光纖特征參數(shù)測(cè)量課件

第七章

光纖特征參數(shù)的測(cè)量前言特性參數(shù)的意義1.檢測(cè)光纖的質(zhì)量,2.不同類型的光纖的連接3.防止國(guó)外的廠家的傾銷光纖的特性參數(shù)：1.光纖的損耗系數(shù)材料的吸收損耗,散射損耗,彎曲損耗2.光纖的色散系數(shù)與帶寬材料色散,波導(dǎo)結(jié)構(gòu)色散,模間色散3.單模光纖截止波長(zhǎng)、模場(chǎng)半徑4.光纖的幾何尺寸、折射率分布和NA7.2衰減測(cè)量

測(cè)量光纖的傳輸總損耗系數(shù)衰減系數(shù)（db/km）α（λ）＝-10log（Pout/Pin)/L常見(jiàn)的測(cè)定方法有：切斷法，插入損耗法、背向散射法－b）濾模器

選擇性抑制某些模式繞棒式折射液抑模圖

c）包層模剝除器

去掉一小段涂敷層，浸入等于或稍大于包層折射率的匹配液中，使包層模被剝除適當(dāng)?shù)墓怦詈舷到y(tǒng)與擾模器，濾模器及包層剝除器一起構(gòu)成“注入系統(tǒng)”

穩(wěn)態(tài)分布的判斷：1擾模后輸出功率變化緩慢2看光纖輸出近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)分布注意：長(zhǎng)光纖自動(dòng)能達(dá)到模式穩(wěn)態(tài)分布7.2.2切斷法先測(cè)量出整個(gè)光纖的輸出光功率P2（λ），

保持注入條件不變，切斷光纖測(cè)量2m處輸出的光功率P1(λ)光源

注入系統(tǒng)

被測(cè)光纖

探測(cè)器斬波器

參考信號(hào)鎖相放大器

12測(cè)量特點(diǎn)：基準(zhǔn)測(cè)試法，屬于破壞性測(cè)量，測(cè)量精度高，誤差可低于0.1dB7.2.2插入損耗法偏置電路注入系統(tǒng)探測(cè)器放大器

光源

被測(cè)光纖

耦合接頭

12原理：用一根長(zhǎng)2m的和待測(cè)光纖完全相同的短光纖與光源耦合，校準(zhǔn)其輸出功率P1作為待測(cè)光纖的注入功率Pin特點(diǎn)：測(cè)量精度受到耦合接頭的精度和重復(fù)性影響，但測(cè)量簡(jiǎn)便是非破壞性的散射光到達(dá)輸入端時(shí)的輸出功率為：R（z）：反射系數(shù)P（z）：光到達(dá)待測(cè)點(diǎn)z處的功率αs（x）：背向散射光的單位長(zhǎng)度衰減系數(shù)αi（x）：光信號(hào)沿正向傳播時(shí)單位長(zhǎng)度損耗系數(shù)Pi：輸入功率特點(diǎn)：不僅可測(cè)衰減系數(shù)，還能確定斷點(diǎn)、接頭位置，測(cè)量光纖長(zhǎng)度缺點(diǎn)：1.無(wú)法控制背向散射光的模式分布2.對(duì)光纖的非均勻性很敏感7.2.1時(shí)域法以窄脈沖調(diào)制光源，采用滿注入方式激勵(lì)待測(cè)光纖，在待測(cè)光纖輸出斷測(cè)得輸出脈沖P2（t），然后在輸入斷2m處剪斷光纖測(cè)得輸入脈沖P1（t）,則即輸出脈沖應(yīng)等于輸入脈沖與脈沖響應(yīng)h（t）的卷積，響應(yīng)的傅氏變換關(guān)系式為P2（w）＝H（w）P1（w）測(cè)得P1（t）和P2（t）的-3dB脈寬，由式得出相應(yīng)的rms脈寬σ1和σ2，從而求得脈沖響應(yīng)脈寬所以光纖的脈寬為-3dB脈寬（半高全寬度脈寬）：脈沖發(fā)生器激光器注入系統(tǒng)光探測(cè)器取樣示波器計(jì)算機(jī)被測(cè)光纖時(shí)域法基帶展寬測(cè)量系統(tǒng)7.2.2頻域法以連續(xù)可調(diào)的正弦波調(diào)制光源，采用滿注入方式激勵(lì)光纖，在待測(cè)光纖輸出端測(cè)得輸出光頻函數(shù)P2（w），然后在距注入端約2m處剪斷光纖，測(cè)得輸入光頻函數(shù)P1（w），于是求得基帶頻響為：H（w）＝P2（w）/P1（w）根據(jù)H（w）函數(shù)曲線可以確定BT3dB的值E/O注入系統(tǒng)濾模器包模層剝除O/E頻譜分析儀數(shù)字寄存器被測(cè)光纖掃頻信號(hào)發(fā)生器跟蹤同步信號(hào)頻率計(jì)頻域法基帶展寬測(cè)量裝置7.3色散測(cè)量

色散：在光纖中傳播時(shí)，不同波長(zhǎng)的光波群延時(shí)不同設(shè)色散與光纖長(zhǎng)度成正比（這是合理的），則可用單位長(zhǎng)度單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的平均群延時(shí)來(lái)表示色散程度，定義色散系數(shù)為：

則基帶帶寬與色散系數(shù)的關(guān)系可表示為：測(cè)量方式按光強(qiáng)度調(diào)制的波形來(lái)劃分有：相移法（正弦信號(hào)調(diào)制）脈沖延時(shí)法（脈沖調(diào)制）1相移法通過(guò)測(cè)量不同波長(zhǎng)下同一正弦調(diào)制信號(hào)的相移得出群延時(shí)與波長(zhǎng)的關(guān)系，進(jìn)而計(jì)算出色散系數(shù)的方法基本原理是：比較基帶調(diào)制信號(hào)在不同波長(zhǎng)下的相位來(lái)確定色散特性設(shè)光源的調(diào)制頻率為f（應(yīng)小于光纖的基帶帶寬），傳播長(zhǎng)度L后，波長(zhǎng)為λ2的光年個(gè)點(diǎn)月波長(zhǎng)為λ1的光的調(diào)制波形相位差滿足下式

所以延時(shí)差△t為單位長(zhǎng)度平均延時(shí)差為測(cè)出不同波長(zhǎng)下的，算出相應(yīng)，并表示為：7.4截止波長(zhǎng)的測(cè)量截止波長(zhǎng)λc：使最臨近基模的高階模LP11模截止的波長(zhǎng)為單模光纖的截止波長(zhǎng)光纖的截止波長(zhǎng)類型：1.理論截止波長(zhǎng)(由光纖的折射率分布計(jì)算出)2.CCITT規(guī)定的基準(zhǔn)測(cè)試方法測(cè)得的截止波長(zhǎng)3.光纜制造長(zhǎng)度的截止波長(zhǎng)4.一個(gè)中繼段中光纖的截止波長(zhǎng)7.4.1傳導(dǎo)功率法由光纖的傳導(dǎo)功率與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線來(lái)確定截止波長(zhǎng)λc的方法基本原理：當(dāng)λ0>>λc時(shí)，光纖中只有LP01模傳播；當(dāng)λ0接近λc時(shí)，光纖中開(kāi)始出現(xiàn)LP11模，由于LP11模對(duì)彎曲敏感程度比LP01模高很多，所以隨著λ0的減小，彎曲光纖中的LP11模功率的衰減要比直光纖中的大；因此，根據(jù)LP11模的功率急劇衰減的位置，就可以確定截止波長(zhǎng)

如下圖的傳導(dǎo)功率法測(cè)量裝置待測(cè)光纖（2m）打一個(gè)104mm的大圓圈，同樣參考光纖打一個(gè)半徑30mm的圓圈，當(dāng)被相同的注入條件激勵(lì)時(shí)，分別測(cè)出輸出功率P1(λ0)、P2（λ0），并令兩者比值為7.4.2模場(chǎng)半徑法

利用模場(chǎng)半徑隨波長(zhǎng)變化的曲線來(lái)確定截止波長(zhǎng)在λ0>>λc用單模光纖作參考光纖的R（λ）曲線時(shí)，ω0隨λ0的減小而呈線性減小；當(dāng)λ0≤λc時(shí)，由于出現(xiàn)LP11模，且LP11驀地分布范圍要大于LP01模，故模場(chǎng)分布會(huì)突然變寬，利用這種突變即可準(zhǔn)確地測(cè)定截止波長(zhǎng)

采用橫向偏移法（相似于后面模場(chǎng)半徑的測(cè)量方法）圖7.5折射率分布的測(cè)量7.5.1折射近場(chǎng)法根據(jù)光纖折射光（輻射模）功率與折射率n（r）成正比而建立起來(lái)的測(cè)試方法θ1θf(wàn)n2n2n（r）θ2如上圖所示,設(shè)光以θ1角入射，入射點(diǎn)距軸線距離為r。端面折射角為θf(wàn)，在纖壁光線進(jìn)入包層，設(shè)折射角為θ2，則由廣義折射定律有式7.6.1由式（7.6.3）則有當(dāng)入射點(diǎn)落在包層上時(shí)，n（r）＝n2，折射功率為Pcl代入式（7.6.5）即求得折射率分布n2（r）為：若已測(cè)得n2、P0、Pcl、P（r），可由上式求出n（r）式7.6.5式7.6.6式7.6.77.5.2近場(chǎng)掃描法當(dāng)以非相干光入射光纖端面，且各個(gè)模式均勻激勵(lì)時(shí)，光纖輸出端的導(dǎo)模功率分布P（r）的變化規(guī)律和折射率分布n（r）相似：因此，在光纖輸出端近場(chǎng)沿直徑掃描測(cè)得功率分布P（r），就得到了光纖沿直徑的相對(duì)折射率變化曲線：由此還可測(cè)得折射率分布參數(shù)g近場(chǎng)掃描法精度比折射近場(chǎng)法要差一些7.6模場(chǎng)直徑的測(cè)量模場(chǎng)直徑是單模光纖的重要參數(shù)，由它可導(dǎo)出等效階躍光纖（ESF）的構(gòu)成參數(shù)，還可估算單模光纖的連接損耗、彎曲損耗、微彎損耗和光纖的色散值，被稱為單模光纖的萬(wàn)用參數(shù)除平方律分布光纖外，其它光纖的場(chǎng)分布都不同程度的偏離高斯分布，其模場(chǎng)直徑取決于實(shí)際場(chǎng)分布與高斯分布的擬合方法。因此，單模光纖的模場(chǎng)直徑不僅隨測(cè)量方法而不同，還受模場(chǎng)直徑定義的影響。其四種定義：1.功率傳輸函數(shù)定義模場(chǎng)直徑2.最大激發(fā)效率定義模場(chǎng)直徑3.近場(chǎng)二階矩定義模場(chǎng)直徑4.遠(yuǎn)場(chǎng)二階矩定義模場(chǎng)直徑由圖中的幾何關(guān)系容易求得對(duì)于圓對(duì)成光纖，其徑向場(chǎng)也為圓對(duì)稱，因此可令θd＝0而不失一般性，此時(shí)式（7.7.1）簡(jiǎn)化為如果E（r）為高斯分布，則有測(cè)出T（d）曲線，即可取T（d）下降到中心最大值的1/e處對(duì)應(yīng)的橫向位移值為模場(chǎng)直徑W07.6.2傳輸場(chǎng)法根據(jù)最大激發(fā)效率定義模場(chǎng)半徑Wη當(dāng)以場(chǎng)分布為g（r）的光源激發(fā)單模光纖時(shí)，激發(fā)效率（耦合效率）η可表示為f（r）光纖的近場(chǎng)分布G（q）光源的遠(yuǎn)場(chǎng)分布F（q）光纖的遠(yuǎn)場(chǎng)分布q＝sinθ/λ0從數(shù)學(xué)上講，使η最大等效于使下式ξ最?。篺（r）與F（q）都是可測(cè)量（近場(chǎng)或遠(yuǎn)場(chǎng)光功率的平方根）因此有了四種數(shù)學(xué)上等效的方法來(lái)確定Wη:1.測(cè)出光纖的近場(chǎng)分布f（r），改變褒姒函數(shù)的WG使η為最大，此時(shí)WG即為Wη2.測(cè)出f（r），改變WG使ξ為最小，此時(shí)的WG亦為Wη3.測(cè)出光纖的遠(yuǎn)場(chǎng)分布F（q），改變WG使η為最大，此時(shí)WG為Wη4.測(cè)出F（q）,改變WG使ξ為最小，亦可求得Wη7.7最大理論數(shù)值孔徑的測(cè)量光纖的數(shù)值孔徑定義為：由此即得兩種數(shù)值孔徑的測(cè)量方法：折射近場(chǎng)法與遠(yuǎn)場(chǎng)法7.8.1折射近場(chǎng)法此方法與測(cè)試折射率分布n（r）方法相同，由測(cè)得的n（r）曲線可求得n1和n2，代入上式就能得到NA的值，這種方法得到的數(shù)值孔徑通常稱為標(biāo)稱數(shù)值孔徑或最大理論數(shù)值孔徑7.7.2遠(yuǎn)場(chǎng)法光纖的輸出遠(yuǎn)場(chǎng)功率分布P（θ）與θ的關(guān)系為P（θ）遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖半角θ處的功率P（0）軸線處（θ＝0）的功率G光纖折射率分布參數(shù)NAm最大理論數(shù)值孔徑若設(shè)Ks為與遠(yuǎn)場(chǎng)功率分布有關(guān)的比例系數(shù)：式7.8.1則式（7.8.1）化為sinθ＝KsNAm這表明，遠(yuǎn)場(chǎng)輻射角的正弦值與最大理論數(shù)值孔徑成正比。表7.8.1示出了P(θ)/p(0)=5%時(shí)的Ks值G1.01.52.02.5410Ks0.8810.9460.9750.9880.9991.0001.000表7.8.1比例系數(shù)Ks值表從表中可知，若取功率下降到中心最大值的5％時(shí)的θ的正弦值作為數(shù)值孔徑，則與最大理論數(shù)值孔徑的差別在g>2時(shí)相差很小，因此可以通過(guò)測(cè)量P（θ）來(lái)確定數(shù)值孔徑，稱之為有效數(shù)值孔徑NAeff7.8高雙折射光纖拍長(zhǎng)的測(cè)量

測(cè)試方法：散射光法－－通過(guò)測(cè)量散射光的偏振特性以確定光纖的拍長(zhǎng)透射光法－－通過(guò)測(cè)量透射光的偏振特性與外加調(diào)制因素的關(guān)系來(lái)確定光纖的拍長(zhǎng)7.8.1散射光法1.側(cè)向散射光法xyERSOβψxy分別為光纖的快慢軸Ψ是光矢量E和x軸的夾角這時(shí)沿S方向的散射光的光強(qiáng)為對(duì)于給定的ψ和β，散射光強(qiáng)只是相位差δ的周期函數(shù)，δ的周期變化就形成了被測(cè)光纖上周期性變化的明暗條紋優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，方便易行缺點(diǎn)：屬于破壞性測(cè)量目視法不能測(cè)量不可見(jiàn)光的拍長(zhǎng)低損光纖測(cè)量困難光纖若由扭曲會(huì)產(chǎn)生誤差空間分辨率低2.背向散射光法基本原理：偏振光在Z＝0處耦合進(jìn)光纖，不斷沿光纖傳播并受到瑞利散射，部分散射光返回到Z＝0處并保持偏振態(tài)不變，檢測(cè)到的散射光電流變化周期△Z依賴于雙折射△β，且有△Z=π/△β=LB/2優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量方法簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：空間分辨率太低，測(cè)量?jī)x器太貴7.8.2透射