全新無干擾在線光纖識別法

               Gang He，EXFO研發(fā)部高級光學(xué)研究員
               Daniel Gariépy，EXFO研發(fā)部光學(xué)研究員
               Francis Audet，EXFO光業(yè)務(wù)部高級產(chǎn)品經(jīng)理
               Gregory W. Schinn，EXFO研發(fā)部首席技術(shù)官

在識別在線光纖或暗光纖時，最渴望獲得的或者說最缺乏的功能之一是以無干擾的方式表示在線光纖中信號的特征或檢測其信號；即不用斷開光纖鏈路的任何部分，也不會因為增加插損而導(dǎo)致誤碼。

本文介紹 EXFO 全新無干擾在線光纖識別方法的原則。

傳統(tǒng)的夾持式設(shè)備

傳統(tǒng)夾持式設(shè)備不需要斷開光路， 可以廣泛配合光纖或光纜使用以 a) 檢測是否存在信號（負載信號光纖檢測）；b) 確定信號傳播的方向；c) 粗略測量內(nèi)置光功率，以及 d) 通過檢測光信號上添加的低頻音確定未標記的電纜。

夾持式設(shè)備主要采用一種固定彎曲結(jié)構(gòu)引起宏彎曲（即彎曲半徑比光纖直徑大得多），這樣，一小部分傳播光會透過包層逸出 [1, 2, 3, 4]。相對于光纖芯中的總光量，這部分傳播光稱作插入損耗 (IL) 或彎曲損耗。由于大部分緩沖和護套材料對于電信應(yīng)用中使用的近紅外波長部分透明，因此可檢測到部分光逸出。 

這種固定彎曲方法的不足之處是宏彎曲引起的 IL 過分依賴波長，例如在傳播光的波長為 1310 nm 或 1550 nm 時，就無法最優(yōu)化所引起的 IL 和靈敏度。一般來講，會對彎曲半徑進行選擇，以使在 1310 nm 的損失微乎其微（例如 0.2 dB），并且在 1550 nm 的損失不算太高（例如 2 dB 到 3 dB）。在 1625 nm 時，損失幾乎始終無法接受。但是，即便對于相同的波長和護套類型，指定的 IL 會由于光纖類型（例如 G.652、G.655 等）而存在很大差異，造成無法接受的信號中斷風(fēng)險。 

全新的夾持式設(shè)計 – 探索通用宏彎曲行為

我們最近開發(fā)了[5,6]一種用于光纖夾持式設(shè)備的全新方法，它所引起的插入損耗 (IL)非常小,且本質(zhì)上獨立于波長、光纖類型或護套和緩沖材料的。
此方法基于迄今都很難探究的所有單模光纖所共有的特性。即代表 IL 相對于宏彎曲半徑 R（即 d(IL)/dR）的 IL 變化率曲線，在作為 IL 的函數(shù)制作圖表時，任何單模光纖類型和波長本質(zhì)上是相同的。

圖 1 概念地顯示了用于確認此行為的測量設(shè)置。


                   圖 1. 夾持式原則示意圖。

一根光纖（或光纜）固定在恰當(dāng)?shù)膴A持裝置中，并且控制光纖（或光纜）從 180 度的角度（即沒有彎曲或 R = ∞）彎曲到大約 120 度，或直到 IL 超出限制。（注意，在實踐當(dāng)中，測量彎曲角度通常比測量彎曲半徑更方便，盡管它們在有效交互長度保持近似恒定時直接相關(guān)。）加載到光纖中的光功率 (Pin)，以及通過宏彎曲到達光纖末端的光功率（這一距離通常較短，以便忽略固有光纖衰減）(Pout)，采用標準功率表來進行測量，作為宏彎曲角度的函數(shù)。此插入損耗定義為 IL (dB) = -10 log (Pout/Pin)。

圖 2 顯示了對于各種光纖和光纜類型并且在不同的波長，IL 與角度的函數(shù)曲線。觀察表明，對于給定的 IL（例如 0.7 dB），所有曲線的斜率近似恒定。盡管根據(jù)光纖類型或其他類似因素，曲線中存在部分發(fā)散現(xiàn)象，但它們?nèi)匀槐憩F(xiàn)出顯著的類似相關(guān)性。（沒有顯示的是在 1610 nm 采集的數(shù)據(jù)，也表現(xiàn)出類似行為。）
 

圖 2. IL (dB) 與各種光纖類型、護套和緩沖類型以及 1311 nm 和 1550 nm 波長的宏彎曲角度的對比。（抑制包層單模光纖 (DCSMF)；色散位移光纖 (DSF)。）此插入損耗通過直接測量作為角度函數(shù)的 Pout 和 Pin 來確定。

 
圖 3. 導(dǎo)數(shù) dPe/d? 與 IL 的對比。IL 通過使用檢測器 D1 測量逸出功率 (對于圖 2 中的每個數(shù)據(jù)點) 來確定，并針對直接測量的 IL 來繪圖。

夾持式方法的主要原則之一是避免測量 Pin 和 Pout，因為這些參數(shù)在實際測量狀況中通常無法使用。只有從光纖芯逸出的光 (Pe) 或其一小部分可用于測量。 

IL 和從光纖芯逸出的功率 Pe 之間存在良好的既定關(guān)系，而 Pe = Pin – Pout 獲得。Pe 和 Pin 以 dBm 單位表示，IL 以 dB 表示，
Pe = EF + Pin
其中
EF = 10*log (1-10(-IL/10))。

通過測量作為宏彎曲角度函數(shù)的 Pe，可繪制 dPesub>/d? 相對于 IL 的圖表并獲得一系列曲線，如圖 3 所示。這些曲線對應(yīng)于圖 2 中擬合數(shù)據(jù)的導(dǎo)數(shù)（w.r.t. 彎曲角度），代表在 1310 nm 和 1550 nm 都有不同光纖類型和護套類型的選定光纖。這些曲線對于不同的光纖、護套和電纜類型十分近似，這就是全新夾持式設(shè)計中探究的一種通用行為。例如，要維護 0.7 ± 0.2 dB（稍高于非標準光纖）的恒定 IL，可設(shè)置相應(yīng)的宏彎曲角度，例如 dPe/d? = 0.9 dB/deg。

圖 4 說明了近期發(fā)布的基于此原則的 EXFO 產(chǎn)品的光機械元件[7]。一種由線性促動器驅(qū)動的彎曲機制將宏彎曲應(yīng)用到護套或電纜光纖（未顯示）。由一種夾持機制將光纖保持在相對于兩個檢測器（每個分別檢測東西方向的傳播）最佳的位置。

設(shè)備固有重復(fù)性指標在檢測期間測定：九個原型單位至少夾持五次，G.652 光纖的每個方向均采用四種不同的護套類型，在 1550 nm 一共測量 379 次。對于總體平均損耗 0.53 dB 而言，引起的 IL 偏差的標準偏差為 0.08。 

 
                                                圖 4. 夾持設(shè)備使用此方法進行光機械夾持。

光纖識別應(yīng)用

無干擾夾持設(shè)備最適合光纖識別應(yīng)用。例如在許多中心辦公室，整棟建筑中到處都是光纜（通常直徑為 1.6 mm 和 3 mm），通常雜亂無章，并且光纖標簽不充分。

第一種情況，用戶希望識別給定暗光纖的另一端，包括低頻音（例如 270 Hz）調(diào)制光源的測試源會首先加載到上行端。因此，在相信會找到光纜下游端的另一個建筑部分，無干擾夾持設(shè)備可順序檢測所有相鄰光纜，直到檢測到聲音并由此確定該光纜。因為任何光纖里的任何波長所引入的插損非常小，所以攜帶重要信息流的線路不會受到任何干擾。

第二種情況，希望識別并標記例如攜帶 20 條不同信息流的光纜中的每一根，不能斷開上行端，因為它通常攜帶著重要的信息流。此外，使用特別改裝的夾持設(shè)備或其他機械調(diào)制器在光纜的上行端應(yīng)用非常低頻率（例如 11 Hz）的不同宏彎曲，這樣可以在同一光纜的下行端光學(xué)檢測到非常低頻率的 IL 調(diào)制，約為 0.2 dB[8]。此時，夾持設(shè)備接收器和宏彎調(diào)制發(fā)送器沒有分別為線路帶來大的 IL 非常重要，因為，施加給鏈路的總 IL 將是兩個單獨 IL 值的總和。EXFO 最近已經(jīng)推出了這種無干擾方式低頻率調(diào)制[9]的夾持設(shè)備。


 
LFD-300/TG-300 FiberFinder—負載信號光纖識別儀/音頻發(fā)生器

本文描述的全新非入侵式夾持方法為無法外中斷實時信息流的中心辦公室等環(huán)境中的光纖測量提供多種可行的方法。其中最特別的一種是夾持設(shè)備在光纖識別應(yīng)用中可用作下行檢測器，而低損耗的宏彎調(diào)制發(fā)送器用于上行調(diào)制器。

參考文獻
[1] Campbell, B.D. 等，Signal coupler for buffered optical fibers（帶緩沖器光纖的信號耦合器），美國專利 4,586,783，1986 年 5 月 6 日發(fā)行。
[2] James, S.M.，Non-intrusive optical fibre identification using a high-efficiency macrobending `clip-on‘ optical component（采用高效宏彎曲夾持光學(xué)元件的無干擾光纖識別），Elec. Lett. 24，1221-22 (1988)。
[3] Cox, Larry R.，F(xiàn)iber identifier（光纖識別儀），歐洲專利 EP 0639762B1，1995 年 2 月 22 日發(fā)行。
[4] So, Vincent C. 等，Test instrument for an optical fiber（光纖測試儀器），美國專利 4,671,653，1987 年 6 月 9 日發(fā)行。
[5] Gariépy, D. 和 G. He，Method and apparatus for extracting light from an optical waveguide（從光波導(dǎo)提取光的方法和設(shè)備），PCT 專利應(yīng)用 WO/2006/092051，2006 年 9 月 8 日出版。
[6] Chen, H.、D. Gariepy、G. He、J. Theberge 和 G.W. Schinn，Technical Digest（技術(shù)摘要）：SOFM2006，Boulder，CO，2006 年 9 月 19 – 20 日 (NIST Special Publication 1055)；pp.26-29。
[7] EXFO 夾持設(shè)備，型號 LFD-250 和 LFD-300。
[8] Frigo, N. 等，Method, apparatus and system for minimally intrusive fiber identification（干擾最少的光纖識別方法、設(shè)備和系統(tǒng)），PCT 專利應(yīng)用 WO/2005/020478，2005 年 3 月 3 日出版。
[9] EXFO FiberFinder™ 發(fā)送器型號 TG-300，配合相應(yīng)的接收器型號 LFD-300 使用。