光纤特征参数测量

1、第七章第七章 光纤特征参数的测量光纤特征参数的测量光源注入系统被测光纤探测器斩 波 器参考信号锁相放大器12偏置电路注入系统探测器放 大 器光源被测光纤耦合接头12探测器光源分光束耦合器透镜待测光纤大功率窄脉冲光信号注入，然后在同一端检测沿光纤背向返回的散射光功率（主要为瑞利散射），测量散射光功率就可获得传输时光的损耗信息zzdxxsxiPizRdxxszPzRPs00)()(exp)()(exp)()(R（z）：反射系数P（z）：光到达待测点z处的功率 s（x）：背向散射光的单位长度衰减系数 i（x）：光信号沿正向传播时单位长度损耗系数Pi： 输入功率a段：由于耦合设备和光纤前端面菲涅尔反射

2、引起的回波脉冲B段：光脉冲沿具有均匀特性的光纤段传播时的背向散射曲线C段：光纤的高损耗区D段：光纤断点E段：终端菲涅尔反射引起的回波脉冲由于Ps（L）采用了对数坐标，故其曲线的斜率就是损耗值abcdedtiwtthwH)exp()()(dwiwtwHth)exp()(注入要求： 满注入，即激励所有的传导模式，dthtPthtPtP)()( 1)(*)( 1)(2即输出脉冲应等于输入脉冲与脉冲响应h（t）的卷积，响应的傅氏变换关系式为 P2（w）H（w）P1（w）测得P1（t）和P2（t）的-3dB脉宽，由式2ln223dB得出相应的rms脉宽1和 2，从而求得脉冲响应脉宽2122/1874.

3、03dBBW-3dB脉宽（半高全宽度脉宽）：dBwPwPwHc321lg10)()(lg10)(lg1012脉冲发生器激光器注入系统光探测器取样示波器计算机被测光纤时域法基带展宽测量系统E/O注入系 统滤模器包模层剥除O/E频谱分析仪数字寄存器被测光纤扫频信号发生器跟踪同步信号频率计频域法基带展宽测量装置ddD)()(则基带带宽与色散系数的关系可表示为：)(/4433DBWdB测量方式按光强度调制的波形来划分有： 相移法（正弦信号调制） 脉冲延时法（脉冲调制）tf2)()(所以延时差 t为)2/()(ft单位长度平均延时差 为fLLt2/ )(/测出不同波长下的 ，算出相应 ，并表示为：)(i

4、)(ii4224)(EDCBA2354224)(EDCBddD相移法测试装置图示例2.脉冲延时法 测定不同波长的窄光脉冲经光纤传输后的延时差，直接求出色散系数待测光纤（2m）打一个104mm的大圆圈，同样参考光纤打一个半径30mm的圆圈，当被相同的注入条件激励时，分别测出输出功率P1(020)()(lg10)(02010PPR1f n2n2n（r）2如上图所示,设光以1角入射，入射点距轴线距离为r。端面折射角为f，在纤壁光线进入包层，设折射角为2，则由广义折射定律有22coscos)(nrnf式7.6.1frnnsin)(sin12假定光纤处于折射率匹配液中，入射媒质折射率近似于包层折射率相等

5、，则计算可得222222212sin)(sinnnrn探测器接收所有逸出光纤纤芯的折射功率，则有min12max12020sinsin120sinsin)(sin2)(max12min12PddPrPmax1入射光源的最大孔径角产生折射光的临界角min1式7.6.2式7.6.3式7.6.422222min12max120)(sinsin)(nnrnPrP当入射点落在包层上时，n（r）n2，折射功率为Pcl)sin(sinmin22max120 PPcl代入式（7.6.5）即求得折射率分布n2（r）为：022222)()(PrPPnnrncl若已测得n2、P0、Pcl、P（r），可由上式求出n（

6、r）式7.6.5式7.6.6式7.6.7garPrP)/(1) 0()(因此，在光纤输出端近场沿直径扫描测得功率分布P（r），就得到了光纤沿直径的相对折射率变化曲线：) 0 ()(2)(222212PrPnnnnrn由此还可测得折射率分布参数g近场扫描法精度比折射近场法要差一些2020) , (),(),( drrdrErEdTdE（r， ） 光纤中归一化场分布E（r, ） 同样的场在某一固定方向 d上偏移d之后的场分布式7.7.12/ 122)sinsin()coscos(dddrdrr)coscos/()sinsin(dddrdrtg对于圆对成光纤，其径向场也为圆对称，因此可令d0而不失一

7、般性，此时式（7.7.1）简化为220022)cos2()()( rdrdrddrErEdT20)/(exp)0()(wdTdT测出T（d）曲线，即可取T（d）下降到中心最大值的1/e处对应的横向位移值为模场直径W07.6.2传输场法 根据最大激发效率定义模场半径W 当以场分布为g（r）的光源激发单模光纤时，激发效率（耦合效率） 可表示为 002220002220)()()()()()()()(dqqqGqqFqGqqFdrrrgdrrrfdrrgrrf从数学上讲，使最大等效于使下式 最小：dqqGqFqdrrgrfr2002)()()()(f（r）与F（q）都是可测量（近场或远场光功率的平方

8、根）因此有了四种数学上等效的方法来确定W :1.测出光纤的近场分布f（r），改变褒姒函数的WG使为最大，此时WG即为W 2.测出f（r），改变WG使为最小，此时的WG亦为W 3.测出光纤的远场分布F（q），改变WG使为最大，此时WG为W 4.测出F（q）,改变WG使为最小，亦可求得W 2221sinnnnNAimi由此即得两种数值孔径的测量方法：折射近场法与远场法7.8.1折射近场法 此方法与测试折射率分布n（r）方法相同，由测得的n（r）曲线可求得n1和n2，代入上式就能得到NA的值，这种方法得到的数值孔径通常称为标称数值孔径或最大理论数值孔径gmNAPP/222sin1)0()(P（ ）远场辐射图半角处的功率P（0）轴线处（ 0）的功率G 光纤折射率分布参数NA m 最大理论数值孔径若设Ks为与远场功率分布有关的比例系数：2/)0(/)(1gsPPK式7.8.1则式（7.8.1）化为sin K s NA m表7.8.1 比例系数Ks值表从表中可知，若取功率下降到中心最大值的5时的的正弦值作为数值孔径，则与最大理论数值孔径的差别在g2时相差很小，因此可以通过测量P（）来确定数值孔径，称之为有效数值孔径NAeffxyERSOx y分别为光纤的快慢轴是光矢量E和x轴的夹角对于给定的和，散射光强只