第一章 第一章 光纤的基本原理光纤的基本原理 第二章 第二章 光纤系统转换器和元件连接光纤系统转换器和元件连接 第三章 第三章 光纤衰减测量光纤衰减测量 第四章 第四章 光纤色散测量 光纤色散测量 第五章 第五章 光纤传感器基本原理光纤传感器基本原理

第六章 第六章 光纤机械量传感器 光纤机械量传感器 第七章 第七章 光纤热工量传感器 光纤热工量传感器 第八章 第八章 光纤电磁量传感器 光纤电磁量传感器 第九章 第九章 医用光纤传感器 医用光纤传感器

第三章 光纤衰减测量

衰减是光纤传输特性的重要参量，它的测量是光纤传输特性测量的重要内容之一。

衰减直接影响光纤的传输效率。对通信应用的光纤，低衰减特性尤为重要。

3 ． 2 衰减测量的光激励

单模光纤中损耗的功率可用损耗系数 来描述，它表示单位长度光纤的损耗功率。

如果沿长度方向的损耗是均匀的，那么在知道输入功率 P(0) 后，沿光纤长度方向上任一点 z处的功率 P(z) 便可用损耗系数表示

'2

对多模光纤，按单位长度计算的均匀损耗这一概念不成立。

只有在稳态模式分布的条件下，才能得到惟一代表光纤本征特性的 α 值。

获得稳态模式分布有三种方法：

(1) 建立 NAb≈NAf 的光学系统；

(2) 建立稳态模式模拟器， 一般包括扰模器和 包层模消除器；

(3) 用一根性能和被测光纤相同或相似的辅助光纤，代替光纤耦合长度的作用，这种方法在现场应用得非常方便。

扰模器是一种用强烈的几何扰动实现模式强耦合的部件。通过这种部件能提供一个与光源特性无关的模式分布。

滤模器是一种用来选择，并抑制或衰减某些模式以便建立所需要的稳态模式分布的部件。

滤模器可以是绕棒式的，即把光纤用较小的张力绕在一根 20mm 长的棒上。

或将光纤嵌入 s 型槽内．其中充满折射率匹配液可消除包层模。

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。

由于光具有向高折射率介质折射的性质，将滤模器中那一段光纤的涂敷层去掉，并浸在折射率等于或稍大于包层折射率的匹配液中。

匹配液可以采用丙三醇 ( 甘油 ) 、四氯化碳和液态石腊等。

适当的光耦合系统与扰模器、滤模器及包层模剥除器一起构成“注入系统”，通过注入系统的光功率应达到稳态分布。判断是否达到稳态分布有两种方法。

其一是看光纤输出功率与扰模程度的变化关系：刚开始扰模时由于高阶模的包层模损耗很大，输出功率下降很快；当模式趋于稳态分布时，输出功率的变化就很缓慢。

其二是看光纤输出近场和远场分布。

输出近场分布图：光纤输出端面光功率沿光纤半径 r 的分布 Po(r)称为光纤输出近场分布图，如果光纤中各导模的损耗相同，又无模式耦合，则 Po(r) 与光纤输入端面光功率分布相同。那么，光纤的输出近场分布可以用数学式子表示为

g=∞, 阶跃分布

g=2, 抛物线分布

g=1, 三角分布

输出远场分布图：在距光纤输出端面足够远处，光纤的输出光功率沿孔径度φ的分布 Po(φ)为光纤的输出远场分布图。

3.3 剪断法

光纤损耗测量有两种基本方法：一种是测量通过光纤的传输光功率，称剪断法和插入法；另一种是测量光纤的后向散射光功率，称后向散射法。

3.3.1. 剪断法原理

光纤衰减和光纤衰减系数

)/(lg10

2

1 KmdBp

p

LL

Aa

式中， L为被测光纤长度 (km) ， P1 和 P2 分别为输入光功率和输出光功率 (mW 或 W) 。

剪断法光纤损耗测量系统框图

3.3.2 衰减谱测量

在测量光纤的衰减谱时，单一波长衰减测量装置不适用，因为利用这种装量时每测一个波长点都需要更换光源，并将光纤剪断一次。

3.3.3 误差分析

通常，光纤的长度可以非常准确地予以测量，因此有

3.4 插入损耗法 剪断法具有破坏性．因此很难用于现

场测量且很费时间。在现场测量待测的光纤是已铺设的成缆光纤，且多半铺设在管道中，很难或不允许剪断。此时，通常采用插入损耗法替代剪断法。

首先对输人参考电平 P1(λ) 进行校淮，通常，将其校到零电平。然后将待测光纤插入，调整耦合接头以达到最佳耦合，此时输出电平应为最大值，记下此值为 P2(λ) 。

插入损耗法的测量淮确度和重复性受锅台元件准确度和重复性影响。

光纖損失測試仪器

1. 光功率計 (Optical Power Meter)主要材料有 Si 或 Ge 或InGaAs 三種 .用來測試光的功率 , 以 dBm 或mW 表示 .

2. 光源 (Optical Light Source)提供測試用的參考光源 , 分為 LED,LD(FP,DFB).

一般 LD 光源強度為 -4dBm ~ -10dBm 之間 .LED 強度為 -20dBm ~ -30dBm 之間 .

Patchcord

adaptor待測光纖

區間損失測試 : 光源 + 光功率計先將光源及光功率計用光纖跳接線連接 , 將光功率計歸零 , 再放置於兩端測試 , 即可測試區間損失 , 單位為 dB.

To Power Meter End

To Power Meter End

光源Power meter 光源 Power meter

A B

雙向光纖測試儀器光源及光功率計做在同一台儀器內 , 做雙向測試時 , 可避免人力來回奔波 .

乾淨清潔的端面 髒污的端面 損壞的端面

光纖顯微鏡測試光纖接頭是否乾淨 , 可放大至 400 倍 . 當傳輸速率愈來愈快 ,565Mb/s2.5Gb/s 10Gb/s 40Gb/s, 如果光纖接頭不乾淨 , 將會影響傳輸的品質 .清潔工具 : 光纖清潔帶 , 無水酒精 , 擦拭紙 .

可調式光衰減器模擬光衰減 , 可用於製造 , 或電信 .接收端需裝置幾 dB 固定式光衰減器 , 使其於在最佳的光功率下工作 .

3.5 背向散射法 瑞利散射光功率与传输光功率成比例。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，称为后向散射法。

用后向散射法的原理设计的测量仪器称为光时域反射仪 (OTDR) 。这种仪器采用单端输入和输出，不破坏光纤， 使用非常方便。 OTDR 不仅可以测量光纤损耗系数和光纤长度，还可以测量连接器和接头的损耗，观察光纤沿线的均匀性和确定故障点的位置，是光纤系统工程现场测量不可缺少的工具。

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。

背向散射法与剪断法，以及插人损耗法相比，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。

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。

3.5.1 背向散射法的工作原理

(a) 输入端反射区； (b)

恒定斜率区， 用以确定损耗系数； (c) 连接器、 接头或局部缺陷引起的损耗； (d) 介质缺陷 (例如气泡 ) 引起的反射；(e) 输出端反射区，用以确定光纤长度。

设在光纤中正向传输光功率为P，经过 LA和 LB点 (LA<LB) 时分别为PA和 PB(PA>PB) ，从这两点返回输入端 (L=0) 。 光检测器的后向散射光功率分别为Pd(LA) 和 Pd(LB) ，正向和反向平均损耗系数

)/()(

)(lg

)(2

10

12

KmdBLPd

LPd

LLa

B

A

式中右边分母中因子 2 是光经过正向和反向两次传输产生的结果。

背向散射法不仅可以测量损耗系数，还可利用光在光纤中传输的时间来确定光纤的长度 L 。显然，

式中， c为光速， n1为光纤的纤芯折射率， t为光脉冲发出到返回的时间。

12n

ctL

3.6 光时域反射计 (0TDR)OTDR是利用背向散射法所做成的仪器。

光学系统 耦合器件 光学系统

光学系统

信号处理

放大器示波器

数据处理系统

被测光纤

光源

光检测器

相 对 回 波 光 功 率

初始脉冲作用点

终端费涅尔回波

长度 Z

光纤长度上的某一点散射信号的变化，可以通过 OTDR方法独立地探测出来，而不受其他点散射信号改变的影响。

后向散射光检测波形示意图

標點 M3距離機房 0.488km處損失0.24dB

OTDR: 5 Point Splice 5 點法測試損失

OTDR: Loss, Loss (LSA)連續測兩個平均損失

標點 M1至 M3兩個點距離 4.677km損失 2.10dB標點 M3至 M5兩個點距離 4.917km損失 2.72dB

標點 M1至 M2兩個點距離 1.799km損失 0.59dB

OTDR:Fix Dlt (2PA) 標點 1與 2間光纖損失值

7． 2 取样积分器

取样积分器 (Boxcar) ， 是一种微弱信号检测系统。它在原理上是很古老的，它利用周期性信号的重复特性，在每个周期内对信号的一部分取样一次，然后经过积分器算出平均值，于是各个周期内取样平均信号的总体便展现了待测信号的真实波形。因为信号提取 (取样 ) 是经过多次重复的，而噪声多次重复的统计平均值为零，所以可大大提高信噪比，再现被噪声淹没的信号波形。

一、取样积分器的工作原理1、取样门及积分器 取样点的值，应是信号和噪声的和，我们以信号和噪声功率平均值来看积分前后信噪比的变化。若输入信号为Vsi，经过积分器M次积累后所得到的输出电压为

取样门及积分器

噪声电压是随机量 Vni ，经过 m次积累以后，相加所得值 Vn仍为随机变量

通过累积以后获得的倍噪比为

通过累积以后信号噪声幅值比 (SNIR)为

一个取样积分器的核心组件是取样门和积分器，通常采用取样脉冲控制 RC积分器来实现，使在取样时间内被取样的波形作同步积累，并将所积累的结果 ( 输出 )保持到下一次取样

取样积分器通常有两种工作模式，即定点式和扫描式。定点式取样积分器是测量周期信号的某一瞬态平均值；

扫描式取样积分器则可以恢复和记录被测信号的波形。下面分别讨论这两种模式。

2 ．定点式取样积分器

定点式取样是对被噪声淹没的信号在固定点取样、平均，所以经m次取样平均后，其幅值倍噪比改善为

定点式取样积分器仅能在噪声中提取信号瞬时值，其功能与锁定放大器相同，不同的定点可通过手控延时电路来实现。

3．扫描式取样积分器 扫描式取样积分器利用取样脉冲在信号波形上延时取样，可以恢复被测信号波形。它主要包括可变时延的取样脉冲和在取样脉冲控制下作同步积累这两个过程。

扫描式取样积分器可得到形状与输入的被测信号相同，而在时间上大大放慢了的输出波形，故扫描式取样积分器能在噪声中提取信号并恢复波形。

定点式取样积分器按照定点取样m次的法则，

不难理解幅值信噪比改善为 的结论。

对扫描式取样积分器由于可变时延的取样脉冲在取样过程中取样点是逐渐变化的，所以它的取样过程受到门脉冲宽度的限制，只有在门宽范围内才能被取样。

信噪比改善

由于慢扫描电压相对于时基电压变化十分缓慢，因而取样脉冲相对于触发脉冲的移动也是十分缓慢的，以至在输入的被测信号波形上每一“点”依次可以掠过多个门宽的取样脉冲，从而对波形每个取样“点”进行多次积累平均。