第13章 光纤及光纤通信系统的测量解析

P反 射
盲区
接头损耗 断裂 P1 P2
O
L1
L
L2
L
距离
图 13.5 回波波形
第13章 光纤及光纤通信系统的测量 利用光时域反射仪可以测量光纤任意点的衰减，参阅图13.5。 当光脉冲到达L1时，发生的反射脉冲回到始端的强度为P1。同样， 光脉冲到达离 L1 的距离为 ΔL 的点 L2 时，发生的反射脉冲回到始 端的强度为P2。 从而求得L1 ~ L2间的平均衰减为
P0 EXT 2P 1
(13.4)
第13章 光纤及光纤通信系统的测量 实际操作时，先将光发射机接通电源，待其工作稳定后， PCM系统分析仪便送出伪随机码信号。 这时，通过光功率计测
出平均输出光功率 P1 。然后，将光端机中的码变换盘拔出，再
测光发射机此时的输出光功率，即全“0”码时的光功率P0。最 后， 按式(13.4)计算出该光发射机的消光比EXT。例如，实测值 分别为P1=6.23 μW，P0 =3.8 μW，通过式(13.4) 计算得EXT=0.3。 显然，该光发射机消光比不符合要求，应该采取措施降低消 光
第13章 光纤及光纤通信系统的测量 2. 光发射机消光比的测量
消光比是光发射机的重要技术指标。在数字通信系统中，
光发射机发送的是“0”码和“1”码的光脉冲。 完善的光发射 机， 在发“0”码时应无光功率输出。 实际的光发射机，由于 其本身的缺陷，在发“0”码时会有残留矮尖脉冲存在，或者由 于直流偏置IB的选择不当，光发射机在工作时会有多余光功率
衰减可用dB数直读。
第13章 光纤及光纤通信系统的测量
连接器 光源
L ＞Le
连接器 被测光纤 L P2
P1
光功 率计
稳态模光纤
图 13.3 插入法测光纤衰减
第13章 光纤及光纤通信系统的测量 3) 反向散射法(光时域反射仪) 反向散射法测量光纤衰减，其工作原理与光学雷达相似。
当光纤输入端注入一个强脉冲并沿光纤传输时，由于光纤内部
得出频域曲线并计算出光纤的带宽值。
第13章 光纤及光纤通信系统的测量 如果接收端没有计算机设备， 也可用估算法求出光纤带宽， 由式(8.17)可得带宽
B
440
2 2 12
MHz
式中，τ的单位为ns，为f1(t), f2(t)的半高全宽。此时， f1(t), f2(t)
以接近高斯波形为宜。
示的框图进行。端机接电源稳定工作后， PCM 系统分析仪 ( 或
伪码发生器 )便送出伪随机码。这样，在不需要太多费用的情 况下， 便可进行该项指标的测试。
第13章 光纤及光纤通信系统的测量
连接器 PCM 系统分析仪 光发射机 光源 尾巴光纤 光功 率计
图 13.9 光发射机平均输出光功率和消光比测量框图
第13章 光纤及光纤通信系统的测量
a ＋ ＋ d ＋ ＋ ＋
光纤
图 13.1 扰模器
第13章 光纤及光纤通信系统的测量
(2) 利用一根超过耦合长度的长光纤(500 m~1 km)来建立稳 态模接在光源和被测光纤之间。
第13章 光纤及光纤通信系统的测量 (3) 小光斑、小数值孔径(匹配)注入。
第13章 光纤及光纤通信系统的测量
• 扰模器如图13.1所示。 它由若干可移动的圆柱体 组成。圆柱体的数量和它们之间的距离是可以调 节的。 将光纤曲折地绕在扰模器的圆柱体上， 可 以使光纤内的高次模损失而保存低次模，即改变 光纤传输的模分布。恰当地调节圆柱体的个数和 距离，就可以建立稳态模。 • 为了检验光纤传输是否建立了稳态模，可以 先用长光纤(L＞Le)接入光源不加扰模器，测得光 纤功率的稳态分布。然后用长度约3 m的短光纤 经扰模器，观察光纤输出功率的模场分布， 并与 长光纤所得的稳态模比较。调节圆柱体的个数和 间距，使两者相似，扰模器即调整合适。
P1 lg P2 a 10 dB/km L
(13.1)
光纤的端面必须平整清洁，否则将影响测量的正确性。 切断法是测量光纤衰减最基本、最直观、最简单的方法， 精 确性较高， 但它必须破坏光纤，一般在工程现场不能采用。
第13章 光纤及光纤通信系统的测量 2) 插入法原理如图 13.3 所示。利用长光纤 (L′ ＞ Le) 建立稳态 模。光源发送固定的光功率，于是在光纤终端接收到的光功率 可以表示光纤的衰减值。如果接收端装有对数放大器，则光纤
每单位长度的衰减值 ( 以 dB/km表示) 。只有当被测光纤处在模
功率近似稳态分布条件下才有可能。 建立稳态模的方法主要有三种： (1) 扰模法。利用扰模器，使被测光纤在距注入端不远处产 生周期性弯曲，或者利用突变—渐变—突变光纤顺序排列插入
光源与被测光纤之间。
第13章 光纤及光纤通信系统的测量
端测出的平均值。
另外，用OTDR测量光纤时，在始端有一个盲区(端面反射
区)，多模光纤的盲区较小； 单模光纤的盲区则较大， 相当于
100 m左右长的光纤。因此，测量单模光纤时，要先连接长度在 100 m以上的参考光纤，才能进行测试。
应当指出，用 OTDR 测光纤时，在两根光纤的连接点可能
出现“增益”假象，其实这是连接点的光反射。这种情况只出 现在两根光纤芯径不同时，当光由较大的芯径向较小的芯径传 输时， 有一部分光在连接点产生反射，从而出现增益的假象。
第13章 光纤及光纤通信系统的测量 例如，设τ1=0.5 ns，τ2=1.2ns
B
440
2 1.22 0.51
403MHz
用估算法测光纤带宽时，除其波形应接近高斯型外， 其发送脉
冲应很窄并满足τ2＞1.4τ1，否则精确度差。
第13章 光纤及光纤通信系统的测量 2) 频域法的原理是在光纤的输入端送入光正弦信号，在光纤输 出端由选频表读取经检测器变换出来的电信号幅值，在保持送 入信号幅值不变的情况下，改变其频率，输出端信号幅值下降6 dB时频率变化的范围即为光纤带宽(电带宽)。 实际测量时，采 用扫频法。而不必逐点读取，见图13.7。采用频域法测量光纤的 带宽，要求检测接收系统的频率响应应与光源的调制频率相适 应，在测试的光功率范围内检测系统应是线性的。因此，测试 时需先将发送端与接收端用一般短光纤相连，将发送功率调到 接收器的线性范围内。频域法测量光纤带宽的测试分两步进行： 第一步测出被测光纤的输出光功率谱；第二步在注入端2 m处剪 断光纤并测出其光功率谱，即输入的光功率谱(见图13.8)，测出 6 dB的电带宽。
P1 10 lg 1 P2 d 2 ΔL 5 P1 lg Δ L P2 d lg P 5 dL
(13.3)
第13章 光纤及光纤通信系统的测量
光时域反射分析仪(OTDR)
测量光纤的缺点是两端测出的
衰减值有差别， 这是因为无法控制反向散射的模场分布，从而 导致测出的光纤衰减与散射损耗值不会真正相等，通常要取两
端面反射大约4%的功率； ② 沿光纤长度分布的反向散射光，
沿着光纤受到衰减；③ 光纤连接接头的光功率损耗， 引起回 波的突然下降；④ 光纤断裂处， Fresnel 反射引起脉冲上升， 利用初始脉冲与断裂处反射脉冲之间的时间差，可以确定光纤 断裂位置， 即
第13章 光纤及光纤通信系统的测量
初始脉冲 反向散射
的。
第13章 光纤及光纤通信系统的测量
光发射机消光比的测量系统框图， 仍见图 13.9。 按照定义，
测量时首先测出全“0”码时的平均输出光功率 P0，然后再测出 全“1”码时的平均输出光功率 P1。PCM系统分析仪或伪码发生 器送出的是伪随机码， 基本上认为它产生“1”码的概率与产生 “0”码的概率是相等的。因此，实测的全“1”码平均输出光功 率P1应乘以 2。考虑到这一情况后，光发射机的消光比应该按 照下式计算：
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dB
6 dB
1 输出 2 2 输入
1ห้องสมุดไป่ตู้
f
图 13.8 频域法测试曲线
第13章 光纤及光纤通信系统的测量
13.2 光发射机指标的测量
1. 光发射机平均输出光功率的测量
这里所说的平均输出光功率是指光发射机输入伪随机码时
的平均输出光功率。因此，该项指标的测试应该按照图 13.9 所
比。
第13章 光纤及光纤通信系统的测量
13.3 光接收机主要技术指标的测量
1. 光接收机接收灵敏度的测量
PCM 系统分析仪 活动连接器 光发射机
光接收机 可变光 衰减器 光功率计
图 13.10 光接收机灵敏度和动态范围测试系统框图
第13章 光纤及光纤通信系统的测量 按照图 13.10 进行光接收机灵敏度测试时，还应考虑到光纤 活动连接器的损耗值。由于灵敏度功率 Pmin 是在活动连接器前 测量的，因此实际灵敏度应该减去活动连接器的损耗。例如， 经测试按式 (1 ０ .19) 计算出光接收机的接收灵敏度为 Pr=-50.3
第13章 光纤及光纤通信系统的测量 2. 光纤带宽的测量 1) 时域法
LD 脉 冲 发生器 驱动 切 断 计算机 f1(t) f2(t) 光纤 APD 接收 取样 示波器 X-Y 记录仪
t
t
图 13.6 时域法测试方框图
第13章 光纤及光纤通信系统的测量 脉冲发生器产生出很窄的电脉冲波， 驱动激光器产生很窄 的光脉冲。测试时，首先将被测光纤接在收和发两端之间，测 出光纤的脉冲输出波形f2(t)；然后在离发送端2~3 m 处剪断光纤， 测量短段光纤的输出波形 f1(t) 作为被测光纤的输入波形，接收 端的计算机按间隔时间逐点取样，进行快速傅里叶变换(FFT)，
第13章 光纤及光纤通信系统的测量
对光发射机的光源调制后，由光功率计测出此时光发射机
的平均输出光功率。 测量时应注意光功率计的选择。对短波长系统，必须选用 短波长的光功率计， 或者换用短波长的探头。长波长系统应该 选用长波长的光功率计或换长波长探头。 光功率一般用相对值 “dBm”或者用绝对值“μW”表示。
输出。 表明光发射机存在这种缺点的程度用消光比 (EXT)表示。
第13章 光纤及光纤通信系统的测量 光发射机在发“0”码时有矮尖脉冲存在，或者光发射机在 工作时有一定多余光功率输出等现象，称为光发射机调制的不
完善。上述两种现象都要产生额外噪声使系统的信噪比恶化，
从而影响光接收机的灵敏度。消光比越大，灵敏度下降越厉害。 因此，为了保证光接收机有足够的接收灵敏度，通常要求光发 射机的消光比小于 0.1，即要求EXT<0.1。可见，测量光发射机 是否满足 EXT<0.1的要求，对保证光接收机灵敏度是十分重要
13.4所示，
第13章 光纤及光纤通信系统的测量
脉冲 发生器 LD
方向耦合器 光纤 瑞利散射
APD 示波器 图示仪 放大平均
图 13.4 光学时域反射仪
第13章 光纤及光纤通信系统的测量 回波波形如图13.5所示，它有一些明显的特点： ① 由光纤 Fresnel反射引起的初始脉冲。 在理想情况下，光纤
光纤衰减测量的常用方法
1) 已知光纤长度为L，将被测光纤经扰模器接至光源，如图 13.2所示。
切断 扰模器 光源 P1 L P2 光纤
图 13.2 切断法测光纤衰减
第13章 光纤及光纤通信系统的测量
先测得光纤终端输出功率P2。 然后在扰模器附近的地方切断， 测得光功率P1， 它相当于输入光纤的功率。如果略去扰模器上的 短光纤的长度， 则光纤每千米衰减为
存在微小不均匀而产生瑞利散射，在反方向观察到衰减的连续 回波， 利用回波可以测量光纤的平均衰减系数、沿光纤长度衰
减系数的变化、接头损耗等等。
按上述原理做成的仪器叫做光学时域反射仪。用一个方向
耦合器或波束分离器将周期性的窄光脉冲注入光纤一端， 因瑞
利散射引起的回波用高速响应的检测器检波，通过分析反向散 射回波波形来确定光纤特性。反向散射法的测试装置构成如图
第13章 光纤及光纤通信系统的测量
滤模器 调制的 光 源 注入器件 及扰模
去包层 模器 切断
被测光纤 检测及 记录
触 发 信 号 (需 要 时 间 )
图 13.7 频域法测试方框图
第13章 光纤及光纤通信系统的测量 3) 上述两种方法所测出的带宽都是光纤全长的总带宽 Ｂ′， 而 工程上要知道光纤每千米的带宽值。设每千米带宽值为B， 长 度为L km，总带宽为B′，则按式(8.19)，B=B′LE MHz· km。
第13章 光纤及光纤通信系统的测量
第13章 光纤及光纤通信系统的测量
13.1 光纤主要参数的测量
13.2 光发射机指标的测量 13.3 光接收机主要技术指标的测量 13.4 抖动容限和光端机告警功能的测量
第13章 光纤及光纤通信系统的测量
13.1 光纤主要参数的测量
1. 光纤衰减的测量 衰减是光纤、光缆的重要传输特性之一。传输特性与光纤 的激励条件及光纤所处的状态有关。对衰减的测量，是指测量