第10章 光纤通信常用仪表及测试

2020/1/311第10章光纤通信常用仪表及测试2020/1/312本章内容第10章光纤通信常用仪表及测试10.1光源与光功率计10.1.1稳定光源10.1.2光功率计10.1.3光纤多用表10.2光衰减器10.2.1工作原理10.2.2仪表使用10.3误码测试仪10.3.1误码测试仪原理10.3.2常用误码仪性能指标10.4光时域反射仪（OTDR）10.4.1光时域反射仪概述10.4.2OTDR工作原理10.4.3OTDR的主要参数10.4.4OTDRHP8147的使用方法10.5光纤参数的测试10.5.1光纤长度的测量10.5.2光纤平均衰减测试10.5.3光纤接头衰减测试10.5.4光纤色散测试10.5.5光纤传输带宽测试10.6光端机性能参数测试10.6.1光端机平均发送光功率和消光比的测试10.6.2光端机接收灵敏度和动态范围的测试10.7光纤通信系统性能测试10.7.1误码测试10.7.2抖动性能的测试小结习题2020/1/313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。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。系统标准是指链路和网络的测试方法。本章将介绍光纤通信常用仪表及测试技术。要保证光纤通信系统的质量，就必须有严格的检测手段，而检查和测试又离不开一些光电检测仪器仪表。如光功率计、稳定光源、光时域反射仪、误码仪和光衰减器等。2020/1/31410.1光源与光功率计在光纤通信技术中，进行光纤衰耗的测量，连接损耗的测量、活动连接器损耗以及光电器件或光收端机灵敏度的测量，光源是不可缺少的信号源。光源大体可分为三类：可见光源、稳定光源和宽谱线光源（白色光源、卤素灯光源等）。10.1.1稳定光源1．稳定光源原理稳定光源，即其输出光功率、波长及光谱宽度等特性（主要是光功率）应当是稳定不变的，当然，绝对稳定不变是不可能的，只是在给定的条件下（例如一定的环境、一定的时间范围内）其特性是相对稳定的。若要达到一定的指标要求，稳定光源应有一定的措施以保证其特性的稳定。一般采取APC（自动功率控制）电路和ATC（自动温度控制）电路等措施。图10-1绘出了一般稳定光源的原理方框图。2020/1/315调制信号输出稳压电源外调制信号交流电源发光器内调制信号监测探测温度控制（ATC）外C开关（APC）功率输出图10-1稳定光源原理方框图2020/1/3161．ATC电路一般半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）等发光器件都有温度特性，随着温度的变化（包括环境温度的变化和光源本身因工作而发热所引起的温度变化）其输出功率会发生变化。因此，稳定光源都设有自动温度控制电路（ATC），控制发光器件的环境温度在一定范围内，一般常见的ATC电路是利用微型（半导体）致冷器，再用温度传感器（如热敏电阻等）将温度的变化信息传递给控制电路，后者用来控制致冷器的电流，以改变其致冷量，从而保持发光器件周围的温度恒定。2020/1/3172．APC电路采用自动（光）功率控制电路是直接控制发光器件的输出光功率大小的一种有效措施。因为发光器件输出光功率的大小与其调制和驱动信号的强度有关（主要指的是调制信号和偏置电流），因此如果设法对这些信号加以有目的地控制，就可以从另一方面（外因）控制发光器件输出光功率的大小。常见的方法是利用监测探测器，对发光器件的输出光功率的大小加以监测，再将监测到的信息反馈至发光器件驱动电路的输入端，去控制驱动电路信号的强弱，再将监测到的信息反馈至发光器件驱动电路的输入端，去控制驱动电路信号的强弱，类似于电子电路中的负反馈原理。一般发光器件前向输出光功率的同时，背向也会有光辐射出来，而且两者的强弱保持一定的比例，也就是说背向光也反映了发光器件输出光功率的大小。监测探测器只要将背向光接收下来再反馈至驱动电路输入端，就可以达到功率控制的目的。例如，如果输出光功率有增加的趋势，则背向光亦增强，于是监测探测器输出信号也会增强，此信号控制放大器增益下降，从而使驱动信号的幅度（电流）下降，这样，发光器件输出光功率的增加趋势立即得到抑制，反之亦然。最后使输出光功率保持稳定。2020/1/3183．调制电路一般稳定光源输出的光功率有两种形式，一种是连续光，也就是通常称的CW光，它是由直流信号驱动的，另一种由调制信号驱动，这种调制信号可以是机内振荡器产生，称为内调制信号，也可以用外部调制信号（即外调制），内调制信号一般是270Hz左右的一定幅度的方波，而外调制信号则根据需要选择，但其幅度和频率一定要符合原机要求。4．输出方式稳定光源一般以活动连接器的形式输出，接口装在面板上，只要用另一支同规格的活动连接器即可将其引出使用。2020/1/3192.稳定光源性能指标以752L双波长LED稳定光源为例，如图10-2所示。图10-2752L稳定光源2020/1/3110表10-1752L稳定光源性能指标中心波长1310nmCW输出光功率1dBm（1.26mW）输出稳定度（CW）短期稳定度（5mins）±0.06dB长期稳定度（8hours）±0.1dB输出方式CW、270Hz、1KHz、2KHz供电电源9V,160mAh可充电电池,充电器工作温度0℃～+40℃存储温度-40℃～+70℃外形尺寸180mm×100mm×40mm连接器接口通用连接器接口重量（含电池）≤0.41kg2020/1/31113.稳定光源使用注意事项使用稳定光源时，必须弄清楚技术指标，根据自己的需要选用合适的稳定光源。1．注意使用的波长，稳定光源的波长应与之相符。2．发光元件、输出光功率和输出稳定性这三者往往要综合考虑，一般激光器光源输出光功率较大，谱线窄（这对某些对光谱宽度有严格要求的场合特别重要），但稳定性稍差，而发光二极管光源输出光功率较小，光谱宽度要比LD光源大十倍以上乃至数十倍，但稳定性一般都比LD光源好，应根据使用的场合全面考虑。3．一般光源都是用光纤耦合输出的，因此要注意连接光纤的特性（是单模还是多模），连接器的型号等问题。同时要注意连接器必须保持清洁，不用时必需盖上防尘罩。这也是所有光学仪表均应注意的问题。4．应注意稳定光源的调制方式，以便使用外调制时选择适合的调制信号。2020/1/311210.1.2光功率计1.用途与分类光功率计是用来测量光功率大小、线路损耗、系统富裕度及接收机灵敏度等值的仪表，是光纤通信系统中最基本，也是最重要的测量仪表之一。光功率计的种类很多，具体分类如下：（1）根据显示方式的不同，可分成模拟显示型和数字显示型两类。（2）根据可接收光功率大小的不同，可分成高光平型（测量范围为+10～-40dBm）、中光平型（范围为0～-55dBm）和低光平型（范围为0～-90dBm）三类。（3）根据光波长的不同，可分为长波长型（范围为1.0～1.7μm）、短波长型（范围为0.4～1.1μm）和全波长型（范围为0.7～1.6μm）三类。（4）根据接收方式的不同，可将光功率计分成连接器式和光束式两类。（5）根据携带方式的不同，还可分为台式光功率计和便携式光功率计。2020/1/31132.工作原理光功率计一般都由显示器（又称指示器，属于主机部分）和检测其（探头）两大部分组成，图10-3所示为一种典型的数字显示台式光功率计，其工作原理如图10-4所示，该仪器采用进口低噪声、大面积光电二极管作为探测元件，采用了先进的斩光同相检测技术，采用微机辅助控制与数据处理以及电磁三防等措施，面板操作简单舒适，读数直观、准确、可靠。它所配用的探头也实现了智能化，便于测量各种不同类型的被测光，而各探测器均自带校准因子，可进行自动波长相应度补偿，开机后只需输入波长数即可直接读数。同时亦可自调零、自选项量程、数据平均、数据存储。2020/1/3114检测器数字显示A/D变换波长校正电路低通滤波器I/V变换被测光源图10-3台式光功率计图10-4数字显示式光功率计原理框图2020/1/31159.2.3光功率计的测量方法和测试步骤1．光功率计测量方法（1）线性显示方式。以最基本的光功率单位W及其派生单位mW、μW、nW、pW等为单位进行功率值的显示。测量某被测光的绝对功率大小时常用这种方式。（2）对数显示方式。以光功率的对数分贝值为单位进行功率值的显示。光通信中常用以mW为参考值的dBm单位来表示功率，dBm与mW换算公式为：（10-1）式（10-1）中Pm是光功率以dBm为单位时的数值；P是光功率以mW为单位时的数值。mWPdBmPm1log10)(2020/1/31169.2.3光功率计的测量方法和测试步骤（3）相对测量方式。把被测光功率的dBm减去预先选定的功率参考值，再进行显示，此时的读数是一个相对值，单位为dB，而dB单位实际上就是在取定1mW作为功率参考值的相对测量方式的特殊情形，相对测量数值与对数显示数值的关系是：（10-2）式（10-2）中Pr为相对测量方式的读数；Pm为对数显示时的光功率读数；Pm0是以dBm为单位时的参考光功率值。)()()(0dBmPdBmPdBPmmr2020/1/3117(2)光功率计测试步骤1）开机。按下电源开关键“POWER”，开机后仪表进行自检、显示标志。2）调零。调零主要是对光探测其的暗电流及噪声等功率的消除，因此应将探测器完全遮光（用保护盖即可），当然也可以在背景光下调零，但背景光不能超过最小量程的一半。调零只需按“ZERO”键即可自动进行。在测试中的任何时候都可重新对探测器进行遮光调零。3）波长及校准因子的设定。根据被测光波长设定右显示窗内的波长值。利用“SHIFT”键来完成设置。波长值可以以1nm或50nm步进。设置校准因子功能是为了进行整机系统校准。如经过计算，整机系统误差为－0.55dB，完成了校准一次0.55dB的设置。由于机内带有RAM后备电池，可保证在光机时，也不会丢失RAM中的信息，因此校准因子可永久地保持在机内，直到下次被改变。加入校准因子后显示的功率值是补偿后的实际功率值。2020/1/3118(2)光功率计测试步骤4）测量方式的选择及量程选择。根据测试特点，可以用“dBm/W”及“dB（REL）”键选定测量方式，测量方式在测试中可随时按需要相互改变。5）记录仪输出与监视输出。记录仪输出是一个NBC插座，可输出与功率线性读数成正比的直流电压，可直接接在X-Y记录仪上。监视输出相当于一个低频简易O/E变换器。在－30dB以上量程，其带宽约为1MHz。在－30～－50dBm功率范围，其带宽约为100Hz。2020/1/3119光纤多用表是集光源和光功率计于一身的便携式仪表，除可进行光功率绝对、相对测量外，还可自成系统完成光纤、光缆及光无源器件光衰减等参数的测量。LS6301光纤多用表采用微机控制，可直接测量650nm、780nm、850nm、980nm、1310nm、1490nm、1550nm波长的光，还可自调零、自动切换量程、量程保持、数据平均处理等。图10-5所示为一种便携式光纤多用表。便携式光纤多用表的开关分三档：OFF（电源关闭状态）、ON（光功率测量状态）、LOSS（光损耗测量状态）。光功率有输入输出两个插座:INPUT（光输入插座）、OUTPUT（光输出插座）。使用时打开护盖，平时盖上护盖。图10-5LS6301光纤多用表10.1.3便携式光纤多用表2020/1/312010.2光衰减器光衰减器：（1）用途与分类概念：光衰减器是对光信号进行衰减的器件。作用：用于调整中继段的线路衰减、评价光系统的灵敏度及校正光功率计等。分类：光衰减器有两种类型，即可变光衰减器和固定光衰减器。2020/1/312110.2光衰减器10.2.1工作原理光衰减器允许用户降低光信号电平，如在特定波长上（通常是1310nm或1550nm）经过精确处理步骤，最高