)在利用OTDR機(jī)器對(duì)光纖鏈路的損耗進(jìn)行測(cè)量時(shí)，能直觀、直接從OTDR機(jī)器內(nèi)讀出所需數(shù)據(jù)，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(diào)制一個(gè)光源使光源產(chǎn)生窄脈沖光波，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)耦入光纖。光波在光纖中傳輸時(shí)出現(xiàn)散射，散射光沿光纖返回，途中經(jīng)過光纖定向耦合器輸入光電檢測(cè)器，經(jīng)光電檢測(cè)器變?yōu)殡娦盘?hào)，再經(jīng)放大及信號(hào)處理送入顯示器。其中對(duì)信號(hào)處理的原因是，背向散射光非常微弱，淹沒在一片噪聲中，因此，要用取樣積分器積分，在一定時(shí)間間隔對(duì)微弱的散射信號(hào)取樣并求和。在這過程中，由于噪聲是隨機(jī)的，在求和時(shí)抵消掉了，從而將散射信號(hào)取了出來。用OTDR除了可以測(cè)量光纖的損耗以外，還可以觀察光纖沿線的損耗情況，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)。現(xiàn)在用OTDR測(cè)量光纖損耗是的一種方法。優(yōu)點(diǎn)是測(cè)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(qū)。另外用OTDR從光纖兩端測(cè)出的衰減值有差別，通常取平均值。

　　 3.光纖色散與寬帶的測(cè)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(shù)據(jù)信號(hào)通信中，如色散大，光脈沖展寬就嚴(yán)重，在接收端就可能因脈沖展寬而出現(xiàn)相鄰脈沖的重疊，從而出現(xiàn)誤碼。為了避免出現(xiàn)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(hào)頻譜不相同，在接收端就會(huì)使模擬信號(hào)出現(xiàn)嚴(yán)重失真。同樣為了避免出現(xiàn)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(hào)的光纖通信系統(tǒng)中對(duì)光纖的色散就要認(rèn)真考慮。如同前面所述，因?yàn)楣饫w色散造成光脈沖的波形展寬，這是從時(shí)域觀點(diǎn)分析的情況，若是從頻域角度來看，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(cè)量方法上與此對(duì)應(yīng)也有兩種方法。一種是從時(shí)域角度來測(cè)量光脈沖的展寬；另一種是從頻域角度來測(cè)量光纖的基帶寬度。

　　 1)用時(shí)域方法來測(cè)量脈沖展寬
　　 測(cè)量原理。首先為了使問題還不至于復(fù)雜，假設(shè)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，從值A(chǔ)1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，Δτ不是Δτ2與Δτ1的簡(jiǎn)單相減的關(guān)系。所以，只要將測(cè)出來的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(jù)脈沖的展寬Δτ和相應(yīng)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(yīng)的光纖每公里帶寬。若Δτ的單位用ns，則B的單位是MHz。

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

　　 首先用一臺(tái)脈沖信號(hào)發(fā)生器去調(diào)制一個(gè)激光器。從激光器輸出的光信號(hào)通過分光鏡分為兩路。一路進(jìn)入被測(cè)光纖(由于色散作用，這一路的光脈沖信號(hào)被展寬)，經(jīng)光纖傳輸?shù)竭_(dá)光電檢測(cè)器1和接收機(jī)1，送入雙蹤取樣示波器并顯示出來，這個(gè)波形相當(dāng)于前面講的Pout(t)。另一路，不經(jīng)過被測(cè)光纖，通過反射鏡直接進(jìn)入光檢測(cè)器2和接收機(jī)器2，然后也被送入雙蹤示波器顯示出來。由于這個(gè)波形沒有經(jīng)過被檢測(cè)光纖，故相當(dāng)于被測(cè)光纖輸入信號(hào)的波形，即相當(dāng)于Pin(t)。從顯示出的脈沖波形上分別測(cè)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(yīng)該指出，用這種方法測(cè)量單模光纖比較困難，因?yàn)槠洇う犹　?/p>

　　 2)用頻域法測(cè)量光纖帶寬
　　 頻域法測(cè)量，就是用一個(gè)掃頻振蕩器產(chǎn)生的頻率連續(xù)變化的正弦信號(hào)去調(diào)制激光器，從而研究光纖對(duì)于不同的頻率，來調(diào)制的光信號(hào)的傳輸能力。具體的說，就是要設(shè)法測(cè)出光纖傳輸己調(diào)制光波的頻率響應(yīng)特性。得到了頻率響應(yīng)特性后，即可按一般方法求出光纖的帶寬。

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

　　 由于測(cè)量光纖的頻率響應(yīng)特性，需要測(cè)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(hào)，故在圖9中用一條短光纖的輸出光功率來代替被測(cè)光纖的輸入光功率。在圖9中，由掃頻信號(hào)發(fā)生器輸出一個(gè)頻率連續(xù)可調(diào)的正弦信號(hào)。利用這個(gè)信號(hào)去對(duì)激光器的光信號(hào)進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，然后將這個(gè)已調(diào)光信號(hào)耦合入光開關(guān)，由光開關(guān)依次送出兩路信號(hào)，一路光信號(hào)進(jìn)入短光纖，經(jīng)短光纖后面過光電檢測(cè)器送入頻譜分析儀。用短光纖的輸出信號(hào)來代替被測(cè)光纖的輸入信號(hào)(由于光纖短，經(jīng)過傳輸后信號(hào)變化很小，故可以認(rèn)為即是輸入信號(hào))。另一路光信號(hào)是經(jīng)過光開關(guān)送入被測(cè)光纖，由連續(xù)的正弦波調(diào)制的光信號(hào)經(jīng)過光纖傳輸，攜帶了被測(cè)光纖對(duì)不同調(diào)制頻率光信號(hào)的反應(yīng)，從光纖輸出，經(jīng)光電檢測(cè)器送入頻譜分析儀。這樣頻譜分析儀中就得到了被測(cè)光纖的輸入和輸出兩種光信號(hào)，因此，就可得到被測(cè)光纖的頻率響應(yīng)，從而可測(cè)出光纖的帶寬。