第十章光纤传输特性的测量

第十章光纤传输特性的测量 内容摘要：光纤通信系统中的测量包括光纤传输特性和系统传输特性。光纤特性的测量分为传输特性测量和基本参数测量。光纤的损耗和色散属于传输特性。光纤的光学特性和几何特性则属于光纤的基本参数。第一节光纤特性的测量第二节光纤数字传输系统的传输特性测量（略）

第一节光纤特性的测量 • 包括光纤传输特性测量和基本参数的测量。 • 光纤传输特性测量即光纤的衰减测量和光纤的色散测量。 • 本节重点要求： • 掌握基准测试方法和替代测试方法的概念； • 理解测定光纤的三种测试方法：切断法、插入损耗法和后向散射法； • 了解光纤色散测量的两种方法：相移法、脉冲时延法。 • §10.1.1光纤衰减测量 • §10.1.2 光纤色散测量

§10.1.1衰减的测量 在光纤传输过程中，光信号能量损失的原因是复杂的，有本征的和非本征的，在实用中最关心的是它的传输总损耗。光信号沿光纤传输时，光功率的损耗叫做光纤的衰减。不同波长光的衰减是不同的。衰减以dB为单位。在波长上光沿光纤传输距离L后的衰减定义为： (10-1) 式中，、分别是注入端和输出端的光功率。对于一根均匀的光纤就可以定义单位长度(通常是1km)的衰减叫做衰减系数：（10-2）

光纤的衰减系数是一个与长度无关的参数。 • 下面主要以原CCITT建议的测试方法为基本内容，介绍基准测试方法(RTM)和替代测试方法(ATM)。 • 基准测试法(RTM)： • 是严格按照光纤某一给定特性的定义进行的测试方法； • 替代测试法(ATM)： • 是在某种意义上与给定特性的定义相一致的测试方法。 • 光纤衰减的测试方法有三种：切断法、插入损耗法和后向散射法。其中，切断法属于RTM法；插入损耗法和后向散射法属于ATM法。

1 切断法 • 切断法是严格按照定义建立起来的测试方法，其基本原理如图10-1所示。 • 在稳态注入条件下，首先测出待测光纤的输出光功率，然后保持注入条件不变，在离注入端约2m～3m处切断光纤，测量出短光纤的输出光功率。将作为待测光纤的起端注入光功率，按照定义式(10-1)和式(10-2)就可计算出待测光纤的衰减和衰减系数。 • 图10-1 切断法测量原理图。

在图10-1中，进行单一波长衰减测量时，标准光源可使用谱宽窄的LED或LD，以提高动态范围；激励器的作用是保证光纤输入端激励条件的稳定性，即达到稳态模式分布。在图10-1中，进行单一波长衰减测量时，标准光源可使用谱宽窄的LED或LD，以提高动态范围；激励器的作用是保证光纤输入端激励条件的稳定性，即达到稳态模式分布。使用切断法测量光纤衰减时，测量准确度与光纤切割端面有较大的关系，所以测量样品的端头要严格地处理，端面必须是一个平整的与轴垂直的镜面并保持洁净。由于这种测量方法需要切断光纤，显然它是破坏性的。但是这种方法的测量精度高，可以低于0.1dB，所以它是光纤衰减测量的一种标准测试方法。切断法用于现场测试时很困难、很费时。

2 插入损耗法 切断法用于现场测试时很困难、很费时。因此现场测试时常用插入损耗法代替切断法。其实质是将切断法做成仪器，如图10-2所示。 (1) 由光发射设备和光接收设备组成一个完整的光纤传输系统，待测光纤即为传输部分； (2) 在测试前首先对测量仪器进行校准，用1cm左右长的“短路”光纤连接系统的发射和接收部分，通过调整光源的输出功率使得接收部分显示的功率为0dBm； (3) 然后拆去“短路”光纤，接入待测光纤，此时接收部分显示的即为待测光纤的总平均损耗(dB)。用此值除以光纤的长度即为光纤的损耗系数。

优点： 不如切断法的精确度高。但这种测试方法是非破坏性的，所以测量简单方便，很适合于工程、维护使用。缺点：插入损耗法的测量精确度和重复性要受到耦合接头(或连接器)的精确度和重复性的影响。

3 后向散射法 后向散射法也是一种非破坏性的测试方法，与切断法和插入损耗法有本质上的不同。这种测试只需在光纤的一端进行，而且一般有较好的重复性。原理如图10-3所示。

利用后向散射法研制的一种仪器称为光时域反射器（OTDR），可以测量如下参数：利用后向散射法研制的一种仪器称为光时域反射器（OTDR），可以测量如下参数： (1) 光纤的衰减系数； (2) 提供沿光纤长度损耗特性的详细情况； (3) 可以检测光纤的物理缺陷或断裂点位置； (4) 测定接头的损耗和位置； (5) 测量光纤的长度，等等。 ——所有测试结果都可以在仪器上自动记录和显示出来。

光时域反射计(OTDR)的基本原理如图10-18所示。 • 测量时将大功率的窄脉冲光注入到待测光纤中； • 通过分析光脉冲在光纤中由于后向散射返回到注入端的光信号的变化，可以得到光信号沿光纤传输的情况。图10—4

OTDR作为一种多功能的光纤测量仪器，在实验研究、光纤制造、工程现场和维护测试时都很有用。利用OTDR对光纤测试时的一个典型回波波形(图10-5)。它提供了光纤损耗信息和光纤线路上的中断点(或故障点)的信息。假设在1、2两点上后向散射光的功率分别为P1和P2，两点间距离为L，则在这两点之间的光纤损耗为： (10-3) 图10—5

优点： • 后向散射法是一种对特性均匀、连续、有接头的光纤进行衰减测量的可选之法，它还能够测定物理缺陷和接头的大致位置。 • 后向散射法同样适用于单模光纤的衰减测量，此外,它在研究两路光传输的互相串扰或光纤陀螺仪的灵敏度时也是很有用处的。 • 缺点： • 无法控制后向散射光的模式分布； • 对光纤的非均匀性很敏感。

§10.1.2光纤色散测量 色散是光在光纤中传播时，不同波长的光的群时延不同。在经典光学中色散是用折射率对波长的一阶导数(dn/d)来表示，反映了折射率随波长变化快慢的程度。对光纤来讲，色散是借助某种带有平均概念的量来表示的，即用单位长度、单位波长间隔内的平均群时延来表示。若在光波长为时，单位长度的群时延为，则色散的程度用色散系数来评定，其定义如下：（10-4）色散的测量按照光强度调制的波形来划分有两类方法: 脉冲时延法(脉冲调制)和相移法(正弦信号调制)。

1 脉冲时延法(时域法) 用半导体激光器作为光源测量光纤色散的基本装置如图10-6所示。此装置的优点是设备较简单，动态范围也比较大；缺点是数据点减少，因此有可能影响到测量精度。故它适合于制成仪表化的测试系统。图10-5 时域法测量原理图光源探测器图10—6

脉冲时延法:是通过测定不同波长的窄光脉冲经过光纤传输后的时延差d，直接由定义式得出光纤色散系数的一种方法。脉冲时延法:是通过测定不同波长的窄光脉冲经过光纤传输后的时延差d，直接由定义式得出光纤色散系数的一种方法。按采用的光源来分，主要有两种装置：一种是采用喇曼光纤光源(Raman fiber source)；另一种是用一组激光器作光源，通过变换激光器的方法来改变波长。

脉冲时延法的基本思想是将已知形状的窄脉冲(通常宽度为几百ps)注入待测光纤，由于光纤的色散，光脉冲沿光纤传输后将会发生展宽。测量分2个方面：脉冲时延法的基本思想是将已知形状的窄脉冲(通常宽度为几百ps)注入待测光纤，由于光纤的色散，光脉冲沿光纤传输后将会发生展宽。测量分2个方面： (1) 在光纤输出端记录该展宽的光脉冲波形，由输出脉冲宽度与输入脉冲宽度的差值，可得出色散导致的脉冲展宽。 (2) 由输出脉冲的傅里叶变换和输入脉冲的傅里叶变换可以求出光纤的传输函数，从而可以得出光纤的带宽。时域法(脉冲时延法)的测量精度直接取决于光脉冲的宽度和光探测器的响应速度。无论是半导体激光器还是探测器的响应时间均能达到数10 ps～100 ps，因此利用LD和APD以及相应的技术可以得到很高的测量精度。

2 频域法(扫频法) 频移法又称扫频法。其基本原理与测量线性网络频率响应特性的方法类似。 (1) 利用扫频仪输出各种不同频率的正弦波信号，对光源进行直接强度调制; (2) 光信号经待测光纤传输后由光电检测器转变为电信号; (3) 然后由选平表读出信号的幅度变化，从而得出光纤的频率响应曲线。测量原理如图10-7所示。图10—7

3 群时延相移法 用脉冲法和扫频法测量光纤色散一般适用于多模光纤。对于单模光纤来说，由于只存在模内色散，色散很小，带宽极大，用上述方法测量色散时需要很长的单模光纤，因此一般不采用这两种方法。单模光纤色散的测量可采用群时延相移法。群时延相移法——通过测量不同波长下同一正弦调制信号的相移得出群时延与波长的关系，进而算出色散系数。群时延相移法的本质是通过比较光纤基带调制信号在不同波长下的相位来确定色散的特性。

群时延相移法的基本原理如图10-8所示。 （1）用频率稳定度高的振荡器产生的正弦波信号(频率f0约为30 MHz)，调制波长可变的光源；（2）光信号经待测光纤传输后由光检测器转变成为电信号；（3）相位分析仪可以测出接收信号与参考信号(即图中A、B两点)之间的相位差。光-电转换图10—8

测量时可选择两个不同波长(1、2)的调制光信号，经传输后测出相移1和2。这样，它们的相对相位差为：测量时可选择两个不同波长(1、2)的调制光信号，经传输后测出相移1和2。这样，它们的相对相位差为：（10-5）从而得到相对群时延为：（10-6）所以光纤的色散系数D在1处的大小为：（10-7）式中L为光纤的长度，

根据以上原理，令光波长为λi和λi+1(i＝1，2，3……)即可得到光纤的色散随波长的变化曲线D(λ)。---- 相移法要求的测试设备较为简单，而且正弦信号可采用窄带滤波放大，有利于提高信噪比和测量精度高，因此被广泛应用。

§10.1.3 光纤基本参数的测定 光纤基本参数的测定包括：光学参数和几何参数光学参数（折射率分布、数值孔径、截止波长、模场直径等）；几何参数（纤芯直径、包层直径、纤芯/包层不圆度、纤芯/包层同心度误差等）。可以分项测量，也可以综合测量。常用方法：折射率近场法；近场法；四园容差域法。

（1）折射率分布的测量 （1）折射率近场法原理：光纤折射模（折射光——通过光纤的边界辐射的模而不是传导的模）功率与折射率n(r)成正比。方法：用一个遮光盘吸收光锥内层含有漏模的光，只收集外层的折射光并汇聚到检测器。当注入光斑沿平整的光纤端面直径扫描，因不同直径处的局部折射率不同，所以检测到的折射模功率不同。因此测出折射模功率分布，就能直接得到折射率变化曲线。

（2）近场扫描法——近场图法 依据：非相干光入射到光纤端面，假定整个端面上各单位立体角的入射功率相等——所有模都是均匀激励的，且所有模均匀衰减，模式变换达到平衡分布或稳态。则光纤出射端面的导模功率分布将取决于该点的数值孔径，即： C(r,z)为考虑到漏模的影响而引入的修正因子。

可见：在稳态模式功率分布稳定的条件下，光纤出射端面近场沿直径扫描测量近场的功率分布，将与折射率差成正比，这就可以得到光纤沿直径的相对折射率变化曲线；能得到光纤的折射率剖面的参量。可见：在稳态模式功率分布稳定的条件下，光纤出射端面近场沿直径扫描测量近场的功率分布，将与折射率差成正比，这就可以得到光纤沿直径的相对折射率变化曲线；能得到光纤的折射率剖面的参量。

（2）数值孔径的测量 子午光线的传输：对于空气和纤芯界面，有即：定义为光纤的数值孔径，用NA表示。它的平方是光纤端面集光能力的量度。在空气中的折射率，因此，对于一根光纤，其数值孔径为纤芯和包层的相对折射率差定义为：则光纤的数值孔径可以表示为：

NA是表示光纤波导特性的重要参数，它反映光纤与光源或探测器等元件耦合时的耦合效率。应注意，光纤的数值孔径仅决定于光纤的折射率分布（包括纤芯和包层），而与光纤的几何尺寸无关。 

测量光纤辐射远场图可以确定多模渐变型光纤的最大理论数值孔径。测量光纤辐射远场图可以确定多模渐变型光纤的最大理论数值孔径。因为远场辐射强度达到稳态分布时，辐射强度P满足： Sin()表示在远场角(p)处的远场强度P()与最大远场辐射强度P(0)的比值为P时的远场强度数值孔径。

（3）截止波长的测量 由光纤传输理论得知：要保证单模传输，光纤的归一化频率必须足够小。由关系式：所对应的波长C称为LP11模(基模)的截止波长。传导功率法测量截止波长的原理：光纤的传导功率与波长的关系。纤芯与包层界面缺陷、纵向不均匀、光纤弯曲等影响光纤的附加损耗，尤其在截止波长附近对LP11模的衰减影响极大。当工作波长低于理论截止波长时，光纤中的LP11模急剧衰减。用待测光纤的传输功率谱与参考传输功率谱相比较得到截止波长。

（4）模场直径的测量 横向偏移法：由光纤活动接头的耦合效率与横向失配量的关系曲线来确定模场直径。横向偏移法的模场直径：是功率传输函数与横向偏移量关系曲线上最大值的1/e2处所决定的宽度。

第二节光纤通信系统传输特性的测量 光端机光口传输特性指标的测量： (1)平均发送光功率PT的测量光功率计测量的不是恒定的直流光，而是随机光脉冲序列的平均值——平均发送光功率。 (2)消光比(EXR)的测量定义：全“0”平均发送光功率与全“1”平均发送光功率之比。

(3)灵敏度Sr的测量 灵敏度：在一定的误码率指标下，光端机可接收的最小平均光功率Pr。灵敏度与系统的误码率、传输码速、发送部分的消光比、传输光波形状、接收检测器件的前置放大电路等有关。

（4）动态范围的测量 动态范围：在一定的误码率指标下，接收机允许输入的最大光功率与最小接收光功率之比的分贝值。测量方法：在一定的误码率指标下，直接测量接收机允许输入的最大光功率与最小接收光功率，利用上式即得D。

传输特性测量： （1）误码特性分类：中断业务检测与不中断业务检测。中断业务检测如下图所示。检测时向系统发送相应结构的伪随机码，然后在接收端口用误码仪检测平均误码率劣化分、严重误码秒、误码秒等。

（2）抖动特性测量 抖动：是数字信号脉冲相对于标准时间位置的偏差，包括：输入信号脉冲在某一平衡位置附近的变化，以及提取的时钟信号在中心位置附近的变化。抖动容限：抖动允许的范围称为抖动容限。输入抖动容限：系统允许输入信号的最大抖动范围。可衡量数字设备输入口适宜一定数字信号抖动的能力，与光端机性能有关。无输入时的输出抖动：输入信号无抖动时的光端机输出抖动。抖动转移特性：输入信号的抖动值与输出信号抖动值之比。

第三节光纤测量中的常用仪器 （1）光时域反射计(OTDR) 光时域反射计(OTDR)可以测量光纤衰减、接头损耗、光纤长度、光纤故障点的位置、光纤沿长度的损耗等，其基本原理如图10-18所示。测量时将大功率的窄脉冲光注入到待测光纤中，通过分析光脉冲在光纤中由于后向散射返回到注入端的光信号的变化，可以得到光信号沿光纤传输的情况。

（2）光纤熔接机 • 分类： • 根据操作方式分：人工/自动熔接机 • 根据光纤传输模式分：多模/单模熔接机 • 根据接续过程的监控方式分：远端监控/本地监控/纤芯直视方式 • 注意： • 接头成功率完全取决于 • 端面的制作； • 对各种类型的光纤，熔 • 接前进行参数设置。

（3）光功率记 光功率记——是测量光功率、线路损耗、系统冗余度、接收灵敏度等的基本工具。分类：按功率大小：高光平型、中光平型、低光平型；按功能：普通型、智能化型。性能指标：波长及其覆盖范围、测量范围宽和灵敏度高；自动换档及自动调0、欠过量程指示、具有瞬时值和平均值测试功能。

　　光功率的测量所使用的仪器是光功率计。 它由功率计主机和光接收部分的传感器组成的。对于测量对象波长，要选择与光接收器件灵敏度波长特性相应的传感器，有线电视系统中激光发射机光信号的工作波长有1310nm和1550nm两种。传感器的输入，必须与测量对象相适配，例如有的测量对象是裸光纤；有的是活动连接器的接头，为此应准备各种类型的适配器接到传感器上。功率的测量范围应在－90～＋20 dBm。

（4）误码分析仪 发送部分：时钟发生器：产生规定速率等级的主时钟信号；图案发生器：在主时钟信号的控制下产生各种图案的测试信号；编码器接口：把二进制测试信号转换成HDB3、CMI、NRZ、RZ等接口码输出。

接收部分： 编码器接口：把接口码转换成二进制码输入；时钟发生器：产生与输入端速率等级相同的时钟信号；本地图案发生器：产生与发送部分相同图案的测试序列；同步控制器：确保本地产生的测试序列与发送部分的测试序列相同；比较器：比较本地产生的测试序列与接收到的测试序列并进行行模二加运算，产生误码；显示器：对误码进行记数和处理，并显示结果。测试时，把发送部分输出的测试信号输入到被测系统的输入端，然后在被测系统输出端用接收部分检测，如果产生了错误比特，就有记录和显示。

（5）抖动分析仪 发送部分：调制信号源：产生正弦调制信号；相位调制器：把正弦信号的幅度变化转换为相位的变化，对主时钟的相位进行调制；时钟发生器：产生规定速率等级的主时钟信号；图案发生器：在主时钟信号的控制下产生各种图案的测试信号；编码器接口：转换成线路码输出（抖动幅度和频率受到调制信号控制的测试序列）；

接收部分： 编码器接口：转换成二进制码输入；时钟恢复电路：从接收码流中提取带抖动的时钟信号，经过锁相环产生无抖动的参考主时钟信号，然后将抖动信号和无抖动信号同时送往相位解调器；相位调制器：对送来的2种主时钟的相位进行比较得到原始抖动信号；滤波器：用于限制被测原始信号的频带；电压表：测试原始抖动信号的峰——峰值、正/负峰值、有效值；测试时，把发送部分输出的抖动幅度和频率可调的信号输入被测系统的输入端，然后在被测系统输出端用接收部分检测抖动值。

（6）数字传输分析仪 误码测试仪与抖动测试仪的相当部分的电路相同，故可以组合在一起。构成数字传输分析仪，如图所示。

第十章 光纤传输特性的测量