光纤技术课件第三章光纤衰减测量
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测量原理
剪断法是一种按衰减定义进行测量的方法。
1L0lgP P1 2(())(dB /km )
L(km)为光纤的长度，P1为输入光功率， P2为输出光功率.
二、剪断法
首先，测量整根光纤的输出光功率P2，然后， 保持注入条件不变，在离注入端约2米处切断 光纤，并测量该短光纤的输出光功率P1 。由 于测量是在稳态条件下进行的，且约2米光纤 的衰减可忽略不计，故可将P1 看作是被测光 纤的始端注入功率。 剪断法测量准确度高(误差小于0.1dB)，它是 一种光纤衰减测量的标准方法。
光纤的损耗系数
21L(PA PB)
返回
分母中2是由于衰减是经 过正向和反向两次的结果
多模光纤 n
r 阶跃型光纤
n
r 梯度型光纤
阶跃型多模光纤 梯度型多模光纤
返回
１、本科生的必修课程必须进行期中考试，期中考试的成绩占总 成绩的２５％，期中考试的试卷交由学院（系）保存。
２、教师要检查学生的出勤情况，出勤情况和作业情况计入成绩， 占总成绩的５％。
３、期末考试成绩占总成绩的７０％。 ４、有条件的课程可以组织一定数量的小测验，计入平时成绩， 可对上面的比例作适当的调整。
特此通知。 教务处
2006年10月8日
校准输入参考电平
返回
衰减测量
返回
三、背向散射法
背向散射记录曲线1
a—由于耦合部件和光纤前端面引起的菲涅耳反射脉冲。 b—光脉冲沿具有均匀损耗的光纤段传播时的背向瑞利散射曲 线。 c—由于接头或耦合不完善引起的损耗，或由于光纤存在某些缺 陷引起的高损耗区。 d—光纤断裂处，此处损耗峰的大小反映出损坏的程度。 e—光纤末端引起的菲涅耳反射脉冲。
HP8145A工作原理
HP 8145A采用格林码作为输入光的调制信号。 格林码是一种纠错编码脉冲。它的自相关函数的 特点是主瓣(时域)近似于一个d函数，而旁瓣很小 (实际可达峰值的10％)。
格林码（循环码－－Cyclic code) 1957 年发现 循环性——任一许用码字经过循环移位后，得到的 码组仍为一个许用码组
可分辨的两个故障点的最小距离为
式中为脉冲宽度。对单脉冲来说．其能量取决于脉 宽，故瑞利散射回来的信号能量也取决于脉宽，因而， 提高分辨势必降低信噪比，怎样才能在不加宽单脉冲 宽度的基础上提高脉冲的能量呢? 采用编码信号代替单脉冲可以解决上述的矛盾。此时， 响应的分辨率取决于编码序列的码元宽度，不取决于 编码序列的总长度。然而，信号的能量取决于编码序 列的相关长度，其相关长度越长越好。 例如纠错编码序列，一种是伪随机序列。
背向散射法原理
10lg P1() L P2()
1L0(lgP1lgP2)(dB/k
P后散射=kPi
用对Leabharlann Baidu表示：
lgP后散射=lgPi+lgk
四、背向散射法
背向散射法测量原理框图
背向散射法是将大 功率的窄脉冲光注 人待测光纤，然后 在同一端检测沿光 纤轴向向后返回的 散射光功率。
信号的接收和处理
美国Acterna公司
§2.5 光纤定向耦合器
第三章 思考题 用背向散射法测量光纤损耗的根据是什么?
关于加强必修课程考试工作的通知
各院（系）： 为了加强对学生学习的过程管理，加强学风建设，提高教学质量，
特对《苏州大学普通高等教育本、专科考试工作的规定》（苏大教 ［２００４］４６号）文中的本科生的必修课程的考试作如下补充说 明：
当光纤存在故障点时，亦可采用此方法检测。
故障点位置： L (C) ti n2
背向散射记录曲线
背向散射法优点
背向散射法与剪断法、插人损耗法 相比，突出的优点是： 1．它是一种非破坏性的测量方法。 2．它是一种单端口测量法，即测量只需在光纤的 一端进行。这便于现场测量数公里的光缆。 3．它可以提供光纤损耗与长度关系的详细信息。 因此，可检测光纤的物理缺陷或断裂点位置，测量 接头损耗和位置，以及测量光纤长度等。
波长——λ（μm）
L波段
内容
一、衰减测量的光激励 二、剪断法 三、插入损耗法 四、背向散射法 五、光时域反射计
光纤测量的注入条件
一、衰减测量的光激励
1．多模光纤的注入条件 当光耦合进多模光纤时，会激励起很多模式，这 些模式所携带的能量各不和同，传输时的损耗也 不相同，而且由于光纤的弯曲及结构的不均匀性 等原因，使得各模式之间发生能量转换．经过相 当长一段距离后，最终损耗较小的低阶模将携带 较大光功率、损耗较大的高阶模将携带较小光功 率，于是各个模式携带和传送的光功率达到稳定， 此时称为稳态模分布，因此对于多模光纤各参数 的测量，只有在它达到稳态模分布之后才有意 义．
美国HP公司8145A型OTDR简介
8145A 使用数字相关技术，对单模光纤在1300 nm 时 能 产 生 28dB 的 动 态 测 量 范 围 。 它 比 传 统 的 OTDR 测量速度快150倍，功率分辨率达0.01 dB， 距 离 分 辨 率 为 1m ， 最 大 测 量 距 离 为 200 km 。 OTDR 内部有一个32位微处理器，用以自动计算连 接损耗。它可提供宽度为125ns、250ns、500ns、 1ms、2ms、4ms、8ms几种探测脉冲。光源波长可 选择1300nm和1540nm两种低损耗波长。连接损 耗测量的重复性误差以95％的概率优于0.015dB衰 减 系 数 的 测 量 误 差 以 95 ％ 的 概 率 小 于 0.015dB ／ km .
一、衰减测量的光激励
1．多模光纤的注入条件
能使多模光纤达到稳态模分布的注入条件有两 种方式：满注入和限制注入．所谓满注入就是要 均匀地激励起所有的传导模式，而限制注入就是 只激励起较低损耗的低阶模，而适当的抑制损耗 较大的高阶模． 当测量光纤的损耗时，采用限制注入方式，因为 损耗较大的高阶模的注入，会由于被测光纤长度 不同而使输出光功率不同，从而产生测量误差。
3．测量的分辨率、信噪比和动态范围之间存在矛盾。如要 提高故障检测的分辨率，则脉冲的能量要降低，因而信噪比和 动态范围均下降。
由于背向散射法存在上述缺点，故不能作为衰减测量的基准 方法。如怀疑其测量结果时，应以切断法的测量结果为标准。
剪断法与插入法、背向散射法比较
剪断法是根据损耗系数的定义，直接测量 传输光功率而实现的，所用仪器简单，测 量结果准确，因而被确定为基准方法。但 这种方法是破坏性的，不利于多次重复测 量。在实际应用中，可以采用插入法和背 向散射法作为替代方法。插入法和背向散 射法可以根据工作环境，灵活运用。但准 确度不如剪断法。
一、衰减测量的光激励
②滤摸器 当光耦合进光纤时．会激起瞬态模或其他不需要的传
导模，为了测量准确，要抑制掉这些模式，那么用来滤 除这些模的器件称为滤模器．通常这些需滤去的模损耗 都较大．如对光纤稍加弯曲，这些模很块就会衰减掉．
一、衰减测量的光激励
③包层模剥除器
当光耦合进光纤时，不仅会激起传导模，还会激 起非传导的辐射模辐射到包层中．当光纤的涂敷 层的折射率比包层的折射率低时，辐射模会在包 层与涂覆层界面上发生全反射，从而在包层中传 输，形成包层模．因为包层模会对测量产生严重 影响，所以需要除去． 包层模剥除器是一种使包层模转换成辐射模的部 件，它可以将包层模从光纤中除掉。
一、衰减测量的光激励
2．单模光纤的注入条件 在测量单模光纤的衰减时，由于光纤只传 导一个模式，没有稳态模功率分布问题， 所以注入系统不需要扰模器，只需要保证 激励基模。常用的注入方法有，用一段光 纤来接续或用适当的光学系统来注入。这 些方法的具体要求应根据实验来确定，目 前尚无明确的规定。
二、剪断法
一、衰减测量的光激励
稳态模功率分布模拟装置
无论以哪种注入方式，要达到稳态模分布需要配 置的设备有：扰模器、滤模器和包层模剥除器．
①扰模器 要达到稳态模分布，需要在光纤中传输很长距 离之后才行，这给测绘带来很多麻烦．根据模耦 合原理，采用强烈的几何扰动的方法．就能使多 模光纤各模式迅速达到稳态分布，这种器件称为 扰模器．
光纤传感技术 Fiber Optical Sensor
第三章 光纤衰减测量 Measurement of Fiber Attenuation
普通单模光纤的衰减随波长变化示意图
衰减（dB/km）
6
5
第一窗口
4
3
2
1
0。4 0。2
C 波段
1525~1565nm 第二窗口 第三窗口
0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.57 1.62
五、光时域反射计(OTDR）
(Optical time domain reflectometer )
OTDR是利用背向散射法所做成的仪器。用单脉冲 做探测信号的传统的OTDR 存在着分辨率和信噪比、 动态范围、测量时间之间的矛盾。 如何解决这个矛盾？原则：在保证分辨率的前提下， 尽可能提高信噪比和动态范围，并减少测量时间。
二、剪断法
2米
在测量衰减时，通常的剪断法要求两次测量，且在光纤始端和 终端使用同一个光源和探测器。
衰减谱测量
注入系统
宽光 谱
波长 滤光 器
二、剪断法
三、插入损耗法
测量原理
(a)校准输入参考电平
(b)衰减测量
四、背向散射法（又称后向散射法）
利用与传输光相反方向的瑞利散射光功率来 确定光纤损耗系数的方法，称为背向散射法。 瑞利散射光功率与散射点的入射光功率成正 比，因此测量沿光纤轴向返回的背向瑞利散 射光功率就可以获得光沿光纤传输损耗的信 息，从而可以测得光纤的衰减。
背向散射法的测量误差
测量误差来源于系统的噪声，光纤本身参数的不均匀性以及前、 后散射功率分布的不均匀性等。通常，最大误差可减小到 0.1dB。背向散射法测量衰减时存在的主要问题是：
1．由于背向散射系数非常小，因此注入端需要非常大的光 功率。
2. 由于散射体密度或数值孔径的影响，脉冲宽度值呈现不 均匀性．从而产生某些测量的不确定性。
接收：接收端一般由光电二极管探测器和放大电 路组成。探测器可选用雪崩光电二极管APD和场 效应管FET。 信号处理：背向散射法测得的信号很弱，比入射 光功率低几十分贝。要从噪声中把所需的信号检 测出来，必须采用一种降低噪声的信号处理方法。 例如，采用取样积分器利用平均法消除噪声。这 种方法的原理是噪声的统计平均值趋于零，且信 号是周朗的，可以不断积累，因此信噪比可以提 高。
如 (a6a5a4a3a2a1a0) 是循环码的一许用码组 则 (a0a6a5a4a3a2a1) 也是一许用码组
格林码例子 A1左移 3 位后，得A2
A1 : 1 1 0 0 1 0 1 A2: 0 1 0 1 1 1 0
格林码自相关函数
互补格林码自相关函数
HP8145A工作原理框图
美国Acterna公司 MTS 5000光时域反射仪
剪断法是一种按衰减定义进行测量的方法。
1L0lgP P1 2(())(dB /km )
L(km)为光纤的长度，P1为输入光功率， P2为输出光功率.
二、剪断法
首先，测量整根光纤的输出光功率P2，然后， 保持注入条件不变，在离注入端约2米处切断 光纤，并测量该短光纤的输出光功率P1 。由 于测量是在稳态条件下进行的，且约2米光纤 的衰减可忽略不计，故可将P1 看作是被测光 纤的始端注入功率。 剪断法测量准确度高(误差小于0.1dB)，它是 一种光纤衰减测量的标准方法。
光纤的损耗系数
21L(PA PB)
返回
分母中2是由于衰减是经 过正向和反向两次的结果
多模光纤 n
r 阶跃型光纤
n
r 梯度型光纤
阶跃型多模光纤 梯度型多模光纤
返回
１、本科生的必修课程必须进行期中考试，期中考试的成绩占总 成绩的２５％，期中考试的试卷交由学院（系）保存。
２、教师要检查学生的出勤情况，出勤情况和作业情况计入成绩， 占总成绩的５％。
３、期末考试成绩占总成绩的７０％。 ４、有条件的课程可以组织一定数量的小测验，计入平时成绩， 可对上面的比例作适当的调整。
特此通知。 教务处
2006年10月8日
校准输入参考电平
返回
衰减测量
返回
三、背向散射法
背向散射记录曲线1
a—由于耦合部件和光纤前端面引起的菲涅耳反射脉冲。 b—光脉冲沿具有均匀损耗的光纤段传播时的背向瑞利散射曲 线。 c—由于接头或耦合不完善引起的损耗，或由于光纤存在某些缺 陷引起的高损耗区。 d—光纤断裂处，此处损耗峰的大小反映出损坏的程度。 e—光纤末端引起的菲涅耳反射脉冲。
HP8145A工作原理
HP 8145A采用格林码作为输入光的调制信号。 格林码是一种纠错编码脉冲。它的自相关函数的 特点是主瓣(时域)近似于一个d函数，而旁瓣很小 (实际可达峰值的10％)。
格林码（循环码－－Cyclic code) 1957 年发现 循环性——任一许用码字经过循环移位后，得到的 码组仍为一个许用码组
可分辨的两个故障点的最小距离为
式中为脉冲宽度。对单脉冲来说．其能量取决于脉 宽，故瑞利散射回来的信号能量也取决于脉宽，因而， 提高分辨势必降低信噪比，怎样才能在不加宽单脉冲 宽度的基础上提高脉冲的能量呢? 采用编码信号代替单脉冲可以解决上述的矛盾。此时， 响应的分辨率取决于编码序列的码元宽度，不取决于 编码序列的总长度。然而，信号的能量取决于编码序 列的相关长度，其相关长度越长越好。 例如纠错编码序列，一种是伪随机序列。
背向散射法原理
10lg P1() L P2()
1L0(lgP1lgP2)(dB/k
P后散射=kPi
用对Leabharlann Baidu表示：
lgP后散射=lgPi+lgk
四、背向散射法
背向散射法测量原理框图
背向散射法是将大 功率的窄脉冲光注 人待测光纤，然后 在同一端检测沿光 纤轴向向后返回的 散射光功率。
信号的接收和处理
美国Acterna公司
§2.5 光纤定向耦合器
第三章 思考题 用背向散射法测量光纤损耗的根据是什么?
关于加强必修课程考试工作的通知
各院（系）： 为了加强对学生学习的过程管理，加强学风建设，提高教学质量，
特对《苏州大学普通高等教育本、专科考试工作的规定》（苏大教 ［２００４］４６号）文中的本科生的必修课程的考试作如下补充说 明：
当光纤存在故障点时，亦可采用此方法检测。
故障点位置： L (C) ti n2
背向散射记录曲线
背向散射法优点
背向散射法与剪断法、插人损耗法 相比，突出的优点是： 1．它是一种非破坏性的测量方法。 2．它是一种单端口测量法，即测量只需在光纤的 一端进行。这便于现场测量数公里的光缆。 3．它可以提供光纤损耗与长度关系的详细信息。 因此，可检测光纤的物理缺陷或断裂点位置，测量 接头损耗和位置，以及测量光纤长度等。
波长——λ（μm）
L波段
内容
一、衰减测量的光激励 二、剪断法 三、插入损耗法 四、背向散射法 五、光时域反射计
光纤测量的注入条件
一、衰减测量的光激励
1．多模光纤的注入条件 当光耦合进多模光纤时，会激励起很多模式，这 些模式所携带的能量各不和同，传输时的损耗也 不相同，而且由于光纤的弯曲及结构的不均匀性 等原因，使得各模式之间发生能量转换．经过相 当长一段距离后，最终损耗较小的低阶模将携带 较大光功率、损耗较大的高阶模将携带较小光功 率，于是各个模式携带和传送的光功率达到稳定， 此时称为稳态模分布，因此对于多模光纤各参数 的测量，只有在它达到稳态模分布之后才有意 义．
美国HP公司8145A型OTDR简介
8145A 使用数字相关技术，对单模光纤在1300 nm 时 能 产 生 28dB 的 动 态 测 量 范 围 。 它 比 传 统 的 OTDR 测量速度快150倍，功率分辨率达0.01 dB， 距 离 分 辨 率 为 1m ， 最 大 测 量 距 离 为 200 km 。 OTDR 内部有一个32位微处理器，用以自动计算连 接损耗。它可提供宽度为125ns、250ns、500ns、 1ms、2ms、4ms、8ms几种探测脉冲。光源波长可 选择1300nm和1540nm两种低损耗波长。连接损 耗测量的重复性误差以95％的概率优于0.015dB衰 减 系 数 的 测 量 误 差 以 95 ％ 的 概 率 小 于 0.015dB ／ km .
一、衰减测量的光激励
1．多模光纤的注入条件
能使多模光纤达到稳态模分布的注入条件有两 种方式：满注入和限制注入．所谓满注入就是要 均匀地激励起所有的传导模式，而限制注入就是 只激励起较低损耗的低阶模，而适当的抑制损耗 较大的高阶模． 当测量光纤的损耗时，采用限制注入方式，因为 损耗较大的高阶模的注入，会由于被测光纤长度 不同而使输出光功率不同，从而产生测量误差。
3．测量的分辨率、信噪比和动态范围之间存在矛盾。如要 提高故障检测的分辨率，则脉冲的能量要降低，因而信噪比和 动态范围均下降。
由于背向散射法存在上述缺点，故不能作为衰减测量的基准 方法。如怀疑其测量结果时，应以切断法的测量结果为标准。
剪断法与插入法、背向散射法比较
剪断法是根据损耗系数的定义，直接测量 传输光功率而实现的，所用仪器简单，测 量结果准确，因而被确定为基准方法。但 这种方法是破坏性的，不利于多次重复测 量。在实际应用中，可以采用插入法和背 向散射法作为替代方法。插入法和背向散 射法可以根据工作环境，灵活运用。但准 确度不如剪断法。
一、衰减测量的光激励
②滤摸器 当光耦合进光纤时．会激起瞬态模或其他不需要的传
导模，为了测量准确，要抑制掉这些模式，那么用来滤 除这些模的器件称为滤模器．通常这些需滤去的模损耗 都较大．如对光纤稍加弯曲，这些模很块就会衰减掉．
一、衰减测量的光激励
③包层模剥除器
当光耦合进光纤时，不仅会激起传导模，还会激 起非传导的辐射模辐射到包层中．当光纤的涂敷 层的折射率比包层的折射率低时，辐射模会在包 层与涂覆层界面上发生全反射，从而在包层中传 输，形成包层模．因为包层模会对测量产生严重 影响，所以需要除去． 包层模剥除器是一种使包层模转换成辐射模的部 件，它可以将包层模从光纤中除掉。
一、衰减测量的光激励
2．单模光纤的注入条件 在测量单模光纤的衰减时，由于光纤只传 导一个模式，没有稳态模功率分布问题， 所以注入系统不需要扰模器，只需要保证 激励基模。常用的注入方法有，用一段光 纤来接续或用适当的光学系统来注入。这 些方法的具体要求应根据实验来确定，目 前尚无明确的规定。
二、剪断法
一、衰减测量的光激励
稳态模功率分布模拟装置
无论以哪种注入方式，要达到稳态模分布需要配 置的设备有：扰模器、滤模器和包层模剥除器．
①扰模器 要达到稳态模分布，需要在光纤中传输很长距 离之后才行，这给测绘带来很多麻烦．根据模耦 合原理，采用强烈的几何扰动的方法．就能使多 模光纤各模式迅速达到稳态分布，这种器件称为 扰模器．
光纤传感技术 Fiber Optical Sensor
第三章 光纤衰减测量 Measurement of Fiber Attenuation
普通单模光纤的衰减随波长变化示意图
衰减（dB/km）
6
5
第一窗口
4
3
2
1
0。4 0。2
C 波段
1525~1565nm 第二窗口 第三窗口
0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.57 1.62
五、光时域反射计(OTDR）
(Optical time domain reflectometer )
OTDR是利用背向散射法所做成的仪器。用单脉冲 做探测信号的传统的OTDR 存在着分辨率和信噪比、 动态范围、测量时间之间的矛盾。 如何解决这个矛盾？原则：在保证分辨率的前提下， 尽可能提高信噪比和动态范围，并减少测量时间。
二、剪断法
2米
在测量衰减时，通常的剪断法要求两次测量，且在光纤始端和 终端使用同一个光源和探测器。
衰减谱测量
注入系统
宽光 谱
波长 滤光 器
二、剪断法
三、插入损耗法
测量原理
(a)校准输入参考电平
(b)衰减测量
四、背向散射法（又称后向散射法）
利用与传输光相反方向的瑞利散射光功率来 确定光纤损耗系数的方法，称为背向散射法。 瑞利散射光功率与散射点的入射光功率成正 比，因此测量沿光纤轴向返回的背向瑞利散 射光功率就可以获得光沿光纤传输损耗的信 息，从而可以测得光纤的衰减。
背向散射法的测量误差
测量误差来源于系统的噪声，光纤本身参数的不均匀性以及前、 后散射功率分布的不均匀性等。通常，最大误差可减小到 0.1dB。背向散射法测量衰减时存在的主要问题是：
1．由于背向散射系数非常小，因此注入端需要非常大的光 功率。
2. 由于散射体密度或数值孔径的影响，脉冲宽度值呈现不 均匀性．从而产生某些测量的不确定性。
接收：接收端一般由光电二极管探测器和放大电 路组成。探测器可选用雪崩光电二极管APD和场 效应管FET。 信号处理：背向散射法测得的信号很弱，比入射 光功率低几十分贝。要从噪声中把所需的信号检 测出来，必须采用一种降低噪声的信号处理方法。 例如，采用取样积分器利用平均法消除噪声。这 种方法的原理是噪声的统计平均值趋于零，且信 号是周朗的，可以不断积累，因此信噪比可以提 高。
如 (a6a5a4a3a2a1a0) 是循环码的一许用码组 则 (a0a6a5a4a3a2a1) 也是一许用码组
格林码例子 A1左移 3 位后，得A2
A1 : 1 1 0 0 1 0 1 A2: 0 1 0 1 1 1 0
格林码自相关函数
互补格林码自相关函数
HP8145A工作原理框图
美国Acterna公司 MTS 5000光时域反射仪