第9章 光纤通信常用仪表及测试

第9章光纤通信常用仪表及测试第9章光纤通信常用仪表及测试9.1引言9.2光纤测试以及光时域反射仪OTDR9.3光功率计与光端机的测试9.4光纤通信系统测试9.5误码测试仪与其他常用仪表9.6波长计、光谱分析仪OSA及应用9.7光衰减器及应用9.8网络分析仪及应用习题九第9章光纤通信常用仪表及测试9.1引言光纤测试的标准有三类：基础标准、器件测试标准和系统标准。基础标准用于测试和表征基本的物理参数，如损耗、带宽、单模光纤的模场直径和光功率等。在美国，负责制定基础标准的主要组织是国家标准和技术协会NIST(NationalInstituteofStandardsandTechnology），它负责光纤和激光器标准的制定工作，并发起了一个光纤测试年会。其他相应的组织有英国国家物理实验室NPL(NationalPhysicalLaboratory）和德国的PTB（PhysikalischTechnischeBundesanstalt）。第9章光纤通信常用仪表及测试器件测试标准定义了光纤器件性能的相关测试项目，并建立了设备校准程序。由几个不同的标准组织负责制定测试标准，其中最为活跃的有：电信工业协会TIA(TelecommunicationIndustriesAssociation）、电气工业协会EIA(ElectronicIndustriesAssociation）、国际电信联盟电信标准部ITUT(theTelecommunicationStandardizationSectoroftheInternationalTelecommunicationUnion）和国际电工委员会IEC(InternationalElectrotechnicalCommission）。第9章光纤通信常用仪表及测试TIA有120多条光纤测试标准和说明，在一般情况下，使用TIA/EIA455XXYY进行标识，XX指特定的测试技术，YY指公布年份。这些标准也称为光纤测试程序（FOTP），所以TIA/EIA455XXYY就变成了FOTP-XX。这些标准中还包括大量推荐的测试方法，用来测试光纤、光缆、无源器件和光电器件对环境因素和工作条件的响应。例如，TIA/EIA601997或者FOTP60是测试光纤和光缆长度的方法，公布于1997年。第9章光纤通信常用仪表及测试系统标准是指链路和网络的测试方法。负责系统标准的主要组织是美国国家标准协会（ANSI）、电子电气工程师协会（IEEE）和ITUT。对光纤系统的测试应特别注重的是来自ITUT的测试标准和建议。目前已公布的和即将公布的ITUT建议适合于光网络的各个方面，包括以下内容：第9章光纤通信常用仪表及测试(1)G.ons建议：“光传送网的网络节点接口”，包括光层功能开销的定义，例如传输波长的管理等。(2)G.872建议:“光传送网的结构”，公布于1999年2月。(3)G.798建议:给出光网络单元的功能特性。(4)G.onc建议:“光网络器件和子系统”，提出了器件和子系统传输方面的问题，例如分插复用器和光交叉连接。第9章光纤通信常用仪表及测试(5)G.983建议:“基于无源光网络的高速光接入系统”，公布于1998年10月。(6)G.959.1建议:“光网络物理层”，提出了点到点的WDM系统，以优化长距离传送。(7)G.onm建议:主要处理“光网络单元管理”中的问题。(8)G.871建议:“光网络单元框架”，给出了各种建议与制定它们的理论基础之间的联系。第9章光纤通信常用仪表及测试9.2光纤测试以及光时域反射仪OTDR9.2.1光纤测试参数光纤的测试参数有很多，主要有：(1)几何特性参数:包括光纤的纤芯直径、包层直径、纤芯不圆度、包层不圆度、芯包同心误差。(2)光学特性参数:包括单模光纤的模场直径、截止波长等，多模光纤的折射率分布、数值孔径等。第9章光纤通信常用仪表及测试(3)传输特性参数:包括衰减系数、单模光纤的色散系数、多模光纤的带宽。(4)机械特性参数:包括光纤的抗拉强度、疲劳因子等。(5)温度特性参数:包括衰减的温度附加损耗、时延温度等。光纤的每一种参数都有几种不同的测试或实验方法，本章只介绍其中的几种方法。第9章光纤通信常用仪表及测试9.2.2光纤损耗和色散测试1.光纤测试的注入条件1)多模光纤的注入条件光能耦合进多模光纤时会激励起很多模式，各个模式所携带的光能量是不同的，传输时的损耗也不同，模式之间还有能量转换，只有经过一个相当长的时间以后才能达到一种相对稳定的状态，此时称为稳态模式。对于多模光纤的测试，只有达到稳态模式分布以后才有意义。第9章光纤通信常用仪表及测试使多模光纤达到稳态分布的注入方式有两种，分别是满注入和限制注入。满注入就是要均匀地激励起所有的传导模式；限制注入就是只激励起较低损耗的低阶模，而适当抑制损耗较大的高阶模。当测试光纤的损耗时，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的不同而使输出光功率不同，从而产生测试误差；当测试光纤色散时，则采用满注入方式，因为色散的测试是由光脉冲通过传输后的脉冲时间展宽来确定的，如果采用限制注入，会使功率在不同模式上的分布产生较大变化，致使光脉冲的展宽程度不同，测试结果就不准确。第9章光纤通信常用仪表及测试要达到稳态分布，需要借助以下几种设备：(1)扰模器，即采用强烈的几何扰动，使多模光纤不需要很长的距离就能迅速达到稳态分布。(2)滤模器，滤除不需要的瞬态模或其他不需要的传导模，这些模损耗较大，对光纤稍加弯曲就可衰减掉。第9章光纤通信常用仪表及测试(3)包层模剥除器，即除去不需要的包层中的非传导辐射模。当涂敷层折射率比包层低时，辐射模会在包层与涂敷层之间反射，并在包层中传输。方法是把涂敷层去掉，把光纤浸在折射率比包层稍大的匹配液中。当光纤本身涂敷层的折射率大于包层折射率时就不会产生包层模，不需要去除。第9章光纤通信常用仪表及测试2.光纤损耗的测试损耗测试一般有三种方法：截断法、插入法和后向散射法。1)截断法截断法是一种破坏性的测试方法，需要在接入光纤的两端测试光功率，如图9.1所示。第9章光纤通信常用仪表及测试图9.1截断法测试光纤光源扰模器光检测器近端待测光纤远端L第9章光纤通信常用仪表及测试可以在一个或多个波长上测试损耗。如果要测试频谱响应，则需要在一个波段内进行。为了获得传输损耗，首先需要测试光纤输出端（或远端）的输出光功率PF，然后在不破坏输入条件的情况下，在离光源几米的地方截断光纤，测试近端输出光功率PN。以dB/km为单位的平均损耗α为FNPPLlg10其中，L是两个测试点之间的距离。第9章光纤通信常用仪表及测试2)插入法插入法具有非破坏性的特点，但不如截断法精确。如图9.2所示，为了进行损耗测试，首先将带有一段发射光纤的连接器与接收系统的连接器相连，并记录下发射光功率电平P1（λ），然后将待测光缆接入发射和接收系统之间，并记录下接收光功率电平P2（λ），则以dB为单位的光缆损耗α为)()(lg1021PP（9.1)第9章光纤通信常用仪表及测试连接器质量会影响测试精度，上式给出的损耗值是成缆光纤的损耗与发射端连接器和光缆连接器的损耗之和。第9章光纤通信常用仪表及测试图9.2插入法测试损耗光源1光检测器2光连接器P1()光源1光检测器AP2()待测光纤B2光连接器第9章光纤通信常用仪表及测试3)后向散射法后向散射法是通过光纤中后向散射光信号来提取光纤衰减及其他信息的，诸如光纤光缆的光学连续性、物理缺陷、接头损耗和光纤长度等，是一种间接测试均匀样品衰减的方法。假设输入光信号功率为P0，传输到距离输入端距离为z处发生散射，部分光向后反射回输入端。光纤的衰减系数是距离z的函数，假设正向传输时的衰减系数为αi（z），反向传输时的衰减系数为αS（z），则正向光功率为第9章光纤通信常用仪表及测试反射后，向后反射光的功率和P（z）的比值成为后向散射系数，用S表示，它和光纤的结构参数（芯径、相对折射率差）有关。后向散射光的功率PS（z）可以表示为zdzzPzP00)(exp)((9.2)00)(exp)(zSdzzPSzP(9.3)第9章光纤通信常用仪表及测试将式(9.2)代入式(9.3)，可得})]()([exp{)(00dzzzPSzPSizS(9.4)如果光纤从0到z的平均衰减系数为α（z），则有dzzzzzzzPSzPSizS)]()([21)(])(2exp[)(00(9.5)第9章光纤通信常用仪表及测试则任意两点z1、z2之间的平均衰减系数为)()(lg5211221zPSzPSzzzz(9.6)从这个式子可以看出，只要能测出z1、z2点散射光返回的光功率以及z1、z2两点之间的距离，就可以算出平均衰减系数。这种测试是由光时域反射计OTDR来完成的。第9章光纤通信常用仪表及测试3.光纤色散的测试数字信号在光纤中传输时是由不同的频率成分或不同的模式成分来携带的。这些不同的频率成分或模式成分有不同的传输速度，当它们在光纤中传输一段距离后将互相散开，于是光脉冲被展宽，这种现象就是色散。色散特性可以从时域或频域两方面描述，光脉冲在时间上的展宽实际上是从时域特性来描述光纤的色散效应的，而光纤的频域特性则是指光纤中每个频率成分的失真。第9章光纤通信常用仪表及测试1)多模光纤的色散测试假设光纤的输入/输出脉冲波形都近似为高斯分布，如图9.3所示。图9.3（a）为输入脉冲，幅度为A1，则A1/2所对应的宽度Δτ1是这个脉冲的宽度。图9.3（b）为输出脉冲，假设幅度为A2，则A2/2所对应的宽度Δτ2是这个脉冲的宽度。经证明，经光纤传输后的脉冲展宽Δτ、Δτ1和Δτ2的关系是2122)()(（9.7）第9章光纤通信常用仪表及测试Pin(t)A101t(a)Pout(t)A202t(b)21A21A图9.3假设光纤的输入/输出脉冲波形都近似为高斯分布第9章光纤通信常用仪表及测试所以只要测出Δτ1和Δτ2，就可以得到脉冲展宽Δτ。如果输入脉冲Pin（t）对应的频谱函数是Pin（f），输出脉冲Pout（t）对应的频谱函数为Pout（f），那么光纤的频率响应特性H（f）为)()()(fPfPfHinout（9.8）第9章光纤通信常用仪表及测试当输出频谱下降为输入频谱的一半时，对应的频率为光纤的带宽，用fc表示，即H（fc）=1/2，有10lgH（fc）=-3dB。实际测试时，一般把光功率变为电信号处理，即I（f），则有dBfPfPfIfIinoutinout6)()(lg20)()(lg20即6dB电带宽对应3dB光带宽。第9章光纤通信常用仪表及测试由于输入/输出脉冲具有高斯波形，因此可得光纤的带宽B（即fc）和脉冲的展宽时间有如下关系：441.0B（9.9）所以如果测得光纤的脉冲时延，就可以求得带宽B。第9章光纤通信常用仪表及测试ITUT规定的基准测试方法有两种：时域法和频域法。(1)时域法:测试框图如图9.4所示。测试步骤为：先用脉冲发生器调制光源，使光源发出窄脉冲信号，且使其波形尽量接近高斯分布，注入方式采用满注入方式；接着用一根短光纤将连接点1和2相连，此时在输出示波器中得到的是Pin（t），并测试它的宽度Δτ1；然后把待测光纤从接头1和2之间接入，同样的输入条件下，在示波器中得到的波形相当于Pout（t），测试它的宽度Δτ2；将这两个值带入式（9.7），则得到此光纤的脉冲展宽Δτ；最后利用式（9.9）可计算光纤带宽B。第9章光纤通信常用仪表及测试图9.4时域法测试色散原理框图脉冲发生器光源扰模器12光检测示波器待测光纤延时触发第9章光纤通信常用仪表及测试(2)频域法:读取的是频率信号的幅值变化。测试原理框图如图9.5所示。频谱仪读取的光纤电信号幅值下降6dB所对应的频率就是光信号的3dB带宽。第9章光纤通信常用仪表及测试图9.5频域法测试光纤色散的原理框图扫频发生器光源扰模器12光检测频谱仪待