光纤传输性能检验

第三章 光纤传输性能检验 对光纤光缆来说，其传输性能主要对缆中光纤而言的，其传输性能的检测项目主要有光纤衰减系数（损耗）、光纤色散或带宽、波长附加衰减、光纤截止波长等。 第一节 光纤损耗特性测量 在作为介质的光纤中传输的光信号，其幅度要随着光纤距离的增加而降低，即光纤受到损耗，其信号形状也要发生变化逐渐模糊起来，即光能逐渐散开，前者是由于光纤传输损耗特性造成的，而后者是由于光纤传输带宽特性（色散）造成的。 一、光纤损耗机理 光纤通信是随光纤损耗逐年降低而发展起来的，光纤通信中继距离是否能延长，就光纤本身而言，除受光纤的色散限制外，主要取决于光纤的损耗能否降低。 光纤传输损耗的定义：当光信号通过单位长度光纤时，其输入、输出两端光功率之比的对数用来征这段光纤的传输损耗特性。 α=10lg Pi/Po dB/km 式中Pi——入纤光功率 Po——出纤光功率 若光信号经过长度为L一段光纤，则入纤、出纤光功率Po、Pl之间由如下关系： Pl=Po*10-（αL/10dB） 从上式可以看出，低的光纤损耗系数比高的入纤光功率更重要。因为入纤光功率Po和出纤光功率Pi是线性关系，而与损耗系数α是指数关系。 造成光纤损耗的原因是多方面的，其损耗机理非常复杂，现将造成光纤损耗的原因鉴定归纳如下： 名称 原因 吸收损耗 本征吸收 杂质吸收 原子缺陷吸收 散射损耗 瑞利散射 结构不完善引起散射 弯曲损耗 光纤弯曲 1、 吸收损耗 吸收损耗是制造光纤的材料自身，以及其中的过渡杂质和氢氧根OH-离子对光的吸收而产生的损耗。 （1） 本征吸收损耗 本征吸收损耗是由光纤中传输的光子流（光波）将光纤材料中的电子激发到高能级时，光子流的流量将倍电子吸收，引起损耗。如下图： 这种吸收损耗对于波长小于0.4um的紫外区中的光波表现得特别强烈，形成所谓紫外区中的电子吸收带。它的吸收损耗曲线已延伸到光纤通信波段（即0.8~1.7um的波段，参见图1.1），在短波长范围内，引起的光纤损耗小于1dB/km，在长波长范围内，引起的光纤损耗小于0.1dB/km。 光纤材料本身原子间的特殊化学键，形成晶格振动，具有特征振动频率。光纤中传播的电磁波（即光波）与晶格振动相互作用，将使电磁波的能量倍晶格振动所吸收，引起损耗。参见上图，这种吸收损耗对于近红外区中大于2um的光波，表现得特别强烈，形成近红外到远红外的晶格振动吸收带，它在光纤通信波段影响不大，对于短波长光纤不引起损耗，对于长波长光纤引起损耗远小于1dB/km。 以上两种吸收带，构成了光纤的本征吸收损耗带。本征吸收损耗是光纤材料本身所固有的，只能通过合理地选择光纤掺杂材料来减小本征吸收。实验表明，当工作波长较长时，掺GeO2杂质的光纤是最理想的，用GeO2-SiO2材料制成的单模光纤，在波长1.55um处测得损耗低于0.2dB/km。 （2） 杂质吸收损耗 一般光纤中有害杂质主要是铁、钴、镍、铜、锰、铬、钒等过渡金属和氢氧根OH-，这些杂质离子在光纤中传输的电磁场（光波）作用下，将产生振动吸收引起损耗。降低光纤中过渡金属杂质含量比较容易，目前已可以使他们的影响降低到了忽略的程度。但是光纤材料中所含的OH-根离子的振动吸收影响比较大，尽管它的含量较其他过渡金属杂质的含量低几个数量级时，也是如此。OH-根离子的振动基波为2.73um，振动二次谐波为1.38um，振动三次谐波为0.95um，它的各次振动谐波和它们的组合波，将在0.6~2.73um的波长范围内，产生若干个吸收峰。如下图给出了某一光纤的损耗谱曲线。 其上的三个吸收峰就是OH-根离子造成的。由该图看出，OH-根对长波长1.38um附近的振动吸收特别强烈，这对长波长光纤通信是不利的。不过随着对已可以设法使OH-根离子的吸收峰在整个0.7~1.6um波谱范围内基本消失，得到如下图的损耗谱曲线。 （3）原子缺陷吸收损耗 通常在光纤的制造过程中，玻璃光纤材料受到某种热激励火光辐射将会产生原子缺陷，而吸收光能引起损耗。原子缺陷吸收，可以通过选用合适的制造工艺和不同的掺杂材料及其含量使之减少到忽略不计的程度。 2、散射损耗 （1） 瑞利散射损耗 通常由于光纤材料密度的微观变化，以及所含的SiO2、GeO2和P205等成分的浓度不均匀，使得光纤中出现一些折射率分布不均匀的局部区域（这些局部区域的几何尺寸可与光波长相比拟），从而引起光的散射，将一部分光功率散射到光纤外部，引起损耗。这种散射称为瑞利（Rayleigh）散射，它引起的损耗与λ－4成正比。由下图可看出，瑞利散射损耗随波长的增加而及剧减小，对于短波长光纤的损耗主要取决于瑞利散射损耗。 （2） 由光纤结构不完善引起的散射损耗 一般在制造光纤的过程中，可能在纤芯和包层的交界面上出现某些缺陷，残留一些气泡和气痕。这些结构上不完善的几何尺寸远大于光波，引起与波长无关的的散射损耗，它将使整个光去损耗谱曲线上移。不过，随着光纤制造工艺的不断改进，已将它降到了可以忽略的地步了。光纤结构不完善还可以使光纤的外径和圆度不均匀，这种不均匀也可以引起散射损耗。 以上两种散射的性质不同，瑞利散射是光纤材料的本征型散射，而光纤结构不完善引起的散射是光纤制造工艺带来的，它是非本征型散射。 3、光纤弯曲损耗 光纤弯曲将引起辐射损耗，实际中，光纤可能出现两种情况的弯曲，一种是曲率半径比光纤直径大得多的弯曲，称为宏弯，例如敷设光缆时就有可能出现这种弯曲。另一种是微弯曲，所谓微弯曲就是光纤受到不均匀应力的作用，光纤轴产生的微小不弯曲。其结果是传导模变换为辐射模而导致光能的损耗。产生微弯曲的原因很多，光纤和光缆的生产中，限于工艺条件，都可能产生微弯曲，不同曲率半径的微弯曲沿光纤随即分布，大曲率半径的弯曲光纤直光纤中传输的模数量要少，有一部分模辐射到光纤外引起损耗。随机分布的光纤微弯曲将使光纤中产生模式耦合，引起模间反复耦合，造成能力辐射损耗。光纤的弯曲损耗不可避免，因为不能保证光纤和光缆在生产过程中或使用中，不产生任何形式的弯曲。 综上所述可知，本征吸收和本征散射（瑞利散射）以及OH-根离子吸收，是引起光纤损耗的主要机理。它们引起光纤损耗的主要特征于光纤的工作波长有关。因此，这就决定了光纤损耗值随其工作波长不同而不同，形成了所谓损耗谱曲线。在下图所示的光纤损耗谱曲线上，标明了三个常用的低损耗窗口，其中波长微0.85um附近的低损耗窗口是70年代初确定的，是为了和当时生产的半导体激光器发射的波长一致。到了70年代末，又获得了损耗更低的长波长光纤以及和它相配合的半导体激光器件，因而形成了波长为1.3um和1.55um附近的两个低损耗窗口。从此长波长光纤通信系统受到重视，并构成了光纤通信发展史的第二代和第三代。 下表的目前光纤所能达到的损耗值： 波长 单模光纤 多模光纤 损耗机理 理论极限 实际达到值 理论极限 实际达到值 0.85 1.9 1.9 2.50 2.12 本征吸收 本征散射 1.3 0.32 0.35 0.44 0.42 1.55 0.18 0.20 0.22 0.23 二、光纤传输损耗检测 国际电报电话咨询委员会（CCITT）、国际电工委员会（IEC）和国家对于光纤的主要性能指标与测量方法已有明确规定。CCITT标准在G.651建议中规定了多模光纤的特性及测量方法；在G.652建议中规定了1.31um单模光纤的特性和测量方法；在G.653建议中规定了1.55um色散位移光纤的特性和测量方法；在G.654建议中规定了1.55um波长区域最小损耗单模光纤的特性和测量方法；而在G.650建议中规定了所有单模光纤的传输特性和测量方法；在国家标准GB8401-87中规定了光纤的传输特性和光学特性测量方法；在GB8402-87标准中规定了光纤的结构尺寸及其测量方法。 1、光纤损耗测量原理 在光纤中传播的光信号其能量逐渐被损耗，其主要原因是瑞利散射和杂质吸收造成的。现在单模光纤在1550nm出损耗已低于0.18dB/km，即每公里光纤光公里损耗仅为3.5%。 关于光纤损耗系数的测量方法有剪断法、插入损耗法以及背向散射法等。这些方法对单模和多模光纤基本相同，只是这里测得的多模光纤损耗系数是各种模式损耗的统计平均结果。 剪断法测量比较正确，但是对于实际工程应用这种方法不实用。插入法损耗（补偿）法要求一段短光纤其性能与待测光纤相似，并且要求两者光信号注入的条件一致，测量方法比较麻烦而正确度又不如剪断法。经常采用的光纤损耗系数测量法是背向散射法，这里仅介绍方便实用的背向散射法。 瑞利散射是背向散射测量法的基本原理，当光信号在光纤中传播时，在各点发生瑞利散射处都产生背向散射光，这些向背散射形成的反射光返回到光纤入射光信号端，通过对这些反射信号的，便得到光纤损耗系数。下图是其工作原理： 由光脉冲发生器产生的光功率为Po的光脉冲，在t=0时刻注入光纤中，经过△t时间后，光信号传播距离S=L处，显然： L=C/（nk*△t） 式中，C——光在真空中的传播速度 nk——纤芯折射率 光信号在长度为L各点上都产生瑞利散射，汇成反射光经过光纤的衰减返回到光纤入射端，其反射功率为P（2△t）。反射光功率经过放大等处理后可接到示波器y轴上，而光脉冲经O/E转换和延迟后接到示波器的水平X轴上。但是为测量阅读方便，避免麻烦的换算，利用L=C/（△t*nk）关系将时间轴变换为光纤传光距离S的坐标轴，而将反射光功率经过O/E变换、放大以及对数处理后接到y轴上，这样从示波器屏幕上可直接看到如图所示的背向散射功率曲线。 利用背向散射功率曲线，可以观察光纤各点背向散射光功率，从而知道各点光纤损耗情况，其任意段光纤损耗系数都可从下式计算出来： α=（5/（L2-L1）lg（P（L1）/P（L2）） 其中：P（L1）、P（L2）分布对应于L1、L2点瑞利散射功率。 光时域反射仪OTDR就是按上述背想散射原理工作的，OTDR除了可以测量光纤损耗外，还可以用于光纤断裂故障定位和检测光纤接头损耗。为了提高测量正确性，一般要进行多次测量，并且光信号要分别从两个方向注入进行正反向测量然后计算平均值。 2、 测试条件 测试的条件改变将影响测试结果的正确性和重复性，因此在光纤损耗测试中对测试条件有相应的规定。 （1） 测试设备应按规定进行定期校验，以保证良好的使用状态和必要的精确度和稳定度。 （2） 应在正常的大气条件下进行测试。正常的大气条件为：温度15~35℃；相对湿度为45%~75%；气压在36~106kPa。 （3） 在整个测试期间，温度和湿度应保持稳定。如相对湿度或气压对测试结果无影响，则可在当时的相对湿度和气压条件下测试。 （4） 应满足测试方法对防震和防尘的要求。 3、 试样制备 （1）测试中所用的试样必须是制造长度的成品光缆或光纤，或从制造长度上截取的一段，也可以若干根制造长度光纤连接起来的短段。 （2）长度应满足所测定的参数和测试方法的要求，试样应标记识别成品光缆（光纤）的端别。 （3） 试样的端部应进行处理，端面必须平整、清洁、光滑并与轴线垂直。 （4） 测试时试样的弯曲半径应足够大。 4、 测试操作 5、 测试结果和记录 第二节 光纤的传输带宽（色散）测试 当数字光脉冲信号在光纤中传输时，光信号逐渐模糊展宽，但是在输出端仍然可区分原输入光信号的情况下，所允许的光脉冲最高频率，称为此段光纤的最大可用带宽。由于光纤带宽表现为通过它的光脉冲最高频率受到限制，因而光纤的带宽特性可以等效于一个低通滤波器，其截止频率为光纤带宽。 由于光脉冲展宽依赖于光纤的长度，所以光纤带宽这个物理量用允许通过信号的最高频率与光纤长度的乘积来表征。为了对光纤带宽性能进行比较，一般光纤长度都取单位长度，并为了书写方便又往往将长度单位（km）省略。这样在一般光纤产品说明中，带宽就只用频率单位表示了。 一、形成原因 一般认为光纤带宽受到限制的主要原因是光纤波导中的色散引起的。色散效应主要有两种类型：模展宽与材料波导色散。 （1） 模延迟展宽 在多模光纤中饭，可允许成百上千个模传输，即有成百上千个传播路径。下图是其模延迟展宽示意图： nM A A1 nk 由上图可知，同时由光源A发出相同波长的光，要以相同的速度，经过不同路径达到远端A1，由于传输延迟不同，不能同时到达A1点，因而使光能散开，这就是模延迟展宽。 由于路径不同而速度一样，造成信号传输的延迟差可由下图计算获得。 由图计算光线AC相对光线BC产生的延迟差，设AC=1，则BC=1/COSrG，其延迟差δTmax，则有： C1/COS-1 δTmax= C/nK 由于rG是是全反射角，所以COSrG=nm/ nK，将其代入上式得， δTmax=△* nK /C （ns/km） 尽管△、nK 愈大则数值孔径愈大，入纤光功率可以大些，但是上式表明，△、nK愈大，则延迟愈大。δTma则光纤带宽愈窄，因此△、nK 只能取折中值。 (2)材料散射与波导色散 材料色散反映在对于不同波长的光，光纤纤芯介质的折射率不同，而波导色散反映基模在纤芯、包层种光能的分布与波长相关。即相对折射率差△是波长的函数，可以通过改变玻璃光纤的掺杂来控制材料色散特性，而用改变折射率分布结构来控制波导色散。 在波长1310nm石英玻璃可以控制材料色散正值，正好等于波导色散负值，使之色散总和趋于零。下图是硅玻璃的相对折射率n和群折射率ng与 波长的关系。 由上图可知，随着光波长的增加，折射率下降，因而使不同波长的光在光纤种传播的速度不同。由于光源发出的光有一定的谱宽，即发出的光能是按一定频谱分布的，这样，在单模光纤中虽然基本路径是一个，但是由于光波的波长不同而折射率不同。因此导致尽管不同波长的光同时从光源A点出发，并且走相同的路径，却由于不同速度而不能同时达到A1点，使光能散开。同样由于不同波长的光对应不同的△、λ，也会使光能散开，这些是使单模光纤带宽受到限制的主要原因。 二、光纤带宽测量方法 如前所述，光纤的传输带宽是光纤重要特性之一。它表现为光纤的模展宽和各类色散特性对于所载信号最高频率的限制。 由于限制多模光纤带宽起主导作用的因素是模展宽，而限制单模光纤带宽起主导作用的因素是各类色散，因此两种光纤带宽的计算公式和测量方法不相同。 1、 多模光纤带宽的测量方法 关于多模光纤带宽及测量方法在CCITT标准G.651建议、国际标准IEC793-1-C4、IEC793-1-C5和国家标准GB8401.5-87和GB8401-6-87中都有明确规定，这里扼要说明如下。 从光脉冲被光纤展宽的角度出发，可按下式计算光纤的近似带宽： 式中： —— 是入射光的半幅值宽度； ——是出射光脉冲的半幅值宽度； 另一方面，可从允许所载光信号最高频率角度出发讨论光纤带宽。若光载体所载信号频率为fm，则入射端测得光功率分别为Pi（fm）和Po（fm）将H（fm）=Po（fm）/Pi（fm）称为光纤的传递函数，其典型的传递函数曲线如下图： 其中H（0）是fm=0Hz时传递函数幅值。 这样可由曲线定义光纤带宽，即光所载信号光功率相对于所载零频信号幅值下降3dB（50%）时，所载光信号频率为光纤传输带宽（B）。下式是其定义 ： H（fmB） =0.5 B=fmB H（0） 具体测量方法： 频域测量法。这是一种简易可行的测量方法。在光纤入射端，保持入纤光功率幅值恒定，并且连续提高光波所载信号频率。这样在出射端可测得传递函数的副的值。当出射端光功率减少到零频信号输出幅值的一半时，此时入射光在信号频率即是光纤的带宽。 时域测量法（脉冲变形法）。这种测量方法是以光纤种传输的光脉冲信号被展宽为基础进行测量的。它是将一窄光脉冲信号注入被测光纤，经过反复多次测量输出光脉冲半幅值宽度，得到τo、τi的平均值，然后将τo、τi代入下式进行计算从而得到带宽B。 2、 单模光纤带宽计算和测量方法测量 单模光纤的带宽是由于各类色散特性对于其传输型号嘴乖频率限制和、决定的。一般地色散系数按下式定义： D（λ）=4τ（λ）/△λ （PS/nm.km） 上式表示波长在λ+△λ/2~λ-△λ/2范围（谱宽为△λ）光信号通过单位长度（1km）光纤产生的群延时差△τ（λ）。对于材料色散系数可以定义为： 将L*△τ（λ）= D（λ）*△λ*L= τ02-τi2代入上式得： 式中：D（λ）——色散系数，单位为PS/nm.km · λ——光信号源谱宽，单位为nm L——光纤长度。单位为km 一般色散由材料色散（Dm）、波导色散（Dw）和折射率分布色散（Dp）几部分组成。因此可调整色散系数为正值或负值，将正、负两种色散系数光纤熔接起来，可使总色散系数趋于零。 单模光纤代宽的测量只要有相移法、脉冲时延法已经干涉法。相移法是测量单模光纤的基准方法（RTM），它是通过测量不同波长的光波经光纤后产生产生的相移差测量计算时延差的一种方法。脉冲时延法将不同波长的光脉冲分别通过光纤，通过它们产生的时差测量计算得到色散系数；干涉法是利用两类相干光分别通过被测光纤和参考光纤，通过调整参考光纤出射端面，使两束输出光再次相干，根据不同波长的光调整位置的不同计算出群时延△τ（λ），从而得到色散系数D（λ）。 三种方法都是首先测量得到色散系数D（λ），然后有上式计算出光纤带宽。 第3节 截止波长测量方法 如前所述，对于一根光纤是多模光纤还是单模光纤是相对于它的工作波长而言的。在光纤波导种，截止波长是用于表征只能传输基模的最低工作波长，用λc表示。若工作波长高于λc，则高次模被截止，仅传导基模，此时光纤称之为单模光纤；若工作波长低于λc，则高次模被传导，此时称之为多模光纤。 截止波长的定义有多种，如理论截止波长（λct）、涂覆光纤截止波长（λc）、成缆光纤截止波长（λcc）以及有效截止波长（λce）等等。光通信工程上最关心的是λc和λcc，一般地λcc小于λc，对于1.3um波长区域λcc取小于1270nm。这节中主要讨论的是λc。显然，截止波长与光纤结果（例如纤芯折射率nk、纤芯直径a、折射率分布以及相对折射率差等）相关，也与光纤长度相关。 测量截止波长的方法有多种，最有价值的弯曲法（也称截止波长法）。其弯曲法测量截止波长的过程是这样的： 首先将一根2m长的待测光纤放置于直线状态下，测量其光功率损耗，然后将光纤在一直径为30mm的圆轴上绕一圈，再测量其光功率损耗；然后计算各种波长下在两种状态下光功率损耗差，其中对应于差为0.1dB的波长即为截止波长λc。即截止波长的定义是在截止波长下由于弯曲增加的损耗是0.1dB。 Ng=n-λ（dn/dλ） n n、ng 1.49 1.45 1.42 λ 2000 1000 光脉冲发生器 分束器 待测光纤 延迟电路 光检测电路 信号处理电路 示波器 (L) X y (P) t=0 s=0 P=P(0) △t L P（L） P（L1） P（L2） O L1 L2 光纤长度km ① ② ② ③ ①光纤输入端菲涅尔反射区 ②接头损耗区 ③光纤输出端菲涅尔反射区 0 B fm 0.5 1.0 H（fm） H（0） 光纤的传递函数 441 B= τo2-τi2 441 B= τo2-τi2 1 dng（λ） 1 d△τ（λ） Dm（λ）= * = * C dλ L dλ 441 B= GHz D（λ）*△λ*L