光纖傳輸性能檢驗(yàn)

1、第三章 光纖傳輸性能檢驗(yàn) 對光纖光纜來說，其傳輸性能主要對纜中光纖而言的，其傳輸性能的檢測項(xiàng)目主要有光纖衰減系數(shù)（損耗）、光纖色散或帶寬、波長附加衰減、光纖截止波長等。第一節(jié) 光纖損耗特性測量 在作為介質(zhì)的光纖中傳輸?shù)墓庑盘?，其幅度要隨著光纖距離的增加而降低，即光纖受到損耗，其信號形狀也要發(fā)生變化逐漸模糊起來，即光能逐漸散開，前者是由于光纖傳輸損耗特性造成的，而后者是由于光纖傳輸帶寬特性（色散）造成的。一、光纖損耗機(jī)理光纖通信是隨光纖損耗逐年降低而發(fā)展起來的，光纖通信中繼距離是否能延長，就光纖本身而言，除受光纖的色散限制外，主要取決于光纖的損耗能否降低。光纖傳輸損耗的定義：當(dāng)光信號通過單位長度

2、光纖時(shí)，其輸入、輸出兩端光功率之比的對數(shù)用來表征這段光纖的傳輸損耗特性。 =10lg Pi/Po dB/km 式中Pi入纖光功率 Po出纖光功率若光信號經(jīng)過長度為L一段光纖，則入纖、出纖光功率Po、Pl之間由如下關(guān)系： Pl=Po*10-（L/10dB）從上式可以看出，低的光纖損耗系數(shù)比高的入纖光功率更重要。因?yàn)槿肜w光功率Po和出纖光功率Pi是線性關(guān)系，而與損耗系數(shù)是指數(shù)關(guān)系。造成光纖損耗的原因是多方面的，其損耗機(jī)理非常復(fù)雜，現(xiàn)將造成光纖損耗的原因鑒定歸納如下：名稱原因吸收損耗本征吸收雜質(zhì)吸收原子缺陷吸收散射損耗瑞利散射結(jié)構(gòu)不完善引起散射彎曲損耗光纖彎曲1、 吸收損耗 吸收損耗是制造光纖的材料

3、自身，以及其中的過渡雜質(zhì)和氫氧根OH-離子對光的吸收而產(chǎn)生的損耗。（1） 本征吸收損耗 本征吸收損耗是由光纖中傳輸?shù)墓庾恿鳎ü獠ǎ⒐饫w材料中的電子激發(fā)到高能級時(shí)，光子流的流量將倍電子吸收，引起損耗。如下圖：這種吸收損耗對于波長小于0.4um的紫外區(qū)中的光波表現(xiàn)得特別強(qiáng)烈，形成所謂紫外區(qū)中的電子吸收帶。它的吸收損耗曲線已延伸到光纖通信波段（即0.81.7um的波段，參見圖1.1），在短波長范圍內(nèi)，引起的光纖損耗小于1dB/km，在長波長范圍內(nèi)，引起的光纖損耗小于0.1dB/km。光纖材料本身原子間的特殊化學(xué)鍵，形成晶格振動，具有特征振動頻率。光纖中傳播的電磁波（即光波）與晶格振動相互作用，將使

4、電磁波的能量倍晶格振動所吸收，引起損耗。參見上圖，這種吸收損耗對于近紅外區(qū)中大于2um的光波，表現(xiàn)得特別強(qiáng)烈，形成近紅外到遠(yuǎn)紅外的晶格振動吸收帶，它在光纖通信波段影響不大，對于短波長光纖不引起損耗，對于長波長光纖引起損耗遠(yuǎn)小于1dB/km。以上兩種吸收帶，構(gòu)成了光纖的本征吸收損耗帶。本征吸收損耗是光纖材料本身所固有的，只能通過合理地選擇光纖摻雜材料來減小本征吸收。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)工作波長較長時(shí)，摻GeO2雜質(zhì)的光纖是最理想的，用GeO2-SiO2材料制成的單模光纖，在波長1.55um處測得損耗低于0.2dB/km。（2） 雜質(zhì)吸收損耗 一般光纖中有害雜質(zhì)主要是鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻、釩等過渡金屬和

5、氫氧根OH-，這些雜質(zhì)離子在光纖中傳輸?shù)碾姶艌觯ü獠ǎ┳饔孟拢瑢a(chǎn)生振動吸收引起損耗。降低光纖中過渡金屬雜質(zhì)含量比較容易，目前已可以使他們的影響降低到了忽略的程度。但是光纖材料中所含的OH-根離子的振動吸收影響比較大，盡管它的含量較其他過渡金屬雜質(zhì)的含量低幾個數(shù)量級時(shí)，也是如此。OH-根離子的振動基波為2.73um，振動二次諧波為1.38um，振動三次諧波為0.95um，它的各次振動諧波和它們的組合波，將在0.62.73um的波長范圍內(nèi)，產(chǎn)生若干個吸收峰。如下圖給出了某一光纖的損耗譜曲線。其上的三個吸收峰就是OH-根離子造成的。由該圖看出，OH-根對長波長1.38um附近的振動吸收特別強(qiáng)烈，這

6、對長波長光纖通信是不利的。不過隨著對已可以設(shè)法使OH-根離子的吸收峰在整個0.71.6um波譜范圍內(nèi)基本消失，得到如下圖的損耗譜曲線。（3）原子缺陷吸收損耗 通常在光纖的制造過程中，玻璃光纖材料受到某種熱激勵火光輻射將會產(chǎn)生原子缺陷，而吸收光能引起損耗。原子缺陷吸收，可以通過選用合適的制造工藝和不同的摻雜材料及其含量使之減少到忽略不計(jì)的程度。2、散射損耗（1） 瑞利散射損耗通常由于光纖材料密度的微觀變化，以及所含的SiO2、GeO2和P205等成分的濃度不均勻，使得光纖中出現(xiàn)一些折射率分布不均勻的局部區(qū)域（這些局部區(qū)域的幾何尺寸可與光波長相比擬），從而引起光的散射，將一部分光功率散射到光纖外部

7、，引起損耗。這種散射稱為瑞利（Rayleigh）散射，它引起的損耗與4成正比。由下圖可看出，瑞利散射損耗隨波長的增加而及劇減小，對于短波長光纖的損耗主要取決于瑞利散射損耗。（2） 由光纖結(jié)構(gòu)不完善引起的散射損耗 一般在制造光纖的過程中，可能在纖芯和包層的交界面上出現(xiàn)某些缺陷，殘留一些氣泡和氣痕。這些結(jié)構(gòu)上不完善的幾何尺寸遠(yuǎn)大于光波，引起與波長無關(guān)的的散射損耗，它將使整個光去損耗譜曲線上移。不過，隨著光纖制造工藝的不斷改進(jìn)，已將它降到了可以忽略的地步了。光纖結(jié)構(gòu)不完善還可以使光纖的外徑和圓度不均勻，這種不均勻也可以引起散射損耗。 以上兩種散射的性質(zhì)不同，瑞利散射是光纖材料的本征型散射，而光纖結(jié)構(gòu)

8、不完善引起的散射是光纖制造工藝帶來的，它是非本征型散射。3、光纖彎曲損耗 光纖彎曲將引起輻射損耗，實(shí)際中，光纖可能出現(xiàn)兩種情況的彎曲，一種是曲率半徑比光纖直徑大得多的彎曲，稱為宏彎，例如敷設(shè)光纜時(shí)就有可能出現(xiàn)這種彎曲。另一種是微彎曲，所謂微彎曲就是光纖受到不均勻應(yīng)力的作用，光纖軸產(chǎn)生的微小不規(guī)則彎曲。其結(jié)果是傳導(dǎo)模變換為輻射模而導(dǎo)致光能的損耗。產(chǎn)生微彎曲的原因很多，光纖和光纜的生產(chǎn)中，限于工藝條件，都可能產(chǎn)生微彎曲，不同曲率半徑的微彎曲沿光纖隨即分布，大曲率半徑的彎曲光纖直光纖中傳輸?shù)哪?shù)量要少，有一部分模輻射到光纖外引起損耗。隨機(jī)分布的光纖微彎曲將使光纖中產(chǎn)生模式耦合，引起模間反復(fù)耦合，造成

9、能力輻射損耗。光纖的彎曲損耗不可避免，因?yàn)椴荒鼙ＷC光纖和光纜在生產(chǎn)過程中或使用中，不產(chǎn)生任何形式的彎曲。綜上所述可知，本征吸收和本征散射（瑞利散射）以及OH-根離子吸收，是引起光纖損耗的主要機(jī)理。它們引起光纖損耗的主要特征于光纖的工作波長有關(guān)。因此，這就決定了光纖損耗值隨其工作波長不同而不同，形成了所謂損耗譜曲線。在下圖所示的光纖損耗譜曲線上，標(biāo)明了三個常用的低損耗窗口，其中波長微0.85um附近的低損耗窗口是70年代初確定的，是為了和當(dāng)時(shí)生產(chǎn)的半導(dǎo)體激光器發(fā)射的波長一致。到了70年代末，又獲得了損耗更低的長波長光纖以及和它相配合的半導(dǎo)體激光器件，因而形成了波長為1.3um和1.55um附近的

10、兩個低損耗窗口。從此長波長光纖通信系統(tǒng)受到重視，并構(gòu)成了光纖通信發(fā)展史的第二代和第三代。 下表的目前光纖所能達(dá)到的損耗值：波長單模光纖多模光纖損耗機(jī)理理論極限實(shí)際達(dá)到值理論極限實(shí)際達(dá)到值0.851.91.92.502.12本征吸收本征散射1.30.320.350.440.421.550.180.200.220.23二、光纖傳輸損耗檢測 國際電報(bào)電話咨詢委員會（CCITT）、國際電工委員會（IEC）和國家標(biāo)準(zhǔn)對于光纖的主要性能指標(biāo)與測量方法已有明確規(guī)定。CCITT標(biāo)準(zhǔn)在G.651建議中規(guī)定了多模光纖的特性及測量方法；在G.652建議中規(guī)定了1.31um單模光纖的特性和測量方法；在G.653建議中

11、規(guī)定了1.55um色散位移光纖的特性和測量方法；在G.654建議中規(guī)定了1.55um波長區(qū)域最小損耗單模光纖的特性和測量方法；而在G.650建議中規(guī)定了所有單模光纖的傳輸特性和測量方法；在國家標(biāo)準(zhǔn)GB8401-87中規(guī)定了光纖的傳輸特性和光學(xué)特性測量方法；在GB8402-87標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了光纖的結(jié)構(gòu)尺寸及其測量方法。 1、光纖損耗測量原理 在光纖中傳播的光信號其能量逐漸被損耗，其主要原因是瑞利散射和雜質(zhì)吸收造成的。現(xiàn)在單模光纖在1550nm出損耗已低于0.18dB/km，即每公里光纖光公里損耗僅為3.5%。 關(guān)于光纖損耗系數(shù)的測量方法有剪斷法、插入損耗法以及背向散射法等。這些方法對單模和多模光纖

12、基本相同，只是這里測得的多模光纖損耗系數(shù)是各種模式損耗的統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果。 剪斷法測量比較正確，但是對于實(shí)際工程應(yīng)用這種方法不實(shí)用。插入法損耗（補(bǔ)償）法要求一段短光纖其性能與待測光纖相似，并且要求兩者光信號注入的條件一致，測量方法比較麻煩而正確度又不如剪斷法。經(jīng)常采用的光纖損耗系數(shù)測量法是背向散射法，這里僅介紹方便實(shí)用的背向散射法。 瑞利散射是背向散射測量法的基本原理，當(dāng)光信號在光纖中傳播時(shí)，在各點(diǎn)發(fā)生瑞利散射處都產(chǎn)生背向散射光，這些向背散射形成的反射光返回到光纖入射光信號端，通過對這些反射信號的分析，便得到光纖損耗系數(shù)。下圖是其工作原理：光脈沖發(fā)生器分束器待測光纖延遲電路光檢測電路信號處理電路示

13、波器(L) Xy(P)t=0s=0P=P(0) t L P（L） 由光脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的光功率為Po的光脈沖，在t=0時(shí)刻注入光纖中，經(jīng)過t時(shí)間后，光信號傳播距離S=L處，顯然： L=C/（nk*t） 式中，C光在真空中的傳播速度 nk纖芯折射率光信號在長度為L各點(diǎn)上都產(chǎn)生瑞利散射，匯成反射光經(jīng)過光纖的衰減返回到光纖入射端，其反射功率為P（2t）。反射光功率經(jīng)過放大等處理后可接到示波器y軸上，而光脈沖經(jīng)O/E轉(zhuǎn)換和延遲后接到示波器的水平X軸上。但是為測量閱讀方便，避免麻煩的換算，利用L=C/（t*nk）關(guān)系將時(shí)間軸變換為光纖傳光距離S的坐標(biāo)軸，而將反射光功率經(jīng)過O/E變換、放大以及對數(shù)處理后接到

14、y軸上，這樣從示波器屏幕上可直接看到如圖所示的背向散射功率曲線。P（L1）P（L2）OL1L2光纖長度km光纖輸入端菲涅爾反射區(qū)接頭損耗區(qū)光纖輸出端菲涅爾反射區(qū)利用背向散射功率曲線，可以觀察光纖各點(diǎn)背向散射光功率，從而知道各點(diǎn)光纖損耗情況，其任意段光纖損耗系數(shù)都可從下式計(jì)算出來： =（5/（L2-L1）lg（P（L1）/P（L2） 其中：P（L1）、P（L2）分布對應(yīng)于L1、L2點(diǎn)瑞利散射功率。 光時(shí)域反射儀OTDR就是按上述背想散射原理工作的，OTDR除了可以測量光纖損耗外，還可以用于光纖斷裂故障定位和檢測光纖接頭損耗。為了提高測量正確性，一般要進(jìn)行多次測量，并且光信號要分別從兩個方向注入進(jìn)

15、行正反向測量然后計(jì)算平均值。2、 測試條件測試的條件改變將影響測試結(jié)果的正確性和重復(fù)性，因此在光纖損耗測試中對測試條件有相應(yīng)的規(guī)定。（1） 測試設(shè)備應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行定期校驗(yàn)，以保證良好的使用狀態(tài)和必要的精確度和穩(wěn)定度。（2） 應(yīng)在正常的大氣條件下進(jìn)行測試。正常的大氣條件為：溫度1535；相對濕度為45%75%；氣壓在36106kPa。（3） 在整個測試期間，溫度和濕度應(yīng)保持穩(wěn)定。如相對濕度或氣壓對測試結(jié)果無影響，則可在當(dāng)時(shí)的相對濕度和氣壓條件下測試。（4） 應(yīng)滿足測試方法對防震和防塵的要求。3、 試樣制備（1）測試中所用的試樣必須是制造長度的成品光纜或光纖，或從制造長度上截取的一段，也可以若干根制

16、造長度光纖連接起來的短段。 （2）長度應(yīng)滿足所測定的參數(shù)和測試方法的要求，試樣應(yīng)標(biāo)記識別成品光纜（光纖）的端別。（3） 試樣的端部應(yīng)進(jìn)行處理，端面必須平整、清潔、光滑并與軸線垂直。（4） 測試時(shí)試樣的彎曲半徑應(yīng)足夠大。4、 測試操作5、 測試結(jié)果和記錄第二節(jié) 光纖的傳輸帶寬（色散）測試當(dāng)數(shù)字光脈沖信號在光纖中傳輸時(shí)，光信號逐漸模糊展寬，但是在輸出端仍然可區(qū)分原輸入光信號的情況下，所允許的光脈沖最高頻率，稱為此段光纖的最大可用帶寬。由于光纖帶寬表現(xiàn)為通過它的光脈沖最高頻率受到限制，因而光纖的帶寬特性可以等效于一個低通濾波器，其截止頻率為光纖帶寬。由于光脈沖展寬依賴于光纖的長度，所以光纖帶寬這個物

17、理量用允許通過信號的最高頻率與光纖長度的乘積來表征。為了對光纖帶寬性能進(jìn)行比較，一般光纖長度都取單位長度，并為了書寫方便又往往將長度單位（km）省略。這樣在一般光纖產(chǎn)品說明中，帶寬就只用頻率單位表示了。一、形成原因一般認(rèn)為光纖帶寬受到限制的主要原因是光纖波導(dǎo)中的色散引起的。色散效應(yīng)主要有兩種類型：模展寬與材料波導(dǎo)色散。（1） 模延遲展寬 在多模光纖中飯，可允許成百上千個模傳輸，即有成百上千個傳播路徑。下圖是其模延遲展寬示意圖： nM A A1 nk由上圖可知，同時(shí)由光源A發(fā)出相同波長的光，要以相同的速度，經(jīng)過不同路徑達(dá)到遠(yuǎn)端A1，由于傳輸延遲不同，不能同時(shí)到達(dá)A1點(diǎn)，因而使光能散開，這就是模延

18、遲展寬。 由于路徑不同而速度一樣，造成信號傳輸?shù)难舆t差可由下圖計(jì)算獲得。由圖計(jì)算光線AC相對光線BC產(chǎn)生的延遲差，設(shè)AC=1，則BC=1/COSrG，其延遲差Tmax，則有： C1/COS-1 Tmax= C/nK由于rG是是全反射角，所以COSrG=nm/ nK，將其代入上式得， Tmax=* nK /C （ns/km）盡管、nK 愈大則數(shù)值孔徑愈大，入纖光功率可以大些，但是上式表明，、nK愈大，則延遲愈大。Tma則光纖帶寬愈窄，因此、nK 只能取折中值。(2)材料散射與波導(dǎo)色散 材料色散反映在對于不同波長的光，光纖纖芯介質(zhì)的折射率不同，而波導(dǎo)色散反映基模在纖芯、包層種光能的分布與波長相關(guān)。

19、即相對折射率差是波長的函數(shù)，可以通過改變玻璃光纖的摻雜來控制材料色散特性，而用改變折射率分布結(jié)構(gòu)來控制波導(dǎo)色散。在波長1310nm石英玻璃可以控制材料色散正值，正好等于波導(dǎo)色散負(fù)值，使之色散總和趨于零。下圖是硅玻璃的相對折射率n和群折射率ng與波長的關(guān)系。10002000 1.42 1.45 1.49 n、ng n Ng=n-（dn/d）由上圖可知，隨著光波長的增加，折射率下降，因而使不同波長的光在光纖種傳播的速度不同。由于光源發(fā)出的光有一定的譜寬，即發(fā)出的光能是按一定頻譜分布的，這樣，在單模光纖中雖然基本路徑是一個，但是由于光波的波長不同而折射率不同。因此導(dǎo)致盡管不同波長的光同時(shí)從光源A點(diǎn)出

20、發(fā)，并且走相同的路徑，卻由于不同速度而不能同時(shí)達(dá)到A1點(diǎn)，使光能散開。同樣由于不同波長的光對應(yīng)不同的、，也會使光能散開，這些是使單模光纖帶寬受到限制的主要原因。二、光纖帶寬測量方法 如前所述，光纖的傳輸帶寬是光纖重要特性之一。它表現(xiàn)為光纖的模展寬和各類色散特性對于所載信號最高頻率的限制。 由于限制多模光纖帶寬起主導(dǎo)作用的因素是模展寬，而限制單模光纖帶寬起主導(dǎo)作用的因素是各類色散，因此兩種光纖帶寬的計(jì)算公式和測量方法不相同。1、 多模光纖帶寬的測量方法關(guān)于多模光纖帶寬及測量方法在CCITT標(biāo)準(zhǔn)G.651建議、國際標(biāo)準(zhǔn)IEC793-1-C4、IEC793-1-C5和國家標(biāo)準(zhǔn)GB8401.5-87和

21、GB8401-6-87中都有明確規(guī)定，這里扼要說明如下。從光脈沖被光纖展寬的角度出發(fā)，可按下式計(jì)算光纖的近似帶寬： 441 B= o2-i2 式中： 是入射光的半幅值寬度； 是出射光脈沖的半幅值寬度； 另一方面，可從允許所載光信號最高頻率角度出發(fā)討論光纖帶寬。若光載體所載信號頻率為fm，則入射端測得光功率分別為Pi（fm）和Po（fm）將H（fm）=Po（fm）/Pi（fm）稱為光纖的傳遞函數(shù)，其典型的傳遞函數(shù)曲線如下圖： 0 B fm0.51.0 H（fm） H（0）光纖的傳遞函數(shù)其中H（0）是fm=0Hz時(shí)傳遞函數(shù)幅值。這樣可由曲線定義光纖帶寬，即光所載信號光功率相對于所載零頻信號幅值下降

22、3dB（50%）時(shí)，所載光信號頻率為光纖傳輸帶寬（B）。下式是其定義 ： H（fmB） =0.5 B=fmB H（0） 具體測量方法： 頻域測量法。這是一種簡易可行的測量方法。在光纖入射端，保持入纖光功率幅值恒定，并且連續(xù)提高光波所載信號頻率。這樣在出射端可測得傳遞函數(shù)的副的值。當(dāng)出射端光功率減少到零頻信號輸出幅值的一半時(shí)，此時(shí)入射光在信號頻率即是光纖的帶寬。 時(shí)域測量法（脈沖變形法）。這種測量方法是以光纖種傳輸?shù)墓饷}沖信號被展寬為基礎(chǔ)進(jìn)行測量的。它是將一窄光脈沖信號注入被測光纖，經(jīng)過反復(fù)多次測量輸出光脈沖半幅值寬度，得到o、i的平均值，然后將o、i代入下式進(jìn)行計(jì)算從而得到帶寬B。 441 B

23、= o2-i22、 單模光纖帶寬計(jì)算和測量方法測量單模光纖的帶寬是由于各類色散特性對于其傳輸型號嘴乖頻率限制和、決定的。一般地色散系數(shù)按下式定義：D（）=4（）/ （PS/nm.km）上式表示波長在+/2-/2范圍（譜寬為）光信號通過單位長度（1km）光纖產(chǎn)生的群延時(shí)差（）。對于材料色散系數(shù)可以定義為： 1 dng（） 1 d（）Dm（）= * = * C d L d將L*（）= D（）*L= 02-i2代入上式得： 441 B= GHz D（）*L 式中：D（）色散系數(shù)，單位為PS/nm.km 光信號源譜寬，單位為nmL光纖長度。單位為km一般色散由材料色散（Dm）、波導(dǎo)色散（Dw）和折射率分布色散（Dp）幾部分組成。因此可調(diào)整色散系數(shù)為正值或負(fù)值，將正、負(fù)兩種色散系數(shù)光纖熔