光纤特征参数测量课件

第七章

光纤特征参数的测量前言特性参数的意义1.检测光纤的质量,2.不同类型的光纤的连接3.防止国外的厂家的倾销光纤的特性参数：1.光纤的损耗系数材料的吸收损耗,散射损耗,弯曲损耗2.光纤的色散系数与带宽材料色散,波导结构色散,模间色散3.单模光纤截止波长、模场半径4.光纤的几何尺寸、折射率分布和NA7.2衰减测量

测量光纤的传输总损耗系数衰减系数（db/km）α（λ）＝-10log（Pout/Pin)/L常见的测定方法有：切断法，插入损耗法、背向散射法－b）滤模器

选择性抑制某些模式绕棒式折射液抑模图

c）包层模剥除器

去掉一小段涂敷层，浸入等于或稍大于包层折射率的匹配液中，使包层模被剥除适当的光耦合系统与扰模器，滤模器及包层剥除器一起构成“注入系统”

稳态分布的判断：1扰模后输出功率变化缓慢2看光纤输出近场和远场分布注意：长光纤自动能达到模式稳态分布7.2.2切断法先测量出整个光纤的输出光功率P2（λ），

保持注入条件不变，切断光纤测量2m处输出的光功率P1(λ)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测量特点：基准测试法，属于破坏性测量，测量精度高，误差可低于0.1dB7.2.2插入损耗法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原理：用一根长2m的和待测光纤完全相同的短光纤与光源耦合，校准其输出功率P1作为待测光纤的注入功率Pin特点：测量精度受到耦合接头的精度和重复性影响，但测量简便是非破坏性的散射光到达输入端时的输出功率为：R（z）：反射系数P（z）：光到达待测点z处的功率αs（x）：背向散射光的单位长度衰减系数αi（x）：光信号沿正向传播时单位长度损耗系数Pi：输入功率特点：不仅可测衰减系数，还能确定断点、接头位置，测量光纤长度缺点：1.无法控制背向散射光的模式分布2.对光纤的非均匀性很敏感7.2.1时域法以窄脉冲调制光源，采用满注入方式激励待测光纤，在待测光纤输出断测得输出脉冲P2（t），然后在输入断2m处剪断光纤测得输入脉冲P1（t）,则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，由式得出相应的rms脉宽σ1和σ2，从而求得脉冲响应脉宽所以光纤的脉宽为-3dB脉宽（半高全宽度脉宽）：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7.2.2频域法以连续可调的正弦波调制光源，采用满注入方式激励光纤，在待测光纤输出端测得输出光频函数P2（w），然后在距注入端约2m处剪断光纤，测得输入光频函数P1（w），于是求得基带频响为：H（w）＝P2（w）/P1（w）根据H（w）函数曲线可以确定BT3dB的值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7.3色散测量

色散：在光纤中传播时，不同波长的光波群延时不同设色散与光纤长度成正比（这是合理的），则可用单位长度单位波长间隔内的平均群延时来表示色散程度，定义色散系数为：

则基带带宽与色散系数的关系可表示为：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）1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延时与波长的关系，进而计算出色散系数的方法基本原理是：比较基带调制信号在不同波长下的相位来确定色散特性设光源的调制频率为f（应小于光纤的基带带宽），传播长度L后，波长为λ2的光年个点月波长为λ1的光的调制波形相位差满足下式

所以延时差△t为单位长度平均延时差为测出不同波长下的，算出相应，并表示为：7.4截止波长的测量截止波长λc：使最临近基模的高阶模LP11模截止的波长为单模光纤的截止波长光纤的截止波长类型：1.理论截止波长(由光纤的折射率分布计算出)2.CCITT规定的基准测试方法测得的截止波长3.光缆制造长度的截止波长4.一个中继段中光纤的截止波长7.4.1传导功率法由光纤的传导功率与波长的关系曲线来确定截止波长λc的方法基本原理：当λ0>>λc时，光纤中只有LP01模传播；当λ0接近λc时，光纤中开始出现LP11模，由于LP11模对弯曲敏感程度比LP01模高很多，所以随着λ0的减小，弯曲光纤中的LP11模功率的衰减要比直光纤中的大；因此，根据LP11模的功率急剧衰减的位置，就可以确定截止波长

如下图的传导功率法测量装置待测光纤（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(λ0)、P2（λ0），并令两者比值为7.4.2模场半径法

利用模场半径随波长变化的曲线来确定截止波长在λ0>>λc用单模光纤作参考光纤的R（λ）曲线时，ω0随λ0的减小而呈线性减小；当λ0≤λc时，由于出现LP11模，且LP11蓦地分布范围要大于LP01模，故模场分布会突然变宽，利用这种突变即可准确地测定截止波长

采用横向偏移法（相似于后面模场半径的测量方法）图7.5折射率分布的测量7.5.1折射近场法根据光纤折射光（辐射模）功率与折射率n（r）成正比而建立起来的测试方法θ1θfn2n2n（r）θ2如上图所示,设光以θ1角入射，入射点距轴线距离为r。端面折射角为θf，在纤壁光线进入包层，设折射角为θ2，则由广义折射定律有式7.6.1由式（7.6.3）则有当入射点落在包层上时，n（r）＝n2，折射功率为Pcl代入式（7.6.5）即求得折射率分布n2（r）为：若已测得n2、P0、Pcl、P（r），可由上式求出n（r）式7.6.5式7.6.6式7.6.77.5.2近场扫描法当以非相干光入射光纤端面，且各个模式均匀激励时，光纤输出端的导模功率分布P（r）的变化规律和折射率分布n（r）相似：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：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7.6模场直径的测量模场直径是单模光纤的重要参数，由它可导出等效阶跃光纤（ESF）的构成参数，还可估算单模光纤的连接损耗、弯曲损耗、微弯损耗和光纤的色散值，被称为单模光纤的万用参数除平方律分布光纤外，其它光纤的场分布都不同程度的偏离高斯分布，其模场直径取决于实际场分布与高斯分布的拟合方法。因此，单模光纤的模场直径不仅随测量方法而不同，还受模场直径定义的影响。其四种定义：1.功率传输函数定义模场直径2.最大激发效率定义模场直径3.近场二阶矩定义模场直径4.远场二阶矩定义模场直径由图中的几何关系容易求得对于圆对成光纤，其径向场也为圆对称，因此可令θd＝0而不失一般性，此时式（7.7.1）简化为如果E（r）为高斯分布，则有测出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Wη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）η可表示为f（r）光纤的近场分布G（q）光源的远场分布F（q）光纤的远场分布q＝sinθ/λ0从数学上讲，使η最大等效于使下式ξ最小：f（r）与F（q）都是可测量（近场或远场光功率的平方根）因此有了四种数学上等效的方法来确定Wη:1.测出光纤的近场分布f（r），改变褒姒函数的WG使η为最大，此时WG即为Wη2.测出f（r），改变WG使ξ为最小，此时的WG亦为Wη3.测出光纤的远场分布F（q），改变WG使η为最大，此时WG为Wη4.测出F（q）,改变WG使ξ为最小，亦可求得Wη7.7最大理论数值孔径的测量光纤的数值孔径定义为：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7.7.2远场法光纤的输出远场功率分布P（θ）与θ的关系为P（θ）远场辐射图半角θ处的功率P（0）轴线处（θ＝0）的功率G光纤折射率分布参数NAm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：式7.8.1则式（7.8.1）化为sinθ＝KsNAm这表明，远场辐射角的正弦值与最大理论数值孔径成正比。表7.8.1示出了P(θ)/p(0)=5%时的Ks值G1.01.52.02.5410Ks0.8810.9460.9750.9880.9991.0001.000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θ的正弦值作为数值孔径，则与最大理论数值孔径的差别在g>2时相差很小，因此可以通过测量P（θ）来确定数值孔径，称之为有效数值孔径NAeff7.8高双折射光纤拍长的测量

测试方法：散射光法－－通过测量散射光的偏振特性以确定光纤的拍长透射光法－－通过测量透射光的偏振特性与外加调制因素的关系来确定光纤的拍长7.8.1散射光法1.侧向散射光法xyERSOβψxy分别为光纤的快慢轴Ψ是光矢量E和x轴的夹角这时沿S方向的散射光的光强为对于给定的ψ和β，散射光强只是相位差δ的周期函数，δ的周期变化就形成了被测光纤上周期性变化的明暗条纹优点：设备简单，方便易行缺点：属于破坏性测量目视法不能测量不可见光的拍长低损光纤测量困难光纤若由扭曲会产生误差空间分辨率低2.背向散射光法基本原理：偏振光在Z＝0处耦合进光纤，不断沿光纤传播并受到瑞利散射，部分散射光返回到Z＝0处并保持偏振态不变，检测到的散射光电流变化周期△Z依赖于双折射△β，且有△Z=π/△β=LB/2优点：测量方法简单缺点：空间分辨率太低，测量仪器太贵7.8.2透射