實驗三-浙江大學光電科學與工程學院

光電系信息工程（光電）專業(yè)光通信及集成光電子技術模塊

實習指導書2013-8、，工 >-刖百本書是浙江大學光電系信息工程（光電）專業(yè)本科生模塊課程一一《光通信及集成光電子技術模塊實習》的試用教材。主要介紹光無源及有源器件測試，光纖鏈路的時域、頻域測試及損耗測試等基本原理與實驗內容，共有五個實驗：實驗一，光無源器件測試；實驗二，光發(fā)射機和接收機的時域特性測試實驗設計；實驗三，光時域反射儀（OTDR）光纖鏈路測試;實驗四，矢量網絡分析儀測量光通信器件的頻域特性；實驗五，EDFA的性能參數測試實驗,分別由時堯成（胡駿）、李明宇（沈建其）、林遠芳、閻春生、武英晨（張阿平、張登偉、金毅、錢駿、陳輝）等老師編寫，全書由閻春生整理。本實習課程的籌建和進行得到了劉向東、王曉萍、劉玉玲、鄭曉東等老師的大力支持和指導，同時也得到了安捷倫科技有限公司、華東電子測量儀器研究所（41所）、上海貝爾阿爾卡特股份有限公司、華為技術有限公司、日本安立公司、羅德與施瓦茨中國有限公司、舜宇光學科技（集團）有限公司、杭州士蘭明芯科技有限公司、杭州士蘭集成電路有限公司、杭州天野通信設備有限公司、杭州富通通信技術股份有限公司等國內外著名企業(yè)在借用儀器設備、技術支持、工程培訓以及參觀等方面的鼎力協助，光通信實驗部分更是得到了何賽靈教授和何建軍教授的全力支持，大部分昂貴儀器、全部的博士生及碩士生助教以及大部分任課教師均來自于兩位教授的科研團隊，特此感謝！最后，感謝所有幫助過這門實習課程的人們！由于編者水平有限，書中缺點與錯誤在所難免，敬希廣大讀者提出批評與指正。編者2013年夏于浙江大學目錄TOC\o"1-5"\h\z前言 I實習概述 1—實習目的 1\o"CurrentDocument"二實習要求 1\o"CurrentDocument"三實習內容 2\o"CurrentDocument"四實習考核及成績評定方式 2\o"CurrentDocument"五注意事項 2實驗一 3\o"CurrentDocument"光無源器件的特性測試 3—實驗目的 4\o"CurrentDocument"二器件的基本工作原理與主要技術指標 4\o"CurrentDocument"三實驗儀器及基本裝置 8\o"CurrentDocument"四實驗注意事項 10\o"CurrentDocument"五實驗結果分析與實驗報告要求 10\o"CurrentDocument"六預習題 10\o"CurrentDocument"七思考題 11\o"CurrentDocument"八附錄 11實驗二 16\o"CurrentDocument"光發(fā)射機和接收機的時域特性測試實驗設計 16—實驗內容 17\o"CurrentDocument"二實驗目的 17\o"CurrentDocument"三實驗原理 17\o"CurrentDocument"四實驗步驟 21\o"CurrentDocument"五實驗注意事項 22\o"CurrentDocument"六實驗報告要求 23\o"CurrentDocument"七預習題 23實驗三 24自構建光纖鏈路的OTDR測試實驗 24\o"CurrentDocument"實驗三 自構建光纖鏈路的OTDR測試實驗 25一、實驗目的 25\o"CurrentDocument"二、實驗原理 25\o"CurrentDocument"三、實驗器材 33\o"CurrentDocument"四、實驗內容 33\o"CurrentDocument"五、注意事項 34\o"CurrentDocument"六、思考與分析 34\o"CurrentDocument"附錄AV6413OTDR操作指南 36實驗四 53\o"CurrentDocument"矢量網絡分析儀測量光通信器件的頻域特性 53一實驗目的 54\o"CurrentDocument"二實驗原理 54\o"CurrentDocument"四實驗內容與步驟 66\o"CurrentDocument"五注意事項 66\o"CurrentDocument"六實驗報告要求 67實驗五 ' 69\o"CurrentDocument"EDFA的性能參數測試實驗 69—實驗目的 70\o"CurrentDocument"二實驗原理 70\o"CurrentDocument"三實驗框架圖、測試儀器及步驟 77\o"CurrentDocument"四實驗注意事項 82\o"CurrentDocument"五實驗結果分析與實驗報告要求 82\o"CurrentDocument"六預習題 82\o"CurrentDocument"六思考題 83實習概述一實習目的專業(yè)實習是每一個工科學生必修的實踐教學環(huán)節(jié)。為了達到浙江大學本科教育的人才培養(yǎng)目標，向相關專業(yè)輸送合格碩士生源和向社會輸送高素質骨干人才，本實習須達到以下總體目的：1）使學生對光通信有關行業(yè)的行業(yè)狀態(tài)、發(fā)展趨勢、技術要求、企業(yè)管理等有一個比較全面的了解，體驗現代化光通信企業(yè)的生產的組織和管理；2）使學生對光通信器件的性能和測試方法有一個大概的了解；3）對光通信行業(yè)高端測試儀器有一個大概的了解和掌握；4）進一步鞏固、加深對學過的基礎理論和專業(yè)知識的理解，并培養(yǎng)解決實際問題的能力和知識綜合運用能力；5）明確當今社會對光電信息專業(yè)學生的期望和要求，加深對所學專業(yè)的熱愛，激發(fā)對專業(yè)知識的學習熱情；6）通過專業(yè)實習，進一步培養(yǎng)勤奮好學的優(yōu)良學風和科學嚴謹的工作作風，為此后的畢業(yè)設計及今后工作打下扎實的基礎。二實習要求1）專業(yè)實習開始時，接受關于專業(yè)實習期間的紀律、安全等方面教育，并在整個專業(yè)實習過程中自始至終地切實執(zhí)行；2）認真對待每一個實習環(huán)節(jié)，努力全面達到專業(yè)實習目的：3）珍惜光電專業(yè)相關企業(yè)的參觀機會，參觀前仔細閱讀參觀指導，對將要參觀的企業(yè)要有一個大體的了解：參觀中認真聽取對方接待人員和帶隊教師的講解，有疑問的地方及時向對方接待人員或帶隊教師提問，增長見識、擴大知識面；4）虛心聽取行業(yè)相關人士的講課，了解相關企業(yè)的技術現狀、管理現狀、行業(yè)發(fā)展趨勢和企業(yè)對畢業(yè)生的要求；5）實踐環(huán)節(jié)中既重視動手，更重視動腦，把以前所學的課堂知識和實踐環(huán)節(jié)有機聯系起來，充實知識、提高素質；三實習內容本實習課程主要包括參觀、講座及實驗等內容，其中參觀單位一般為國內外光通信相關行業(yè)的知名企業(yè)，講座則邀請知名企業(yè)工程師介紹行業(yè)動態(tài)及從業(yè)經驗等方面的內容，實驗分為兩大部分，即“光通信系統(tǒng)測試”及“光源認知、器件封裝及指紋識別”。前者又分為“光無源器件的特性測試”、“光發(fā)射機和接收機的時域特性測試”、“光時域反射計（OTDR）對自組裝光纖鏈路測試”、“矢量網絡分析儀測量光通信器件的頻域特性”以及“摻餌光纖放大器（EDFA）的性能參數測試”等五個實驗，具體內容詳見各部分介紹。四實習考核及成績評定方式考核基于學生在整個專業(yè)實習中的表現，包括出勤情況、動手能力、實習報告及考試等情況。五注意事項1）實習期間必須按照實習前排定的計劃參加相關內容的實習。如因病需要請假，二天內可以由實習教師批準，三天以上必須由系主任批準，超過五天者需參加下一屆的實習進行重修。2）校內實習期間必須嚴格遵守浙江大學實驗室管理的相關制度和規(guī)定，不能擅自擺弄、開動未經允許使用的儀器設備。否則造成損失的，按實驗室管理條例賠償，光通信實驗使用的都是非常昂貴的儀器，光纖及射頻端口又很容易損壞，所以一定要按照操作要求來做。3）校外參觀期間，必須遵守時間安排、遵守集體紀律、企業(yè)相關規(guī)定和各種安全注意事項，服從帶隊教師和企業(yè)方管理人員的指揮。如違反該規(guī)定造成嚴重后果的，須承擔相應的責任。4）注意人身安全，本實驗涉及到激光，操作者一定注意眼睛安全，嚴禁用眼睛直接看光纖出射端口。實驗一光無源器件的特性測試實驗一光無源器件的特性測試-實驗目的.了解耦合器，波分復用器，隔離器等基本光無源器件的工作原理；.熟悉光無源器件的主要技術參數及其意義；.掌握主要光無源器件的基本技術參數測量方法，掌握插入損耗，附加損耗，均勻性，分光比等基本特性；.掌握偏振控制器，功率計，光譜儀等測試儀器的使用方法；二器件的基本工作原理與主要技術指標（一）光分路器（Splitter）.基本工作原理作為連接光鏈路終端（OLT）和光網絡單元（ONU）的核心光器件，光分路器（Splitter）的質量和性能成為光網絡安全運轉的最關鍵因素之一。目前，光分路器的制備方法主要有平面光波導技術和熔融拉錐技術兩種?；谄矫婀獠▽Ъ夹g的光分路器，由光分路器芯片和光纖耦合陣列組成。光分路器芯片采用半導體工藝在石英基底上生長制作一層分光波導而成，芯片通常有一個輸入端和N個輸出端，其兩端分別與光纖耦合陣列連接，光分路器還要進行外殼封裝以達到實用的目的。熔融拉錐技術是將兩根或多根光纖捆在一起，然后在拉錐機上熔融拉伸，拉伸過程中監(jiān)控各路光纖耦合分光比，分光比達到要求后結束熔融拉伸，其中一端保留一根光纖（其余剪掉）作為輸入端，另一端則作多路輸出端。一次拉錐技術是將多根光纖捆在一起，在特制的拉錐機上同時熔融拉伸，并實時監(jiān)控各路光纖的損耗。目前成熟的一次拉錐工藝已能一次制作1x4光分路器，實驗室可以制作1x8分路器，但批量生產工藝還不成熟。目前國外FTTH工程中，低通道光分路器（1x4以下）常采用一次拉錐技術。lxN分路器件都是由（N-1）個1x2拉錐單元串聯熔接一個封裝盒內。由于單元之間光纖需要熔接，而光纖需要有最小彎曲半徑，通常體積會較大，例如：1x8光分路器由7個1x2單元熔接而成，封裝尺寸通常為100x80x9mmo平面波導型和拉錐型光分路器各有優(yōu)缺點，拉錐型器件由于產品生產歷史長，工藝比較成熟，設備成本較低，技術指標與平面波導型相當，因此制作低分路（1x4以下）器件性價比高，有明顯優(yōu)勢，但在高分路情況下，其成本優(yōu)勢不明顯，技術指標均勻性差，工作波長受限制，可靠性較差。平面波導光分路器由于生產設備較貴，工藝技術水平較高，有一定的技術和資金門檻，成本相對較貴。由于芯片制作具有大批量、規(guī)?；攸c，制作多分路器件其每一分路的成本相對較低，在產品性能及可靠性等方面，平面波導分路器具有明顯的優(yōu)勢。.主要技術指標(1)插入損耗(InsertionLoss)光無源器件接入光路產生的額外損耗，稱為插入損耗，定義為該器件所在通道輸入和輸出光功率之比(dB)：I.L.=-10\og(Pouti/Pin)(dB)其中Pm為端口的入射光功率，P。山為從第j個輸出端口出射的功率。對于一個2X2耦合器，共有四個端口。(2)附加損耗(ExcessLoss)由耦合器本身引起的功率損耗，定義為耦合器輸入總功率與輸出總功率之差：E.L.=-10\og(lPouti/Pin)(dB)E.L反映了器件的固有損耗，對于標準X和丫型光耦合器，一般E.LvO.ldB。(3)分光比(SplittingRatio)耦合器各輸出端口功率分配的比值：S.R.-POUti/Poutj光耦合器的分光比可以從1:99到1:1(即3dB耦合器)，但嚴格實現1：1的分光比并不是一件容易的事情。(4)偏振相關損耗(PolarizationDependentLoss,PDL)光信號以不同的偏振態(tài)(如線偏振、圓偏振、橢圓偏振等)輸入時，對應輸出端口插入損耗最大變化值。在測量時，與前面不同的是，要在光無源器件器輸入端加一光纖偏振控制器，以獲得各種偏振態(tài)。偏振控制器，從理論上來說，可以將任意偏振態(tài)的輸入光，轉變?yōu)檩敵龆酥付ǖ钠駹顟B(tài)。偏振控制器有很多實現方案，一般是由光延遲器(或稱波片)組成，通過改變延遲量或主軸方向來實現偏振狀態(tài)的改變。描述光的偏振態(tài)需要兩個獨立參量:方位角a與橢率角W,因此至少需要兩個偏振元件，一個是人/4波片，另一個是人/2波片。通常為了調整上的方便，需要再增加一個波片。本實驗采用LiNO,電控偏振控制器，其裝置結構和使用方法見AgilentN7788B偏振控制器說明書。PLC型器件的偏振相關損耗很小，1x32及以下的分路器通常在0.1?0.248。1x2分路器的PDL在0.15d8左右，串接的器件越多P。/■也越高，1x8分路器的PDL將近0.45d8左右。(5)均勻性(Uniformity)工作帶寬內各輸出端口輸出光功率的最大變化量，有時也稱為波長相關損耗(WDL,WavelengthDependentLoss)：U.F.=*10log(Pmin/Pmax)Pm”,Pmox分別為器件的工作帶寬內輸出端口光功率的最小值與最大值。(6)方向性(Directivity)輸入端非輸入光端口的輸出光功率與全部注入光功率的比值D.L.=-10log（P?/P）n）（二）1550nm波段粗波分復用器（Coarsewavelengthdemultiplexer,CWDM）1.基本工作原理光纖具有巨大的帶寬，在1.55卬1波段，大約能提供25000GHz的帶寬，為了充分利用其帶寬，有必要采取多信道系統(tǒng)，將巨大的帶寬分割加以利用。波分復用技術是當前光網絡的一個關鍵技術。光波分愛用器是對光波波長進行分離與合成的光無源器件。對于不同的應用領域，光波分復用器件有不同的技術要求和不同的制作方法，一般的分光元件包括光柵、干涉濾波片、以及波導等。光波分復用（WDM）技術是在一根光纖中同時傳輸多個波長光信號的一種技術，基本原理是在發(fā)送端將不同波長的光信號組合起來（復用），并耦合到同一根光纖中進行傳輸，在接收端又將組合波長的光信號分開（解復用）。波分復用器是波分復用系統(tǒng)的重要組成部分。當器件作為解復用器時，注入到入射端（單端口）的各種光波信號，分別按照波長傳輸到對應的出射端（n個端口之一），不同的工作波長對應不同的輸出端口。給定工作波長的光信號從輸入單端口傳輸到對應的輸出口時，器件具有最低的插入損耗，而其他輸出端口對該輸入光信號具有理想的隔離。作為復用器時，給定工作波長的光信號從對應輸入端口（n個端口之一）傳輸到輸出端（單端口）時,具有最低的插入損耗，而其他輸入端口對該輸入光信號有理想的隔離，以避免信道的串擾。WDM技術利用了一根光纖可以同時傳輸多個不同波長的光載波的特點，把光纖可應用的波長范圍劃分為若干個波段，每個波段對應特定波長的光信號。在WDM傳輸系統(tǒng)的發(fā)送端，需要采用光復用器（0M）將待傳輸的多個光載波信號儲入2……九n進行復用，在接收端采用解復用器件（0D）分離出這些不同波長的光信號。通信系統(tǒng)的設計不同，每個波長之間的間隔寬度也有差別。按照通道間隔的差異，WDM可以細分為粗波分復用（CWDM：CoarseWDM,通道間隔小于50nm）、密集波分復用（DWDM：DenseWDM,通道間隔小于或等于1000GHz）、超密集波分復用（SDWDM:SuperDWDM,通道間隔小于等于25GHz）。實驗中使用的粗波分濾波器是工作在1550nm波段的1X4薄膜濾光片型器件，它的四個通道的中心波長分別為1511nm,1531nm,1551nm,1571nm,通道間隔為20nm。2.主要技術指標（1）中心波長WDM器件的中心波長是器件特定信道的標稱工作波長。中心波長偏差定義為標稱工作波長與實際中心波長之差。測量時，通過光譜分析儀顯示的頻譜響應曲線，找出輸出功率最高點及相對最高點的兩個-3dB點，并且計算兩個-3dB帶寬的中心點所對應的波長，該波長即為該通路的中心波長。再將光譜分析儀連接到其他通道的輸出端口，重復上述方法即可得到其他通道的中心波長。所測得的各通道中心波長與標稱波長的差值即為相應通道的中心波長偏差。當需要高精度的測試時，可使用多波長分析儀替代光譜分析儀進行測量。(2)插入損耗(3)隔離度(串擾)器件輸入端口的光進入非指定輸出端口的光能量大小，又稱串擾，WDM器件將來自一個輸入端口的n個波長(入1入2”.入3信號分離后送到n個輸出端口，每個端口對應一個特定的標稱波長入j(j=l,…，n),隔離度為：￡R=-10log(P/M/P,”,))其中P)(入I是從輸出端第j個端口輸出的波長為M的信號的光功率，H(入J是從第i個端口輸出的波長為M的信號的光功率。(4)通道間隔(ChannelSpacing)指各通道之間為避免串擾應具有的波長間隔。(5)通道帶寬(ChannelPassband)指WDM器件能夠按照規(guī)定的性能要求工作的波長范圍。如3dB帶寬：從頻譜峰值下3dB對應的波長間隔。測試的指標為-0.5dB帶寬、-3dB帶寬和-20dB帶寬。(6)通道平坦度(ChannelRipple)某一通道(如1551nm通道)通帶范圍內輸出光功率的最大變化量。(7)通道均勻性(ChannelUniformity)各輸出通道輸出光功率的最大變化量。(8)偏振相關損耗(三)密集波分復用器(Densewavelengthdemultiplexer,DWDM).基本工作原理DWDM器件是DWDM系統(tǒng)的核心器件，其功能是將密集間隔的各波長(信道)復用至一根光纖(合波器OMU)或將已復用的各波長(信道)分開(分波器ODU)或實現光波長(信道)的上下復用(光分插復用器)，由于光路可逆，光合波器和分波器一般可以互換使用。DWDM主要有：光纖布拉格光柵(FiberBraggGratings,FBG)型器件、陣列波導光柵(ArrayWaveguideGratings.AWG)型器件以及薄膜濾光片(ThinFilmFilter,TFF)型器件。MDTFF波分復用器件和FBG波分復用器件都是通過多個分立單元的級聯來實現波分復用的，在這兩種器件中，各通道波長不是一次同時實現解復用(復用)功能的。由于每個分立單元一次只能對一個波長進行解復用，這樣不同的波長其解復用經過的路徑是不同的，這就造成了各通道的損耗不均勻性，當通道數很多時這種不均勻性會變的更嚴重；同時分立器件的封裝是繁重的體力勞動，不適合大規(guī)模生產，所以器件的價格昂貴。對這兩種器件來說,不適合于制作大通道數（＞16）和小通道間隔（450GHz）。AWG波分復用器件是采用集成平面光波導技術制作的，經過AWG器件后對所有波長的解復用（復用）是一次同時完成；同時集成技術使得器件結構緊湊尺寸小，可靠性高，適合大規(guī)模批量生產從而大大降低成本，同時相對簡單的器件封裝也降低了器件成本。AWG器件容易控制各通道的中心波長、通道間隔，插入損耗的均勻性也更出色。.主要技術指標：（1）插入損耗插入損耗是指光波通過DWDM器件的某一特定光通道所引起的功率損耗，其數值為無源器件輸入光功率和輸出光功率之比，在DWDM系統(tǒng)中，插入損耗是DWDM器件衰減特性的重要指標，均勻的信道插入損耗分布有利于EDFA（光纖放大器）的設計和應用。（2）相鄰通道間串擾根據信道隔離度的定義可知，從第，?路輸出口測得的該路標稱信號的功率為P,仆J與第/路輸出口測得的串擾信號”尸。的功率P,仆,）之間的比值，定義為第/路對第陰的隔離度,i通道對j通道的隔離度與j通道對i通道的串擾用dB表示時絕對值相等、符號相反。（3）中心波長（4）通帶特性DWDM器件的通帶特性主要指各個通道的濾波特性，測試的指標為-0.5dB帶寬、-3dB帶寬和-20dB帶寬，3種帶寬的測試方法很相似。三實驗儀器及基本裝置可調激光器寬帶光源光纖連接器偏振控制器光分路器粗波分復用器密集波分復用器功率計光譜儀功率計/光譜儀（可調激光器/寬帶光源）待測器件圖1-1-1實驗裝置圖該實驗裝置是光無源器件的常用測試光路?？烧{激光器（波長可調）輸出光的偏振態(tài)由偏振控制器調節(jié)，作為待測器件的輸入光接入待測器件。從待測器件出射的光接入功率計即可得到輸出的光功率。如果光源采用寬帶光源（波長范圍較大并且不可調），功率計改為光譜儀，則可以同時得到不同波長的光功率值。上文提到的插入損耗、附加損耗、分光比、偏振相關損耗、均勻性、方向性、隔離度、相鄰通道間串擾、中心波長、通帶特性等技術指標的測試都由該實驗裝置完成。下面將對各器件不同的技術指標所需的儀器和過程做簡單的介紹：（一）光分路器（splitter）該器件需要測量的技術指標有：插入損耗、附加損耗、分光比、偏振相關損耗、均勻性、方向性。除均勻性外的各項指標只需測量各相關光功率值即可。偏振則需測量不同偏振狀態(tài)的光功率值。均勻性需測量帶寬范圍內不同波長對應的功率值。過程如下：1）設置好所需的各個儀器：可調激光器、光功率計和偏振控制器的波長都設置在1550nm（.2）使用可調激光器+光功率計測試插入損耗、附加損耗、分光比、方向性等技術指標。將可調激光器輸出接入光功率計，測量得到待測器件的輸入光功率（時）。按實驗裝置圖連好光源、待測器件和光功率計，測量得到各個輸出端口的光功率3）將偏振控制器按說明接入光路，由于偏振控制器自身帶有功率計，此時不另外需要光功率計。測量不同偏振光輸入時的輸入端口和某一輸出端口的光功率。4）使用可調激光器+光功率計測試均勻性指標。此時需要改變可調激光器的波長，光功率不變。測試不同波長對應的輸出光功率。測試時可調激光器的波長和功率計的探測波長的設置需同時改變。（二）1550nm粗波分復用器（CWDM）該器件需要測量的技術指標有：中心波長、插入損耗、偏振相關損耗、隔離度、通道間隔、通道帶寬、通道平坦度、通道均勻性。除偏振相關損耗以外的各項技術指標需采用可調激光器+光功率計和寬帶光源+光譜儀兩套實驗裝置測試。偏振相關損耗需要使用可調激光器+偏振控制器（自帶功率計）測試。具體過程如下：1）使用寬帶光源+光譜儀測量中心波長、插入損耗和隔離度等技術指標。光源接入光譜儀可得到光源的光譜。連好光源后，待測器件的各個通道接入光譜儀可得到待測器件各個輸出通道的輸出光譜。光譜儀上顯示的光譜即為各個波長所對應的光功率值。在測試之前需要設置好光譜儀的以下參數：中心波長（Centerwavelength）：1540nm,波長范圍（Span）：100nm,分辨率（Resolution）：0.1nm,靈敏度（Sensitivity）：-80dB?2）使用可調激光器+光功率計測試中心波長為1551nm附近的輸出通道的插入損耗、隔離度等技術指標。此時需要手動掃描不同波長輸入光對應的輸出光功率，輸入光的光功率不需要改變。測試時，可調激光器的波長和功率計的探測波長需同時改變。波長間隔為lnm左右（光功率變化較大時間隔取0.5nm,變化較小時可取1.5nm-2nm）,波長掃描的范圍為1535nm到1565nm。3）使用可調激光器+偏振控制器測試偏振相關損耗，方法同上。（三）密集波分復用器該器件需要測量的技術指標有：插入損耗、相鄰通道間串擾、中心波長、通道特性。過程如下：1)使用寬帶光源+光譜儀得到待測器件各個輸出通道的輸出光譜以及光源的光譜。在測試之前需要設置好光譜儀的以下參數：中心波長(Centerwavelength)：1550nm,波長范圍(Span)：60nm.分辨率(Resolution)：0.06nm,靈敏度(Sensitivity)：-80dB?(可以自行調整以上參數，觀察對測試結果的影響)。2)根據測試結果計算得到各項指標?？傮w實驗步驟如下：(1)在實驗前對實驗基本原理進行簡要介紹；(2)熟悉可調激光器，偏振控制器，功率計，光譜儀的使用方法(見簡易說明手冊)；(3)按照實驗裝置圖連接好實驗儀器；(4)測量待測器件的技術指標，記錄實驗結果；(5)完成所有參數測量后，恢復所有實驗儀器至實驗前狀態(tài)。四實驗注意事項特別注意:實驗中使用的可調激光器，偏振控制器，光譜儀等均為精密儀器，在操作前請確定已熟悉操作步驟，如有任何疑問或儀器出現任何異常，請告知指導教師。實驗過程中切勿眼睛直視光纖輸出頭。操作前洗凈雙手(自備毛巾擦干)，實驗過程中，如果弄臟雙手或者手汗太多，須從新洗凈雙手擦干在進行實驗。連接器每次拔出后，都必須用干凈的鏡頭紙清潔，才能再插入適配器中進行測量。不許用手觸摸連接器和適配器的端口，更不準用嘴吹氣。如果端頭比較臟，需要用長纖維脫脂棉蘸100%濃度酒精細心清潔干凈(酒精用量不可太多)。光源與功率計為精密儀器，必須注意使用。保持光口的清潔：保持桌面整潔干凈。注意光纖的擺放，嚴禁其他物品壓在光纖上面。特別小心光纖標準跳線的使用，嚴禁過分彎曲，嚴禁拉扯光纖標準條線。五實驗結果分析與實驗報告要求由于進行相對測量，儀器的穩(wěn)定非常重要，在測量中應該特別注意。由于不可避免可能出現的儀器的不穩(wěn)定性，所以，每一對輸入光強與輸出光強測量的時間間隔不能太大，否則，測量數值可能不正確。另外，測量時，光纖的擺放也可能影響測量值，都需要注意避免干擾因素。實驗報告要求寫明實驗目的，實驗原理，用具和裝置圖，實驗步驟和實際操作過程，認真記錄實驗中出現的現象和體會，詳細記錄實驗數據并對測試結果進行合理分析。六預習題.目前實現光功分器的主要技術方案有哪些？各自有哪些優(yōu)缺點？.插入損耗和附加損耗的區(qū)別在哪里？.對于光功分器而言，除了50:50的分光比器件，還會有1:99等分光比的器件，這樣的器件會在哪種場合用到？.為什么要采用波分復用技術？.給出典型的波分復用系統(tǒng)的結構框圖及包含的主要元器件的功能。.列舉出目前波分復用器的主要實現手段，并比較其優(yōu)缺點。.對于波分復用器，為什么通常會要求其在一個較為平坦的帶寬內都能夠工作？.給出無源器件測試的方案并討論如何提高測試的準確度。.如何實現器件偏振特性的測試？.使用光譜儀時設定不同大小的分辨率會對測試產生哪些影響？請分析原因？七思考題.由于存在連接器的插損誤差，在測量中怎么更好地減少測量誤差？.分光比為50：50的光分路器，為什么又稱為3dB耦合器？.實驗中從激光器和從光無源器件中出射的光是何種偏振態(tài)？.使用光譜儀時設定不同大小的分辨率會對串擾、中心波長、帶寬等指標產生哪些影響？請分析原因？.試比較可調激光器+功率計的組合與寬帶光源+光譜儀的組合的各自特點及應用場合。.CWDM與DWDM的測量，對功率計有什么不同要求？八附錄AgilentN7788B偏振控制器使用說明（一）偏振態(tài)的表示：光是電磁波，其偏振狀態(tài)可以用光的電矢量來描述。根據電矢量末端的變化軌跡，偏振光可以分為線偏振光、圓偏振光和橢圓偏振光。其表示方法也有多種，如偏振橢圓、Stokes參數、邦加球、瓊斯矩陣等。這里我們就AgilentN778xB偏振控制器所采用的Stokes參數、邦加球表示法做簡要說明。Stokes參數通過So,SnS2,S3等四個參數來全面描述光源的偏振特性。定義如下：So=PoSi=Px-PyS?=P+45-P-4553=Pl-Pr其中，Po是總光功率（包括偏振光部分和非偏振光波分），Px、Py、P+45、P.45、Pl、Pr分別代表沿X軸（0°方向）、Y（90°方向）、（+45°方向）、（-45°方向）、右旋軸、左旋軸的光功率。我們定義偏振度（DOP）來表征偏振光占總光強的比重：DOP=4s；+S；+S；/So,當DOP=1時，表示完全偏振光；當DOP=o時，表示完全非偏振光：當0<DOP<1時，表示部分偏振光。我們將工，S2,S3對S。進行歸一化，并把Si，S2,S3作為一組坐標，就可以得到一個球的方程S：+S；+S；=l,也就是我們所說的邦加球（如圖1-1-2所示）。S3=0時，即赤道上各點對應于線偏光（如（1,0,0）和（-1,0,0）表示分別沿X軸和丫軸振動的兩束相互正交的線偏光）；Si=S2=0時，即兩個極點對應于圓偏振光；球面上其他點對應于橢圓偏振光。圖1-1-2邦加球（二）AgilentN7788B裝置說明:該儀器結構緊湊小巧，集成了偏振檢測、偏振控制和光功率檢測等多種功能，它主要由偏振控制器，檢偏器和外圍控制電路三大模塊組成（如圖1-1-3所示）。本裝置采用的偏振控制模塊是由UNO?材料制作而成的。它主要的優(yōu)點是速度遠快于傳統(tǒng)的機械旋轉波片型的偏振控制器。該偏振控制器由五個波導結構組成，其中四個用來充當人入波片，中間一個用來充當入/2波片（如圖1-1-4所示）。第一組人4波片的作用是將任意輸入的偏振光轉變?yōu)榫€偏光，然后入Z2波片將此線偏振光旋轉到任意希望得到的偏振方向，第二組人4波片就能將該偏振光轉變?yōu)槿魏蜗Ｍ玫降妮敵銎駪B(tài)。兩個控制電壓和電光效應即可決定各波片的相對取向，選取合適的電壓即可實現每個波片取向的無限旋轉。該裝置的連接使用方法是：（1）將可調激光器輸出的光接入LaserInput端口。（2）通過偏振控制模塊（UN。?PolarizationController）后從PCOutput端口輸出的光作為待測器件的輸入光接入待測器件。（3）將待測器件的輸出端接入PolarimeterInput端口，通過檢偏器（Polarimeter）檢測其偏振態(tài)和光功率。（4）調節(jié)軟件偏振控制模塊，以得到所需的待測器件輸入光的偏振態(tài)。LaserInput PCOutput PolarimeterInput(SMF) (SMF) (SMF)IEEE488.2USB Trigger Trigger TriggerGPIB (N778xBonly)Input#1Input#2 Output(BNC)(Expansion)(BNC)圖1-1-3AgilentN7788B裝置圖%*%%%

圖1-1-4UNO?偏振控制模塊等效示意圖

(三)軟件使用說明軟件主要用偏振檢測(Polarimeters)和偏振控制(PolarizationConrollers)兩大模塊組成。操作步驟如下：[1]雙擊桌面快捷方式：PolarizationNavigator[2]雙擊軟件窗口左欄Polarimeters目錄查看輸入光功率偏振態(tài)和功率。[3]雙擊軟件窗口左欄PolarizationConrollers目錄，雙擊SOP/DOPStabilize控制輸出光偏振態(tài)。窗口中央si,s2,s3,P分別顯示各偏振分量和功率值。雙擊右欄不同的(si,s2,S3)系列即可將輸出光調制對應的偏振態(tài)。⑷分別選擇兩個正交的偏振態(tài)，得到不同的功率值，記錄相應的實驗數據?？烧{激光器使用說明.用吹氣球清潔可調激光器的輸出適配器。.通好電源，打開電源開關。.待激光器液晶面板穩(wěn)定顯示波長值和功率值后，打開LD開關。.激光器的波長和光功率在控制面板Menu菜單下Wavelength和Power選項設置。光功率的單位(mW,dBm,dB可選)在Menu菜單下PowerUnit選項設置。.實驗完畢關機前將功率和波長調回原值，功率調到最小。.關閉LD開關。.關閉電源開關。.拔出插座，整理好桌面和器材。偏振控制器使用說明.用吹氣球清潔偏振控制器各適配器。.按Ag八entN7788B裝置說明連接好光路。.通好電源，打開電源開關。.打開計算機中相應軟件對偏振態(tài)進行控制。.讀取相應的光功率值。.關閉控制軟件，關閉偏振控制器電源開關。.拔出插座，整理好桌面和器材。功率計使用說明.用吹氣球清潔功率計探測頭。.通好電源，打開電源開關。.待功率計顯示屏穩(wěn)定后，關閉實驗室所有光源，選擇控制面板下Menu->Zeroall菜單進行清零。清零完成后打開房間光源。.將功率計接入實驗光路，從液晶面板上讀取相應的功率值，探測波長和功率單位可以在控制面板Menu菜單下Wavelength和Power選項設置。.關閉電源開關，拔出插座，整理好桌面和器材。光譜儀使用說明.用吹氣球清潔光譜儀光纖連接適配器。.通好電源，打開穩(wěn)壓電源開關，等待電壓穩(wěn)定。.電壓穩(wěn)定后，打開光譜儀電源開關，等待開機。.光譜儀開機后，設置以下參數：中心波長，波長范圍，分辨率，靈敏度。各參數在以下菜單選項下設置：a）中心波長：Wavelength->Centerwavelengthb）波長范圍：Wavelength->Spanc）分辨率：Bandwidth->Resolutiond）靈敏度：AmplitudesSensitivity.將光譜儀接入實驗光路，選擇不同的光譜儀通道（Trace）記錄不同通道的數據。在Trace目錄下設置并更換。.記錄完畢后，用軟盤保存所有的記錄數據。保存設置在Save/Recall->Savesetup菜單下設置。并將電腦上保存好數據導入Excel表格。.關閉電源開關，等待關機。.關閉穩(wěn)壓電源，拔出插座，整理好桌面和器材。實驗二光發(fā)射機和接收機的時域特性測試實驗設計實驗二光發(fā)射機和接收機的時域特性測試實驗設計—實驗內容1.光發(fā)射機工作原理和性能指標A光發(fā)射機輸出功率和光譜特性測試B光發(fā)射機的眼圖分析（1）傳輸信號的上升沿及下降沿時間測試（2）傳輸信號的消光比測試（3）傳輸信號的抖動測試2.光接收機工作原理和性能指標A誤碼測試方法B光接收機的靈敏度測試二實驗目的.了解眼圖的形成原理、理解抖動產生的原理、學會利用眼圖來評估數字傳輸系統(tǒng)的數據傳輸能力、學會利用眼圖觀察信號的抖動。.理解消光比的概念，掌握消光比的測試方法。.理解光接收機靈敏度的概念、掌握光接收機靈敏度的測試方法。三實驗原理（-）光發(fā)射機眼圖的實驗原理（指導書）眼圖方法雖然很簡單，卻是評估數字傳輸系統(tǒng)數據處理能力的一種極為有效的測量方法。這種方法已經大量用于評估無線系統(tǒng)的性能，也可用于光纖數據鏈路。眼圖測量法是采樣示波騫光物人觸發(fā)珀人采樣示波騫光物人觸發(fā)珀人觸發(fā)輸出數據諭出OQ九發(fā)射HL岫發(fā)電堆圖1-2T九發(fā)射HL岫發(fā)電堆圖1-2T是眼圖測量法的基本設備裝置框圖在時域完成的，可以使用示波器實時顯示波形失真情況。偽隨機比特流發(fā)生器的數據輸出端通過光纖鏈路連接到示波器的垂直輸入端，時鐘輸出端觸發(fā)示波器水平掃描，（示波器的掃描周期應取為碼元寬度I；或其整數倍），所得到的結果顯示在圖1-2-2中，為NRZ碼，它有八種可能的圖樣，這就是所謂的眼圖。為了說明眼圖是如何形成的，我們結合圖1-2-3考慮一個3比特長的NRZ脈沖，由于示波器熒光屏的余輝所呈現的圖形不僅是一次掃描所及的三個碼元，而是若干段重迭后的圖案，因此，如果同時將這八種圖樣疊加，就得到了如圖12-2所示的眼圖。眼圖的基本上下界由邏輯1和0電平決定，圖中分別用b??和臉,標出.眼圖有如下幾個重要特征：1）眼睛張開的高度和寬度；2）20%?80%上升時間和下降時；3）邏輯1和邏輯0電平處的脈沖突起；）邏輯0電平處的脈沖凹陷；邏輯1處的突起的突起圖1-2-2顯示基本測量參數的眼圖一般結構閾值「一廠邏輯1處的突起的突起圖1-2-2顯示基本測量參數的眼圖一般結構閾值「一廠0電平? ?—圖1-2-3具有適當上升和下降時間的3比特長NRZ脈沖的八種可能圖樣使用眼圖技術測量系統(tǒng)性能，需要提供一種可以仿真的信號源。一個簡便的方法就是產生隨機數據信號，因為它具有實際應用中的數據流的特性。這類信號能以相同的比特速率隨機產生1和0,各種偽隨機信號發(fā)生器就能滿足這種應用要求。偽隨機的意思是產生的1和0的集合或序列最終會重復，但對于測試來說，它已具有足夠的隨機性。從顯示的眼圖中能夠推斷出大量的系統(tǒng)性能信息，結合圖1-2-2和經過簡化的圖1-2-4來解釋眼圖考慮信號幅度失真、時間抖動和系統(tǒng)上升時間，能夠得到下列信息：1）眼圖張開的寬度指定了接收信號的抽樣間隔，在此間隔內抽樣能抵抗碼間串擾的影響不發(fā)生誤碼。2）接收波形的最佳抽樣時間在眼睛張開最大處，由于數據信號的幅度失真，眼睛張開的高度會降低，眼睛張開的頂端與信號電平的最大值之間的垂直距離表示了最大失真，眼睛越小，鑒別信號中的1和0就越困難。3）在抽樣時間上，眼睛張開的高度表示了噪聲容限或抗噪聲的能力，噪聲容限是可變二進制信號（由眼睛張開的高度定義）的峰值電壓片與信號的最大電壓力的百分比，V2是從閾值電平處測量得到的，如圖1-2-4所示：噪聲容限（百分比）=工、100%抽樣時刻最佳抽樣時間 的失真誤差的可能性增加。5）光纖系統(tǒng)中的定時抖動（也稱邊緣抖動）由相位失真引起。如果在時間間隔的中間（例如當信號剛通過門限電平時）對信號抽樣，則門限電平處的失真AT指示了抖動值，于是以百分比表示的定時抖動為：定時抖動（百分比）=±Uxioo%6）通常把上升時間定義為信號上升沿達到信號最終幅度的10%和90%時的時間間隔，然而在測量光信號時，這些點經常被噪聲和抖動效應所淹沒，所以通常都是在更清晰

的20%和80%處進行測量。將20%?80%上升時間變換為10喧90%上升時間，可以近似地使用下面的轉換關系：T=ix10-9（）八,20-80類似地，可以定義下降時間。7）信道的任何非線性傳輸特性都會產生眼圖的不對稱性，如果完全隨機的數據流通過理想的線性系統(tǒng)，張開的眼睛是不變的，也是對稱的。（二）消光比測試的實驗原理圖1-2-5圖1-2-5光發(fā)射機輸出功率和光譜特性的測試框圖首先連接光功率計，測出光發(fā)射機輸出光功率；其次連接光譜儀，測出光發(fā)射機的光譜，判別光源類型。再次消光比的測試：消光比的定義有多種消光比在％的定義是全“0”碼時的平均光功率與全“1”碼時的平均光功率之比，用公式表示為：EXT=全“0”碼時的平均光功率EXT=全“1”碼時的平均光功率＞ °一般要求EXTW0.1,大多數光發(fā)送系統(tǒng)即使在“斷”的狀態(tài)也會發(fā)射一些光功率，這與半導體激光器的發(fā)射特性和偏置狀態(tài)有關。例如當偏置電流小于閾值電流時，在“0”比特期間由于自發(fā)輻射亦有一些輸出功率，而當偏置電流大于或等于閾值電流時，“0”比特期間輸出功率將更大。消光比在dB的定義是光發(fā)送系統(tǒng)在“0”比特時的輸出功率P0與在“1”比特時的輸出功率P1之比的對數值稱為消光比，用公式表示為:PER=101og」（dB）ER越大越好，但也不是絕對，還要考慮信號的對稱性，以及模板測試的Margin。（三）光接收機靈敏度測試的實驗原理靈敏度是光端機的重要特性指標之一，它表示了光接收機接收微弱信號的能力，其定義為：在給定的誤碼率或信噪比條件下，光接收機所能接收的最小光功率。圖1-2-6數字光收端機接口指標測試框圖光接收機靈敏度測試框圖如圖12-6所示。誤碼測試儀向光端機送入測試信號，測試信號為偽隨機碼，長度為（2N-1）,N的選擇與平均發(fā)送光功率測試相同。調整光衰減器，逐步增大光衰減，使輸入光接收機的光功率逐步減小，使系統(tǒng)處于誤碼狀態(tài)。然后，逐步減小光衰減器的衰減，逐漸增加光接收機的輸入光功率，使誤碼逐漸減少，當在一定的觀察時間內，使誤碼個數少于某一要求時，即達到系統(tǒng)所要求的誤碼率。在穩(wěn)定工作一段時間后，從R點斷開光端機的連接器，用光纖跳線連接R點與光功率計，此時測得光功率為Pmin,即為光接收機的最小可接收光功率。=101g—按式 1加皿計算用dBm表示的靈敏度P?.例如，測得Pmin=9.3nW,則P 93x10"耳=101g3-=101g空半一=—50.3加加\mW1x10-3四實驗步驟（-）光發(fā)射機眼圖的實驗步驟1.搭建系統(tǒng)A.分別連接誤碼分析儀的數據輸出到光發(fā)射機，光發(fā)射機輸出到眼圖儀（光示波器）的光輸入端口。B.連接誤碼分析儀的觸發(fā)輸出（TRIGOUT）到眼圖儀（光示波器）的觸發(fā)輸入（Trigger）。C.打開誤碼分析儀和眼圖儀（光示波器）的電源2.設置誤碼分析儀A.打開電腦，依次選擇“開始”-“程序”中誤碼分析儀控制軟件。B.等程序初始化好后，設置數據類型DataPattern為"PRBS2Al5-1"。C.設置通信速率DataRate根據需要設置。.使用眼圖儀（光示波器）觀測眼圖A.選擇通道1,在“OscilloscopeMode”下觀測光信號，通過面板上的旋鈕，適當調整顯示的幅度和時間單位，使在顯示器上顯示出3個左右的完整周期。B.按“Eye/MaskMode”進入眼圖模式，觀測光信號眼圖。C.通過調用顯示器上左側的測量功能依次測量各參數：“BitRate"，“EyeWidth"，“JitterRMS”,“JitterP-P"，“RiseTime20%-80%”，“FallTime80%-20%”，“EyeHeight”等等（每個參數測量次數以200左右為準，按Stop鍵停止采集）。D.測量完畢后，選擇“File”-“Save"-"ScreenImage",將眼圖保存至某一位置。E.關閉光發(fā)射機，而后在光發(fā)射機及示波器之間加入一定長度的光纖，重復步驟C及D,記錄數據。.將誤碼分析儀的速率調整為其他值，分別測試光纖傳輸后的眼圖。（二）消光比測試的實驗原理用光纖測試線（即光纖跳線）分別插入發(fā)送端連接器與光功率計連接器，連接光端機的光輸出與光功率計。分別記錄在無信號（數據為0）和有信號（PRBS2凡1）輸入的情況下光功率的數值P。、Pt.則發(fā)送全"1"比特時的輸出功率為2Pi。利用公式 p 計算出消光比。ER=101og'（dB）另外利用⑥1-2-1的由這方法，H?樂僑儀￡6可方送猿出情藝砧叁故。（三）光接收機靈敏度測試的實驗原理如圖1-2-6所示將儀器連接好。用誤碼儀中的碼型發(fā)生器向數字光發(fā)端機送215一1的偽隨機碼測試信號，根據具體的光發(fā)射機帶寬選擇數據速率。選擇誤碼分析儀中開始測量誤碼。調整光衰耗器，首先逐步增大可變光衰耗器的衰減值（逐步減小輸入光收端機的平均光功率），使系統(tǒng)處于誤碼狀態(tài)。然后，逐步減小光衰耗器的衰減值，增加輸入光收端機的平均光功率，使誤碼逐漸減小。當在一定的觀察時間內，誤碼個數少于某一要求時即達到系統(tǒng)所要求的誤碼率。在穩(wěn)定工作一段時間后，從R點斷開光纖連接器，用光功率計測得此時的光功率為Pmin，即為光收端機的最小可接收光功率，也就是靈敏度值。最后將Pmin換算為dBm值。五實驗注意事項激光安全注意:在任何情況下,請不要用眼睛直視激光出射口（包括發(fā)射機出口及各工作光纖通路的末端）!實驗中使用的誤碼儀，光功率計，光示波器等儀器均為精密貴重儀器，在操作前請確定己熟悉操作步驟，如有任何疑問或儀器出現任何異常，請告知指導教師。操作前洗凈雙手并自備毛巾擦干，實驗過程中，如果弄臟雙手或者手汗太多，須重新洗凈雙手擦干后再進行實驗。連接器每次拔出后，都必須用干凈的鏡頭紙清潔，才能再插入適配器中進行測量。不允許用手觸摸連接器和適配器的端口，更不允許用嘴吹氣。如果端頭比較臟，需要用長纖維脫脂棉蘸100%濃度酒精細心清潔干凈（酒精用量不可太多）。光源與功率計為精密儀器，必須注意使用。注意保持光□的清潔，保持桌面整潔干凈；注意光纖的擺放，嚴禁其他物品壓在光纖上面：特別小心光纖標準跳線的使用，嚴禁過分彎曲，嚴禁拉扯光纖標準條線。六實驗報告要求以偽隨機碼（PRBS）為例，說明眼圖是怎樣形成的，如何觀察眼圖。根據測量的數據，給出對應的定時抖動（百分比）和等效10%-90%上升、90%-10%下降時間。比較第一個實驗中加入光纖前后的眼圖，分析眼圖變化的可能原因。根據所提供的測量方法測量光發(fā)射機的消光比。根據所提供的測量方法測量光收端機的靈敏度值，并畫出誤碼率曲線圖（縱坐標為

Logl0（eFR）,橫坐標為光接收機靈敏度值外）。七預習題.實驗中測量了光發(fā)射機的什么特性參數.實驗中測量了光接收機的什么特性參數.光發(fā)射機特性測試用到哪些測試設備.光接收機特性測試用到哪些測試設備.眼圖儀（光示波器）與普通示波器有哪些區(qū)別。.在眼圖測試中為什么要開濾波器，如何設置濾波器。.從眼圖上可以得到哪些信息。.光通信系統(tǒng)中導致誤碼產生的因素有哪些。.基于光柵結構的光譜儀可否用來測量激光器的線寬？為什么？.畫出光發(fā)射機特性測試原理圖.畫出光接收機特性測試原理圖.畫出非歸零碼與歸零碼的眼圖實驗三自構建光纖鏈路的OTDR測試實驗指導教師林遠芳實驗三自構建光纖鏈路的OTDR測試實驗一、實驗目的.了解瑞利散射及菲涅爾反射的概念及特點；.熟練掌握裸纖端面切割、清潔、連接對準方法及熔接技術；.熟悉光時域反射儀（OpticalTimeDomainReflectometer,以下簡稱OTDR）的工作原理、操作方法和使用要點，能利用OTDR測試、判斷和分析光纖鏈路中的事件點位置及其產生原因，提高工程應用能力。二、實驗原理1.OTDR測試基本理論散射：光遇到微小粒子或不均勻結構時發(fā)生的一種光學現象，此時光傳輸不再具有良好的方向性。瑞利散射：當光在光纖中傳播時，由于光纖的基本結構不完美（光纖本身的缺陷、制作工藝和材料組分存在著分子級大小的結構上的不均勻性），一部分光線會改變其原有傳播方向而向四周散射（圖1-3-1）,引起光能量損失，其強度與波長的4次方成反比，隨著波長的增加，損耗迅速下降。后向或背向散射：瑞利散射的方向是分布于整個立體角的，其中一部分散射光線和原來的傳播方向相反，返回到光纖的注入端，形成連續(xù)的后向散射回波。光纖中某一點的后向回波可以反映出光纖中光功率的分布情況，據此可以測試出光纖的損耗。菲涅爾反射：當光線由一種媒質進入另一種媒質時會產生的一種反射，其強度與兩種媒質的相對折射率的平方成正比。如圖1-3-2所示，一束能量為方的光，由媒質1（折射率為?1）進入媒質2（折射率為〃2）產生的反射信號為修，則衰減：指信號沿鏈路傳輸過程中損失的量度，以dB表示。衰減是光纖中光功率減少量的一種度量，光纖內徑中的瑞利散射是引起光纖衰減的主要原因。通常，對于均勻光纖來說,可用單位長度的衰減，即衰減系數來反映光纖的衰減性能的好壞。

當光脈沖通過光纖傳輸時，沿光纖長度上的每一點均會引起瑞利散射。這種散射向著四面八方，其中總有一部分會沿著纖軸反向傳輸到輸入端。由于主要的散射是瑞利散射，并且瑞利散射光的波長與入射光的波長相同，其光功率與該散射點的入射光功率成正比，光纖中散射光的強弱反映了光纖長度上各點衰減大小，光纖長度上的某一點散射信號的變化，可以通過后向散射方法獨立地探測出來，而不受其它點散射信號改變的影響，所以測量沿纖軸返回的后向瑞利散射光功率就可以獲得光沿著光纖傳輸時的衰減及其它信息。當光纖一端注入一個功率為方的窄脈沖在光纖傳輸時，距輸入端距離分別為L、L+加的兩點經后向散射返回到輸入端的光功率分別為Pg=SPoe-2aL (1-3-2)%+/=5乎-2*/ (1-3-3)其中，S：光纖后向散射系數：cr：光纖傳輸衰減常數，它表示單位長度光纖的損耗功率(dB/km)o可見，只要測出光信號返回時間及其對應的光功率就可以算出光纖長度和光纖衰減。假設光信號由注入端進入光纖到達某點再經后向散射返回注入端所用的時間為t,則注入端到該點的距離L為(1-3-4)1 tc(1-3-4)—t-v= 2 2勺其中,光在光纖中的傳輸速度；c：光在真空中的傳播速度(3x105km/s)；hi：其中,光纖的纖芯折射率，，為光脈沖發(fā)出到返回的時間。距輸入端距離分別為心L+&的兩點之間光纖的衰減為1PlL}44=,1g/0(dB) (1-3-5)基于后向散射法設計的測量儀器稱為OTDR,其突出優(yōu)點在于它是一種非破壞性的單端測量方法，測量只需在光纖的一端進行。它利用激光二極管產生光脈沖，經定向耦合器注入被測光纖，然后在同一端測量沿光纖軸向向后返回的散射光功率返回信號與時間的關系，將時間值乘以光在光纖中的傳播速度以計算出距離，在屏幕上顯示返回信號的相對功率與距離之間的關系曲線和測試結果。國內廠家主要是中國電子科技集團公司第四十一研究所，國外的品牌主要有安捷倫(Agilent)、安立(ANRITSU),EXF。、WAVETEK等。.光纖的連接光纖連接時的耦合損耗因素基本上可分為兩大類：一類是固有的，是被連接光纖本身特性參數的差異，比如纖芯直徑、模場直徑、數值孔徑差異、纖芯或模場的同心度偏差、纖芯橢圓度等。這些因素所引起的光纖連接損耗一般無法通過連接技術來改善；另一類是光纖連接時光纖的端面質量、對中質量和連接質量等因素，比如光纖的端面切割質量、端面間隙、纖軸的橫向錯位、纖軸的角度傾斜、纖芯形變等因素。這些因素所引起的連接損耗可通過連接技術的改進而得到改善。連接前的準備工作在光纖連接之前，應進行光纖涂層的去除、清潔及端面制備工作。利用光纜開剝刀和一次涂覆層剝除鉗來去除光纖外面的保護層，然后用蘸有無水酒精的紗布或脫脂棉捏住光纖輕輕擦洗，使裸纖外表面上沒有污染、水份及灰塵。接著進行光纖的端面處理，要求端面平整清潔并與纖軸垂直。光纖切斷方法基本上有兩種：一種是在施加有一定張力的光纖上用金剛石一類的刀刃在光纖的要切斷部位處劃痕，一旦光纖表面出現裂紋，光纖就會在所加張力的作用下在劃痕處崩斷；另一種是先手工在裸纖上用刀刃劃痕，然后彎折光纖以折斷光纖。光纖的固定連接V形槽連接將端面制備好了的兩根裸纖裝夾在同一個精密V型槽中，利用V型槽的自動對心原理來達到光纖的準直對接。如圖1-1-3所示，將制備好的裸纖端面沾取少許折射率匹配液放入精密V型槽中，使光纖端面盡可能地在精密V型槽中間，輕輕地放下壓板來壓住光纖，壓光纖時注意觀察裸纖，確保裸纖完全落入精密V型槽內，不得翹起和扭曲，輕柔地推動光纖使兩裸纖端面接觸到。V形槽的深淺和光纖外徑的一致性將保證可以獲得滿意的連接效果。使用V形槽連接器可以使兩根切割良好的裸纖暫時連接而不必熔接操作。這種接續(xù)方式的過程可逆、工具簡易、投入較?。ㄇг笥遥?。圖1-3-3使用精密V槽實現光纖的臨時耦合對接熔接連接在光纖熔接機上，用電弧加熱要連接的光纖的處理端面，將它們熔融直至“燒結”在一起。熔接前應確保光纖外表面上沒有污染、水份及灰塵，否則會影響熔接質量，甚至出現氣泡。裸纖在制備好端面后，就可放入光纖熔接機的光纖夾持器上固定。光纖夾持器多為V形槽結構，壓板由彈性材料做成。注意用壓板夾持光纖時，應壓在光纖未端去除涂層的部分，不要壓在裸纖上，以免光纖表面受損甚至夾斷。接著利用精密微調機構，將兩根要連接的光纖端面準確地對中，對中過程需在x、y、z三個方向反復進行，直至達到一個最佳位置。在放電過程中把光纖熔接起來是使光纖對中狀態(tài)固定下來的最好的一種定位方式。熔接方式穩(wěn)定可靠，但設備價格較貴（3萬元左右）。如果被熔接的光纖纖芯偏心量較大，則用正常熔接條件熔接時，在接點處會由于光纖表面張力的緣故使原來已經對準的纖芯產生偏移，此時應選用較短的熔接時間。不過，熔接時間過短，會因兩根光纖沒有充分燒結在一起而影響光纖接點的牢度：熔接時間過長以及光纖推進量過多，容易引起光纖形變，甚至使加熱區(qū)邊緣附近光纖變細。光纖熔接后，外表看不出與原光纖有什么不同，但其內在質量有了變化：熔接后光纖的抗拉強度變弱，熔接點出現附加損耗。光纖接頭的附加損耗是評價光纖熔接點質量的主要指標。光纖的活動連接光纖連接器把光纖的兩個端面精密對接起來，以使發(fā)射光纖輸出的光能量最大限度地耦合到接收光纖中去，并使由于其介入光鏈路而對系統(tǒng)造成的影響減到最小。光纖連接器可以多次反復插拔裝接，不同種類的光纖連接器，其結構有所不同，互相之間不一定能互換使用，需要使用適配器進行轉接。單模光纖連接頭要求光軸對準精度優(yōu)于兩光纖的玻璃端面物理必須接觸。可使用光纖顯微鏡檢查光纖連接頭是否干凈清潔(圖1-34),若不干凈將影響傳輸品質。目前有各種不同的連接頭清潔方法。可以用無水酒精和脫脂棉棒清潔，再立即用過濾無塵壓縮空氣(NonResidueFilteredAir)吹干。(a)干凈清潔的端面(b)臟污的端面(c)損壞的端面圖1-3-4光纖連接頭的端面光纖連接器從結構上分為單芯光纖連接器和帶狀多芯光纖連接器，目前使用最多的是單芯光纖連接器。依據光纖活動接頭的結構和形狀，常將單芯光纖連接器分為FC、SC、ST等幾種(圖FC型為圓形的螺紋式結構，接頭插入法蘭盤后，其卡鎖落入法蘭盤的槽中，再用螺紋擰緊。光纖端面經研磨、拋光處理，靠套筒的高精度內圓與插針的高精度外圓緊密配合進行軸心對準。SC型是矩形的插拔式結構，法蘭盤中有卡簧。由于是矩形，所以很容易對準。接頭插入法蘭盤后，聽到卡簧聲響便表示接頭已良好連接。ST型為圓形卡口式結構，接頭插入法蘭盤壓緊后，旋轉一個角度便可使插頭固定牢固，并對光纖端面施加一定的壓緊力。圖1-3-5單芯光纖連接器常用類型光纖連接器按端面形狀及接觸方式可分為球面接觸的PC(PhysicalContact)型、斜球面接觸的APC(AngledPhysicalContact)型和超平面接觸的UPC(Ultra-PhysicalContact)型等。PC型通常為單模光纖連接頭，其端面研磨拋光成微凸球面，APC型在端面形成8。傾角，并且形成半徑為20?50mm的球面，UPC型為超平面連接。光纖連接器的型號通常表示為XX-YY。其中XX表示光纖連接器之連接頭的連接方式，YY表示光纖連接器端面的形狀及接觸方式。如SC-PC表示插拔式球面接觸型。

.典型事件用OTDR測量光纖鏈路可識別出由于拼接、接頭、光纖破損或彎曲及鏈路中其他故障所造成的光衰減的位置及大小。OTDR接收和顯示的不僅僅是來自各事件的信號，而且包括來自光纖本身的信號。這種來自光纖本身的信號就是后向散射。當光沿著光纖傳送時會由于瑞利散射效應而衰減，這是由于光纖折射率微小變化等引起的，并且它沿著整根光纖持續(xù)發(fā)生。后向散射強度的變化決定了光纖鏈路沿線各事件的損耗值。非反射事件光纖熔接頭和微彎會導致光纖中有一些光功率損耗，但不會引起反射。在OTDR測試曲線上，這種事件會以“在后向散射電平上附加一個下降臺階”的形式表現出來,豎軸上后向散射電平值的改變量即為損耗的大小，如圖1-3-6所示。熔接頭光纖微彎相對光功率OTDR相對光功率OTDR測試曲線圖1-3-6非反射事件：熔接頭和光纖微彎只會引起損耗而無反射反射事件在光纖鏈路中，光纖的幾何缺陷、斷裂面、故障點、活動連接和固定連接等都會造成折射率突變，使光在光纖中產生菲涅爾反射，稱之為反射事件。反射和散射的強弱都和通過的光功率成正比，菲涅爾反射光功率遠大于后向瑞利散射光功率，則在OTDR顯示的測試曲線上，對應于光纖菲涅爾反射點處有突變的峰值區(qū)（有一個急劇的上升和下降）。如圖1-3-7所示，光纖鏈路中的活動連接和固定連接的接頭以及光纖上的裂縫都會同時引起光的反射和損耗。反射值（通常以回波損耗的形式表示）是由后向散射曲線上反射峰的幅度所決定的，豎軸上后向散射電平值的改變量即為損耗的大小。/OTDR測試曲線活動接頭 固定接頭 光纖裂縫IZZI -相對光功率圖1-3-7反射事件：活動接頭、固定接頭和裂縫都會同時引起反射和損耗

光纖末端如果光纖末端（尾端）是平整的端面或者在尾端接有平整、拋光了的活動連接器，則尾端會存在反射率為4%的菲涅爾反射，意味著OTDR測試曲線具有反射終端，如圖1-3-8（a）所示。如果尾端是破裂的端面或者被磨花了，則由于端面的不規(guī)則會使光線漫射而不會引起反射，在這種情況下，光纖末端的。TDR測試曲線會從后向反射電平簡單下降到OTDR噪聲電平下，如圖1-3-8（b）所示。雖然破裂的尾端也可能引起反射，但其反射峰不會像平整的光纖末端或活動連接器所帶來的反射峰值那么大。平整的尾端曲線有反射終端不規(guī)則的尾端平整的尾端曲線有反射終端不規(guī)則的尾端曲線無反射終端圖1-3-8光纖末端理想與否會影響OTDR測試曲線是否有反射終端偽增益現象用OTDR測量光纖接頭時，是通過比較接頭前后的后向散射電平測量值來完成對接頭損耗的測量的。一般地，接頭上的損耗會使接頭后的后向散射電平小于接頭前的后向散射電平，進而在OTDR測試曲線上表現為下降的臺階。然而，如果接頭后光纖的散射系數較高時（這時對同樣的傳送光強會引起較大的后向散射），接頭后的后向散射電平就可能大于接頭前的后向散射電平，進而在OTDR測試曲線上表現為增益（上升的臺階）。比如，被接續(xù)的光纖模場直徑不同時，由于模場直徑影響它的后向散射，小模場直徑光纖傳送后向散射光的能力比大模場直徑光纖的能力強，若從小模場直徑光纖向大模場直徑光纖方向測試，則接頭損耗可能是負值：反之，則出現高損耗值。這是一種表象，是由于不同模場直徑對后向散射光傳送能力不同而造成的測量方法上的缺陷，并非接頭的實際損耗。因為接頭是無源的，它只能引起損耗而不會引起增益，故稱之為偽增益現象。.OTDR主要性能參數（1）動態(tài)范圍OTDR的信號是通過對數放大器處理的，測試曲線的相對后向散射功率是對數標度，讀得的是電平值，而且是經過往返兩次衰減的值。后向散射電平初始值與噪聲電平的差值（dB）定義為動態(tài)范圍。如圖1-3-9所示，根據噪聲電平的取法，有兩種不同的動態(tài)范圍表示方式:-峰值：取噪聲電平的峰值，這是一種傳統(tǒng)的比較有意義的指標表示方式。在后向散射電平與噪聲電平相等時，后向散射信號就成了不可見信號。--信噪比SNR=1：取噪聲電平的均方根值。對于同樣性能的OTDR,以信噪比SNR=1方式給出的動態(tài)范圍指標值要比以峰值方式給出的動態(tài)范圍指標值高出2.0dB左右。如果OTDR的動態(tài)范圍不夠大，后向散射信號電平就會小于OTDR噪聲電平，這樣諸如接頭等小特征點的觀測就會受到影響。比如，一個小熔接點在光纖尾部附近時就有可能成為不可見的特征點。所以，人們總是希望OTDR的動態(tài)范圍盡可能大些。然而，OTDR的動態(tài)范圍并不是越大越好，有時候需要在較大動態(tài)范圍與較小盲區(qū)之間做出權衡。動態(tài)范圍和被測光纖的衰減決定了OTDR實際可以測量的光纖最長距離：,Dkax=— ⑹a其中：D為OTDR的動態(tài)范圍，。為被測光纖的衰減常數。由此可以分析得知：對衰減一定的光纖而言，OTDR的動態(tài)范圍越大，則可測量的光纖長度越長，反之越短；對同一動態(tài)范圍的OTDR而言，光纖衰減越小，則可測量的光纖長度越長，反之越短。（2）盲區(qū)用OTDR測試光纖時，反映不出某段范圍內光纖損耗等的測量情況，稱之為盲區(qū)。反射會使OTDR的接收器進入飽合狀態(tài)，接收器從飽合狀態(tài)逐漸恢復會產生一個“拖尾”。“托尾”過后，OTDR就可以對光纖的后向散射進行測量。在文件“TR-TSY-000196Issue2”「GenericCriteriaforOpticalTimeDomainReflectometers中，貝爾實驗室給出了被工業(yè)界廣泛接受的有關盲區(qū)的兩個定義（圖1-3-10）：事件盲區(qū)：從反射峰的起始點到接收器從飽合峰值恢復到1.5dB之間的距離。在這點上緊接的第二個反射為可識別反射，但這時損耗和衰減仍為不可測事件。衰減盲區(qū)：從反射峰的起始點到接收器從飽合狀態(tài)恢復到線性后向散射上0.5dB點之間的距離。（貝爾實驗室文件建議的指標是O.ldB,但0.5dB是一個更常用的指標值）。圖1-3-10OTDR盲區(qū)定義示意圖盲區(qū)決定了OTDR測量的精細程度，對OTDR來說，其盲區(qū)越小越好。然而，有時候需要在較小盲區(qū)與較大動態(tài)范圍之間做出權衡。因為脈寬同時影響動態(tài)范圍和盲區(qū)，它決定了OTDR所發(fā)出的光功率的大小，脈沖幅度相同時，較寬脈沖的能量要大于較窄脈沖的能量，這一方面會產生較高的后向散射電平，提供較大的動態(tài)范圍，但另一方面，菲涅爾反射會因為光能量增大而被增強，其光功率遠大于后向散射光功率，致使放大器飽和，該段時間內包括后向瑞利散射在內的任何信號均被掩蓋而分辨不出。脈寬越寬，分辨率越差，盲區(qū)尤其是近端盲區(qū)越大，不可測試的損耗區(qū)和不可分辨的事件區(qū)也越大。OTDR發(fā)窄脈沖時能提供更小的盲區(qū)，但動態(tài)范圍也相應更小。(3)距離測量精度它決定了測試的位置有多精確，是指因OTDR方面的因素造成對距離測量結果的影響：光纖成纜因素：OTDR測出的光纖長度通常大于其成纜后的光纜長度。在確定光纜上各點的位置時一定要考慮成纜因素，進行適當的纖長與纜長換算。OTDR采樣間隔：OTDR對后向散射信號按一定間隔進行采樣，再將這些分離的采樣點連接起來形成最后顯示的測試曲線。如果將圖1-3-11(a)所示的各采樣點直接用直線連起來就可在OTDR上相應顯示出如圖1311(b)所示的測試曲線。在這個例子里，圖1311(a)中脈沖的上升沿就是反射的確切位置，最理想的測量情況是該處正好有一個采樣點。然而，由于采樣的有限精度，這一特定的反射點并沒有成為采樣點，這樣，由于采樣點具體位置的偏差就帶來了距離測量誤差。采樣v. X間隔XxxxxX后向散射信號的實際曲線XXXXXX誤差8'XXXxxX OTDR測試曲線XXXXXX圖1311OTDR采樣間隔影響距離測量精度OTDR時鐘精度：由于OTDR是利用公式L=ct/Z出來計算距離的，真空中的光速C為己知，"1為纖芯折射率，t為光發(fā)出到返回的時間，因所測得時間的準確度受。TDR內部作為時鐘的晶振頻率的準確性和穩(wěn)定度的影響，故時鐘精度會給距離測量帶來一定誤差，不過，這項因素的影響比較小。OTDR折射率設置：由于計算距離時，用戶需要對纖芯折射率"1進行輸入，為保證測量結果的準確性，每次測量前都必須根據實際折射率值進行設置，但因它們之間總存在著偏差,導致距離測量結果產生誤差。對于長距離測量而言，小的折射率設定偏差也會引起顯著的距離測量誤差。比如：對于30km的測量來說，1%的折射率偏差將會帶來距離測量上300米的誤差。OTDR說明書上給出的距離精度通常是指因采樣間隔和時鐘精度帶來的距離測量誤差。雖然這種精度指標可能很小，但由于折射率設定偏差所引起的距離測量誤差通常要更大。

三、實驗器材如圖1-3-12所示，主要包括跳纖：尾纖；裸纖：剝纖鉗；筆式光纖切割刀；AV33012光纖切割器；吹氣球、擦鏡紙、無水乙醇、脫脂棉棒、光纖接頭清潔器