光纖參數測試方法的研究

摘要

論述了光纖的測試參數、測試方法以及不確定度分析?？偨Y了光纖幾何參數、模場(chǎng)直徑、截止波長(cháng)、衰減、波長(cháng)色散的測試方法。歸納出了光纖參數測試中存在的問(wèn)題和解決方法。

1、引言

光纖通信技術(shù)的飛速發(fā)展增加了光纖光纜的需求量。目前，全世界已敷設光纖數億公里，光纖通信不僅在陸地上使用，而且還形成了跨越大西洋和太平洋的海底光纜線(xiàn)路，幾乎包圍了整個(gè)地球。按光纜敷設方式分有：自承重架空光纜，管道光纜，鎧裝地埋光纜和海底光纜。按光纜結構分有：束管式光纜，層絞式光纜，緊抱式光纜，帶式光纜，非金屬光纜和分支光纜。按光纜用途分有：長(cháng)途通訊用光纜、短途室外光纜、混合光纜和建筑物內用光纜。光纖光纜在國內以至世界的需求量都是很大的，確保光纖光纜的質(zhì)量至關(guān)重要，光纖基本參數的測試是對光纖光纜質(zhì)量的保證。

光纖光纜是光信號傳輸的媒質(zhì)，它是光通信的基礎。在這個(gè)領(lǐng)域國家參考國際電工委員會(huì )IEC 793-1-2：1995《光纖第1部分：總規范第2篇：尺寸參數試驗方法》，IEC 793-1-4：1995《光纖第1部分：總規范第4篇：傳輸特性和光學(xué)特性試驗方法》和國際電聯(lián)ITU-T G650：1997《單模光纖相關(guān)參數的定義和試驗方法》，ITU-T G651：1993《50/125μm多模漸變折射率光纖纜的特性》等相關(guān)國際標準制定了光纖光纜的國家標準GB/T 15972.2-1998《光纖總規范第2部分：尺寸參數試驗方法》和GB/T 15972.4-1998《光纖總規范第4部分：傳輸特性和光學(xué)特性試驗方法》，對光纖的基本測試參數和試驗方法做出了相關(guān)規定。

這些標準規范了光纖光纜的具體性能指標。光纖的特性參數分為幾何特性參數(光纖長(cháng)度、纖芯直徑、包層直徑、纖芯不圓度、包層不圓度、芯/包層同心度誤差等)、光學(xué)特性參數(模場(chǎng)直徑、單模光纖的截止波長(cháng)、成纜單模光纖的截止波長(cháng)、折射率分布、多模光纖的數值孔徑等)、傳輸特性參數(衰減、波長(cháng)色散等)。

2、光纖參數的測試方法

對光纖參數的測試方法參照國標中相關(guān)的試驗方法進(jìn)行，下面列舉出一些光纖基本參數的測試方法。光纖的特性參數中，幾何特性參數對光纖的包層直徑、包層不圓度、芯/包層同心度誤差的測試方法做出相關(guān)說(shuō)明；光學(xué)特性參數對模場(chǎng)直徑、單模光纖的截止波長(cháng)、成纜單模光纖的截止波長(cháng)的測試方法做出相關(guān)說(shuō)明；傳輸特性參數對光纖的衰減、波長(cháng)色散的測試方法做出相關(guān)說(shuō)明。

2.1、光纖幾何特性參數測試

光纖的折射率分布、包層直徑、包層不圓度、芯/包層同心度誤差的測試方法。

測量包層直徑、包層不圓度、芯/包層同心度誤差的測試方法是折射近場(chǎng)法、橫向干涉法和近場(chǎng)光分布法（橫截面幾何尺寸測定）。

光纖的折射率分布、包層直徑、包層不圓度、芯/包層同心度誤差的測試方法有三種。

●折射近場(chǎng)法

折射近場(chǎng)法是多模光纖和單模光纖折射率分布測定的基準試驗方法（RTM），也是多模光纖尺寸參數測定的基準試驗方法和單模光纖尺寸參數測定的替代試驗方法（ATM）。

折射近場(chǎng)測量是一種直接和精確的測量。它能直接測量光纖（纖芯和包層）橫截面折射率變化，具有高分辨率，經(jīng)定標可給出折射率絕對值。由折射率剖面圖可確定多模光纖和單模光纖的幾何參數及多模光纖的最大理論數值孔徑。

●橫向干涉法

橫向干涉法是折射率剖面和尺寸參數測定的替代試驗方法（ATM）。橫向干涉法采用干涉顯微鏡，在垂直于光纖試樣軸線(xiàn)方向上照明試樣，產(chǎn)生干涉條紋，通過(guò)視頻檢測和計算機處理獲取折射率剖面。

●近場(chǎng)光分布法

這種方法是多模光纖幾何尺寸測定的替代試驗方法（ATM）和單模光纖幾何尺寸（除模場(chǎng)直徑）測定的基準試驗方法（RTM）。通過(guò)對被測光纖輸出端面上近場(chǎng)光分布進(jìn)行分析，確定光纖橫截面幾何尺寸參數。

可以采用灰度法和近場(chǎng)掃描法?；叶确ㄓ靡曨l系統實(shí)現兩維（x-y）近場(chǎng)掃描，近場(chǎng)掃描法只進(jìn)行一維近場(chǎng)掃描。由于纖芯不圓度的影響，近場(chǎng)掃描法與灰度法得出的纖芯直徑可能有差別。纖芯不圓度可以通過(guò)多軸掃描來(lái)確定。

一般商用儀表折射率分布的測試方法是折射近場(chǎng)法。

測試中使用的儀表是光纖幾何參數和折射率分布測量?jì)x。測試步驟如下：

①試樣制備時(shí)應注意試樣端面清潔、光滑并垂直于光纖軸。

②測量包層時(shí)，端面傾斜角應小于1?？刂贫嗣鎿p傷，使其對測量精度的影響最小。

③注意避免光纖的小彎曲。

④將被測光纖剝除被覆層，用專(zhuān)用光纖切割刀切割出平整的端面, 放入光纖樣品盒中，樣品盒中注入折射率稍高于光纖包層折射率的折射率匹配液。

⑤將光纖樣品盒垂直放在光纖折射率分布測量?jì)x的光源和光探測器之間，進(jìn)行x-y方向的掃描測試。

⑥通過(guò)分析得到光纖折射率分布、包層直徑、包層不圓度、芯/包層同心度誤差的測試數據。

2.2、光纖光學(xué)特性參數測試

(1)單模光纖模場(chǎng)直徑的測試方法

模場(chǎng)直徑是單模光纖基模（LP01）模場(chǎng)強度空間分布的一種度量，它取決于該光纖的特性。

模場(chǎng)直徑（MFD）可在遠場(chǎng)用遠場(chǎng)光強分布Pm(θ)、互補孔徑功率傳輸函數α(θ)和在近場(chǎng)用近場(chǎng)光強分布f2(r)來(lái)測定。模場(chǎng)直徑定義與測量方法嚴格相關(guān)。

單模光纖模場(chǎng)直徑的測試方法有三種。

●直接遠場(chǎng)掃描法

直接遠場(chǎng)掃描法是測量單模光纖模場(chǎng)直徑的基準試驗方法（RTM）。它直接按照柏特曼（Petermann）遠場(chǎng)定義，通過(guò)測量光纖遠場(chǎng)輻射圖計算出單模光纖的模場(chǎng)直徑。

●遠場(chǎng)可變孔徑法

遠場(chǎng)可變孔徑法是測量單模光纖模場(chǎng)直徑的替代試驗方法（ATM）。它通過(guò)測量光功率穿過(guò)不同尺寸孔徑的兩維遠場(chǎng)圖計算出單模光纖的模場(chǎng)直徑，計算模場(chǎng)直徑的數學(xué)基礎是柏特曼遠場(chǎng)定義。

●近場(chǎng)掃描法

近場(chǎng)掃描法是測量單模光纖模場(chǎng)直徑的替代試驗方法（ATM）。它通過(guò)測量光纖徑向近場(chǎng)圖計算出單模光纖的模場(chǎng)直徑，計算模場(chǎng)直徑的數學(xué)基礎是柏特曼遠場(chǎng)定義。

一般商用儀表模場(chǎng)直徑測試方法是遠場(chǎng)變孔徑法(VAFF)。

測試中使用的儀表是光纖模場(chǎng)直徑和衰減譜測量?jì)x。測試步驟如下：

●準備2m（0.2m）的光纖樣品，兩端剝除被覆層，放在光纖夾具中，用專(zhuān)用光纖切割刀切割出平整的端面。

●將被測光纖連接入測量?jì)x的輸入和輸出端，檢查光接收端的聚焦狀態(tài)，如果曲線(xiàn)不在屏幕的正中央或光纖端面不夠清晰，則需要進(jìn)行位置和焦距的調整。

●在光源的輸出端保持測試光纖的注入條件不變，打一個(gè)半徑30mm的小環(huán)，濾除LP11模的影響，進(jìn)行模場(chǎng)直徑的測試。

通過(guò)分析得到光纖模場(chǎng)直徑的測試數據。

（2）單模光纖截止波長(cháng)和成纜單模光纖截止波長(cháng)的測試方法

測量單模光纖的截止波長(cháng)和成纜單模光纖的截止波長(cháng)的測試方法是傳輸功率法。

當光纖中的模大體上被均勻激勵情況下，包括注入較高次模在內的總光功率與基模光功率之比隨波長(cháng)減小到規定值（0.1dB）時(shí)所對應的較大波長(cháng)就是截止波長(cháng)。傳輸功率法根據截止波長(cháng)的定義，在一定條件下，把通過(guò)被測光纖（或光纜）的傳輸功率與參考傳輸功率隨波長(cháng)的變化相比較，得出光纖（或光纜）的截止波長(cháng)值。

一般商用儀表模場(chǎng)直徑測試方法是傳輸功率法。

測試中使用的儀表是光纖模場(chǎng)直徑和衰減譜測量?jì)x。測試步驟如下：

①在樣品制備時(shí)，單模光纖的截止波長(cháng)的測試使用2m（0.2m）的光纖樣品，成纜單模光纖的截止波長(cháng)的測試使用22m的已成纜單模光纖。

②將測試光纖的兩端剝除被覆層, 放在光纖夾具中，用專(zhuān)用光纖切割刀切割出平整的端面。

③將被測光纖連接入測量?jì)x的輸入和輸出端, 檢查光接收端的聚焦狀態(tài), 如果曲線(xiàn)不在其屏幕的正中央或光纖端面不夠清晰, 則需要進(jìn)行位置和焦距的調整。

④先在測試光纖不打小環(huán)的情況下，測試參考傳輸功率。

⑤再將測試光纖在注入端打一個(gè)半徑30mm的小環(huán)，濾除LP11模的影響，測試此時(shí)的傳輸功率。

⑥將兩條傳輸功率測試曲線(xiàn)相比較，通過(guò)數據分析處理，得到光纖（或光纜）的截止波長(cháng)值。

2.3、光纖傳輸特性參數測試

(1)衰減的測試方法

衰減是光纖中光功率減少量的一種度量，它取決于光纖的性質(zhì)和長(cháng)度，并受測量條件的影響。衰減的主要測試方法如下：

●截斷法

截斷法是測量光纖衰減特性的基準試驗方法（RTM），在不改變注入條件時(shí)測出通過(guò)光纖兩橫截面的光功率，從而直接得到光纖衰減。

●插入損耗法

插入損耗法是測量光纖衰減特性的替代試驗方法（ATM），原理上類(lèi)似于截斷法，但光纖注入端的光功率是注入系統輸出端的出射光功率。測得的光纖衰減中包含了試驗裝置的衰減，必須分別用附加連接器損耗和參考光纖段損耗對測量結果加以修正。

●后向散射法

后向散射法是測量光纖衰減特性的替代試驗方法（ATM），它測量從光纖中不同點(diǎn)后向散射至該光纖始端的后向散射光功率。這是一種單端測量方法。

一般商用儀表衰減的測試方法是截斷法和后向散射法。

截斷法測試中使用的儀表是光纖模場(chǎng)直徑和衰減譜測量?jì)x。測試步驟如下：

①準備不短于1km或更長(cháng)一些（一般一個(gè)光纖盤(pán)長(cháng)：25km）的光纖樣品，兩端剝除被覆層, 放在光纖夾具中，用專(zhuān)用光纖切割刀切割出平整的端面。

②將測試光纖盤(pán)的外端光纖通過(guò)專(zhuān)用夾具連接儀表的發(fā)射端，將測試光纖盤(pán)的內端光纖通過(guò)專(zhuān)用夾具連接儀表的接收端，檢查光接收端的聚焦狀態(tài), 如果曲線(xiàn)不在屏幕的正中央或光纖端面不夠清晰, 則需要進(jìn)行位置和焦距的調整。

③在光纖注入端打一個(gè)半徑30mm的小環(huán)，濾除LP11模的影響，測試此時(shí)的傳輸功率。

④保持光源的注入狀態(tài)不變（在光纖注入端打一個(gè)半徑30mm的小環(huán)），將測試光纖樣品截斷為2m的試樣，光纖通過(guò)專(zhuān)用夾具連接儀表的接收端，檢查光接收端的聚焦狀態(tài), 如果曲線(xiàn)不在屏幕的正中央或光纖端面不夠清晰，則需要進(jìn)行位置和焦距的調整。測試此時(shí)的傳輸功率。

將兩條傳輸功率測試曲線(xiàn)相比較，通過(guò)數據分析處理，得到光纖在1310nm和1550nm波段的衰減譜特性。

后向散射法測試中使用的儀表是光時(shí)域反射計。測試步驟如下：

①將測試光纖盤(pán)的外端通過(guò)熔接光纖連接器或裸纖適配器，接入光時(shí)域反射計進(jìn)行測試。

②測試中光時(shí)域反射計使用最小二乘法（LSA）計算光纖的衰減，此方法可忽略光纖中可能的熔接或接頭損耗對光纖鏈路測試造成的影響。

③如需分段測試光纖鏈路的衰減可使用兩點(diǎn)法進(jìn)行測試。

④光纖衰減測試中，應選擇光纖測試曲線(xiàn)中的線(xiàn)性區域，避開(kāi)測試曲線(xiàn)近端的飽和區域和末端的反射區域，測試兩點(diǎn)間的光纖衰減（dB/km）。

⑤更改光時(shí)域反射計的測試波長(cháng)，分別對1310nm和1550nm波長(cháng)處的光纖衰減特性進(jìn)行測試分析。

實(shí)際測試中，可以通過(guò)截斷法和后向散射法兩種測試方法驗證光纖衰減的測試數據。對于帶有光纖連接器的測試光纖樣品，為了不破壞已安裝的光纖連接器，則只能使用后向散射法進(jìn)行單端非破壞性測試。

（2）波長(cháng)色散的測試方法

波長(cháng)色散是由組成光源譜的不同波長(cháng)的光波以不同群速度傳輸引起的光纖中每單位光源譜寬的光脈沖展寬，用ps/nm表示。它取決于該光纖的特性和長(cháng)度。波長(cháng)色散的主要測試方法如下：

●相移法

相移法是測量光纖波長(cháng)色散的基準試驗方法（RTM）。它在頻域中通過(guò)檢測、記錄和處理不同波長(cháng)正弦調制信號的相移來(lái)測量不同波長(cháng)信號的群時(shí)延，從而推導出光纖波長(cháng)色散。

●脈沖時(shí)延法

脈沖時(shí)延法是測量光纖波長(cháng)色散的替代試驗方法（ATM）。它在時(shí)域中通過(guò)直接檢測、記錄和處理不同波長(cháng)脈沖信號的群時(shí)延，從而推導出光纖波長(cháng)色散。

●微分相移法

微分相移法是測量光纖波長(cháng)色散的替代試驗方法（ATM）。它在1000nm~1700nm波長(cháng)范圍內由兩個(gè)相近波長(cháng)間的微分群時(shí)延來(lái)測量特定波長(cháng)上的波長(cháng)色散系數。

一般商用儀表波長(cháng)色散的測試方法是相移法。

測試中使用的設備是色散測量?jì)x。測試步驟如下：

①測試光纖樣品應不短于1km。光纖兩端做好光纖連接器。

②在色散測試時(shí)應先用兩根標準光纖跳線(xiàn)分別連接色散測量?jì)x的輸入端和輸出端，通過(guò)法蘭盤(pán)連接兩根光纖跳線(xiàn)的另一端，將色散測量?jì)x自環(huán)，測試此時(shí)的參考值。

③再將測試光纖通過(guò)法蘭盤(pán)接入光纖環(huán)路。

④根據測試光纖樣品，設定光纖類(lèi)型；數據擬合方式；光纖測試中的群折射率；測試光纖長(cháng)度；；測試波長(cháng)范圍；波長(cháng)間隔等。

⑤測試光纖的零色散波長(cháng)、零色散斜率和色散系數等。通過(guò)對測試數據的分析處理得到光纖的色散特性。

光纖參數測試中的不確定度評定方法：光纖參數測試中的不確定度評定一般參考下面提到的方法進(jìn)行。主要考慮測量?jì)x器引入的不確定度和測量重復性?xún)煞矫嬉蛩亍?

3、光纖參數測試中普遍存在的問(wèn)題

以單模光纖B1.1類(lèi)（即非色散位移單模光纖）、B1.3類(lèi)（即波長(cháng)段擴展的非色散位移單模光纖）和B4類(lèi)（即非零色散位移單模光纖）為例說(shuō)明光纖參數測試中普遍存在的問(wèn)題。光纖參數測試中普遍存在的問(wèn)題是單模光纖的截止波長(cháng)指標超標的問(wèn)題。

根據國內光纖光纜標準，截止波長(cháng)可分為光纜截止波長(cháng)λCC、光纖截止波長(cháng)λC和跳線(xiàn)光纜截止波長(cháng)λCj，光纖光纜的截止波長(cháng)指標應符合表二中的相應規定。光纜使用長(cháng)度不小于22m時(shí)應符合表二中λCC規定，使用長(cháng)度小于22m但不小于2m時(shí)應符合表二中λCj規定，使用長(cháng)度小于2m時(shí)應符合表二中λC規定，以防止傳輸時(shí)可能產(chǎn)生的模式噪聲。

在對國內光纖光纜廠(chǎng)商光纜產(chǎn)品的委托測試中，在四種規格的光纜產(chǎn)品中以192芯（其中B1類(lèi)光纖178芯，B4類(lèi)光纖14芯）為抽樣基數，隨機抽取B1類(lèi)光纖樣品12根，B4類(lèi)光纖樣品4根，測試單模光纖的截止波長(cháng)參數。測試結果中單模光纖的截止波長(cháng)普遍存在超標現象。

在對國內光纖光纜廠(chǎng)商光纜產(chǎn)品的委托測試中，在四種規格的光纜產(chǎn)品中以192芯（其中B1類(lèi)光纖178芯，B4類(lèi)光纖14芯）為抽樣基數，隨機抽取B1類(lèi)光纖樣品12根，B4類(lèi)光纖樣品4根，測試單模光纖的截止波長(cháng)參數。測試結果中單模光纖的截止波長(cháng)普遍存在超標現象。

4、結束語(yǔ)

光纖參數測試是光纖及光纜測試中的重要技術(shù)指標，對光纖光纜的質(zhì)量至關(guān)重要。本文歸納了光纖參數的測試方法、不確定度評定準則、以及在光纖光纜測試中存在的問(wèn)題?？偨Y了實(shí)際測試中對測試方法的應用和改進(jìn)，以及可能遇到的問(wèn)題和解決方法。