光通信測量：第2章 光纖的參數(shù)及測量

第2章光纖的參數(shù)及測量

光纖通信測量要解決的問題

一、光纖的參數(shù)測量二、光端機(jī)主要性能的測量三、光纖通信系統(tǒng)的測量光纖的實(shí)用特性參數(shù)

一、幾何特性和光學(xué)特性

它們與耦合連接損耗有著密切的關(guān)系。主要包括光纖包層直徑、纖芯直徑、包層不圓度、纖芯不圓度、芯包同心誤差，多模光纖的折射率分布和數(shù)值孔徑、單模光纖的模場直徑、模場同心誤差、截止波長等。

光纖的實(shí)用特性參數(shù)二、傳輸特性

它們與中繼距離和通信容量有關(guān)。主要包括光纖的衰減系數(shù)、多模光纖的帶寬和單模光纖的色散特性等。三、光纖的機(jī)械特性和溫度特性

2.1光纖參數(shù)測量系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)

光纖作為光的傳輸媒介，其參數(shù)的測量，一般由單個(gè)或多個(gè)波長的光通過光纖后，測量光的幅度和相位變化，再經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)學(xué)處理得出。因此，任何光纖測試系統(tǒng)都必須具有發(fā)送、耦合、接收這三部分。光纖通信測量系統(tǒng)的基本知識(shí)光纖通信測量系統(tǒng)的組成光源：光電轉(zhuǎn)換；波長與功率的穩(wěn)定性探測器：光電轉(zhuǎn)化在整個(gè)測量過程中都要求清潔，操作謹(jǐn)慎，注意光纖彎曲光纖端面注入系統(tǒng)

對(duì)于光纖測量系統(tǒng)，為保證測量系統(tǒng)的可靠性和重復(fù)性，需要使光信號(hào)模式達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，為了獲得穩(wěn)定狀態(tài)，采取以下三種穩(wěn)態(tài)模式模擬器包層模消除器（claddingstripper）

濾模器(modefilter)

擾模器(scrambler)

包層模消除器claddingstripper

在光耦合過程中，并不只是激勵(lì)起傳導(dǎo)模，還會(huì)激勵(lì)起泄漏模和輻射模，而且當(dāng)光纖發(fā)生微彎曲變形時(shí)，還會(huì)由傳導(dǎo)模轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠！?/p>

當(dāng)光纖的一次涂覆材料的折射率比石英包層的折射率低時(shí)，輻射模將會(huì)在包層和涂覆層的界面上產(chǎn)生全反射，從而形成包層模。

包層模消除器用于消除包層模的器件稱之為包層模消除器

只需將離光纖注入端不遠(yuǎn)處的一段光纖涂覆層去掉，然后將其浸在折射率稍大于包層折射率的匹配液中，包層與涂覆層間的輸出光將折向匹配液中并被吸收。匹配液可由甘油、四氯化碳等。

濾模器modefilter

單模光纖是利用基模進(jìn)行工作的，單模光纖參數(shù)的測量一般都只考慮基模場的分布及能量的變化等。

用來濾除高階模的器件稱為濾模器。

高階模有著衰減常數(shù)大的特點(diǎn)，對(duì)光纖稍加彎曲，這些高階模會(huì)很快衰減掉。因此只要在光纖注入端打個(gè)小圈就可起到濾模作用。為了統(tǒng)一起見，我們可作一個(gè)半徑小于30mm的圓柱，將光纖在上面繞一周即可。擾模器(scrambler)

擾模器一般用于測量多模光纖的衰減常數(shù)和帶寬傳輸常數(shù)

實(shí)驗(yàn)表明，注入光經(jīng)過一定長度路徑之后，傳導(dǎo)模經(jīng)過長時(shí)間的耦合轉(zhuǎn)換，最后使各個(gè)傳導(dǎo)模所攜帶的功率達(dá)到穩(wěn)定，我們稱之為穩(wěn)態(tài)模分布。一般都要經(jīng)過幾百米甚至上千米的光纖之后才能建立穩(wěn)態(tài)模分布，

擾模器就是根據(jù)模耦合原理，采用強(qiáng)烈?guī)缀螖_動(dòng)的方法，加速多模光纖中各模式迅速達(dá)到穩(wěn)態(tài)分布的一種器件。

（a）柱狀擾模器（b）SGS光纖擾模器

擾模器示意圖ITU-T基準(zhǔn)測試法與替代測試法基準(zhǔn)測試法(RTM)：對(duì)某一種類光纖或光纜的某一給定特性是嚴(yán)格按照這個(gè)特性的定義來測量的，并給出精確、可重復(fù)和與實(shí)際使用相一致的結(jié)果的測試方法。替代測試法(ATM)：對(duì)某一種類光纖或光纜（及其相關(guān)聯(lián)的元件）的某一給定特性是以與這個(gè)特性的定義在某種意義上一致的方法來測量的，能給出可重復(fù)的并與基準(zhǔn)測試法的測量結(jié)果和實(shí)際使用相符合的測試方法。2.2光纖的幾何特性和光學(xué)特性測量

光纖的折射率分布測量在多模光纖中，這一分布對(duì)?；儭捑哂袥Q定性的影響，分布最佳，帶寬最高

單模光纖中，它決定著截止波長、模場直徑和色散特性。

ITU-T推薦了折射近場法為基準(zhǔn)測試方法，近場法為替代測試方法。最簡單的方法—是反射法。折射近場法（RNF）

折射近場法測試原理示意圖折射模折射模和泄漏模擋板會(huì)聚透鏡待測光纖匹配液傳導(dǎo)模和泄漏模匹配液盒大孔徑透鏡He-Ne激光束匹配液：浸油折射率比光纖包層折射率略高

大孔徑透鏡：將擴(kuò)展了的He-Ne激光束會(huì)聚為一小光斑（約為1m）

注入到光纖端面上的光束將激勵(lì)起三種類型的模式：較小入射角的光線將在光纖中激勵(lì)起導(dǎo)模并傳到輸出端；較大入射角的光線僅激勵(lì)起折射模，逸向包層外面；入射角介于上述兩者之間的光線則可形成泄漏模，一部分隨導(dǎo)模一起傳到輸出端，一部分與折射模一樣輻射到包層外面。

當(dāng)入射光斑沿光纖直徑掃描時(shí)，由于n(r)變化，各點(diǎn)的本地?cái)?shù)值孔徑NA(r)不同，對(duì)應(yīng)各處的折射模功率亦不同，折射模功率分布與折射率分布相似。測得折射模功率分布就可求出折射率分布。折射近場法就是通過測量從光纖泄漏出來的折射模來實(shí)現(xiàn)的。擋光板屏蔽掉輻射角較小的那部分泄漏模，被檢測的只有折射模

折射率分布只有徑向變化，所以波矢量的軸向分量β處處守恒，即

nL為液體的折射率，n(r)為入射光在光纖表面r處光纖的折射率，θ2是遮光圓盤擋住部分對(duì)應(yīng)的出射角

對(duì)匹配液盒的輸入輸出端應(yīng)用菲聶耳定律

入射光束是一束均勻平行光束通過透鏡聚焦后的會(huì)聚光束

θmax是一個(gè)可以由透鏡數(shù)值孔徑NA限定的最大入射角。θ1是入射點(diǎn)位置r的函數(shù)倘若作θ11近似，則有tan2θ1≈sin2θ1

，P0為照在光纖外（r>R）的光斑的輸出功率

，可得：在弱導(dǎo)近似下：K的確定可以利用已知折射率的光纖來校準(zhǔn)只要測得了P(r),就可求得n=n(r)-nL

A為比例系數(shù),可通過移動(dòng)圓盤位置來校準(zhǔn)確定

Z0、D、nL為已知，顯然Z作為sin2θ1的函數(shù)可由上式?jīng)Q定。又因?yàn)镻(θ1)=P(r)

與sin2θ1有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。所以比例系數(shù)A可轉(zhuǎn)化為調(diào)節(jié)Z的大小來校準(zhǔn)。校準(zhǔn)測量設(shè)備的幾何示意圖Dzz0θ1θ1zrnL匹配液盒圓盤折射近場法測試系統(tǒng)框圖激光器1/4波長片透鏡組I透鏡組II液體盒檔盤檢測器放大器X-Y記錄儀M電動(dòng)機(jī)電子測微計(jì)燈透鏡50μm小孔被測光纖折射近場法的優(yōu)點(diǎn)是，可直接給出光纖的絕對(duì)折射率分布，既能測多模光纖，又能測單模光纖，測量精度高，空間分辨率小。不需要對(duì)所測數(shù)據(jù)進(jìn)行漏模修正，只要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一次校正后，不要再進(jìn)行任何校正。

近場法（NFP）

近場法則是測量光纖出射端面上導(dǎo)模功率的空間分布（即近場分布）來確定光纖的折射率分布。CCITT將該方法規(guī)定為多模光纖折射率分布的替代測試法。

測試系統(tǒng)比較簡單，但這種方法忽略了泄漏模的存在，誤差往往要大些。

光纖的局部NA可定義為：n(r)為照射到光纖端面r處的折射率，c(r)為局部接收角

郎伯光源（各輻射方向光強(qiáng)度都相等的電光源），所有的模在光纖中均勻激勵(lì)，那么，光纖中距纖芯軸線為r處傳輸?shù)墓夤β蔖(r)可由下式給出：

如果每個(gè)模的衰減都一樣，并且沒有模間耦合，可以通過測量光強(qiáng)分布圖（NFP）,即P(r)，求得折射率分布(r/a)α。

在弱導(dǎo)近似下：其中為接受到的最大光功率，為纖芯中的最大折射率缺點(diǎn)：不能直接給出光纖的絕對(duì)折射率分布；漏模影響不能完全消除；測量精度低；對(duì)模式少的光纖不適用，因此不能測量單模光纖。

透鏡測試光纖針孔放大器X-Y記錄儀掃描儀光電探測器NFP測量系統(tǒng)漏模修正C(r,z)修正因子，當(dāng)z=0時(shí)，全部漏模沒有衰減掉當(dāng)時(shí)，無漏模C(r,z)=1當(dāng)時(shí)，C(r,z)近似為1反射法

由于材料表面的反射率與周圍介質(zhì)和材料的折射率有關(guān)，這一關(guān)系由著名的菲聶耳公式（A.J.Fresnel）描述。即當(dāng)光垂直照射時(shí)，R(r)表示光纖端面r處的反射率，Pi和Pr(r)分別表示入射到樣品上的入射光功率和從樣品表面反射回來的反射光功率。n0為周圍介質(zhì)（空氣或匹配液）的折射率，n(r)為光纖端面r處的折射率，若測得Pi和Pr(r)，則可獲得光纖的折射率分布n(r)。

注意：一般的激光光束都有一定的寬度，為了提高測量精度和空間分辨率，我們一般都要采用光學(xué)系統(tǒng)對(duì)光束進(jìn)行會(huì)聚，使得光束到達(dá)樣品表面時(shí)，光斑盡可能的小。但此時(shí)到達(dá)樣品表面的光束并不完全為垂直入射光束，大部分光線為斜入射。

在n=1.5的玻璃界面上菲涅耳反射率曲線

在光路設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮兩點(diǎn)：一、將信號(hào)光與背景光很好地分離；二、盡可能地減少信號(hào)光能量的損失。在具體光學(xué)系統(tǒng)中，可以采用偏振分光棱鏡和λ/4波片的組合來實(shí)現(xiàn)。

由于難于以高的精度測量反射光功率Pr(r)和

入射光功率Pi

這個(gè)小的比值。為此，利用由包層區(qū)反射的光功率的數(shù)值作為參考值。PIN光電二極管X-Y記錄儀鎖定放大器屏18m數(shù)字電壓表折射率匹配液光纖顯微物鏡數(shù)字電壓表光電探測器偏振器斬波器1/4波片激光器分光器空間濾波器反射法折射率分布的測試原理圖反射法是一種破壞性的測量方法。

如果需要測量同一根光纖上不同點(diǎn)處的折射率分布，就需要一再地把光纖截?cái)?。反射法能夠達(dá)到的空間分辨率并不是很高，對(duì)表面沾染非常敏感，容易產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。

光纖幾何參數(shù)的測量傳輸性能和機(jī)械性能

連接損耗

光纖制造的尺寸依據(jù)

光纖制造中嚴(yán)格控制的指標(biāo)

判別光纖產(chǎn)品合格與否的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

多模光纖的幾何參數(shù)包括纖芯直徑、包層直徑、芯不圓度、包層不圓度、纖芯、包層同心度等

單模光纖的幾何尺寸參數(shù)包括包層直徑、包層不圓度、纖芯、包層同心度誤差（當(dāng)用模場直徑作參數(shù)時(shí)，應(yīng)是模場、包層同心度誤差）

折射近場法

多模光纖幾何特性測試的基準(zhǔn)測試方法，是單模光纖幾何特性測試的替代方法

n1n2n3n4(a)(b)

由折射率分布確定芯徑幾何參數(shù)定義(1)、多模光纖包層是光纖橫截面上最外面折射率為常數(shù)的區(qū)域

芯區(qū)是折射率（排除任何折射率凹坑）超過最大折射率n1與最里層折射率均勻區(qū)域n2之差乘以一定比例系數(shù)k后得到的n3以內(nèi)的區(qū)域k為一常數(shù)，一般取作0.05纖芯、包層區(qū)域的最大直徑定義為纖芯直徑和包層直徑，分別用d和D表示。

d0D0dmaxdminDmaxDminX光纖幾何尺寸和同心度定義纖芯直徑包層直徑纖芯不圓度包層不圓度同心度

x為纖芯中心到包層中心之間的距離

單模光纖：基本上與多模光纖一樣，纖芯直徑一般不要求。

k值通常取作0.5?？捎美w芯、包層同心度誤差替代模場、包層同心度誤差，這時(shí)用纖芯、包層中心間距離的絕對(duì)值x表示（單位m）。

折射近場法

對(duì)光纖整個(gè)橫截面進(jìn)行全屏掃描，得到折射率的兩維分布圖

取折射率的一定高度為纖芯、包層交界的點(diǎn)得到芯輪廓，多模取值5%，單模取值50%；用同樣的方法取包層和匹配液交界的點(diǎn)得到包層輪廓

按照定義，計(jì)算出纖芯、包層的直徑、不圓度、同心度等

近場法單模光纖幾何特性的基準(zhǔn)測試方法和多模光纖幾何特性的替代測試方法

單模光纖與多模光纖近場測量裝置的主要差別是所用的光源。多模光纖近場法使用的是非相干的短波長光源；單模光纖測量用的是1310nm（對(duì)G.652光纖）或1550nm（G.653、

G.654）波長光源，譜特性要防止光纖處于多模狀態(tài)。且使用了濾模器，以移去LP11模

實(shí)驗(yàn)裝置光源：強(qiáng)度穩(wěn)定可調(diào)，波長穩(wěn)定

第二光源(可見光)

：為了光纖輸出端照明包層，譜特性不得引起像的散焦效應(yīng)包層模剝除器：移除包層中的光功率,僅測量包層的幾何尺寸時(shí)，可以不用光學(xué)放大裝置：使光纖輸出近場放大后再聚焦到掃描探測器平面上。光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑和分辨能力應(yīng)與所要求的測量精度相一致，N.A≥0.3，放大倍數(shù)應(yīng)選得與所希望的空間分辨率相匹配。

光探測器

(1)、具有針孔的掃描光探測器(2)、具有固定針孔和光探測器的掃描鏡

(3)、掃描電視攝像管，電荷耦合器件等要求探測器在測量的光強(qiáng)度范圍內(nèi)線性好

整個(gè)系統(tǒng)光路要對(duì)準(zhǔn)為減小因掃描散焦像而引起的尺寸誤差，應(yīng)以極高的精度完成聚焦。最后根據(jù)所測光纖的類型，按照定義計(jì)算出所要的幾何參數(shù)。定標(biāo)方法是對(duì)一個(gè)具有合適精度的已知尺寸標(biāo)準(zhǔn)樣品的聚焦像進(jìn)行掃描，從而確定光學(xué)系統(tǒng)的放大倍數(shù)。光源注入系統(tǒng)擾模器包層模剝除器光纖放大光學(xué)系統(tǒng)檢測器放大器數(shù)據(jù)處理

近場法測試光纖幾何尺寸裝置國內(nèi)外使用的幾何參數(shù)測試系統(tǒng)多是PK公司的2400和YORK公司的S-20。芯區(qū)照明光源都是850nmLED，因此對(duì)單模光纖只能測出纖芯、包層同心度誤差，而不能測量模場同心度誤差。

2a=8.5μmD=125.2μmε芯=1.36%ε包=0.12%同心度=0.23μm-125.0-500.0+50+125.0芯徑r(μm)用2400測得的一根光纖的近場強(qiáng)度分布側(cè)視法對(duì)單模光纖，ITU-T還規(guī)定了側(cè)視法為幾何尺寸參數(shù)的第二替代測試方法。側(cè)視法的測量原理是通過測量光纖中折射光的光強(qiáng)分布來確定光纖的尺寸參數(shù)

顯微鏡法

一般使用分辨率為0.5m的讀數(shù)顯微鏡，測量重復(fù)性約為1m。該方法操作簡單，使用方便，價(jià)格便宜，適于批量產(chǎn)品的檢驗(yàn)。需要注意的是，當(dāng)測量纖芯時(shí)，必須經(jīng)常與折射率分布曲線確定的幾何尺寸對(duì)比定標(biāo)。

“四圓容差場”法

里面兩個(gè)直徑分別為d-4m和

d+m，供測芯徑時(shí)用；外面兩個(gè)圓的直徑分別為D-5m和

D+5m，供測包層直徑用。

Dcor-

DcorDcor+

DcorDcor推薦芯標(biāo)稱值

Dcor=4m芯徑公差DRr推薦參考表面外徑標(biāo)稱值

DRr=5m參考表面外徑公差DRr-

DRrDRr+

DRr“四圓容差法”樣板多模光纖的數(shù)值孔徑及其測量

數(shù)值孔徑N.A(NumericalAperture)

表征多模光纖集光能力的大小以及與光源耦合難易的程度，同時(shí)，對(duì)連接損耗、微彎損耗及衰減溫度特性、傳輸帶寬等都有影響。

1、最大理論數(shù)值孔徑N.AmaxtN.Amaxt的物理意義是光纖最大可能接受角的正弦值，反映了光纖收集光線的能力2、遠(yuǎn)場強(qiáng)度有效數(shù)值孔徑N.A(或N.Aff)定義為光纖遠(yuǎn)場輻射圖上光強(qiáng)下降到最大值5%處的半張角θP0.05的正弦值。ITU-T規(guī)定的數(shù)值孔徑就是這種數(shù)值孔徑，推薦值是（0.18~0.24）±0.02。

3、N.A與N.Amaxt之間的關(guān)系式中，α是折射率分布指數(shù)；kα為與α有關(guān)的比例系數(shù)（表1中給出了α不同取值時(shí)kα的值）。一般情況下，梯度光纖接近拋物線分布，α=2，則N.A=0.975N.Amaxt。α1.01.52.02.510∞kα0.8810.9460.9750.9881.001.00數(shù)值孔徑的波長特性

數(shù)值孔徑的測量

遠(yuǎn)場光強(qiáng)法

ITU-T規(guī)定遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布法為G.651多模光纖數(shù)值孔徑的基準(zhǔn)測試方法。遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布法測量原理是先測量出光纖遠(yuǎn)場角輻射光強(qiáng)分布，再利用遠(yuǎn)場分布法N.A的定義式，計(jì)算出光纖的數(shù)值孔徑。

光源為強(qiáng)度可調(diào)的非相干光源，它能在光纖試樣端面上產(chǎn)生基本恒定的輻射（光強(qiáng)變化<10%）面。光源的強(qiáng)度、波長和位置應(yīng)保持穩(wěn)定。探測器應(yīng)為線性的。被測光纖2m左右，兩端面制備要整潔、平整光滑，與光纖軸垂直，端面角<2o。為避免彎曲產(chǎn)生模轉(zhuǎn)換和模輻射，樣品要擺直。

光源光纖cc檢測器注入光器件包層模剝除器Ld

典型的遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布法測試系統(tǒng)原理圖注入條件必須采用滿注入（即遠(yuǎn)場數(shù)值孔徑大于0.3，近場光斑大于70μm）。樣品輸出端到探測器的距離必須大于芯直徑，取幾厘米即可。測出遠(yuǎn)場光強(qiáng)隨角度θ的分布P(θ)，然后從遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布圖上找出最大值的5%處的點(diǎn)，然后計(jì)算出該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)場角的正弦值，即為所要求的數(shù)值孔徑N.A。

遠(yuǎn)場光斑法類似于遠(yuǎn)場光強(qiáng)法，簡單易行He-Ne被測光纖50cmp

遠(yuǎn)場光斑法測試系統(tǒng)原理圖不是掃描光強(qiáng)分布，可直接用相干光源（如He-Ne激光器）

測量時(shí)，在暗室中將光纖出射遠(yuǎn)場投影到有坐標(biāo)格的屏幕上，用熟格子的辦法測出光斑直徑d，通過下式算出數(shù)值孔徑：

折射近場法

用來測量最大理論數(shù)值孔徑，是替代測試法

首先用近場法測出光纖的折射率分布曲線，然后從曲線上求出纖芯中心最大折射率n1和包層折射率n2，根據(jù)式（2.18）計(jì)算出光纖的最大理論數(shù)值孔徑N.Amaxt。

單模光纖模場直徑及其測量

光纖的連接損耗和抗彎特性有著密切關(guān)系

從模場直徑隨波長的變化譜還能分析光纖的波導(dǎo)色散特性

模場就是指光纖中基模場的電場強(qiáng)度隨空間的分布模場直徑作為描述單模光纖中光能集中的程度的參量由于基模場的分布在芯區(qū)零階貝塞爾函數(shù)J0(ur/a)，在包層取修正的貝塞爾函數(shù)K0(wr/a)的形式（有時(shí)可用高斯函數(shù)近似），因此它沒有明顯的邊界

基模近場功率分布圖內(nèi)包層芯區(qū)00rrE(r)用遠(yuǎn)場強(qiáng)度分布定義模場直徑

設(shè)光纖基模場遠(yuǎn)場強(qiáng)度分布為F(q)，q=sinq/l，q是遠(yuǎn)場角，l為工作波長，模場直徑用2W表示

遠(yuǎn)場二階矩的倒數(shù)定義的模場直徑。該定義嚴(yán)格地與基于遠(yuǎn)場掃描的基準(zhǔn)測試法相關(guān)聯(lián)。

令x=sinq

其中x為遠(yuǎn)場角的數(shù)值孔徑，當(dāng)遠(yuǎn)場角增大到光纖的數(shù)值孔徑附近，基模的遠(yuǎn)場強(qiáng)度急劇衰減，為保證精確的測量可將遠(yuǎn)場掃描角增大一倍，據(jù)ITU-T規(guī)定：對(duì)G.652的1.31mm光纖，積分上限xm≥0.34，相應(yīng)的遠(yuǎn)場掃描半角為20°；對(duì)G.653光纖，xm≥0.42，相應(yīng)的遠(yuǎn)場掃描半角為25°。

如令則對(duì)1.31mm的單模光纖，若D=0.36%，n1=1.5，則將這些數(shù)值代入(2.26)式得：2W=9.59mm對(duì)1.55mm的單模光纖，若D=0.8%，則：2W=7.58mm單模光纖的相對(duì)折射率越大，模場直徑越小，抗彎特性越好。而D的增加會(huì)引起光纖衰減的增加從上面兩個(gè)例子也可得出遠(yuǎn)場掃描角度的最大值下限，對(duì)1.31mm的單模光纖，對(duì)應(yīng)角度8°，對(duì)1.55mm的單模光纖，數(shù)值孔徑0.184，相應(yīng)角度12°，遠(yuǎn)場掃描測量時(shí)，為了得到準(zhǔn)確的測量結(jié)果，必須使掃描角度大于8°和12°，這也是ITU-T將這兩種單模光纖的掃描角度增加到20°和25°的原因。

用可變孔徑法定義模場直徑

a(X)=1-P(X)/Pmax，為孔徑透射互補(bǔ)函數(shù)：X=Dtgq為孔徑半徑，D是光纖端面至孔徑中心的距離，

P(X)和Pmax分別是透過半徑為X的孔徑和透過最大孔徑的光功率。

用刀口掃描法定義模場直徑

k(x)為刀口功率透射函數(shù)，x=Dtgq是刀口側(cè)向偏移距離（即刀口到中心軸間的距離）；D是刀口與光纖端面之間的距離。

用近場強(qiáng)度定義模場直徑

設(shè)光纖的近場強(qiáng)度分布為f(r)，r是光纖橫截面的徑向坐標(biāo)，模場直徑為：遠(yuǎn)場掃描

F2(q)可變孔徑

a(X)刀口掃描

k(x)近場掃描

f2(r)阿貝爾變換阿貝爾變換漢克爾變換積分各種測量方法之間的數(shù)學(xué)變換關(guān)系模場直徑的測量遠(yuǎn)場掃描法是ITU-T規(guī)定的基準(zhǔn)測試方法

測角儀針孔檢測器放大器信號(hào)處理計(jì)算機(jī)包層模剝除器濾模器光源

遠(yuǎn)場掃描測試裝置示意圖光源：保持位置、強(qiáng)度和波長的穩(wěn)定，譜寬小于10nm，譜特性應(yīng)保證光纖單模工作。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，消除雜散光的影響，改善接收器的信噪比，一般采用對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制的方法探測器：應(yīng)與光源調(diào)制頻率同步的信號(hào)處理系統(tǒng)相連，而且要具有良好的線性靈敏度。光纖：光纖端面應(yīng)清潔、光滑，于光纖軸垂直，不垂直度必須小于1°

注入條件：激勵(lì)起基模LP01模，濾除高階模，如果是低折射率涂覆層光纖，還要用高折射率的匹配液來剝除包層模。

將做好端面的光纖放在測角儀的中心，使用一個(gè)具有針孔或帶有尾纖的光電探測器對(duì)光纖的遠(yuǎn)場分布進(jìn)行掃描，為避免由于探測器的光敏面張角太大產(chǎn)生的測量誤差，要求探測器與光纖端面的距離S必滿足：S>2Wb/l。單模光纖遠(yuǎn)場強(qiáng)度分布有一旁瓣，為了能探測到旁瓣的功率，測量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍要大，至少50dB。如果探測器測得的最大掃描光功率為100nW，則此接收系統(tǒng)還應(yīng)能夠測出1pW以下的微弱光功率，而且探測接收系統(tǒng)應(yīng)在這個(gè)范圍內(nèi)保持良好的線性關(guān)系。

測量時(shí)，將光纖的注入端與入射光束對(duì)準(zhǔn)，光纖輸出端對(duì)準(zhǔn)合適的探測器，以固定程序啟動(dòng)掃描探測器，特別要保證掃描探測器通過模場中心，探測器將各個(gè)角度上探測到的光功率轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，由放大器放大后送入信號(hào)處理部分，與相應(yīng)的測角儀的角信號(hào)進(jìn)行處理后送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)由測得的遠(yuǎn)場強(qiáng)度F2(q)及按定義式(2.22)編制好的積分程序進(jìn)行計(jì)算，得出光纖的模場直徑。

可變孔徑法測量模場直徑（第一替代法）

對(duì)光源、注入條件及探測器的要求與遠(yuǎn)場掃描法基本上一致。主要差別是在光纖端面與透鏡之間，裝有一個(gè)與光學(xué)系統(tǒng)光軸垂直的轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤上開有至少12個(gè)以上的直徑不同的圓孔，要求這些圓孔半徑對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)場半張角的數(shù)值孔徑覆蓋0.02~0.25的范圍（對(duì)G.653光纖，要求覆蓋的范圍為0.02~0.40）。測量時(shí)，將被測光纖放入測試系統(tǒng)，依次轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤，測量通過每一個(gè)孔徑x的光功率P(x)，求出透射互補(bǔ)函數(shù)a(x)=1-P(x)/Pmax，式中Pmax為經(jīng)過最大圓孔的光功率。算出a(x)后，即可根據(jù)定義式，計(jì)算出模場直徑。

光源濾模包層模剝除器微調(diào)器透鏡系統(tǒng)檢測器鎖相放大器計(jì)算機(jī)可變孔徑法測試裝置示意圖近場掃描法測量模場直徑（第二替代法）光纖幾何參數(shù)測量中的近場法不需要進(jìn)行全屏掃描，只需沿著一直徑掃描測出近場光強(qiáng)分布f2(r)即可，然后用式（2.29）計(jì)算出模場直徑。

刀口掃描法測量模場直徑v刀刃PDxS(z)P(x、y、z)P(x)vzy被測光纖刀口掃描法測試原理示意圖在被測光纖的輸出端與匯聚透鏡之間的與光軸垂直的X-Y平面內(nèi)放置一刀片，刀片的作用是用來擋住一部分光功率，未經(jīng)刀片擋住的光由會(huì)聚透鏡會(huì)聚到光電探測器上。當(dāng)?shù)镀豖軸移動(dòng)掃描時(shí)（圖中v所指方向），就可以測得刀口光功率透射函數(shù)k(x)，由定義式（2.28）計(jì)算可得模場直徑。遠(yuǎn)場掩模法

它是將一塊特制的遮光玻璃板插入到光纖出射端面與集光系統(tǒng)之間，由測量接收光功率的變化來確定模場直徑的方法。遮光區(qū)由兩個(gè)底部相對(duì)的桃形金屬膜構(gòu)成，圖案的對(duì)稱性有助于調(diào)節(jié)它的中心與遠(yuǎn)場分布的中心重合，掩模的邊界滿足一定的數(shù)學(xué)方程，從而可進(jìn)行定義的積分計(jì)算，因此又叫光學(xué)積分法。

掩模板是在透明玻璃片上鍍制了一層不透明的金屬模而成。

金屬模的形狀像兩個(gè)并蒂桃，邊界是Fermat螺線的一部分，滿足下列方程：LPIN顯示光學(xué)系統(tǒng)掩模板微調(diào)架光源遠(yuǎn)場掩膜法測試裝置示意圖測量時(shí)，將掩模板插入到光路中，調(diào)整微調(diào)架，使圖形中心與模場中心重合，測出探測器所收集的光功率P，然后拿掉掩模板(Mask)，測出相應(yīng)的功率P0，令h為兩次功率的比值：由ITU-T對(duì)于模場直徑定義的積分公式出發(fā)，經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，在掩模測試條件下，可得：式中l(wèi)為工作波長，R為掩模半徑，L為光纖端面到掩模板的距離，T1和T2分別為掩模板上透明區(qū)和掩模區(qū)的透光率，以上參數(shù)是系統(tǒng)的固有參數(shù)。因此，只要測出h，即P0和P就可計(jì)算出模場直徑。特點(diǎn)：一是操作方便，測試速度快；二是計(jì)算簡單，不需進(jìn)行積分；三是不需要復(fù)雜龐大的設(shè)備，可以做成輕便的儀表。后向散射法（第三替代法）后向散射法是利用光時(shí)域反射計(jì)測量光纖的衰減特性。當(dāng)兩段光纖連接在一起的時(shí)候，不考慮其他因素造成的損耗，僅考慮模場不匹配導(dǎo)致的損耗模場直徑的大小和容差范圍

光纖的模場直徑越小，它的抗彎特性越小，而要使光纖的模場直徑減小，就得增加光纖的相對(duì)折射率差，但這又會(huì)增加光纖的衰減，因此，模場直徑的選擇即不能太大，也不能太小，應(yīng)折衷。

光纖類型

波長(nm)

模場直徑標(biāo)稱值(mm)容差

G652G6521310nm1550nm9~107.0~8.3

±10%±10%模場直徑的容差還直接影響著光纖的接頭損耗，研究表明，兩根模場直徑分別為2W1和2W2的單模光纖的接頭損耗可用下式表示：當(dāng)W1=W2時(shí)，兩根光纖的模場直徑相同，接頭損耗as=0，這里計(jì)算條件為在理想的熔接情況下。在ITU-T給定的最大容差下，若標(biāo)稱值為W，W1=W-10%；W2=W+10%，則由式計(jì)算as=0.17dB。

單模光纖截止波長及其測量

截止波長是單模光纖所特有的另一個(gè)重要參數(shù)，它給出了單模運(yùn)行時(shí)的光波長范圍，是保證光纖實(shí)現(xiàn)單模傳輸?shù)谋匾獥l件，常用lc表示。當(dāng)lc小于傳輸波長時(shí)，該光纖為單模光纖，只能傳輸基模；反之就不是單模光纖了。顯然單模光纖是相對(duì)于使用的工作波長而言的。

截止波長的物理概念和定義

根據(jù)波動(dòng)理論，多模光纖中傳導(dǎo)有限個(gè)分離的模：基模LP01(HE11)、次低階模LP11（TE01、TM01、HE21）及高階模等。模的數(shù)目可以從求解波動(dòng)方程得出。對(duì)于折射率為冪律分布的光纖，近似計(jì)算公式為：

V增加，傳導(dǎo)模數(shù)目增加；當(dāng)V減小時(shí)，由于高階模截止，傳導(dǎo)模數(shù)量減小。而所有模式中只有基模LP01模不截止，其余模式均會(huì)隨著V的減小而截止。V是工作波長和光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)，由于V和工作波長成反比，當(dāng)光纖結(jié)構(gòu)確定后，只有工作波長大于某一特定截止波長時(shí)，使次低階模LP11模截止，實(shí)現(xiàn)單模。其中，Vc=2.40483為階躍單模光纖實(shí)現(xiàn)單模傳輸?shù)臍w一化截止頻率，對(duì)于折射率為冪次分布的光纖，歸一化截止頻率Vc與剖面指數(shù)有關(guān)計(jì)算的截止波長僅與光纖的剖面指數(shù)、半徑a和相對(duì)折射率差決定，與光纖的長度和彎曲狀態(tài)無關(guān)，稱之為理論截止波長，記作lct。

當(dāng)l≥lct時(shí)，次低階模LP11根本不可能被激勵(lì)；因此可認(rèn)為lct是光纖長度趨于零時(shí)的截止波長，它只有理論研究價(jià)值。但在實(shí)際中，由于彎曲和微彎曲的影響，使次低階模由于損耗減小到不能探測的強(qiáng)度，即可認(rèn)為光纖工作在單模狀態(tài)。光纖的實(shí)際截止波長與光纖的長度和彎曲狀態(tài)有關(guān)，是單模光纖單模工作的實(shí)際條件。實(shí)際截止波長是指包括高階模的總功率與基模功率之比小于0.1dB時(shí)對(duì)應(yīng)的波長。ITU-T規(guī)定了兩種有用的截止波長：2m長預(yù)涂覆光纖的截止波長，一般用lc表示；成纜光纖的截止波長，用lcc表示。

1）2m長預(yù)涂覆光纖的截止波長lc

根據(jù)ITU-T規(guī)定，大于lc的波長l可沿打有一個(gè)?140的圈2m長度的光纖(其余光纖保持直線）單模傳輸，lc可看作相應(yīng)于幾米長的短光纖的截止波長。

對(duì)1310nm零色散的G.652光纖，取值規(guī)定為：1100nm≤lc≤1280nm2）、成纜光纖的截止波長lcc

ITU-T規(guī)定為在22m長的光纜上進(jìn)行相應(yīng)的彎曲之后（在兩端各剝出一米長的預(yù)涂覆光纖，各打半徑為?40的環(huán)，所測得的LP11模的截止波長

lct>lc>lcc

對(duì)G.652光纖推薦lcc最大值是1260nm或1270nm。對(duì)于跳線光纜，考慮到最壞情況，光纜最大截止波長應(yīng)不高于1240nm。

考慮到隨著lc的減小，基模在包層中的份額增加，導(dǎo)致光纖彎曲損耗增大，故選擇1100nm≤lc可根據(jù)單模光纖的截止波長和模場直徑估計(jì)光纖的彎曲靈敏度。截止波長的測量

截止波長的測量方法有傳輸功率法，模場直徑法，傳導(dǎo)近場法等傳輸功率法是一種由光纖的傳導(dǎo)功率與波長的關(guān)系曲線來確定截止波長的方法，測量精度可達(dá)±0.005mm(5nm)測量原理：在截止波長附近，LP11模僅受到微弱的導(dǎo)引，因而由光纖的彎曲所引起的輻射會(huì)使傳輸功率產(chǎn)生顯著的損耗。當(dāng)工作波長稍低于理論截止波長時(shí)，光纖中激勵(lì)的LP11模急劇衰減，傳輸功率法就是利用這個(gè)位置來決定截止波長的

取2m長的待測光纖做樣品，將其傳輸功率譜同參考傳輸功率譜相比較則可定出截止波長。

計(jì)算機(jī)繪圖儀檢測器被測光纖鎖相放大器波長控制參考信號(hào)斬光器單色儀注入系統(tǒng)包層模剝除器傳輸功率法的典型測試裝置鹵燈獲得參考傳輸功率的方法：

(1)將待測光纖樣品打一直徑為?60的圈作參考光纖

(2)用一根1~2m長的多模光纖作為參考光纖。

設(shè)備要求：光源：鹵燈，寬帶光源，和單色儀共同組成波長可變光源。光源要求在測試過程中應(yīng)保持位置、強(qiáng)度和波長的穩(wěn)定。波長應(yīng)在所要求的較寬范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，F(xiàn)WHM（半幅值全寬）不超過10nm

注入系統(tǒng)：基本上均勻地激勵(lì)起LP01模和LP11模，可用與多模光纖連接或用一適當(dāng)大光斑大數(shù)值孔徑的光學(xué)系統(tǒng)注入

包層模剝除器

探測放大系統(tǒng)：收集來自光纖的全部光功率，光譜響應(yīng)與光源的譜特性一致探測器光敏面均勻且具有良好的線性靈敏度放大系統(tǒng)也應(yīng)有足夠的線性度和線性范圍。

實(shí)驗(yàn)步驟：

1）將2m長的待測光纖接入測量系統(tǒng)中，打一個(gè)?=280mm的圈，整根光纖上要避免出現(xiàn)半徑小于140mm的任何彎曲。改變波長，記錄輸出光功率譜P1(l)曲線。2）在同樣的波長范圍內(nèi)測出參考光纖的傳輸功率譜。參考光纖的選取，可采用以下兩種方法：第一，用待測光纖，保持激勵(lì)狀態(tài)不變，將光纖至少打一個(gè)小圈，一般打一個(gè)?60mm的小圈，這樣有利于濾除LP11模，測出傳導(dǎo)輸出功率譜P2(l)。第二，

取1~2m的多模光纖，在同樣的波長范圍內(nèi)測出傳導(dǎo)輸出功率譜P3(l)。一般選取第一種方法。３）數(shù)據(jù)處理：利用上面的P1(l)與P2(l)的比值的對(duì)數(shù)作彎曲衰減函數(shù)R(l)。

單模光纖作參考光纖的典型R(l)曲線當(dāng)l較小時(shí)，P1(l)與P2(l)均穩(wěn)定傳輸LP01模和LP11模；隨著波長的增加，由于參考光纖的彎曲半徑小，LP11模的衰減增大，P1(l)＞P2(l)，曲線上升，到達(dá)頂峰后，兩種光纖先后出現(xiàn)單模傳輸，在lc附近，兩種光纖均呈單模傳輸，曲線恢復(fù)平坦，并近似為0但在lc附近，從LP11模的泄漏到達(dá)到單模，有較寬的過渡區(qū)，曲線也是非突變的，為了提高測量的準(zhǔn)確性和重復(fù)性，規(guī)定將圖中的基底直線向上移動(dòng)0.1dB，對(duì)應(yīng)較長波長的位置，即為截止波長。用多模光纖做參考光纖時(shí)，在lc附近，LP11模急劇衰減。當(dāng)遠(yuǎn)小于lc時(shí)，呈LP01和LP11雙模傳輸，l>lc時(shí)，R（l）變化平坦。0.1dBλ（m）R（λ）圖2-21用多模光纖作參考光纖的典型R（λ）曲線預(yù)涂覆光纖截止波長的測試方法

預(yù)涂覆光纖截止波長的基準(zhǔn)測試法是傳輸功率法

G.650定義：截止波長是在各次模大體均勻激勵(lì)的條件下，注入的包括高次模在內(nèi)的總光功率與基模光功率的比隨波長變化減小到0.1dB以下時(shí)，對(duì)應(yīng)的較長的波長值，即：

測量樣品長2m，制備好光纖端面，與注入系統(tǒng)和探測器相連。先將光纖彎成一個(gè)?280的圈，在估計(jì)的lc附近足夠?qū)挼姆秶鷥?nèi)進(jìn)行波長掃描，記錄P1(l)~l曲線。將待測光纖打一個(gè)?60的小圈，在同樣的波長范圍內(nèi)測P2(l)，求R(l)=10lg[P1(l)/P2(l)]，作R(l)~l曲線，則R(l)=10lg[P1(l)/P2(l)]=0.1時(shí)對(duì)應(yīng)的較大波長即為截止波長。

成纜光纖截止波長的測試

成纜光纖截止波長lcc的基準(zhǔn)測試方法也為傳輸功率法，與預(yù)涂覆光纖的測試最大的差別在測試樣品的制備。lcc的樣品為22m長的光纜，將光纜每端各剝開1m，將露出的光纖各打一個(gè)?80的圈，用以模擬接續(xù)構(gòu)件的影響，20m的光纜部分的放置應(yīng)平整，不應(yīng)有任何影響測量值的小彎曲

將制備好的端面分別與光源和探測器耦合，先測出光纖輸出功率P1(l)與l的關(guān)系曲線，然后將光纖打一個(gè)小于?60的圈，測量P2(l)，根據(jù)P1(l)和P2(l)算出彎曲函數(shù)R(l)。作R(l)~l曲線，0.1dB橫線與R(l)曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的最大波長為lcc。20m1m1m2X2X光纜

用成纜光纖測量截止波長的λcc使用條件成纜光纖截止波長的替代測試法

測量樣品所用未成纜光纖為一次涂覆光纖或二次套塑光纖（如果有的話）。光纖長度仍是22m

2X2X2rN圈1圈1圈22m(包括環(huán)長)

用未成纜光纖測量截止波長的λcc使用條件在中間彎成r≥140mm的n個(gè)松弛圓環(huán)，目的是為了模擬成纜條件，兩端1m內(nèi)各打一個(gè)?80的圈。r的取值與成纜工藝有關(guān)，應(yīng)記錄下來，在測試結(jié)果中標(biāo)明。將樣品接到注入系統(tǒng)和探測器上，測量P1(l)與l的關(guān)系曲線。將兩端打成?60的圈，測量P2(l)與l的關(guān)系曲線。作R(l)~l曲線，求出截止波長。2.3光纖的傳輸特性及測量

衰減和衰減系數(shù)的定義

光在光纖中傳播的平均光功率沿光纖長度方向呈指數(shù)規(guī)律減少，即：P(Z)和P(0)分別為軸向距離Z處和Z=0處的光功率；是衰減系數(shù)，定義為單位長度光纖引起的光功率衰減，單位是dB/km。

當(dāng)Z=L時(shí)，a(l)表示在波長l處的衰減系數(shù)

注意：（1）假定光纖沿軸向是均勻的，即a(l)與軸向距離無關(guān)。（2）對(duì)多模光纖，必須達(dá)到平衡模分布。

衰減系數(shù)測試方法

可提供單根光纖的衰減，確定連接長度的總衰減，確定中繼距離。對(duì)制造長度所規(guī)定的衰減值應(yīng)在室溫下測量，即10℃~35℃之間，ITU-T的G.650、G.651都規(guī)定截?cái)喾榛鶞?zhǔn)測試方法，后向散射法和插入法為替代測試法。在最新的模型中提出了用譜衰減模型進(jìn)行損耗計(jì)算。

截?cái)喾?/p>

截?cái)喾ㄊ且粋€(gè)直接利用衰減系數(shù)定義來測試衰減的一種測試方法。在不改變注入條件的情況下，分別測出長光纖的輸出功率P(L)和剪斷后約2m長度左右短光纖的輸出功率P(0)，按定義式計(jì)算光纖的單位長度衰減值a(l)，該方法的測試精度最高。

截?cái)喾ǘúㄩL衰減測試系統(tǒng)裝置截?cái)喾ㄋp譜測試系統(tǒng)裝置濾模器被測光纖檢測器放大器電平測量包層模剝除器偏置電路光源注入系統(tǒng)光源單色儀斬波器參考信號(hào)波長控制控制器繪圖儀鎖相放大器檢測器被測光纖包層模剝除器濾模器注入系統(tǒng)光源：激光器或發(fā)光二極管，保持光源強(qiáng)度、波長和位置的穩(wěn)定

光功率計(jì)：光檢測器譜響應(yīng)要與光源的譜特性相匹配，靈敏度線性要好

注入系統(tǒng)：有效的激勵(lì)起基模(LP01模)，可采用光學(xué)系統(tǒng)或一段光纖來接續(xù)

要求：(1)測試系統(tǒng)的高度穩(wěn)定。如光源輸出功率的恒定。(2)合適的注入條件。(3)長短被測光纖與光檢測器兩次耦合接頭損耗一致性好。

利用截?cái)喾y光纖的衰減譜時(shí)，要求光源有與測試相符的波長范圍，采用斬波器進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制，采用鎖相放大技術(shù)，擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍。由于單模光纖的衰減系數(shù)很小，因此對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求比多模光纖的高。截?cái)喾y量精度高，為基準(zhǔn)測試方法，但是每次測量都要剪斷光纖，不適于工程應(yīng)用。后向散射法（第一替代方法）

后向散射法是通過光纖中后向散射光信號(hào)來提取光纖衰減及其它信息，例如光纖光纜的光學(xué)連續(xù)性、物理缺陷、接頭損耗和光纖長度等，是一種間接地測量均勻樣品衰減的方法。

將光功率為P0、脈沖寬度為T0的窄光脈沖信號(hào)注入光纖，由于光纖的衰減，光脈沖信號(hào)在傳輸距離Z后，在Z處的光功率為P(Z)由于瑞利散射，原注入端出射的后向散射光功率為：

令

若光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)沿軸向均勻被測光纖示波器數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)信號(hào)處理系統(tǒng)放大器光檢測器光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)耦合器件光學(xué)系統(tǒng)光源背向散射法測試系統(tǒng)OTDR(OpticalTimeDomainReflectometer)

OTDR送出一窄脈沖，功率為P0，又會(huì)在同一點(diǎn)接收由光纖各處后向散射回來的光脈沖信號(hào)，其功率為Ps(Z)，并將Ps(Z)與Z的關(guān)系經(jīng)過取樣積分器處理后記錄下來，得到后向散射曲線。

由于后向散射信號(hào)很弱，為提高信噪比，采用取樣平均的方法。因?yàn)樵肼暿请S機(jī)的，多次測量取平均后，噪聲平均值越來越小?；ㄙM(fèi)統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間來換取信噪比的改善若光纖軸向不均勻時(shí)，取從兩端測量的平均值為平均衰減系數(shù)，從而消除不均勻性的影響。若光脈沖從起點(diǎn)入射到尾端反射，再返回到起點(diǎn)所經(jīng)歷的時(shí)間為t0，則光纖的長度可用下式計(jì)算

對(duì)純SiO2，N1=1.4616(1310nm)，對(duì)常規(guī)單模光纖，N1=1.467（Δ≈0.4%）

1）光纖輸入端耦合器件產(chǎn)生的菲涅爾反射；2）斜率為一常數(shù)的區(qū)間；應(yīng)為一段無接頭的光纖3）由于局部缺陷、連接或耦合造成的不連續(xù)性；4）由于介電波導(dǎo)本身的缺陷或活動(dòng)連接器引起的反射；5）光纖尾端的菲涅爾反射或光纖的斷裂點(diǎn)。典型的OTDR曲線長度優(yōu)點(diǎn)：單端測試

非破壞性測試

測量方便

若光纖均勻性好，精度可比截?cái)喾◤V泛用于光纖研制、現(xiàn)場施工和工程維護(hù)中光時(shí)域反射計(jì)能測試整個(gè)光纖鏈路的衰減提供和長度有關(guān)的衰減細(xì)節(jié)模場直徑的測量接頭損耗和故障點(diǎn)單端測量事件是指在測試曲線上相鄰兩點(diǎn)損耗大于一定的閾值，分非反射事件和反射事件。反射事件OTDR主要測試內(nèi)容1）距離2）損耗和衰減3）接頭損耗圖2－45用五點(diǎn)法測光纖接頭損耗OTDR的幾個(gè)指標(biāo)動(dòng)態(tài)范圍：始端后向散射電平與噪聲之間的dB差。即所測最大光功率與最小光功率的范圍OTDR的幾個(gè)指標(biāo)盲區(qū)：死區(qū)，決定了其能測量的最短距離。當(dāng)反射光的功率遠(yuǎn)大于散射光時(shí)，造成檢測器的飽和。因?yàn)樵诿^(qū)內(nèi)無法測量，為消除盲區(qū)的影響，可在待測光纖前面接一段1-2km的過渡光纖，使待測光纖位于盲區(qū)外插入法（第二替代測試方法）

用帶活接頭的連接軟纖代替短纖進(jìn)行參考測量，計(jì)算在預(yù)先相互連接的注入系統(tǒng)和接收系統(tǒng)之間（參考條件）由于插入被測光纖引起的功率損耗。顯然，功率P1，P2的測量沒有截?cái)喾ㄖ苯?，精度比截?cái)喾ú钜恍?。它具有非破壞性不需剪斷和操作簡便的?yōu)點(diǎn)，可做成的便攜式儀表，適用與中繼段長總衰減的測量。（a）首先將注入系統(tǒng)的光纖與接收系統(tǒng)的光纖相連，測出功率P1；然后將待測光纖連到注入系統(tǒng)和接收系統(tǒng)之間，測出功率P2，則被測光纖段的總衰減A可由下式計(jì)算Cr、C1、C2分別是在參考條件下、試驗(yàn)條件下光纖輸入端、輸出端連接器的標(biāo)稱平均損耗值（b）首先將參考系統(tǒng)連在注入系統(tǒng)和接收系統(tǒng)之間，測出功率P1；然后測出功率P2，則被測光纖段的總衰減由下式給出

譜衰減模型（第三替代方法）該方法可通過特征矩陣計(jì)算衰減系數(shù)。即對(duì)預(yù)先測量的衰減值進(jìn)行計(jì)算而得出譜衰減，所選用的裝置即是測量單波長衰減的實(shí)驗(yàn)裝置。此方法中光纖的衰減系數(shù)是通過特征矩陣M和向量v計(jì)算出來的。向量v（n個(gè)元素）包含了n個(gè)（3~5個(gè)）預(yù)定波長上（例如1310nm，1360nm，1380nm，1410nm，1550nm和/或1625nm）測量的衰減系數(shù)，矩陣M由下面給出：

A11A12………….A1nA21A22…………..A2n““““““Am1Am2………….Amn式中m為估算譜衰減系數(shù)的波長數(shù)；n為預(yù)定的波長數(shù)。在第一種方法中，M是光纖或光纜提供者提供的特征矩陣，模型化的譜衰減及向量w由下式算出：第二種方法，M為普通矩陣，這時(shí)光纖或光纜提供者應(yīng)提供修正因子e，由下式給出譜衰減：

單模光纖彎曲損耗的測量

1）對(duì)G.652光纖，用半徑為30mm松繞100圈，在1550nm波長測得的損耗增加應(yīng)小于0.1dB。2）對(duì)G.653光纖，用半徑為30mm松繞100圈，在1550nm波長測得的損耗增加應(yīng)小于0.5dB。說明：一是上述100圈大約相當(dāng)于典型中繼距離所有接頭盒中采用的總?cè)?shù)；二是彎曲半徑30mm則是考慮在光纖長期運(yùn)用的條件下不致產(chǎn)生靜態(tài)疲勞的廣泛可接受的最小彎曲半徑。

測量時(shí)，將幾十米被測光纖偶合到測試系統(tǒng)中，保持注入狀態(tài)和接收端耦合狀態(tài)不變的情況下，分別測出松繞100圈前后的輸出功率P1

和P2，彎曲損耗b可由下式計(jì)算出來

測試系統(tǒng)高度穩(wěn)定，保持光纖松繞過程中不受到任何附加的應(yīng)力。多模光纖的帶寬及其測量限制光纖通信系統(tǒng)的傳輸碼速和最大通信容量基帶頻響

00.51.0B調(diào)制頻率fm圖2-50多模光纖帶寬波長色散結(jié)構(gòu)色散總色散模式色散全部模式入射端輸出端時(shí)間時(shí)間時(shí)間時(shí)間時(shí)間時(shí)間時(shí)間時(shí)間時(shí)間時(shí)間時(shí)間時(shí)間時(shí)間時(shí)間時(shí)間時(shí)間入射光脈沖出射光脈沖光纖模1模2模3全部波長波長1波長2波長3圖2-51脈沖展寬示意圖當(dāng)時(shí)的調(diào)制頻率為光纖的帶寬總帶寬

Bm為?；儙?；Bc為波長色散帶寬假定光源譜特性為高斯分布，波長色散帶寬可用下式表示：（MHz）

模畸變帶寬（MHz）每單位長度（km）的帶寬B與全長帶寬的關(guān)系為

（MHz·km）對(duì)一個(gè)單元光纜段，由于接頭造成的模耦合和其他影響，總的?；儙捙c各根?；儙捴g不是線性關(guān)系，而是通常用下式表示

帶寬的測量

介紹國標(biāo)中規(guī)定時(shí)域法和頻域法。1）沖擊響應(yīng)法（時(shí)域法）對(duì)被測光纖輸入脈沖和輸出脈沖進(jìn)行比較，借助于輸入脈沖和輸出脈沖的傅里葉變換，計(jì)算出帶寬及沖擊響應(yīng)。在滿足注入條件下，光源輸出很窄的光脈沖，注入到被測光纖中，經(jīng)光纖傳輸后在終端檢測輸出光功率P2(t)，然后在輸入端檢測輸入脈沖P1(t)，比較輸入輸出脈沖就可得出光纖的帶寬。。包含擾模器的注入系統(tǒng)包層模剝除器器器被測光纖包層模剝除器檢測器記錄系統(tǒng)被調(diào)制的LD光源圖2-52多模光纖帶寬測試裝置對(duì)于高斯脈沖測試要求：光源譜寬窄，滿注入，光纖無微彎頻域法就是利用頻率連續(xù)可變的正弦波調(diào)制光源作為注入信號(hào)，通過注入系統(tǒng)耦合到被測光纖中，測量并記錄幅頻函數(shù)P2(fm)；然后在距注入端2m處剪斷光纖，保持注入條件不變的情況下，測量并記錄短光纖（參考信號(hào)）的輸出P1(fm)；利用式（2.56）得到基帶頻響特性曲線，曲線上-6dB電功率處對(duì)應(yīng)的頻率即為光纖的帶寬。

包含擾模器的注入系統(tǒng)擾模器試驗(yàn)光纖包層模剝除器檢測器記錄系統(tǒng)被調(diào)制的LD光源多模光纖帶寬測試裝置0-20050010006dB帶寬：554MHz長度：1.06km基帶幅度響應(yīng)電平dB實(shí)測的基帶頻響曲線時(shí)域法利用的是脈沖調(diào)制。按照對(duì)脈沖信號(hào)采集及數(shù)學(xué)處理方法的不同，又分脈沖展寬法、快速傅立葉變換法和頻譜分析法。脈沖展寬法就是分別測出長短光纖的輸出脈沖P2(t)和P1(t)，當(dāng)脈沖形狀近似高斯分布時(shí)，分別測出它們的半幅全寬2和1，然后按照下面的公式求出帶寬：

G.651規(guī)定，時(shí)域函數(shù)變?yōu)轭l域函數(shù)，變換方法：對(duì)長短光纖輸出脈沖P2(t)和P1(t)分別進(jìn)行快速傅立葉變換（FFT），求出響應(yīng)的幅頻函數(shù)P2(f)和P1(f)。像頻域法一樣，基帶頻響曲線上的-6dB點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率就是被測光纖的總帶寬。光源：功率、中心波長和譜寬穩(wěn)定，譜寬窄

850nm波長，≤5nm；1300nm波長，≤10nm注入方法，一是均勻模分布注入（滿注入），就是注入光斑有比纖芯大的均勻空間分布和在被測光纖數(shù)值孔徑之內(nèi)的郎伯角分布；二是接近實(shí)際穩(wěn)態(tài)的穩(wěn)態(tài)注入，在滿注入條件下，采用擾模器、濾模器和包層模剝除器來實(shí)現(xiàn)平衡模分布。

單模光纖的波長色散及其測量單模光纖的色散決定著光纖所能傳輸?shù)乃俾?、距離、容量，對(duì)于超長距離、超大容量、超高速率的通信系統(tǒng)有極為重要的意義

測量方法：相移法、干涉法和脈沖時(shí)延法

相移法

假定有波長l1~ln的n個(gè)光源，分別用頻率為f的正弦電信號(hào)調(diào)制，光纖輸入端信號(hào)的初始相位是1~n，用t1~t

n表示傳輸群時(shí)延，則通過被測光纖后的相位分別為：

q1+2pft1…

qn+2pftn

假定通過一段光纖每一波長的參考信號(hào)的時(shí)延都一樣，且用t0表示則測量信號(hào)與參考信號(hào)相比后，每一波長的相位差分別為：

f1=2pf(t1-t0)…

fn=2pf(tn-t0)

相應(yīng)的時(shí)延表示分別為：

t1=f1/2pf+t0

…

tn=fn/2pf+t0

測量時(shí)，為了消除相位旋轉(zhuǎn)數(shù)目的影響，使用的調(diào)制頻率f必須滿足：

(2N-1)p<f1，…，fn<(2N+1)p式中N為相位旋轉(zhuǎn)數(shù)目，于是，相差f1~fn可重新表示為：

f1=f1′+2pN

…

fn=fn′+2pN

相應(yīng)的延遲時(shí)間重新表示為：

t1=(f1′+2pN)/2pf+t0

…

tn=(fn′+2pN)/2pf+t0

從測得的相移量f1′~

fn′就能計(jì)算得到不同波長間的相對(duì)群時(shí)延，而不受初始相位和相位旋轉(zhuǎn)數(shù)目的影響。根據(jù)t(li)得到最佳擬合群時(shí)延t(l)，經(jīng)過數(shù)學(xué)計(jì)算進(jìn)一步得到光纖的色散特性曲線D(l)。

D(l)=dt/dl

當(dāng)D(l)=0時(shí)，就稱之為零色散波長l0

測試裝置

信號(hào)通道光檢測器試驗(yàn)光纖包層模剝除器延遲檢測器信號(hào)處理單元計(jì)算機(jī)時(shí)延發(fā)生器信號(hào)發(fā)生器波長選擇器光源參考通道

單模光纖波長色散測試系統(tǒng)光源采用激光器陣列

波長選擇器可用光開關(guān)

光探測器要求有低的噪聲，波長響應(yīng)要同光源的波長范圍相匹配，可選用PIN-FET或APD-FET組件

參考信道可以是電信號(hào)線，也可以是光信號(hào)線，配置一適當(dāng)?shù)臅r(shí)延發(fā)生器，也可用試驗(yàn)光纖本身作參考通道線

時(shí)延檢測器用來測量參考信號(hào)與被測信號(hào)間的相移，一般使用一個(gè)矢量電壓表。矢量電壓表是一種即能測量正弦信號(hào)的幅度又能測量相對(duì)于參考信號(hào)的相位差的電壓表。

測試和計(jì)算

測試時(shí)，將被測光纖耦合到測試系統(tǒng)中，測量l1~ln被測信號(hào)與參考信號(hào)間的相移，由相移得到時(shí)延差，由測得的一組t1~ln值，然后根據(jù)不同的光纖采用不同的擬合公式進(jìn)行曲線擬合，從而求得擬合公式中的相關(guān)系數(shù)，得t(l)函數(shù)式，再求導(dǎo)dt(l)/dl得出該光纖的波長色散系數(shù)。1）對(duì)1310nm附近零色散而且工作在1270~1340nm波長范圍內(nèi)G.652光纖，所測得的單位長度光纖的群時(shí)延與波長的關(guān)系由三項(xiàng)Sellmeier表達(dá)式擬合：（ps/km）（ps/nm·km）S0是在l0處的色散斜率值，稱為零色散斜率，單位為ps/nm2·km

2）對(duì)1550nm附近零色散的G.653光纖，所測得的單位長度光纖的群時(shí)延與波長的關(guān)系由平方表達(dá)式擬合：

3）對(duì)于1310nm附近零色散而在1550nm波長附近有最小衰減系數(shù)的G.654光纖，在1550nm波長區(qū)所測得的單位長度光纖的群時(shí)延與波長的關(guān)系，由下列公式擬合：

干涉法

第一替代試驗(yàn)方法

僅用一根幾米長的短光纖就可以測量出光纖的色散

干涉法測量原理是按照干涉儀測量原理，即用馬赫—曾特爾(Mach-Zehnder)干涉儀測量被測光纖試樣和參考通道之間與波長有關(guān)的時(shí)延。

用分振幅的方法產(chǎn)生雙光束，實(shí)現(xiàn)干涉。從光源出來經(jīng)波長選擇器的光束被光束分離器1分為兩束光，它們分別經(jīng)過被測光纖和參考光纖傳輸后，又由光束分離器2將兩束光合二為一進(jìn)入光探測器。只要精確調(diào)整參考光纖出射端面與光束分離器件2的距離X，就可使進(jìn)入光探測器中的兩束光滿足相干條件，在鎖相放大器中顯示最大值。

測量時(shí)，保持注入條件不變，測量不同波長點(diǎn)的群時(shí)延。每一個(gè)波