光纤基本参数及其测量方法知识
光纤基本参数及其测量方法知识 1.单模光纤模场直径的测量
从理论上讲单模光纤中只有基模(LP0l)传输，基模场强在光纤横截面的存在与光纤的结构有关，而模场直径就是衡量光纤模截面上一定场强范围的物理量。对于均匀单模光纤，基模场强在光纤横截面上近似为高斯分布，通常将纤芯中场强分布曲线最大值1／e处所对应的宽度定义为模场直径。简单说来它是描述光纤中光功率沿光纤半径的分布状态，或者说是描述光纤所传输的光能的集中程度的参量。因此测量单模光纤模场直径的核心就是要测出这种分布。
测量单模光纤模场直径的方法有：横向位移法和传输功率法。下面介绍传输功率法。测量系统的原理方框示意如图1所示。
取一段2米长的被测光纤，将端面处理后放入测量系统中，测量系统主要由光源和角度可以转动的光电检测器构成。光纤的输入端应与光源对准。另外为了保证只测主模(LP01)而没有高次模，在系统中加了一只滤模器，最简单的办法是将光纤打一个直径60mm的小圆圈。当光源所发的光通过被测光纤，在光纤末端得到远场辐射图，用检测器沿极坐标作测量，即可测得输出光功率与扫描角度间的关系，P—θ线如图2所示。然后，按模场直径的定义公式输入P和θ值，由计算机按计算程序算出模场直径。
2.光纤损耗的测量
光纤损耗是光纤的一个重要传输参数。由于光纤有衰减，光纤中光功率随距离是按指数的规律减小的。但是，对于单模光纤或近似稳态的模式分布的多模光纤衰减系数a是一个与位置无关的常数。若设P(Z1)为Z＝Z1处的光功率，即输入光功率。若设P(Z2)为Z2处的光功率，即这段光纤的输出功率。因此，光纤的衰减系数a定义为
因此，只要知道了光纤长度Z2-Z1和Z2、Z1处的光功率P(Z1)、P(Z2)，就可算出这段光纤的衰减系数a。测量光纤的损耗有很多种办法，下面只介绍其中的两种办法。
1)截断法 截断法是一种测量精度最好的办法，但是其缺点是要截断光纤。这种测量方法的测量方框如图3所示。
取一条被测的长光纤接入测量系统中，并在图中的“2”点位置用光功率计测出该点的光功率P(Z2)。然后，保持光源的输入状态不变，在被测量光纤靠近输入端处“1”点将光纤截断，测量“l”点处的光功率P(Z1)。这个测量过程等于测了1～2两点间这段光纤的输入光功率P(Z1)和输出光功率P(Z2)，又知道“1”、“2”点间的距离Z2-2l，因此，将这些值代入
即可算出这段光纤的平均衰减系数。
在测量方框图中斩波器(又称截光器)是一种能周期断续光束的器件。例如是一个有径向开缝的转盘。它将直流光信号变为交变光信号，作为参考光信号送到锁相放大器中，与通过了被测光纤的光信号锁定，以克服直流漂移和暗电流等影响，以确保测量精度。
2)背向散射法 测量原理。用背向散射法测量光纤损耗的原理与雷达探测目标的原理相似。在被测光纤的输入端射入一个强的光脉冲，这个光窄脉冲在光纤内传输时，由于光纤内部的不均匀性将产生瑞利散射(当然遇到光纤的接头及断点将产生更强烈的反射)。这种散射光有一部分将沿光纤返回向输入端传输，这种连续不断向输入端传输散射光称为背向散射光。从物理概念上看，这种背向散射光就将光纤上各点的“信息”送回了输入端。靠近输入端的光波传输损耗少，故散射回来的信号就强，离输入端远的地方光波传输损耗大，散射回来的信号就弱。人们就用这种带有光纤各点“信息”的背向散射对光纤的损耗等进行测量。这个测量仪器称为光时域反射仪，简写成OTDR(Optical Time Domain Reflectometer)。一条有代表性的测量曲线如图4所示。
曲线上A、D两个很强的回波对应于光纤的输入端面和输出端面引起的反射。曲线B点对应于一个光纤接头引起的散射回波。C点可能对应于光纤中的一个气泡引起的散射回波。怎样利用光纤的瑞利散射对光纤进行测量，是关于从定量的角度进行讨论。由于现在利用OTDR机器对光纤链路的损耗进行测量时，能直观、直接从OTDR机器内读出所需数据，所以这里不作定量讨论。
光时域反射仪原理方框图，如图5所示。这种仪表的工作原理是：首先用脉冲发生器调制一个光源使光源产生窄脉冲光波，经光学系统耦入光纤。光波在光纤中传输时出现散射，散射光沿光纤返回，途中经过光纤定向耦合器输入光电检测器，经光电检测器变为电信号，再经放大及信号处理送入显示器。其中对信号处理的原因是，背向散射光非常微弱，淹没在一片噪声中，因此，要用取样积分器积分，在一定时间间隔对微弱的散射信号取样并求和。在这过程中，由于噪声是随机的，在求和时抵消掉了，从而将散射信号取了出来。用OTDR除了可以测量光纤的损耗以外，还可以观察光纤沿线的损耗情况，以及某损耗突然变化点的装置，光纤接头的插入损耗等。OTDR还有一个工程上的重大用处，能够方便地找出光纤的断点。现在用OTDR测量光纤损耗是最常用的一种方法。优点是测量非破坏性，功能多，使用方便。但是，在使用时始终有一段盲区。另外用OTDR从光纤两端测出的衰减值有差别，通常取平均值。
3.光纤色散与宽带的测量
光纤的色散特性是影响光纤通信传输容量和中继距离的一个重要因素。在数据信号通信中，如色散大，光脉冲展宽就严重，在接收端就可能因脉冲展宽而出现相邻脉冲的重叠，从而出现误码。为了避免出现这种情况，只好使码元间隔加大，或使传输距离缩短。显然这就使得传输容量降低，中继局距离变短，这是人们所不希望的。在模拟传输中，同样由于色散大，不同频率的模拟光信号频谱不相同，在接收端就会使模拟信号出现严重失真。同样为了避免出现这种情况，只好使传输模拟带宽下降，或传输距离缩短，这是人们所不希望的。为此，高码率、宽带宽模拟信号的光纤通信系统中对光纤的色散就要认真考虑。如同前面所述，因为光纤色散造成光脉冲的波形展宽，这是从时域观点分析的情况，若是从频域角度来看，光纤有色散就表示光纤是有一定传输带宽的。因此脉冲展宽和带宽是从不同角度描述光纤传输特性的两个紧密联系的参量。
从测量方法上与此对应也有两种方法。一种是从时域角度来测量光脉冲的展宽；另一种是从频域角度来测量光纤的基带宽度。
1)用时域方法来测量脉冲展宽 测量原理。首先为了使问题还不至于复杂，假设输入光纤和从光纤输出的光脉冲波形都近似成高斯分布的如图6所示。图6(a)是光纤输出光功率Pin(t)的波形图，从最大值A1降到A1/2时的宽度为Δτ1。图6（b)是光纤的输出光功率Pout(t)的波形图，其幅度降为一半时的宽度为Δτ2可以证明，脉冲通过光纤后的展宽Δτ与其输入、输出波形宽度Δτ1和Δτ2的关系为: (1-1) 由此可见，Δτ不是Δτ2与Δτ1的简单相减的关系。所以，只要将测出来的Δτ1和Δτ2代入上式即可以算出脉冲展宽Δτ。求出Δτ以后，再根据脉冲的展宽Δτ和相应的带宽B间的公式 B＝0.44／Δτ (1-2) 将Δτ代入式中可求出相应的光纤每公里带宽。若Δτ的单位用ns，则B的单位是MHz。
测量方框图。用时域法测量光纤的脉冲展宽(进而计算出光纤带宽的方框图如图7所示)
首先用一台脉冲信号发生器去调制一个激光器。从激光器输出的光信号通过分光镜分为两路。一路进入被测光纤(由于色散作用，这一路的光脉冲信号被展宽)，经光纤传输到达光电检测器1和接收机1，送入双踪取样示波器并显示出来，这个波形相当于前面讲的Pout(t)。另一路，不经过被测光纤，通过反射镜直接进入光检测器2和接收机器2，然后也被送入双踪示波器显示出来。由于这个波形没有经过被检测光纤，故相当于被测光纤输入信号的波形，即相当于Pin(t)。从显示出的脉冲波形上分别测得Pin(t)的宽度Δτ1和Pout(t)的宽度Δτ2。这样就可将Δτ1和Δτ2代入式(1-1)及(1-2)最终算出带宽B。最后还应该指出，用这种方法测量单模光纤比较困难，因为其Δτ太小。
2)用频域法测量光纤带宽 频域法测量，就是用一个扫频振荡器产生的频率连续变化的正弦信号去调制激光器，从而研究光纤对于不同的频率，来调制的光信号的传输能力。具体的说，就是要设法测出光纤传输己调制光波的频率响应特性。得到了频率响应特性后，即可按一般方法求出光纤的带宽。
设Pin(f)为输入被测光纤的光功率与调制频率f间的关系。Pout(f)为被测光纤输出的光功率与调制频率f关系。则被测光纤的频率响应特性H(f)为H(f)＝Pout(f)／Pin(f)，若以半功率点来确定光纤的带宽fc即10lgH(f)=10lg[Pout(f)/Pin(f)]＝10lg1／2＝-3dB。fc称为光纤的3dB光带宽。用频域法测量光纤带宽的方框图如9所示：
由于测量光纤的频率响应特性，需要测出输入光纤的光功率特性和从光纤输出的光功率特性，即需要得到两个信号，故在图9中用一条短光纤的输出光功率来代替被测光纤的输入光功率。在图9中，由扫频信号发生器输出一个频率连续可调的正弦信号。利用这个信号去对激光器的光信号进行强度调制，然后将这个已调光信号耦合入光开关，由光开关依次送出两路信号，一路光信号进入短光纤，经短光纤后面过光电检测器送入频谱分析仪。用短光纤的输出信号来代替被测光纤的输入信号(由于光纤短，经过传输后信号变化很小，故可以认为即是输入信号)。另一路光信号是经过光开关送入被测光纤，由连续的正弦波调制的光信号经过光纤传输，携带了被测光纤对不同调制频率光信号的反应，从光纤输出，经光电检测器送入频谱分析仪。这样频谱分析仪中就得到了被测光纤的输入和输出两种光信号，因此，就可得到被测光纤的频率响应，从而可测出光纤的带宽。
