第三章光纤衰减测量

第第三三章光纤章光纤衰减测量衰减测量


Measurement of Fiber Attenuation

第第三三章光纤章光纤衰减测量衰减测量内容内容

一、衰减测量的光激励一、衰减测量的光激励

二、剪断法二、剪断法

三、插入损耗法三、插入损耗法

四、背向散射法四、背向散射法

五、光时域反射计五、光时域反射计


当光耦合进多模光纤时，会激励起很多模式，这些模式所携带的能量各不相同，传输时的损耗也不相同。

光纤测量的注入条件光纤测量的注入条件


光源

透镜


光纤中各个模式所携带的能量各不相同，传输时的损耗也不相同。而且由于光纤的弯曲及结构的不均匀性等原因，使得各模式之间发生能量转换，经过适当长一段距离后，最终损耗较小的低阶模将携带较大光功率、损耗较大的高阶模将携带较小光功率，于是各个模式携带和传送的光功率达到稳定，此时称为稳态模分布．

光纤测量的注入条件光纤测量的注入条件

11 、多模光纤衰减测量的注入方法、多模光纤衰减测量的注入方法


为获得精确、可重复的测量结果，测量时应保证光纤中功率分布是稳定的。在多模传输的情况下，精确测量的主要问题是测量结果与注入条件、环境条件 ( 应力、弯曲、微弯 ) 有关。实验表明：注入光通过光纤一定长度 ( 耦合长度 ) 后，可达“稳态”或“稳态模功率分布”，这时模式功率分布就不再随注入条件和光纤长度而变，但在一般情况下对于质量较好且处于平直状态的光纤，其耦合长度也需要几公里。因此在实际测量中，对于短光纤一般用稳态模功率分布装置，或适当的光学系统，或有足够长的注入光纤，以获得稳态功率分布条件。


能使多模光纤达到稳态模分布的注入条件有两种方式：满注入和限制注入满注入和限制注入．满注入就是要均匀地激励起所有的传导模式．

多模光纤衰减测量的注入条件多模光纤衰减测量的注入条件

光源

透镜


限制注入就是只激励起较低损耗的低阶模，而适当的抑制损耗较大的高阶模．

当测量光纤的损耗时，采用限制注入方式，因为损耗较大的高阶模的注入，会由于被测光纤长度不同而使输出光功率不同，从而产生测量误差。

光源

透镜


无论以哪种注入方式，要达到稳态模分布需要配置的设备有：扰模器、滤模器和包层模剥除器． ①① 扰模器扰模器要达到稳态模分布，需要在光纤中传输很长距离之后才行，这给测绘带来很多麻烦．根据模耦合原理，采用强烈的几何扰动的方法．就能使多模光纤各模式迅速达到稳态分布，这种器件称为扰模器．

稳态模功率分布模拟装置稳态模功率分布模拟装置


②② 滤摸器滤摸器当光耦合进光纤时．会激起瞬态模或其他不需要的传导模，为了测量准确，要抑制掉这些模式，那么用来滤除这些模的器件称为滤模器．通常这些需滤去的模损耗都较大．如对光纤稍加弯曲，这些模很块就会衰减掉．



当光耦合进光纤时，不仅会激起传导模，还会激起非传导的辐射模辐射到包层中．当光纤的涂敷层的折射率比包层的折射率低时，辐射模会在包层与涂覆层界面上发生全反射，从而在包层中传输，形成包层模．因为包层模会对测量产生严重影响，所以需要除去．包层模剥除器包层模剥除器是一种使包层模转换成辐射模的部件，它可以将包层模从光纤中除掉。

③③包层模剥除器包层模剥除器



包层模剥除器包层模剥除器是一种使包层模转换成辐射模的部件，它可以将包层模从光纤中除掉。将光纤嵌入 s 型槽内．其中充满折射率匹配液可消除包层模。由于光具有向高折射率介质折射的性质，将滤模器中那一段光纤的涂敷层去掉，并浸在折射率等于或稍大于包层折射率的匹配液中。

匹配液


可以通过下面方法判断是否达到稳态分布：看光纤输出功率与扰模程度的变化关系：刚开始扰模时由于高阶模的包层模损耗很大，输出功率下降很快；当模式趋于稳态分布时，输出功率的变化就很缓慢。

光源扰模器滤模器包层模剥除器

适当的光耦合系统与扰模器、滤模器及包层模剥除器一起构成“注入系统”，通过注入系统的光功率应达到稳态分布。

稳态分布


22 ．单模光纤的注入条件．单模光纤的注入条件在测量单模光纤的衰减时，由于光纤只传导一个模式，没有稳态模功率分布问题，所以注入系统不需要扰模器，只需要保证激励基模。



二、剪断法二、剪断法测量原理测量原理

)/()(

)(lg

10

2

1 kmdBP

P

L

LL(km) 为光纤的长度， PP11 为输入光功率，PP22 为输出光功率 .

剪断法是一种按衰减定义进行测量的方法。


首先，测量整根光纤的输出光功率 PP22 ，然后，保持注入条件不变，在离注入端约 2米处切断光纤，并测量该短光纤的输出光功率 PP11 。由于测量是在稳态条件下进行的，且约 2米光纤的衰减可忽略不计，故可将 PP11 看作是被测光纤的始端注入功率。剪断法测量准确度高 ( 误差小于 0.1dB) ，它是一种光纤衰减测量的标准方法。


2米

在测量衰减时，通常的剪断法要求两次测量，且在光纤始端和终端使用同一个光源和探测器。



衰减谱测量衰减谱测量

注入系统

波长滤光器


宽光谱


三、插入损耗法三、插入损耗法

切断法除具有破坏性以外，用于现场测量既困难，又费时，因此现场测量需用非破坏插入法来代替切断法。目前插入损耗法对于多模光纤的测试，其测量精度和重复性已可满足要求，所以被选为替代测试方法。


测量原理测量原理

(a)校准输入参考电平 (b) 衰减测量

测量时先校准输入光功率 P1 。然后把待测光纤插入，调整耦合头使达到最佳耦合，记下此光功率 P2 。于是测得的衰减 A＝ P1 -P2 。被测光纤衰减系数为


利用与传输光相反方向的瑞利散射光功率来确定光纤损耗系数的方法，称为背向散射法。背向散射法也是一种非破坏性的测试方法。测试只需在光纤的一端进行，而且一般有较好的重复性。更由于这种方法不仅可以测量光纤的衰减系数，还能提供沿光纤长度损耗特性的详细情况，其中包括检测光纤的缺陷或断裂点位冒、接头的损耗和位置等，也可给出光纤的长度，所以这种方法对实验研究、光纤制造和工程现场都很有用。利用这种方法做成的测量仪器，叫做光时域反射计 (optical time—domain reflectometer) ，简称OTDR 。

四、背向散射法（又称后向散射法）四、背向散射法（又称后向散射法）


背向散射法是将大功率的窄脉冲注入被测光纤，然后在同一端检测沿光纤背向返回的散射光功率。该方法的理论依据是瑞利散射，瑞利散射光的特征是它的波长与入射光波的波长相同，光功率与该点的入射光功率成正比，所以测量沿光纤返回的背向瑞利散射光功率就可以获得光沿光纤传输时损耗的信息，从而可以测得光纤的衰减．故称此方法为背向散射法。

背向散射法理论依据：背向散射法理论依据：

P 背向散射 =kPi


背向散射法原理背向散射法原理

P 背向散射 =kPi

用对数表示：

lgP 背向散射 =lgPi+lgk

)(

)(lg

10

2

1

P

P

L (dB/km) )lg(lg

1021 PP

L

i = 1、 2

第第三三章光纤章光纤衰减测量衰减测量四、背向散射法四、背向散射法

背向散射法测量原理框图背向散射法测量原理框图

将大功率的窄脉冲通过方向耦合器注入被测光纤。光脉冲在光纤中传输，沿光纤各点来的背向瑞利散射光返回到光纤耦合器，经方向耦合器输入光检测器，经信号处理后输出，就可观察和记录所测的结果。


图是背向散射法典型记录曲线，各段分别反映如下特性：

a 段：由于耦合器和光纤前端面引起的菲涅耳反射脉冲；b 段：光脉冲沿具有均匀的光纤段传播时的背向瑞利散射曲线；c 段：由于接头或耦合不完善引起的损耗，或者光纤存在某些缺陷引起的高损耗区；d 段：光纤断裂处，损耗峰大小反映了损坏的程度；e 段：光纤终端引起的反射损耗。


背向散射记录曲线

2)( itnC

L

光纤故障点的检测

故障点位置：


剪断法是根据损耗系数的定义，直接测量传输光功率而实现的，所用仪器简单，测量结果准确，因而被确定为基准方法。但这种方法是破坏性的，不利于多次重复测量。在实际应用中，可以采用插入法和背向散射法作为替代方法。插入法和背向散射法可以根据工作环境，灵活运用。但准确度不如剪断法。

剪断法与插入法、背向散射法比较剪断法与插入法、背向散射法比较


OTDR 是利用背向散射法所做成的仪器 , 是测试光纤长度、测量光纤损耗分布和查找故障位置的重要测试设备。

五、光时域反射计五、光时域反射计 (OTDR(OTDR ））((Optical time domain reflectometerOptical time domain reflectometer ))

驱动

Y

GE-APD

光纤定向耦合器

被测光纤

匹配液

激光源

时基

扫描取样积分示波器

放大器

X


传统的 OTDR 用单脉冲做探测信号，存在着分辨率和信噪比、动态范围、测量时间之间的矛盾。如何解决这个矛盾？原则：在保证分辨率的前提下，尽可能提高信噪比和动态范围，并减少测量时间。

先进的光时域反射计先进的光时域反射计 (OTDR(OTDR ））


式中为脉冲宽度。对单脉冲来说 , 其能量取决于脉宽，故瑞利散射回来的信号能量也取决于脉宽，因而，提高分辨势必降低信噪比，怎样才能在不加宽单脉冲宽度的基础上提高脉冲的能量呢 ?采用编码信号代替单脉冲可以解决上述的矛盾。此时，响应的分辨率取决于编码序列的码元宽度，不取决于编码序列的总长度。然而，信号的能量取决于编码序列的相关长度，其相关长度越长越好。例如纠错编码序列，一种是伪随机序列。

可分辨的两个故障点的最小距离为


美国美国 HPHP 公司公司 8145A8145A型型 OTDROTDR 简介简介 8145A8145A 使用数字相关技术，对单模光纤在 1300 nm 时能产生 28dB 的动态测量范围。它比传统的OTDR 测量速度快 150倍，功率分辨率达 0.01 dB ，距离分辨率为 1m ，最大测量距离为 200 km 。 OTDR 内部有一个 32位微处理器，用以自动计算连接损耗。它可提供宽度为125ns、 250ns、 500ns、 1s、 2s、 4s、8s 几种探测脉冲。光源波长可选择 1300nm 和1540nm 两种低损耗波长。连接损耗测量的重复性误差以 95％的概率优于 0.015dB 衰减系数的测量误差以 95％的概率小于 0.015dB／ km .


HP8145AHP8145A 工作原理工作原理

HP 8145A 采用格林码作为输入光的调制信号。格林码是一种纠错编码脉冲。它的自相关函数的特点是主瓣 ( 时域 )近似于一个函数，而旁瓣很小 ( 实际可达峰值的 10％ ) 。


格林码自相关函数格林码自相关函数


互补格林码自相关函数互补格林码自相关函数

第第三三章光纤章光纤衰减测量衰减测量美国 Acterna 公司 MTS 5000 光时域反射仪

第第三三章光纤章光纤衰减测量衰减测量美国 Acterna公司


校准输入参考电平

返回


衰减测量

返回


)(2

1BA PP

L

a—由于耦合部件和光纤前端面引起的菲涅耳反射脉冲。b—光脉冲沿具有均匀损耗的光纤段传播时的背向瑞利散射曲

线。c—由于接头或耦合不完善引起的损耗，或由于光纤存在某些

缺陷引起的高损耗区。d—光纤断裂处，此处损耗峰的大小反映出损坏的程度。e—光纤末端引起的菲涅耳反射脉冲。

光纤的损耗系数

分母中 2 是由于衰减是经过正向和反向两次的结果

三、背向散射法三、背向散射法背向散射记录曲线 1

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