(高清版)GBT 15972.49-2021 光纤试验方法规范 第49部分：传输特性的测量方法和试验程序 微分模时延

代替GB/T15972.49—2008光纤试验方法规范第49部分：传输特性的测量方法和试验程序(IEC60793-1-49:2018,Opticalfibres—Part1methodsandtestprocedures国家标准化管理委员会国家市场监督管理总局发布国家标准化管理委员会IGB/T15972.49—2021 Ⅲ 12规范性引用文件 1 1 2 2 3 3 36.3扫描尾纤 46.4扫描台 4 4 4 46.8采样与数据处理 56.9计算装置 56.10系统性能 57采样与样品 67.1样品 67.2样品端面 67.3样品长度 67.4样品放置 67.5样品定位 6 7 7 78.3样品测试 7 78.5基准试验方法 7 8 8 89.3最小计算有效模式带宽(minEMBc) 99.4长度归一化 10.1需要报告的信息 ⅡGB/T15972.49—202110.2需要时提供的信息 附录A(规范性附录)光源谱宽限值 附录B(资料性附录)光纤光学中心的确定 附录C(规范性附录)检测系统模式的测量 附录E(资料性附录)确定计算EMBc时的DMD权重 22附录F(资料性附录)关于EMBc的计算 24 27Ⅲ ——增加了附录E确定计算EMBc时的DMD权重(见附录E);——增加了附录G本部分与IEC60793-1-49:2018相比的结构变化情况(见附录G)。本部分使用重新起草法修改采用IEC60793-1-49:2018《光纤第1-49部分：测量方法和试验程序——由于增加了第4章以及将第1章部分内容改为第5章，致使后续章条号顺延；——将国际标准第8章、第9章合并为本部分第10章。本部分与IEC60793-1-4●用修改采用国际标准的GB/T15972.22代替IEC60793-1-22;●用修改采用国际标准的GB/T15972.41代替IEC60793-1-41;●增加引用了GB/T14733.12;——将图1中注入光纤(launchfibre)修改为扫描尾纤(probefibre);修正了IEC文件中公式(A.2)——修改了附录A中表A.1的标题，将“最差色散”修改为“商用A1类多模——为与我国技术标准体系一致，将本部分标准名称改为《光纤试验方法规范第1光纤试验方法规范第49部分：下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引GB/T14733.12电信术语光纤通信[GB/T14733.12—2008,IEC60050(731):2008,IDT]GB/T15972.22光纤试验方法规范第22部分：尺寸参数测量方法和试验程序长度(GB/T15972.22—2008,IEC60793-1-22GB/T15972.41光纤试验方法规范第41部分：传输特性和光学特性测量方法和试验程序带IEC61280-1-4光纤通信子系统测试程序第1-4部分：通用通信子系统光源环通量测试方法(Fibreopticcommunicationsubsystemtems—Lightsourceencircledfluxmeasur23——第一个参数，微分模时延(DMD),是受试光纤样品的最快和最慢模式之间光脉冲时延差。DMD指标是对扫描尾纤径向偏移位置的指定范围内的模式时延进行限制。DMD指标通过——第二个参数，计算的有效模式带宽(EMBc),通过使用特定径向权重集的组合脉冲来确定的，以确定来自典型发射器的一组脉冲的近似值。使用傅里叶变换，可为每个权重集来确定图1所示。用于微分模时延测量的光脉冲宽度需足够窄，允许的最大脉宽(25%的幅值全宽)取决于被测试样4测的DMD值为100ps,需使用的脉冲宽度最大为110ps;对于同样长度归一化DMD限值而长度为10km试样，其待测的DMD值为2000ps,需使用的脉冲宽度最大为2200ps。脉冲宽度的要求 (1)直径范围内的x和y方向上进行扫描测试。扫描台x和y方向电机应能够将扫描尾纤定位在所需位使用与测量波长匹配的光检测系统。检测系统应将被测光纤所有的传导模耦合到探测器光敏面5度的5%。需限制检测系统的瞬时扰动，扰动的最大正向尖峰或负尖峰幅度应小于被测参考信号峰值幅度的5%。检测系统可存在与模式相关的幅度响应。因为用每个脉冲的相对幅度来确定其前沿和后沿的位确定依赖于与数据集中的所有脉冲相关的脉冲幅度，因此模式相关的探测器可能会导致使测量失真。附录C给出了探测器模式测量的方法，这种方法通过扫描探测器的空间均匀性和计算耦合函数C(r)——扫描尾纤的输出可以通过在注入系统和探测系统之间的短长度光纤(与受试光纤相同类b)调整光脉冲的幅度以确保良好的SNR,且不会导致接收信号压缩。c)最小时间窗口用于从受试光纤的预期范围获取数据，调整检测系统的采样窗口以匹配最小时行，该间隔T应不短于在最大平均值下以1pm间隔进行四象限测量所需的时间。在时间间脉冲瞬时稳定性表征系统的时间限制和稳定性。在每个时间t,使用线性插值记录FWQM以提高6精度。将FWQM记录为T上时间的函数。时间稳定性参数△FWQMstab可由公式(2)确定。式中：FWQM在时间间隔T内FWQM的平均值：△FWQMstab——时间稳定性参数，此指标应小于5%,才能满足时间稳定性要求。6.10.3系统稳定频率极限(SSFL)用公式(3)定义Gref。 (3)式中：R。——测试开始时获得的参考脉冲；R———任何连续参考脉冲；FT——傅里叶变换。在每个时间t内，记录R并计算Ger。在该时间t内，将FMAx(t)记录为最低频率，其中|G(f)|超过1.0±0.05。在整个时间间隔内，将FMAx(t)集的最小值记录为系统的SSFL。为了让所关注的频率范围内将比率的噪声降低到小于1%,R和R。都应该通过足够的平均来获得。如果计算的光纤/激光器组合的minEMBc或OMBc超过SSFL,则将长度归一化带宽值报告为大于SSFL乘以长度的结果。7采样与样品7.1样品受试光纤应为渐变型折射率分布的A1类多模光纤。7.2样品端面受试光纤样品的输入端和输出端的端面应平整。输入端面的质量至关重要，端面倾斜角不应大于7.3样品长度光纤长度应通过GB/T15972.22中的方法进行测量。样品长度的精度应为实际长度的士1%。为解决争端，基准测试长度应由产品规范规定。7.4样品放置样品放置应尽量避免张力和微弯的影响，如使用半径不小于为150mm的光纤盘，且光纤张力小于5g,应不引入半径小于40mm的宏弯。试样的热稳定性应满足要求的测量精度要求。这一要求对高性能光纤的测试更为严格。光纤传输时间的热稳定系数约为0.035ps/(m·K)。如果样品在测量期间经历3K的温度变化，则误差7.5样品定位定位受试光纤样品的输入端，使其与扫描尾纤的输出端对齐，见6.3。7偏移处的扫描脉冲完全包含在数字化窗口内(“包含”指幅度大于或等于峰值幅度的1%的所有前沿和确定受试光纤相对于扫描尾纤的光学中心。确定光纤光学中心的方法可参测试时可以扫描一个或多个象限。基准试验方法要求扫描四个象限(+x,-x,+y和一y)。每个象限的数据应合并以得到第9章所述的计算结果。通过扫描尾纤端面上的探测点并收集相关的时域波形，测量并记录测试样本的响应u(q,r,t),在测量光脉冲的波形，并将其记录为Uref()。确定uref(t)的时间宽度为峰值幅度的25%,并将其记录8光纤的minEMB是满足注入条件要求的发射器所激励的最小模式带宽(如：GB/T12357.的minEMB应满足其注入条件)。通过计算DMD或minEMBc来确定minEMB。计算的目的是确保受试光纤的EMB将超过任意模式功率分布(MPD)对带宽的要求，其任意MPD要求与发射器的一致通量的测量方法见IEC61280-1-4。DMD由产品规范中指定的一个或多个掩模模板确定。模板通常采用两种形式之一：固定掩模或 (4)u(q,r,t)——在半径为r的象限q中取样的波形；Uref——参考波形；噪声滤波器f而引起的偏差。该过程实质上用输出滤波函数的时域表示替换参考脉冲，并且在之后△Tpulse变为滤波函数的25%全宽。虽然通过这种方法可以实现脉宽的边际减小，但是该技术通u'(q,r,t)——在象限q中半径为r处的采样波形；在Q上求和指通过对所有象限的每个波形q,逐点对时间t,在半径r处求和。9a)对于每个波形，定义边缘阈值E(r)为该半径波形幅度最大值的25%,见公式(6)。 (6) 在r处存在波形u'(r,t),使得公式(10)成立。 9.3.1总则minEMBc表征在具有代表性的发射条件的通信链路设计中，光纤所产生模式损伤。有关以下计算涉及使用权重函数W(r),权重函数来源于激光源的近场环通量数据。对于给定的光纤，函数计算结果输出时间响应u;(t),见公式(14)。W(r)——是与应用中使用的发射器相对应的DMD加权函数[有关计算W(r)的详细信息，见附录C,有关特定发射器规范的W(r)值的示例，参见附录D];u'(r,t)——是在四个径向方向的每个径向偏移r处测量的样本输出脉冲，是时间t的函数。再减去基线噪声之后，每个输出脉冲都是初始状态的(幅度未归一化)。9.3.3计算传递函数据GB/T15972.41中描述的方法，从输出响应u;(t)反卷积参考时域响应uref(t)。从而得到光纤频率响应U(f),见公式(15)。ue(t)——输出响应；参考时域响应。9.3.4计算功率谱以分贝为单位确定对数功率谱，见公式(16)。P₁(f)=5×1g[U;(f)×U;(f)] (16)式中：U*(f)——U₁(f)的复共轭。对于每个权重集，计算-1.5dB带宽。从功率谱P,低于零频率值—1.5dB的最低频率确定。然后使用高斯假设将EMBc外推到-3dB,将—1.5dB对应的最低频率乘以1.414得到EMBc。通过查找所有权重集的最小的EMBc来确定minEMBc。9.4长度归一化10结果10.1需要报告的信息结果报告应报告下列内容：a)试验名称；b)样品编号；c)样品长度；f)测量波长(标称的或实际的);h)计算EMBc时的minEMBc值；i)计算EMBc时需要的权重集(见附录C);j)测试设备的最近校准日期。(规范性附录)光源谱宽限值A.1色散限值对于DMD测量结果影响A.1.1概述色散引起DMD测量结果误差应小于10%。可用两种方法减小色散的影响：一是使用窄谱光源，使受试光纤色散D(λ)可采用对应产品规格书中的极限值估算或用A.2中给出的最坏值。可使用窄谱光源，也可在光源端或探测器处使用光学滤波器来满足测量DMD对谱宽的要求。使用光学滤波器可能会瞬时展宽脉冲(对于近乎理想的光源，如钛蓝宝石锁模激光器等尤其如此),所以使用光学滤波器A.1.2限制色散对被测DMD的影响应用谱宽足够窄的光源，见公式(A.1)。△tchrom=4×√In2×δλ×D(λ)×L………………小于所测DMD值的10%。由此给出对光源RMS谱宽δλ的限制，见公式(A.2)。DMDmin——待测量的最小DMD值，单位为皮秒(ps);L——受试光纤的长度，单位为千米(km)。通常假定模式时延与光纤长度呈线性关系，与长度无关。在前述条件下，利用8.4中△TREF和A.1.3限制色散对参考脉宽的影响用一个谱宽足够窄的光源，使得忽略与△Tpulse相关的△tehrom引起△TrEF的变化小于10%,由此给件代入公式(A.3),光源RMS谱宽δλ则不大于0.15nm。对于高性能光纤(如850nm波长DMD为0.1ps/m),光谱宽度要求接近物理上可能的极限。例如，钛-蓝宝石锁模激光器具有接近变换极限的二次方脉冲(sech-squaredpulse),其时间带宽积为0.315。如果使用这类型的激光测量300m长DMD为0.1ps/m的光纤(总DMD为30ps),这种激光冲宽度。这类型激光器的FWHM典型值为10ps,这意味着激光器的脉冲宽度可不小于0.075nm,产λ。为最小(此时NA=0.20)的光纤具有最大色散，λ。为零色散波长。表A.1不适用于1200nm~表A.1商用A1类多模光纤最大预计色散波长λ波长λ波长λ注：假设上述数据基于以下条件：在λ<1200nm的波长范围，对[ps/(nm²·km)];λo=1344.5nm;在λ>1400nm的波长范围，对NA=0.20的常规多模光纤，S₀=0.101(资料性附录)光纤光学中心的确定B.1概述DMD波形是脉冲响应波形的集合，而脉冲响应波形是多模光纤径向坐标的函数，所以在收集DMD扫描数据之前，光纤的中心应是已知的。如轴向扫描基于错误的中心参考位置，会导致所测试的光纤放置于测试装置上时，它的扫描中心还未确定。通过参考包层界面的位置可以将光纤的位置控制到一定的精度，但不能通过参考包层得到光纤的准确定位。包层的直径、芯/包层同心度以及由如视频显微镜和DMD扫描仪测定的芯中心之间的差异都是误差的示例，这些误差太大而不能确定适当的中心坐标。本部分要求采用一组初步波形的分析来确定x轴和y轴的中心。该中心用于DMD测试中使用的所有波形的扫描坐标。B.2方法DMD轴的中心通过单个波形积分作为信号(这个信号与从光纤发出的脉冲能量成比例)来得到，单个波形的积分是在半径r处相对时间的积分(用面积来表示),见公式(B.1)。V(r,t)——与时间t和半径r相关的波形函数；v(r)——积分面积，是V(r,t)波形函数对时间的积分。被记录为扫描仪轴向位置的函数，用于图B.1是位置函数的典型积分面积数据。图B.1对中波形的典型积分面积数据不同曲线代表不同轴向的完整扫描。通过将扫描仪移动到近似位置得到每组数据(近似是因为中光纤中心定位所需的波形不需要与DMD分析所需的波形相同的SNR。平均时间的减少也缩短V(t)——在给定的径向位置r处所获得的波形；CA——轴A(x轴或y轴)的扫描中心。a)在标称中心，获取v(0)并设置目标阈值P为0.2×v(0);b)用x轴来表示步骤c)到g),替换变量r的x轴坐标；c)设置D=1;d)设置△=RcoRE×D,r=0;e)移动到新的r=r+△,得到新的v(r);f)如果v(r)×△×D<P×△×D,设置△=—△;g)设置△=△/2;i)如果D=—1,进行下一个步骤，否则设置D=—1并返回至步骤d);j)设置扫描轴到位置r=[c(一1)+c(1)]/2,得到这个轴的中心；中心定位)并不实际。这种方法应绘制从-RcoRE到+Rcore两个象限的波形图才能对其进行中心定位，但实际上一个象限的波形图就可以中心定位。波形集合应扩展到RcoRE,因此如果扫描仪在收集波形扫描增量，所收集的波形可能最终具有远离其目标的径向位置(即20.5而不是20.0)。在某些情况下，(规范性附录)检测系统模式的测量C.1概述由于多种原因，通常探测器的传递函数取决于探测器输入端的空间强度分布。探测器表面的缺陷会导致量子效率的均匀性不理想。通常，超高频探测器是直接与光纤耦合的，从耦合光纤到探测器的传输效率同样不理想。这些可能的原因会导致探测器具有模式敏感性，即受试光纤中有模式相关的传递函数。这种特定的失真会在确定依赖于脉冲幅度保真度的度量时产生明显的误差，例如：EMBc和目前为止，适用于试验的探测器的技术指标比商业化应用的更严格。很多超高频探测器表现出某种程度的模式依赖，某些情况下，这些难以获得的探测器的模式依赖程度会在筛选超高带宽的光纤时失效。因此，在放置到测量这些参数的设备上之前，对探测器进行模式依赖检查是十分有必要的。注：本附录所描述的探测器主要用于A1类多模光纤在850nm处的表征，目前为止，A1类多模光纤在这个领域中被研究得最多。它的概念可以拓展到其他波长和其他类型光纤，但本附录仅适用于A1类多模光纤。C.2耦合函数的确定C.2.1概述耦合函数是一个通过试验来确定的近似值，为耦合进入模式独立的理想探测器的能量与耦合进试验使用的探测器的能量之比。通常使用短段光纤(2m)在DMD测试系统上进行表征试验，并收集DMD脉冲，用相对能量而非时域参数来分析收集到的DMD,进一步可以确定耦合函数。C.2.2光纤样品和耦合取长2m,纤芯直径与数值孔径尽量接近标称值(50μm,0.2)的光纤样品。将样品光纤放入测试系统中，按照8.2中描述的方法找出光纤纤芯的中心。调整采样系统的时间基准，以合理的分辨率将脉冲对中。C.2.3探测器响应通过阻止或禁用激光器得到参考数据函数集up(t)。μm的范围内收集原始脉冲数据函数集u(r,t)。对收集到的脉冲数据函数集和参考数据函数集进行计算，可得到非对中探测器的响应函数p'(r),见公式(C.1)。最后，将函数p'(r)中值化可得到探测器响应函数，见公式(C.2)。C.2.4参考响应C.2.4.1概述参考响应可以由测量得到(见C.2.4.2),也可由理论推导得到(见C.2.4.3)。C.2.4.2测量参考响应将短光纤样品的输出端耦合到功率计或其他合适的直流探测器，其光学接收几何形状远大于光纤。在不改变光纤中心或以其他方式干扰注入装置的情况下，扫描与C.2.3相同的半径，记录功率计上的功率p'k(r)。如C.2.3所述，通过重新对中和插值确定pr(r)。C.2.4.3计算参考响应在850nm波长处，模场直径5μm的扫描尾纤发射的光耦合到标归一化耦合系数pr(r)(扫描步径为整数微米径向偏移量),见表C.1理论归一化耦合系数。如6.7中所述，归一化耦合系数可以帮助生成探测器校正矩阵Ca(r)。表C.1理论归一化耦合系数0123456789C.2.5耦合函数的计算探测器的耦合函数为探测器的响应函数与参考响应函数的比值，见公式(C.3)。(资料性附录)测量讨论本试验程序主要集中在激励条件如图D.1所示的某一固定范围内，最快模式和最慢模式之间的时延差。图D.1理想的DMD数据从单模扫描尾纤中输出的光斑投射到受试光纤端面上时，在任意一个给定的偏移位置上，都能同时激励起几个不同的模式群，使输出波形呈现出复杂的时间相关性，波形上通常会出现多个峰，并且无法确保能清晰地分离出单个的模式群。对于一个给定的波形，主峰的边界和拖尾峰的边界均选择在接近波形最大幅度的25%的基准面上，确定25%的基准面的理由是：在指定的径向偏置位移处，总有某一个模式群的激励占主导地位，所有被激励的模式群相互叠加，总的幅度超过单个模式群的所有的模式均有同样的时延，在25%的基准面上也都能确保被主要激励的那个模式群从同时激励的所有模式群中分离出来。Tstow和TFAsT的差值大于DMD,差别大小取决于光脉冲的时间宽度、探测器带宽的限制、因光源谱宽和被测光纤色散所引起的模式展宽等因素。△TpuLs包含了光脉冲时间宽度和探测器带宽限制的影响，在小的△TpuLse和假定光源谱宽为高斯形状的前提条件下，受试光纤输出波形中每个模式最大幅度的25%的基准面上的时间宽度见公D(λ)———色散，单位为皮秒每纳米千米[ps/(nm·km)];4×√In2是从计算DMD时使用了最大幅度的25%的界限，并且用光源的RMS谱宽定义光源特性被测光纤输出端每一个模式的25%幅值全宽见公式(D.2)。则DMD见公式(D.3)。由于确定DMD大小时包括了比较在不同径向偏置位移处不同的测量波形之间的时间延时差异，测量过程中的时间抖动、检测脉冲光的时间宽度均对测量结果存在潜在影响，为确保测量误差小于EMBc的计算是为了使用DMD脉冲信息来预测脉冲展宽的影响，这一脉冲展宽是由光纤与实际发射器一起使用时由于模间色散产生的。通过产生DMD脉冲的加权求和，可以检测由不同发射器引光纤的EMB仅取决于模式延迟和模式功率加权值。通常假设模式组内存在完全耦合，使得模式组延迟可决定EMB(它实际上也就是具体的光纤对应于具体发射器的性能)。进一步假设模式组之间多模光纤的带宽标准定义(见GB/T15972.41)是-3dB频率f,此时|H(f)|首次到达50%。实1)在r(μm)的偏移处获得的每个DMD测量脉冲u(r,t)被赋予相对权重W,,并且加权脉冲的2)使用9.3中描述的反卷积消除参考信号对输出脉冲的影响。这给出了光纤频率响应或传递函3)使用—1.5dB带宽值从9.2中描述的复数传递函数确定EMBc。重确定的最小EMBc是光纤对应该权重的最差性能指标的计算值。每组权重不必对应于实际的发射通过使用最小值和调整后的带宽，使用EMBc括足够宽的权重集和发射分布的范围，这就包含了对最坏情况EMB的估值。只要包含足够广泛的权发射分布范围内分布，则5～10个权重(大致对应于5个～10个发射器)足以确定最小EMBc。minEMBc是一组EMBc值的最小值。通过将特定径向权重函数W(r)应用于径向波形集u'(r,t)DMD权重W(r)对应于发射器的模式功率分布，其与应用中使用的光发射器的发射条件规范一确定计算EMBc时的DMD权重E.1选择一组权重最小值所需的权重集可以用矩阵W表示，其中L对应于一个特定的权重。按照建模或单纯的理论权权重的集合对发射器规范和比特率要求(带宽要求)应是明确的。附录F包含DMD权重设置的E.2通过环通量数据生成DMD权重的过程1)将环通量数据转换成计算得出的模式功率分布Pg;2)将模式功率分布P.转换成DMD权重Wr。这里提供了一种通过环通量数据计算模式功率分布(MPD),并通过MPD来计算DMD权重的方法。同样，也可以根据DMD权重，逆向计算出MPD并通过MPD计算出近场强度(或环通量)。这种根据IEC61280-1-4测量的环通量和近场强度的关系用公式(E.1)表示。1)通过近场强度I,计算模式功率分布Pg;2)通过模式功率P,计算权重函