光纤损耗的测量

2015-3-25 08:14| 编辑:电工学习网| 查看: 30031| 评论: 0

1．光纤损耗的含义
如前所述，所谓光纤损耗，它是指光功率随着传输距离的增加而按指数规律衰减。通常用衰减系数来表示，即单位长度光纤引起的光功率衰减称为衰减系数，符号为α。严格说来，在光纤的不同位置，α不同，即应表示为α（z）。若P(z1)和P(z2)分别为光纤在z1和z2处的光功率（光由z1传向z2），则它们的关系为

但是，对于单模光纤或达到稳态模分布的多模光纤来说，可以认为α(z)与z无关．因此光纤的衰减系数定义为

式中，

    衰减系数越大，光纤的损耗越大，反之亦然．
    2．光纤损耗的测量方法
    根据原CCITT规定，衰减系数的测量方法以截断法为基准法，插入法和后向散射法为替代法．
    (1)截断法
    截断法是一种测量精度最好的方法，但其缺点是要截断光纤．截斯法的测量方框图如图5-2所示．
    在测量过程中要求图中的光源保持位置、波长及输出光功率稳定，光电检测器的灵敏度与线性要好，且与光源的谱线特性相匹配．
    注入系统将光源发出的光耦合进光纤，并使之满足一定的注入条件．
    斩波器（又称截光器）是一种能使光束周期断续的器件．例如是一个有径向开缝的转盘，它将直流信号变为交变的光信号，作为参考光信号送到锁相放大器中，与通过被测光纤的光信号锁定，以克服直流漂移和暗电流等影响，确保测量精度。

    测量步骤如下：
    取一条被测的长光纤接人测量系统中，并在图中“2"点位置用光功率计测出该点的光功率P(z2)．然后，保持光源的输入状态不变，在离被测光纤输入端2m的“1"点处，将光纤截断，测量“1”点处的光功率P(z1)．知道了“1”，“2”点间的距离z2-z1，将它以及P( Zl)，P(z2)值代入式(5-2)中，即可算出这段光纤的平均衰减系数．
    (2)插入法
    插入法具有非破坏性和使用简便的特点．插入法的测量方框图如图5-3所示．
    测量步骤如下：
    先将1,2两点用一短光纤相连，短路光纤损耗可近似为0，此时测出功率P1就相当于是发送部分的入纤光功率．然后再将被测光纤连到“l"，“2"之间，此时测出功率P2就是被测光纤的出纤光功率，如果被测光纤总长为Lkm，则全长光纤的平均衰减系数为

需要说明的是，测试中活动连接器的质量可能会影响测试精度．

    (3)后向散射法
    后向散射法具有非破坏性和可单端测试的特点．
    ①测量原理
    如果在光纤的输入端射入一个强的光窄脉冲，这个光窄脉冲在光纤内传输时，由于光纤内部的不均匀性将产生瑞利散射（当然，遇到光纤的接头，甚至于断点也要产生散射）．这种散射光有一部分沿光纤返回，向输入端传输，这种连续不断向输入端传输的散射光称为后向散射光．靠近输入端的光波传输损耗少，散射回来的信号就强，离输入端远的地方光波传输损耗大，散射回来的信号就弱．
    下面具体推导如何从后向散射光中提取出衰减信号．设光波由光纤的输入端传到z点，再由z点散射后，部分光波返回输入端。严格说来，由于光纤轴向的非均匀性，光纤各点对光波的损耗不同，因而衰减系数应是z的函数．设正向传输时的衰减系数为αi(z)，反向传输时的衰减系数为αs(z)．如果令输入光纤的光功率为P0，传到z点时，由于损耗光功率变为P(z)，则有

在z点发生散射后，一部分光返回成为后向散射光，这部分光功率与P(Z)的比值成为后向散射系数，用s表示．后向散射光传输到光纤输入端，由于反向衰减，此时的光功率变为Ps(z)，它表示的是在z点的散射光返回到输入端的光功率．它的表示式为

将式(5-4)代人式(5-5)，则有

如果取光纤从0→z的平均衰减系数为α（z），则有

将式(5-7)代人式(5-6)，则有

由此可以得出被测光纤中任意两点z1，z2间的平均衰减系数为

    由式(5-9)可知道，只要能测出z1，z2点散射光返回的光功率以及z1，z2间的距离，就可算出平均衰减系数α（z1,z2）．通常依据这种原理进行的损耗测量是由光时域反射计来完成．
    ②光时域反射计原理方框图
    光时域反射计简写为OTDR，它的原理方框图如图5-4所示．

图5-4 0TDR原理方框图

图中的主时钟产生标准时钟信号；脉冲发生器根据这个时钟产生符合要求的窄脉冲，并用它来调制光源；光方向耦合器将光源发出的光，耦合到被测光纤，同时将散射和反射信号耦合进光电检测器，再经放大及信号处理后送人示波器显示输出波形及在数据输出系统输出有关数据。其中要进行信号处理的原因是，后向散射光非常微弱，淹没在一片噪声中，因此，要用取样积分器，在一定时间间隔内，对微弱的散射光波取样并求和。在这个过程中，由于噪声是随机的，在求和时抵消掉了，从而将散射信号取出。
一条有代表性的测量曲线如图5-5所示．下面以它为例，说明光纤中可能出现的衰减情况。

    图中，A点为光纤输入端，在此端面上光发生菲涅尔反射，而且信号最强；曲线在B点有一突降，说明光纤在此处有一个接头或其他缺陷，引起对光波的大幅度衰减；曲线在c点突然上升，说明光纤在此处有一个断裂面或其他缺陷引起菲涅尔反射；D点为光纤输出端，在此端面上同样发生菲涅尔反射，之后信号消失．
    A-B段与B-C段的曲线都是逐渐降低且近乎直线，说明这两段光纤的轴向衰减是均匀的．只是B-C段曲线下降更平缓一些，说明这段光纤比前段光纤衰减系数要小．C-D段曲线不是直线，说明这段光纤轴向结构不太均匀．
    由上所知，用光时域反射计可以很方便地测出光纤的损耗情况．

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