光纖參數(shù)測(cè)試方法的研究

作者：岳蕾

 
摘要

　　論述了光纖的測(cè)試參數(shù)、測(cè)試方法以及不確定度分析�？偨Y(jié)了光纖幾何參數(shù)、模場(chǎng)直徑、截止波長(zhǎng)、衰減、波長(zhǎng)色散的測(cè)試方法。歸納出了光纖參數(shù)測(cè)試中存在的問題和解決方法。

1  引言

　　光纖通信技術(shù)的飛速發(fā)展增加了光纖光纜的需求量。目前，全世界已敷設(shè)光纖數(shù)億公里，光纖通信不僅在陸地上使用，而且還形成了跨越大西洋和太平洋的海底光纜線路，幾乎包圍了整個(gè)地球。按光纜敷設(shè)方式分有：自承重架空光纜，管道光纜，鎧裝地埋光纜和海底光纜。按光纜結(jié)構(gòu)分有：束管式光纜，層絞式光纜，緊抱式光纜，帶式光纜，非金屬光纜和分支光纜。按光纜用途分有：長(zhǎng)途通訊用光纜、短途室外光纜、混合光纜和建筑物內(nèi)用光纜。光纖光纜在國內(nèi)以至世界的需求量都是很大的，確保光纖光纜的質(zhì)量至關(guān)重要，光纖基本參數(shù)的測(cè)試是對(duì)光纖光纜質(zhì)量的保證。

　　光纖光纜是光信號(hào)傳輸?shù)拿劫|(zhì)，它是光通信的基礎(chǔ)。在這個(gè)領(lǐng)域國家參考國際電工委員會(huì)IEC 793-1-2：1995《光纖第1部分：總規(guī)范第2篇：尺寸參數(shù)試驗(yàn)方法》，IEC 793-1-4：1995《光纖第1部分：總規(guī)范第4篇：傳輸特性和光學(xué)特性試驗(yàn)方法》和國際電聯(lián)ITU-T G650：1997《單模光纖相關(guān)參數(shù)的定義和試驗(yàn)方法》，ITU-T G651：1993《50/125μm多模漸變折射率光纖纜的特性》等相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)制定了光纖光纜的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15972.2-1998《光纖總規(guī)范第2部分：尺寸參數(shù)試驗(yàn)方法》和GB/T 15972.4-1998《光纖總規(guī)范第4部分：傳輸特性和光學(xué)特性試驗(yàn)方法》，對(duì)光纖的基本測(cè)試參數(shù)和試驗(yàn)方法做出了相關(guān)規(guī)定。

　　這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了光纖光纜的具體性能指標(biāo)。光纖的特性參數(shù)分為幾何特性參數(shù)(光纖長(zhǎng)度、纖芯直徑、包層直徑、纖芯不圓度、包層不圓度、芯/包層同心度誤差等)、光學(xué)特性參數(shù)(模場(chǎng)直徑、單模光纖的截止波長(zhǎng)、成纜單模光纖的截止波長(zhǎng)、折射率分布、多模光纖的數(shù)值孔徑等)、傳輸特性參數(shù)(衰減、波長(zhǎng)色散等)。

2  光纖參數(shù)的測(cè)試方法

　　對(duì)光纖參數(shù)的測(cè)試方法參照國標(biāo)中相關(guān)的試驗(yàn)方法進(jìn)行，下面列舉出一些光纖基本參數(shù)的測(cè)試方法。光纖的特性參數(shù)中，幾何特性參數(shù)對(duì)光纖的包層直徑、包層不圓度、芯/包層同心度誤差的測(cè)試方法做出相關(guān)說明；光學(xué)特性參數(shù)對(duì)模場(chǎng)直徑、單模光纖的截止波長(zhǎng)、成纜單模光纖的截止波長(zhǎng)的測(cè)試方法做出相關(guān)說明；傳輸特性參數(shù)對(duì)光纖的衰減、波長(zhǎng)色散的測(cè)試方法做出相關(guān)說明。

　　2.1  光纖幾何特性參數(shù)測(cè)試

　　光纖的折射率分布、包層直徑、包層不圓度、芯/包層同心度誤差的測(cè)試方法。

　　測(cè)量包層直徑、包層不圓度、芯/包層同心度誤差的測(cè)試方法是折射近場(chǎng)法、橫向干涉法和近場(chǎng)光分布法（橫截面幾何尺寸測(cè)定）。

　　光纖的折射率分布、包層直徑、包層不圓度、芯/包層同心度誤差的測(cè)試方法有三種。

　　●折射近場(chǎng)法

　　折射近場(chǎng)法是多模光纖和單模光纖折射率分布測(cè)定的基準(zhǔn)試驗(yàn)方法（RTM），也是多模光纖尺寸參數(shù)測(cè)定的基準(zhǔn)試驗(yàn)方法和單模光纖尺寸參數(shù)測(cè)定的替代試驗(yàn)方法（ATM）。

　　折射近場(chǎng)測(cè)量是一種直接和精確的測(cè)量。它能直接測(cè)量光纖（纖芯和包層）橫截面折射率變化，具有高分辨率，經(jīng)定標(biāo)可給出折射率絕對(duì)值。由折射率剖面圖可確定多模光纖和單模光纖的幾何參數(shù)及多模光纖的最大理論數(shù)值孔徑。

　　●橫向干涉法

　　橫向干涉法是折射率剖面和尺寸參數(shù)測(cè)定的替代試驗(yàn)方法（ATM）。橫向干涉法采用干涉顯微鏡，在垂直于光纖試樣軸線方向上照明試樣，產(chǎn)生干涉條紋，通過視頻檢測(cè)和計(jì)算機(jī)處理獲取折射率剖面。

　　●近場(chǎng)光分布法

　　這種方法是多模光纖幾何尺寸測(cè)定的替代試驗(yàn)方法（ATM）和單模光纖幾何尺寸（除模場(chǎng)直徑）測(cè)定的基準(zhǔn)試驗(yàn)方法（RTM）。通過對(duì)被測(cè)光纖輸出端面上近場(chǎng)光分布進(jìn)行分析，確定光纖橫截面幾何尺寸參數(shù)。

　　可以采用灰度法和近場(chǎng)掃描法�；叶确ㄓ靡曨l系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩維（x-y）近場(chǎng)掃描，近場(chǎng)掃描法只進(jìn)行一維近場(chǎng)掃描。由于纖芯不圓度的影響，近場(chǎng)掃描法與灰度法得出的纖芯直徑可能有差別。纖芯不圓度可以通過多軸掃描來確定。

　　一般商用儀表折射率分布的測(cè)試方法是折射近場(chǎng)法。

　　測(cè)試中使用的儀表是光纖幾何參數(shù)和折射率分布測(cè)量?jī)x。測(cè)試步驟如下：

　�、僭嚇又苽鋾r(shí)應(yīng)注意試樣端面清潔、光滑并垂直于光纖軸。

　�、跍y(cè)量包層時(shí)，端面傾斜角應(yīng)小于1°�？刂贫嗣鎿p傷，使其對(duì)測(cè)量精度的影響最小。

　　③注意避免光纖的小彎曲。

　　④將被測(cè)光纖剝除被覆層，用專用光纖切割刀切割出平整的端面, 放入光纖樣品盒中，樣品盒中注入折射率稍高于光纖包層折射率的折射率匹配液。

　�、輰⒐饫w樣品盒垂直放在光纖折射率分布測(cè)量?jī)x的光源和光探測(cè)器之間，進(jìn)行x-y方向的掃描測(cè)試。

　�、尥ㄟ^分析得到光纖折射率分布、包層直徑、包層不圓度、芯/包層同心度誤差的測(cè)試數(shù)據(jù)。

2.2  光纖光學(xué)特性參數(shù)測(cè)試

　　(1)單模光纖模場(chǎng)直徑的測(cè)試方法

　　模場(chǎng)直徑是單模光纖基模（LP01）模場(chǎng)強(qiáng)度空間分布的一種度量，它取決于該光纖的特性。

　　模場(chǎng)直徑（MFD）可在遠(yuǎn)場(chǎng)用遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布Pm(θ)、互補(bǔ)孔徑功率傳輸函數(shù)α(θ)和在近場(chǎng)用近場(chǎng)光強(qiáng)分布f2(r)來測(cè)定。模場(chǎng)直徑定義與測(cè)量方法嚴(yán)格相關(guān)。

　　單模光纖模場(chǎng)直徑的測(cè)試方法有三種。

　　●直接遠(yuǎn)場(chǎng)掃描法

　　直接遠(yuǎn)場(chǎng)掃描法是測(cè)量單模光纖模場(chǎng)直徑的基準(zhǔn)試驗(yàn)方法（RTM）。它直接按照柏特曼（Petermann）遠(yuǎn)場(chǎng)定義，通過測(cè)量光纖遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖計(jì)算出單模光纖的模場(chǎng)直徑。

　　●遠(yuǎn)場(chǎng)可變孔徑法

　　遠(yuǎn)場(chǎng)可變孔徑法是測(cè)量單模光纖模場(chǎng)直徑的替代試驗(yàn)方法（ATM）。它通過測(cè)量光功率穿過不同尺寸孔徑的兩維遠(yuǎn)場(chǎng)圖計(jì)算出單模光纖的模場(chǎng)直徑，計(jì)算模場(chǎng)直徑的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是柏特曼遠(yuǎn)場(chǎng)定義。

　　●近場(chǎng)掃描法

　　近場(chǎng)掃描法是測(cè)量單模光纖模場(chǎng)直徑的替代試驗(yàn)方法（ATM）。它通過測(cè)量光纖徑向近場(chǎng)圖計(jì)算出單模光纖的模場(chǎng)直徑，計(jì)算模場(chǎng)直徑的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是柏特曼遠(yuǎn)場(chǎng)定義。

　　一般商用儀表模場(chǎng)直徑測(cè)試方法是遠(yuǎn)場(chǎng)變孔徑法(VAFF)。

　　測(cè)試中使用的儀表是光纖模場(chǎng)直徑和衰減譜測(cè)量?jī)x。測(cè)試步驟如下：

　　●準(zhǔn)備2m（±0.2m）的光纖樣品，兩端剝除被覆層，放在光纖夾具中，用專用光纖切割刀切割出平整的端面。

　　●將被測(cè)光纖連接入測(cè)量?jī)x的輸入和輸出端，檢查光接收端的聚焦?fàn)顟B(tài)，如果曲線不在屏幕的正中央或光纖端面不夠清晰，則需要進(jìn)行位置和焦距的調(diào)整。

　　●在光源的輸出端保持測(cè)試光纖的注入條件不變，打一個(gè)半徑30mm的小環(huán)，濾除LP11模的影響，進(jìn)行模場(chǎng)直徑的測(cè)試。

　　通過分析得到光纖模場(chǎng)直徑的測(cè)試數(shù)據(jù)。

　�。�2）單模光纖截止波長(zhǎng)和成纜單模光纖截止波長(zhǎng)的測(cè)試方法

　　測(cè)量單模光纖的截止波長(zhǎng)和成纜單模光纖的截止波長(zhǎng)的測(cè)試方法是傳輸功率法。

　　當(dāng)光纖中的模大體上被均勻激勵(lì)情況下，包括注入較高次模在內(nèi)的總光功率與基模光功率之比隨波長(zhǎng)減小到規(guī)定值（0.1dB）時(shí)所對(duì)應(yīng)的較大波長(zhǎng)就是截止波長(zhǎng)。傳輸功率法根據(jù)截止波長(zhǎng)的定義，在一定條件下，把通過被測(cè)光纖（或光纜）的傳輸功率與參考傳輸功率隨波長(zhǎng)的變化相比較，得出光纖（或光纜）的截止波長(zhǎng)值。

　　一般商用儀表模場(chǎng)直徑測(cè)試方法是傳輸功率法。

　　測(cè)試中使用的儀表是光纖模場(chǎng)直徑和衰減譜測(cè)量?jī)x。測(cè)試步驟如下：

　�、僭跇悠分苽鋾r(shí)，單模光纖的截止波長(zhǎng)的測(cè)試使用2m（±0.2m）的光纖樣品，成纜單模光纖的截止波長(zhǎng)的測(cè)試使用22m的已成纜單模光纖。

　　②將測(cè)試光纖的兩端剝除被覆層, 放在光纖夾具中，用專用光纖切割刀切割出平整的端面。

　�、蹖⒈粶y(cè)光纖連接入測(cè)量?jī)x的輸入和輸出端, 檢查光接收端的聚焦?fàn)顟B(tài), 如果曲線不在其屏幕的正中央或光纖端面不夠清晰, 則需要進(jìn)行位置和焦距的調(diào)整。

　�、芟仍跍y(cè)試光纖不打小環(huán)的情況下，測(cè)試參考傳輸功率。

　　⑤再將測(cè)試光纖在注入端打一個(gè)半徑30mm的小環(huán)，濾除LP11模的影響，測(cè)試此時(shí)的傳輸功率。

　�、迣�兩條傳輸功率測(cè)試曲線相比較，通過數(shù)據(jù)分析處理，得到光纖（或光纜）的截止波長(zhǎng)值。
2.3  光纖傳輸特性參數(shù)測(cè)試

　　(1)衰減的測(cè)試方法

　　衰減是光纖中光功率減少量的一種度量，它取決于光纖的性質(zhì)和長(zhǎng)度，并受測(cè)量條件的影響。衰減的主要測(cè)試方法如下：

　　●截?cái)喾?/P>

　　截?cái)喾ㄊ菧y(cè)量光纖衰減特性的基準(zhǔn)試驗(yàn)方法（RTM），在不改變注入條件時(shí)測(cè)出通過光纖兩橫截面的光功率，從而直接得到光纖衰減。

　　●插入損耗法

　　插入損耗法是測(cè)量光纖衰減特性的替代試驗(yàn)方法（ATM），原理上類似于截?cái)喾�，但光纖注入端的光功率是注入系統(tǒng)輸出端的出射光功率。測(cè)得的光纖衰減中包含了試驗(yàn)裝置的衰減，必須分別用附加連接器損耗和參考光纖段損耗對(duì)測(cè)量結(jié)果加以修正。

　　●后向散射法

　　后向散射法是測(cè)量光纖衰減特性的替代試驗(yàn)方法（ATM），它測(cè)量從光纖中不同點(diǎn)后向散射至該光纖始端的后向散射光功率。這是一種單端測(cè)量方法。

　　一般商用儀表衰減的測(cè)試方法是截?cái)喾ê秃笙蛏⑸浞ā?/P>

　　截?cái)喾�測(cè)試中使用的儀表是光纖模場(chǎng)直徑和衰減譜測(cè)量?jī)x。測(cè)試步驟如下：

　�、贉�(zhǔn)備不短于1km或更長(zhǎng)一些（一般一個(gè)光纖盤長(zhǎng)：25km）的光纖樣品，兩端剝除被覆層, 放在光纖夾具中，用專用光纖切割刀切割出平整的端面。

　�、趯�測(cè)試光纖盤的外端光纖通過專用夾具連接儀表的發(fā)射端，將測(cè)試光纖盤的內(nèi)端光纖通過專用夾具連接儀表的接收端，檢查光接收端的聚焦?fàn)顟B(tài), 如果曲線不在屏幕的正中央或光纖端面不夠清晰, 則需要進(jìn)行位置和焦距的調(diào)整。

　�、墼诠饫w注入端打一個(gè)半徑30mm的小環(huán)，濾除LP11模的影響，測(cè)試此時(shí)的傳輸功率。

　　④保持光源的注入狀態(tài)不變（在光纖注入端打一個(gè)半徑30mm的小環(huán)），將測(cè)試光纖樣品截?cái)酁?m的試樣，光纖通過專用夾具連接儀表的接收端，檢查光接收端的聚焦?fàn)顟B(tài), 如果曲線不在屏幕的正中央或光纖端面不夠清晰，則需要進(jìn)行位置和焦距的調(diào)整。測(cè)試此時(shí)的傳輸功率。

　　將兩條傳輸功率測(cè)試曲線相比較，通過數(shù)據(jù)分析處理，得到光纖在1310nm和1550nm波段的衰減譜特性。

　　后向散射法測(cè)試中使用的儀表是光時(shí)域反射計(jì)。測(cè)試步驟如下：

　�、賹�測(cè)試光纖盤的外端通過熔接光纖連接器或裸纖適配器，接入光時(shí)域反射計(jì)進(jìn)行測(cè)試。

　�、跍y(cè)試中光時(shí)域反射計(jì)使用最小二乘法（LSA）計(jì)算光纖的衰減，此方法可忽略光纖中可能的熔接或接頭損耗對(duì)光纖鏈路測(cè)試造成的影響。

　　③如需分段測(cè)試光纖鏈路的衰減可使用兩點(diǎn)法進(jìn)行測(cè)試。

　�、芄饫w衰減測(cè)試中，應(yīng)選擇光纖測(cè)試曲線中的線性區(qū)域，避開測(cè)試曲線近端的飽和區(qū)域和末端的反射區(qū)域，測(cè)試兩點(diǎn)間的光纖衰減（dB/km）。

　　⑤更改光時(shí)域反射計(jì)的測(cè)試波長(zhǎng)，分別對(duì)1310nm和1550nm波長(zhǎng)處的光纖衰減特性進(jìn)行測(cè)試分析。

　　實(shí)際測(cè)試中，可以通過截?cái)喾ê秃笙蛏⑸浞▋煞N測(cè)試方法驗(yàn)證光纖衰減的測(cè)試數(shù)據(jù)。對(duì)于帶有光纖連接器的測(cè)試光纖樣品，為了不破壞已安裝的光纖連接器，則只能使用后向散射法進(jìn)行單端非破壞性測(cè)試。

　�。�2）波長(zhǎng)色散的測(cè)試方法

　　波長(zhǎng)色散是由組成光源譜的不同波長(zhǎng)的光波以不同群速度傳輸引起的光纖中每單位光源譜寬的光脈沖展寬，用ps/nm表示。它取決于該光纖的特性和長(zhǎng)度。波長(zhǎng)色散的主要測(cè)試方法如下：

　　●相移法

　　相移法是測(cè)量光纖波長(zhǎng)色散的基準(zhǔn)試驗(yàn)方法（RTM）。它在頻域中通過檢測(cè)、記錄和處理不同波長(zhǎng)正弦調(diào)制信號(hào)的相移來測(cè)量不同波長(zhǎng)信號(hào)的群時(shí)延，從而推導(dǎo)出光纖波長(zhǎng)色散。

　　●脈沖時(shí)延法

　　脈沖時(shí)延法是測(cè)量光纖波長(zhǎng)色散的替代試驗(yàn)方法（ATM）。它在時(shí)域中通過直接檢測(cè)、記錄和處理不同波長(zhǎng)脈沖信號(hào)的群時(shí)延，從而推導(dǎo)出光纖波長(zhǎng)色散。

　　●微分相移法

　　微分相移法是測(cè)量光纖波長(zhǎng)色散的替代試驗(yàn)方法（ATM）。它在1000nm~1700nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)由兩個(gè)相近波長(zhǎng)間的微分群時(shí)延來測(cè)量特定波長(zhǎng)上的波長(zhǎng)色散系數(shù)。

　　一般商用儀表波長(zhǎng)色散的測(cè)試方法是相移法。

　　測(cè)試中使用的設(shè)備是色散測(cè)量?jī)x。測(cè)試步驟如下：

　�、贉y(cè)試光纖樣品應(yīng)不短于1km。光纖兩端做好光纖連接器。

　�、谠谏�散測(cè)試時(shí)應(yīng)先用兩根標(biāo)準(zhǔn)光纖跳線分別連接色散測(cè)量?jī)x的輸入端和輸出端，通過法蘭盤連接兩根光纖跳線的另一端，將色散測(cè)量?jī)x自環(huán)，測(cè)試此時(shí)的參考值。

　�、墼賹�測(cè)試光纖通過法蘭盤接入光纖環(huán)路。

　�、芨鶕�(jù)測(cè)試光纖樣品，設(shè)定光纖類型；數(shù)據(jù)擬合方式；光纖測(cè)試中的群折射率；測(cè)試光纖長(zhǎng)度；；測(cè)試波長(zhǎng)范圍；波長(zhǎng)間隔等。

　　⑤測(cè)試光纖的零色散波長(zhǎng)、零色散斜率和色散系數(shù)等。通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析處理得到光纖的色散特性。

　　光纖參數(shù)測(cè)試中的不確定度評(píng)定方法：光纖參數(shù)測(cè)試中的不確定度評(píng)定一般參考下面提到的方法進(jìn)行。主要考慮測(cè)量?jī)x器引入的不確定度和測(cè)量重復(fù)性兩方面因素。

3  光纖參數(shù)測(cè)試中普遍存在的問題

　　以單模光纖B1.1類（即非色散位移單模光纖）、B1.3類（即波長(zhǎng)段擴(kuò)展的非色散位移單模光纖）和B4類（即非零色散位移單模光纖）為例說明光纖參數(shù)測(cè)試中普遍存在的問題。光纖參數(shù)測(cè)試中普遍存在的問題是單模光纖的截止波長(zhǎng)指標(biāo)超標(biāo)的問題。

　　根據(jù)國內(nèi)光纖光纜標(biāo)準(zhǔn)，截止波長(zhǎng)可分為光纜截止波長(zhǎng)λCC、光纖截止波長(zhǎng)λC和跳線光纜截止波長(zhǎng)λCj，光纖光纜的截止波長(zhǎng)指標(biāo)應(yīng)符合表二中的相應(yīng)規(guī)定。光纜使用長(zhǎng)度不小于22m時(shí)應(yīng)符合表二中λCC規(guī)定，使用長(zhǎng)度小于22m但不小于2m時(shí)應(yīng)符合表二中λCj規(guī)定，使用長(zhǎng)度小于2m時(shí)應(yīng)符合表二中λC規(guī)定，以防止傳輸時(shí)可能產(chǎn)生的模式噪聲。

　　表1中B1.1和B1.3類光纖截止波長(zhǎng)的指標(biāo)相同，以下我們將B1.1和B1.3類光纖簡(jiǎn)稱為B1類光纖。

　　在對(duì)國內(nèi)光纖光纜廠商光纜產(chǎn)品的委托測(cè)試中，在四種規(guī)格的光纜產(chǎn)品中以192芯（其中B1類光纖178芯，B4類光纖14芯）為抽樣基數(shù)，隨機(jī)抽取B1類光纖樣品12根，B4類光纖樣品4根，測(cè)試單模光纖的截止波長(zhǎng)參數(shù)。測(cè)試結(jié)果中單模光纖的截止波長(zhǎng)普遍存在超標(biāo)現(xiàn)象。

　　光纖測(cè)試數(shù)據(jù)如圖1所示，從圖中看出B4類光纖的截止波長(zhǎng)滿足指標(biāo)要求，B1類光纖截止波長(zhǎng)除二根滿足指標(biāo)要求外，其它都大于截止波長(zhǎng)指標(biāo)的上限。

　　圖1  光纖截止波長(zhǎng)測(cè)試結(jié)果

　　由于光纖截止波長(zhǎng)過大，超過了系統(tǒng)預(yù)期的工作波長(zhǎng)。無法避免系統(tǒng)中光傳輸時(shí)模式噪聲和色散功率的代價(jià)的影響。光纖的截止波長(zhǎng)超標(biāo)，使光纖不能處于單模（基模LP01）工作狀態(tài)，對(duì)系統(tǒng)中光信號(hào)的傳輸造成干擾，影響了傳輸質(zhì)量。所以應(yīng)嚴(yán)格控制光纖光纜截止波長(zhǎng)的范圍，對(duì)光纖纖芯生產(chǎn)工藝進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)光纖光纜的成纜過程進(jìn)行監(jiān)控。

4  結(jié)束語

　　光纖參數(shù)測(cè)試是光纖及光纜測(cè)試中的重要技術(shù)指標(biāo)，對(duì)光纖光纜的質(zhì)量至關(guān)重要。本文歸納了光纖參數(shù)的測(cè)試方法、不確定度評(píng)定準(zhǔn)則、以及在光纖光纜測(cè)試中存在的問題。總結(jié)了實(shí)際測(cè)試中對(duì)測(cè)試方法的應(yīng)用和改進(jìn)，以及可能遇到的問題和解決方法。