實驗8單模光纖的色散和損耗特性測量實驗一、實驗目的理解光纖色散的概念；理解光纖損耗的概念；了解并掌握相移法測量單模光纖色散的方法；了解并掌握插入法測量光纖損耗這一常用方法；通過本實驗，對光纖通信有一定的了解。二、實驗原理光信號經光纖傳輸后要產生損耗和畸變(失真)，因而使得輸出信號和輸入信號不同。對于脈沖信號，不僅幅度要減小，而且波形要展寬。產生信號畸變的主要原因就是光纖中存在色散和損耗。色散限制系統的傳輸容量，損耗則限制系統的傳輸距離。本實驗討論光纖的色散和損耗特性并對單模光纖的色散和損耗進行測試。第一部分：光纖的色散一、色散概述色散(Dispersion)是光纖最重要的傳輸特性之一。色散是在光纖中傳輸的光信號由于不同成分的光的時間延遲不同而產生的一種物理效應。色散一般包括模式色散、材料色散和波導色散。模式色散又稱模間色散，只存在于多模光纖中，它是由于不同模式的時間延遲不同而產生的，每一種模式到達光纖終端的時間先后不同，造成了脈沖的展寬，從而出現色散現象，它取決于光纖的折射率分布，并和光纖的材料折射率的波長特性有關；材料色散取決于光纖材料折射率的波長特性和光源的譜線寬度；波導色散又稱結構色散，它取決于波導尺寸和纖芯與包層的相對折射率差。色散對光纖傳輸系統的影響，在時域和頻域的表示方法不同。如果信號是模擬調制的，色散限制帶寬(Bandwidth)；如果信號是數字脈沖，色散產生脈沖展寬(Pulsebroadening)0色散一般用3dB光帶寬【注】即為半高峰處的帶寬)或者脈沖展寬。來表示。用脈沖展寬表示時，光纖色散。可以寫為：TOC\o"1-5"\h\zb=(b2+b2+b2)1/2，(1)(1)式中b"、b可、b分別為模式色散、材料色散和波導色散所引起的脈沖展寬的均方根值。""W二、多模光纖的色散由多模光纖折射率分布的普遍公式，假設每個傳輸模式具有相同的功率，經過計算，可以得到長度為L的多模光纖的脈沖展寬為：b=(b2間+b2)1/2，(2)(2)式中b模間為模式色散產生的脈沖展寬。對于突變型多模光纖：b"、(g—8)機蘭解；(3)模間2「3c

,-、LN您(4)對于漸變型多模光纖：b模間（g=2+￡）總(4)可見漸變型多模光纖的脈沖展寬比突變型多模光纖減小&2倍。上式中，△=（n廠n）/n1為相對折射率差，c為光速，g為折射率分布指數，dn2nXdA—X——1，￡=—-1—dXNiAdX2.散，（2）式中。模內為模內色散產生的脈沖展寬，對于一般的多模光纖，主要為材料色可以簡化為：2.散，(5)_LbfXd2n模內cd(5)上式中，bX為光源功率譜的譜線寬度。三、單模光纖的色散模內色散系數：理想圓對稱單模光纖的色散由于不存在模畸變（只有一個基模，不存在高階模，忽略偏振態的改變），傳導光脈沖的展寬完全是由波導色散和材料色散決定，人們常把這種基模的一個模內的色散定義為模內色散，有時為了和其他色散進行區分，也稱色度色散（ChromaticDispersion），表明是和光的“色彩”（波長）有關。常簡稱為色散，它是時間延遲隨波長變化的結果。模內色散系數的定義是：單位光源光譜寬度、單位光纖長度所對應的光脈沖的展寬（延時差）[ps/（nm?km）]:dT（X）rb=[ps/（nm-km）]dX對所有類型的單模光纖，該系數是可以根據測定不同波長的光通過一定長度的光纖的相對時差（延時）來確定的。偏振模色散：在理想完善的單模光纖中，單模光纖只能傳輸一種基模的光。基模實際上是由兩個偏振方向相互正交的模場HE11x和HE11y簡并組成。但實際的單模光纖不可避免存在一定的缺陷，如纖芯不圓度、微彎力、內部殘余應力等，HE]]X和HE11y存在相位差，則合成光場是一個方向和瞬時幅度隨時間變化的非線性偏振，就會產生雙折射現象，艮以和y方向的折射率不同。因傳播速度不等，模場的偏振方向將沿光纖的傳播方向隨機變化，從而會在光纖的輸出端產生偏振模色散（Polarization-ModeDispersion，即PMD）或雙折射色散。在高速光纖通信系統（如10Gbit/s和40Gbit/s甚至更高）中，光纖的PMD對整個通信系統性能的影響不能被忽視。生產單模光纖的各種技術中，PCVD工藝生產出的單模光纖具有較低的偏振模色散。第二部分：光纖的損耗由于損耗的存在，在光纖中傳輸的光信號，不管是模擬信號還是數字脈沖信號，其幅度都要減小。光纖的損耗在很大程度上決定了光纖通信系統的傳輸距離。目前光纖損耗已經降到低于0.2dB/km（在1550nm處），低損耗光纖的問世導致了光纖通信技術領域的革命，開創了光纖通信的時代。目前，正在開展研究并蓬勃發展的光纖通信新技術有超大容量的波分復用光纖通信和超長距離的光孤子通信系統等。在最一般的情況下，光纖內傳輸的光功率P隨傳輸距離z的變化，可以用下式表示：dP一——=-aPdz上式中，a是損耗系數。假設長度為L（km）的光纖，輸入光功率為片，根據上式輸出光功率應為：1p=Pexp（-aL）習慣上a的單位用dB/km，很容易得知損耗系數為：a=—lg—」（dB/km）LPO光纖損耗的機理圖1即為單模光纖的損耗譜示意圖。光纖的損耗主要由材料的吸收損耗以及散射損耗組成，各部分具體描述如下:1、材料吸收損耗主要由SiO2材料引起的固有吸收和由雜質引起的吸收產生。由SiO2材料電子躍遷引起的吸收帶發生在紫外（UV）K（人〈0.4pm），由分子振動引起的吸收帶發生在紅外（IR）區（人〉7pm），由于SiO2是非晶塊狀材料，兩種吸收帶從不同方向伸展到可見光區。由SiO2材料產生的固有吸收很小，在0.8?1.3呻波段，小于0.1dB/km，在1.3?1.6呻波段，小于0.03dB/km。由氫氧根離子產生的吸收峰出現在0.95pm、1.24pm和1.39pm波長處，其中以1.39pm波長處吸收峰的影響最為嚴重。正是由于光纖通信波段內這一系列吸收峰的存在，使得峰之間的低損耗區構成了光纖通信的三個傳輸窗口。目前氫氧根離子的含量已經降低到10T以下，從而1.39pm波長處的吸收峰損耗也降低到0.5dB/km以下。這種減低吸收峰的光纖被稱為全波光纖（AllWavelengthFiber）。2、散射損耗光纖的散射損耗主要由材料微觀密度不均勻性引起的瑞利（Rayleigh）散射和由光纖結構缺陷（如氣泡）引起的散射產生的。結構缺陷散射產生的損耗與波長無關。瑞利散射損耗aR與波長四次方成反比，可用經驗公式表示為aR=A/人4，瑞利散射系數A取決于纖芯與包層折射率差△。當△分別為0.2%和0.5%時，A分別為0.86和1.02。瑞利散射是一種基本損耗機理，它是由于光纖在制造過程中沉積到熔石英中的隨機密度變化引起折射率本身的起伏，從而導致光向各個方向散射所產生。瑞利散射損耗對光纖來說是其本身固有的，因而它確定了光纖損耗的最終極限。例如在1.55pm波段，光纖瑞利散射引起的損耗最低理論極限約為1.149dB/km。根據以上分析和經驗，光纖總損耗a與波長人的關系可以表示為：a=-A+B+CW（人）+IR（人）+UV（人）人4

上式中，A為瑞利散射系數，B為結構缺陷散射產生的損耗，CWS）、IRS）和UV（人）分別為雜質吸收、紅外吸收和紫外吸收產生的損耗。2.0.損耗(dB0.85波長/四1.302.0.損耗(dB0.85波長/四1.301.55圖1單模光纖的損耗譜線，示出各種損耗機理根據以上分析和經驗，光纖總損耗。與波長人的關系可以表示為：a=-A+B+CW（人）+IR（人）+UV（人）人4上式中，A為瑞利散射系數，B為結構缺陷散射產生的損耗，CW（人）、IR（人）和UV（九）分別為雜質吸收、紅外吸收和紫外吸收產生的損耗。3、單模光纖色散和損耗的測量（1）色散的測量單模光纖色散的測量方法很多，例如相移法（頻域法）、脈沖法（時域法）、干涉法等等，這里我們僅介紹由ITU-T（國際電信聯盟一電信標準化機構）和IEC（國際電工委員會）等國際標準組織推薦的“相位移方法”（PHASE-SHIFTMETHOD）。根據國際標準ITU和IEC等的規定，測量單位光纖長度乘波長的群延時數據，宜用Sellmeier三項表達式來擬合。實驗原理示意圖如下：圖2.相移法測量單模光纖色散的實驗原理示意圖系統由光源、波長選擇器、信號發生器、包層模濾出器、光探測器、時延發生器、鑒相器以及計算機處理部分等組成，測量時波長選擇器選擇波玲1,入2……入N并且選擇信號發生器調制合適的調制頻率，使得所有波長的相位延時①i滿足2Nngi<(2N+2)n，于是當波長差別很小的時候，不同波長的時延ti有下面的關系：1。(氣)-Tii。(氣)i+1即可得到不同波長的色散值。(2)損耗的測量測量光纖損耗的常用方法包括插入法和剪斷法兩種，這里只簡單介紹一下原理，有興趣的同學可以查閱相關技術標準(如ITU-TG.650?G.655,IEC60793-1-4(1995)，GB8401-87,GB/T9771-200X等)。插入法的原理很簡單，即先使用一根短的標準跳線連接光源和功率計之間，記錄功率值？0，再用待測光纖代替短跳線，測量這種情況下的功率計P1，用這兩個功率的差(p1-p0)除以待測光纖的長度(L)，即可得到待測光纖單位長度的損耗值(dB/km)。需要注意的是盡可能保持其它條件不變，光纖位置、彎曲程度、連接頭等都盡量保持不變，并且保證光纖中的模式受到均勻的激勵。表示如下：a=(p1-p0)/L(dB/km)剪斷法的基本原理是將待測光纖接入光源和功率機之間，然后紀錄這個時刻的功率值P1，再將光纖在離光源耦合端保留大約20cm，測量此時的光功率值？0，然后再利用上式計算光纖的損耗值。剪斷法所用儀器簡單，測量結果準確，因而被確定為測量光纖損耗的基準方法，但這種方法是破壞性的，不利于多次重復測量，所以在實際應用中，多采用插入法。此外，由于瑞利散射光功率與傳輸光功率成比例。還可以利用與傳輸光相反方向的瑞利散射光功率來確定光纖損耗，這種方法稱為后向散射法，所用的儀器為光時域反射儀(OTDR)，這種儀器采用單端輸入和輸出，不破壞光纖，使用非常方便，OTDR不僅可以測量光纖損耗系數和光纖長度，還可以測量連接器和接頭的損耗，觀察光纖沿線的均勻性和確定故障點的位置，是光纖通信系統工程現場不可缺少的工具之一，但其價格也十分昂貴。本實驗采用插入法來測量G.652單模光纖的損耗值。四、實驗內容與步驟(一)色散測量我們實驗中，使用的測量色散的方法，和前面的原理相同，本實驗裝置示意圖如下:圖3圖3實際實驗裝置示意圖如圖所示，如果1535nm和1310nm經過待測光纖后相位相差為2Nn+01，(-n<01<n)，不改變信號源頻率使得1310nm/1555nm經過待測光纖后的相位差為2Nn+02，(-n<02<n)，我們可以得到1535nm/1555nm兩個信號光經過待測光纖后相位差為01-02,那么相對應的色散值為：D（1550）w:i,二=（①廣①2）/2"=AT/20/L（ps/nm/km）人.—人.1555—1535式中：f為信號源調制頻率，L為待測光纖長度。注：由于鑒相器只能給出兩個數據的相位差的絕對值，所以試驗中當e1和e2不同號時，利用上式會出現數值明顯錯誤，這個時候要把兩個相位差的絕對值相加，而不是相減。打開光纖光源、色散測試儀的電源（各儀表電源開關在儀器后面板），并預熱5分鐘；用波分復用器（WDM）將光纖光源和色散測試儀部分相連接：按照實際實驗裝置示意圖圖3中實線的接法，光源部分先連接1310nm和1535nm，即將WDM的短跳線分別把光纖光源的1310nm和1535nmDFB激光輸出口接成單芯同向的WDM傳輸模式，其輸出端通過一個法蘭盤與另外一個WDM連接，并將另外一個WDM的1310nm和1535nm/1550nmDFB輸出分別同光纖色散測試儀的相應輸入口連接，記錄此時的相位差為初始相位差④10；（注意所有光纖連接時，都應該保持端面清潔或者擦拭干凈）將與光源相連的WDM連接1535nm端改接在1555nm輸出端的短跳線上（如圖中虛線），其余連接不變，記錄此時的相位差為初始相位枷20；將待測光纖a代替原短跳線按照實際實驗原理框圖中實線的接法，把1335nmDFB和1310nm接成WDM傳輸模式，記錄此時的相位差①11；將WDM連接1535nm端接在1555nm輸出端的短跳線上（如圖中虛線），記錄此時的相位差④21；④1和④2分別是④11-010和④20-021，利用公式計算1550窗口的待測光纖的色散；多次重復2?6步驟，求平均值；更換光纖，重復2?7步，測量另外光纖的色散。（二）損耗測量打開光源和光纖功率計的電源開關，并預熱5分鐘；選擇光纖功率計與待測信號相對應的波長值，入鍵是循環按鍵，即分別在1310、1550...波長值之間循環選擇；待測定功率顯示值穩定后，按一下功率值線性值W和對數值dBm轉換鍵（'W/dBm’），將顯示功率為dBm表示，再按一下參考選擇鍵（Ref），將現在的功率值作為參考值存入，然后按一下清零鍵/參考設置鍵（CLR/set）鍵，此時顯示應為0.0000dB；接入待測光纖，讀數即為其的