光纤传输损耗的测量 一.实验目的和内容 1.了解光纤传输损耗的特性及其测量方法。 2. 掌握用切断法测量光纤传输损耗的方法和技巧. 二.实验基本原理 在光纤传输过程中，光信号能量损失的原因有本征的和非本征的，在实用中最关心的是 它的传输总损耗。已经提出的测定光纤总损耗的方法有 3 种：切断法、插入损耗法和背向散 射法。 波长为 的光沿光纤传输距离 的衰减且 (以 dB 为单位)定义为 ＝10 （1） 式中 ， 分别是注入端和输出端的光功率。 对于一根均匀的光纤，可定义单位长度(通常是 lkm)的衰减系数 (以 dB／km 为单 位)， ＝ ＝ （2） 光纤的衰减系数是一个与长度无关但与波长有关的参数。 衰减测量注入条件 为获得精确、可重复的测量结果，由定义式(1)可见，测量时应保证光纤中功率分布是 稳定的，即满足稳态功率分布的条件。实际的光纤由于存在各种不均匀性等因素，将引起 模耦合，而不同的模的衰减和群速度都不同。因此在多模传输的情况下，精确测量的主要问 题是测量结果与注入条件、环境条件(应力、弯曲、微弯)有关。实验表明：注入光通过光纤 一定长度(耦合长度)后，可达“稳态”或“稳态模功率分布”，这时模式功率分布就不再随 注入条件和光纤长度而变，但在一般情况下对于质量较好且处于平直状态的光纤，其耦合长 度也需要几公里。因此在实际测量中，对于短光纤一般用稳态模功率分布装置，或适当的光 学系统，或有足够长的注入光纤，以获得稳态功率分布条件。单模光纤因为只传导一个模， 没有稳态模功率分布问题，所以衰减测量不需要扰模。 切断法 这是直接严格按照定义建立起来的测试方法。在稳态注入条件下，首先测量整根光纤的 输出光功率 ；然后，保持注入条件不变，在离注入端约 2m 处切断光纤，测量此短光 纤输出的光功率 可认为是被测光纤的注入光功率。因此， 按定义式（1）和（2）就可计算出被测光纤的衰减和衰减系数。如果要测量衰减谱，只要改 ，因其衰减可忽略，故 变输入光波长，连续测量不同波长的 ，然后保持注入条件不变，在离注入端约 2m 处 切断光纤，再连续测量同样的不同波长的 曲线。 ，计算各个波长下的衰减，就可得到衰减谱 由于这种测量方法需要切断光纤，所以是破坏性的，但测量精度高，优于其它方法 0.1dB, 所以是光纤衰减测量的一种标准测试方法。测试装置如图 1 所示。测量单一波长衰减时，光 源可使用谱宽窄的发光二极管(LED)或激光栅(LD)，以提高动态范围。测衰减谱时则应用宽 L)(A)(A21lgPP1p2PLA)(LPP)/lg(10212P1P1P2P1P

光谱光源，再通过单色仪分光。光源应能在完成测试过程的足够长时间内保持光强和波长稳 定。谱线宽度应不超过规定值。 插入损耗法 上述切断法除具有破坏性以外，用于现场测量既困难，又费时，因此现场测量需用非破 坏插入法来代替切断法。目前插入损耗法对于多模光纤的测试，其测量精度和重复性已可满 足要求，所以被选为替代测试方法。其测量原理如图 2。 测量时先校准精入光功率 。然后把待测光纤插入，调整耦合头使达到最佳耦合， 记下此光功率 － 减 和连接器(或接头)损耗 Ai。最后，被测光纤衰减为 。于是测得的衰减且 ＝ 。显然， 包括了光纤衰 (dB／km) = 式中 －Ai ，dB／km。可见，插入损耗法的测量精确度和重复性要受到耦合接头 的精确度和重复性的影响，所以这种测试方法不如切断法的精确度高．但因此法是非破坏性 的，测量简单方便，故适合干现场使用。 背向散射法 背向散射法也是一种非破坏性的测试方法。测试只需在光纤的一端进行，而且一般有较 好的重复性。更由于这种方法不仅可以测量光纤的衰减系数，还能提供沿光纤长度损耗特性 的详细情况，其中包括检测光纤的缺陷或断裂点位冒、接头的损耗和位置等，也可给出光纤 的长度，所以这种方法对实验研究、光纤制造和工程现场都很有用。利用这种方法做成的 测量仪器，叫做光时域反射计(optical time—domain reflectometer)，简称 OTDR。 背向散射法是将大功率的窄脉冲注入被测光纤，然后在同一端检测沿光纤背向返回的 散射光功率。因为主要的散射机理是瑞利散射，瑞利散射光的特征是它的波长与入射光波的 波长相同，光功率与该点的入射光功率成正比，所以测量沿光纤返回的背向瑞利散射光功率 就可以获得光沿光纤传输时损耗的信息，从而可以测得光纤的衰减．故称此方法为背向散射 1P2P'A1P2P'AALA/A'A

法。其简单原理框图如图 3 所示。 3 2 6 1 4 5 图 3 背向散射法测量原理框图 1.光源 2.光纤分路器 3.待测光纤 4.光探测器 5.信号处理单元 6.显示器 图 3 光脉冲通过方向耦合器注入被测光纤。光脉冲在光纤中传输，沿光纤各点来的背向瑞利 散射光返回到光纤耦合器，经方向耦合器输入光检测器，经信号处理后输出，就可观察和记 录所测的结果。图 4 是背向散射的典型记录曲线，各段分别反映如下特性： b a PA e c d PB LAB 长度 图 4 背向散射法(对数坐标)测量的典型曲 线 a 段——由于耦合器和光纤前端面引起的菲涅耳反射脉冲； b 段——光脉冲沿具有均匀特性的光纤段传播时的背向瑞利散射曲线； c 段——由于接头或耦合不完善引起的损耗，或者光纤存在某些缺陷引起的高损耗区； d 段——光纤断裂处，损耗峰大小反映了损坏的程度； e 段——光纤终端引起的反射损耗。 由于被测光纤存在接头或缺陷时各段背向散射系数不同，测得的衰减是不准确的，可能 产生很大的偏差。但是对于均匀、连续、无接头和缺陷的光纤，衰减测量的结果足够精确。 背向散射法同样适用于单模光纤。虽然单模光纤中背向散射过程不能用几何光学来研 究，但是根据波动光学的理论研究证明，单模光纤输入端背向散射功率的表达式除了背向散 射系数的意义以外，与多模光纤相同。因此，背向散射法同样适用于单模光纤的衰减特性测 量。 背向散射法测量衰减有以下缺点：①无法控制背向散射光的模式分布，这常使两传输 方 向上测的衰减系数不同，为此可取两方向测量值的平均。②对光纤的非均匀性很敏感。 光纤 的不均匀，如数值孔径、直径或散射系数的变化等对背向散射信号有影响，不利于衰 减系数 的确定。由于这些缺点，使背向散射法不能作为测量衰减的基准方法，有疑问时， 应以切断法的结果为准。 三．实验用具与装置图 

实验用具：鹵钨灯，透镜，单色仪，塑料光纤，光功率计。 装置图： 图 5 四．实验操作步骤 1． 开启鹵钨灯电源,使光源成像于缝上，透镜与缝之间的距离应使其相对孔径与仪器 （单色仪）相对孔径相等。 2． 仔细调节光纤入射端面的位置，要求光纤输出最强的光。 3． 使用 BGJ 型光功率计，按键打向短波和 199.9nw 档。记录单色仪波长鼓从 17.5，18.0， 18.5，19.0，19.5，20.0，20.5，21.0 八个点时光功率计的读数（减去暗电流），重复三次测 量。 4． 保持光纤输入端不变，把光纤剪掉约一半重复上面八个点的测量三次。 五．数据处理 以波长为横坐标，衰减的 dB 数为纵坐标，用最小二乘法分析实验数据，作出光纤损耗 随波长变化的曲线 dB 数＝ lg L 为原光纤长度，l 为光纤剪掉后剩下的长度。 注：可利用硅光电池光谱特性测量实验作的波长校正曲线。 六．实验结果分析与实验报告要求： 将实验数据和数据处理结果写在实验报告上，分析实验结果好坏，找出其原因。 七．思考题与预习自测题 1． 什么叫光学仪器的相对孔径？应如何调节单色仪才能使其有最大的光强及最好 的单色性？ 2． 光纤传输损耗的大小与哪些因素有关？ lL10Lplp