光纤的基本特性及测试4

§7.4光纤脉冲展宽的测量不同入射角传播的光线光纤中不同的光波模式夹角小的低阶模传播得快夹角大的高阶模就传播得慢与光纤轴的夹角入射角不同的光线到达光纤出射端面的时间就有先后光波模间的时间延迟传播的时间延迟输出的光脉冲就被展宽色散色散引起的脉冲展宽，限制了光纤传输的信息容量。可见，光脉冲的展宽是光纤的一个重要参数，对它的测量是十分必要的设光纤的入射脉冲为x(t)，出射脉冲为y(t)，脉冲响应为h(t)，则根据数学关系，它们响应的傅立叶变换为:1()()21()()2jtjtXxtedtxtXed7.4.1测量原理(7.4.1)1()()21()()2jtjtYytedtytYed1()()21()()2jtjtHhtedthtHed(7.4.3)(7.4.2)同时，x(t)，y(t)，h(t)之间还有下面的线性卷积关系:0()()()()()tythtxthtxd(7.4.4)()()()YHX将上式两边取傅立叶变换(7.4.5)将式(7.4.5)代入式(7.4.3)，则可得到脉冲响应h(t)为:00()()()()ttjtjtYhtHededX000()[]()tjttjttjtytedtedxtedt(7.4.6)脉冲响应h(t)和频率特性的关系也可以用傅立叶变换的公式得到22()exp[()]tht设脉冲响应h(t)是常见的高斯分布:(7.4.9)(7.4.8)(7.4.7)作傅立叶变换有：2()401()()e2tjtHhtedt特征频率是表示当H(ω)降低为原值的一半，(即降低3dB)的频率，利用，式(7.4.8)可写为:2()exp[()ln2]2cHfcfcf2ln2110.53cf上式和式(7.4.8)相比较，求得光截止频率为:(7.4.10)所以如果能够测出光截止频率，就可以得到脉冲响应宽度，从而求得脉冲响应h(t)。反之，测出h(t)，也同样得到和fc的数值同时，设入射脉冲x(t)和出射脉冲y(t)也是高斯分布，即:22()exp[()]txt入2022()exp[()]ttyt出(7.4.11)(7.4.12)cf2022()exp[()]ttht222入出将上述各式代入卷积关系式(7.4.4)，可求得:这个式子在分离多模色散和其他色散的测量中很有用处。0t(7.4.13)(7.4.14)考虑脉冲的平均传播时间7.4.2脉冲比较法由式(7.4.6)可知，只要求得入射光脉冲x(t)和出射光脉冲y(t)，就可得到光纤的脉冲响应h(t)。下图是用脉冲比较法测量脉冲展宽的实验装置原理图图7.4.1脉冲比较法测量脉冲展宽的实验装置原理图光源采用半导体激光器，检波是用雪崩二极管，然后用同步示波器接收并比较光脉冲信号(见图7.4.2)，根据波形求出x(t)和y(t)，最后由傅立叶变换求得脉冲响应函数h(t)。图7.4.2输入、输出脉冲波形此外，和脉冲比较法测量相似，还有一种调制测量方法。它是利用改变光源的调制频率而测量出相对应的频率响应，由此求出脉冲响应。二、时域法时域法是比较输入，输出脉冲宽度以求光纤的带宽，在满足注入条件时，光源输出窄脉冲(与待测的展宽相比极窄)注入被测光纤。在光纤输出端测量输出脉冲y(t)，然后在距离输入端约2m处剪断光纤，在剪断处检测输入脉冲x(t)。图7.4.6频域法方法原理图()110lg()10lg10lg3()2cYHdBX实际光纤的基带响应呈高斯型，通常定义半幅值点对应频率为光截止频率。结合式（7.4.5）得到:(7.4.23)(7.4.24)所以称为光纤的-3dB光带宽(或对于光功率用dB表示，称-6dB电子带宽)。用FFT由计算机计算，并绘出H(ω)的dB曲线，进一步确定带宽实测光纤带宽=。事实上，长度为L的光纤基带响应包括模畸变和色散综合影响:1222[]TLMLCLBBB模畸变带宽色散带宽cfcfcfTLB7.4.3多模色散分离测量上述的测量都是对全色散引起的展宽进行的，为了从全色散中分离出多模色散、波导色散和材料色散，可以用一种双束激光器来测量.如图7.4.3所示。两个激光器所发出的不同波长的激光，经过半透反射镜合成后，入射到光纤中去，然后用同步示波器来检测。图7.4.3多模色模分离测量原理图nt2222()mn入出由于波长和的两个脉冲中心的传输时间差Δt和多模色散无关，只是由波导色散和材料色散引起，故有:由于我们假设所有的光脉冲按时间分布均为高斯型，所以有:(7.4.15)(7.4.16)多模色散脉冲展宽波导色散脉冲展宽材料色散脉冲展宽从式(7.4.15)和(7.4.16)，就可以求得多模色散宽度:2222tm入出(7.4.17)1221ttt图7.4.3是用这种方法测量在示波器上所得脉冲波形的示意图。是两个发射脉冲中心的时间间隔，是接收脉冲中心的时间间隔，由于波长和的两个脉冲中心的传输时间差Δt为:图7.4.4发射和接收的双脉冲波形示意图由此可以计算出多模色散宽度。1t2t12(7.4.18)一、频域法图7.4.5频域法方法原理图频域法式用频率连续可调的正弦调制光源。在满足注入条件下，注入被测光纤，经光纤传输后在终端测出光频域函数Y(ω)，然后在距注入端2m处剪断光纤，在剪断处测输入光频域函数X(ω)，由此求出基带频响H(ω)=Y(ω)/X(ω)。根据基带频响的幅频特性就可确定被测光纤的带宽，xy函数记录仪给出基带频响的幅频特性曲线，曲线的-6dB(电子带宽)点对应的频率即为测得的光纤带宽值。频率计用来校准扫描频率和记录仪扫频曲线x轴进行定标。切断法测光纤带宽是一种破坏性的测试方法，但由于它测试法精确可靠，CCITT建议作为一种基准测试方法。TLBTLB7.4.4色散测量色散测量按光强调制的波形来分有相移法(正弦信号调制)和脉冲时延法(脉冲调制)两类，也有人称为频域法和时域法。相移法:通过测量不同波长下同一正弦信号的相移得出群时延与波长的关系，进而算出色散系数。设波长为λ的光相对于波长为的光传播的时延为Δt，则从光纤出射端接收到两种光的调制波形相位差为:0()2ft(7.4.19)光源调制频率每公里的平均时延差可由下式给出:/tL()2fL(7.4.20)()式中L为光纤长度，显然，对相同的提高f可降低的最小可测值，有利于提高测量精度；但是f的提高要受到发光二极管最高调制频率的限制，通常f≤100MHz。只要测出不同波长下的，计算出，再利用下式:i()ii()ii4224ABCDE(7.4.21)拟合这些数据得出曲线()其中A、B、C、D、E为待测常数，由拟合计算确定而色散系数(单位ps/km·nm):()533()4224dBCDEd(7.4.22)式中波长以nm为单位；时间以ps为单位。图为用一组LED做光源的测量系统，LED由频率f＝30MHz的正弦信号调制，宽光谱得调制光直接经尾纤耦合进待测单模光纤。出射光由单色仪分出6nm，中心波长为的单色光，再经透镜会聚到探测器得光敏面，然后经放大器送至矢量电压表，利用式(7.4.21)拟合这些数据得出曲线。由式（7.4.22）得到曲线，通过曲线还能确定零色散波长（1）（2）相对时延色散系数下图（1）为1360nm波长得单模光纤所测到相对时延与波长关系拟合曲线；图（2）表示相应色散系数与波长的关系曲线。从图中可以看到零色散波长＝1.31um，当在1.25～1.35um范围内，色散系数为05/psKmnm0波长被测参数基准测试方法替代测试方法衰减系数切断法插入损耗法、背向散射法基带响应时域法、频域法总色散系数相移法、脉冲时延法截止波长传导功率法模场直径与波长关系法折射率分布折射近场法近场法最大理论数值孔径折射近场法近场法几何尺寸折射近场法近场法模场直径传输场法、横向偏移法