单模光纤的色散和损耗特性测量系统.docx

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单模光纤的色散和损耗特性测量系统

　第28卷第10期　2009年10月

实验室研究与探索

RESEARCHANDEXPLORATIONINLABORATORY

Vol.28No.10　

Oct.2009　

单模光纤的色散和损耗特性测量系统

张荣君1

　郑玉祥1

　李　晶1

　陈良尧1

　葛春风

2

（1.复旦大学信息科学与工程学院,上海200433;2.天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津300072

摘　要:

光纤的色散引起传输信号的畸变,而损耗则引起光能的衰减,因此色散和损耗在很大程度上决

定了光传输系统的通信容量和中继距离。

目前长距离、大容量光纤通信系统中多采用单模光纤,故测量单模光纤的色散和损耗特性非常重要。

简要分析了光纤的色散和损耗的概念,然后分别介绍了用相位移法和插入法测量单模光纤的色散和损耗的实验方法与系统。

该实验系统可以同时满足单模光纤的色散和损耗特性测量需要,设备简单、集成度高、成本低、操作简便。

关键词:

单模光纤;色散;损耗中图分类号:

O436;O4233　　　文献标识码:

A　　　1006-03

TheDispersionandentSystemfor

elFiber

RG2xiang1

　LIJing1

　CHENLiang2yao1

　GEChun2feng

2

（1.InforScienceandEngineering,FudanUniversity,Shanghai200433,China;

2.SchoolofInstrumentandOptoelectronicsEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,ChinaAbstract:

Dispersionandattenuationaretwoofthemostimportanttransmissioncharacteristicsforopticalfiber.Thesin2gle2modefiberhasbeenusedwidelyinlong2distance,large2capacitylightwavecommunicationsystem.Therefore,itisveryimportantandnecessarytomeasurethedispersionandattenuationforsingle2modefiber.Theconceptsofdispersionandattenuationwerediscussed.Thesingle2modefiber’sdispersionmeasurementbyphase2shiftmethodandtheattenua2tionmeasurementbyinsertionmethodweresubsequentlygivenrespectively,togetherwithameasurementsystem.Itcanbeusedtomeasurethedispersionandattenuationinoneexperimentalsystem,andthesystemisverysimple,highinte2grated,oflowcostandeasyoperation.

Keywords:

singlemodeopticalfiber;dispersion;attenuation

收稿日期:

2009-01-04

基金项目:

复旦大学专业实验和精品课程建设资助项目

作者简介:

张荣君（1972-,男,河南罗山人,博士,副教授,洪堡学者,主要从事信息功能材料的光学性质、光学仪器系统与光子学器件等科研与教学工作。

Tel.:

021265643559;E2mail:

rjzhang@fudan.edu.cn

1　引　言

1966年,高锟等指出了利用光纤进行信息传输的

可能性和技术途径,奠定了现代光纤通信的基础[1]

。

1976年,美国亚特兰大进行了光纤通信现场实验,标志着光纤通信从基础研究发展到商业应用的新阶段。

此后,光纤通信技术不断创新:

光纤从多模发展到单模,工作波长窗口从0.85μm发展到1.31、1.55μm,

到现在的全波光纤。

传输速率从几十Mb/s发展到现

在的几十Gb/s。

同时,随着技术的进步和大规模产业的形成,光纤价格不断下降,应用范围日益扩大:

从初期的市话局间中继到长途干线进一步延伸到用户接入网,从数字电话到有线电视（CATV,从单一类型信息的传输到多种业务的传输。

目前,光纤已经成为信息宽带传输的主要媒质,光纤通信系统已经日渐成为许

多国家信息基础设施的支柱[224]

。

光信号经光纤传输后要产生损耗和畸变（失真,因而使得输出信号和输入信号不同。

对于脉冲信号,不仅幅度要减小,而且波形要展宽。

产生信号畸变的主要原因就是光纤中存在色散和损耗。

色散限制光纤通信系统的传输容量,损耗则限制光纤通信系统的无

中继传输距离[225]

。

本文讨论光纤的色散和损耗特性,

并建立单模光纤的色散和损耗测试系统。

2　实验原理

2.1　单模光纤的色散

[1,5,6]

色散是指在光纤中传输的光信号由于不同成分光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。

色散一般包括模式色散、材料色散和波导色散。

模式色散又称模间色散,只存在于多模光纤中,它是由于不同模式的时间延迟不同而产生的,每一种模式到达光纤终端的时间先后不同,造成了脉冲的展宽,从而出现色散现象,它取决于光纤的折射率分布,并与光纤材料折射率的波长特性有关;材料色散是由于光纤的折射率随波长而改变,以及模式内部不同波长成分的光（由于光源的非单色性,其时间延迟不同而产生,这种色散取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度;波导色散又称结构色散,它是由于光纤的波导结构参数与波长有关而产生的色散,与包层的相对折射率差。

示方法不同。

;。

色散一般用3dB光带宽（或者脉冲展宽σ来表示。

用脉冲展宽表示时,光纤色散σ可以写为

σ=（σ2n+σ2m+σ2w1/2

（1式中,σn、σm、σw分别为模式色散、材料色散和波导色散所引起的脉冲展宽的均方根值。

理想圆对称单模光纤由于不存在模畸变（只有一个基模,不存在高阶模,忽略偏振态的改变,传导光脉冲的展宽完全是由波导色散和材料色散决定,人们常把这种基模的一个模内的色散定义为模内色散,有时为了和其他色散进行区分,也称色度色散,表明是和

光的“色彩”

（波长有关。

常简称为色散,它是时间延迟随波长变化的结果。

模内色散系数的定义是:

单位光源光谱宽度、单位光纤长度所对应的光脉冲的展宽（延时差[ps/（nm・km]:

σ=dλ（2

　　对所有类型的单模光纤,该系数是可以根据测定

不同波长的光通过一定长度的光纤的相对时差（延时来确定的。

但实际的单模光纤不可避免存在一定的缺陷,如纤芯不圆度、微弯力、内部残余应力等,从而会在光纤的输出端产生偏振模色散（Polarization2ModeDisper2sion,PMD或双折射色散。

特别在当今高速光纤通信系统（如10、40Gbit/s甚至更高中,光纤的PMD对整

个通信系统性能的影响不能被忽视。

2.2　单模光纤的损耗

[1,426]

由于损耗（又称为衰减的存在,在光纤中传输的光信号,不管是模拟信号还是数字脉冲信号,其幅度都要减小。

光纤的损耗在很大程度上决定了光纤通信系统的传输距离。

上世纪60年代,光纤损耗超过1dB/m,1970年光纤研制出现突破,美国康宁公司在当年研制的光纤损耗降低到约20dB/km,因而,由于光纤和半导体激光器的技术进步,使得1970年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。

1979年,光纤损耗又降到0.2dB/km（在1.55μm处,低损耗光纤的问世导致了光纤通信技术领域的革命,开创了光纤通信的时代[1]

。

目前,[2]

P随传:

dP/dz=-αP

（3

α是损耗系数。

假设长度为L（km的光纤,输入

光功率为Pi,根据上式输出光功率应为

Po=Piexp（-αL

（4习惯上α的单位用dB/km,很容易得知损耗系数为

α=-L

lg

Po

Pi

（5

　　光纤的损耗主要由材料的吸收损耗以及散射损耗组成,其中材料的吸收主要由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生;而散射损耗主要由材料微观密度不均匀性引起的瑞利散射和由光纤结构缺陷（如气泡引起的散射产生的。

图1所示为单模光纤的损耗谱示意图[2]

图中简要显示出各种损耗产生的机理。

本文所讨论的实验点（1.31、1.53和1.55μm位于第2和第3传输窗口,同时也在图中示出

。

图1　单模光纤的损耗谱线,显示出各种损耗机理

　　根据以上分析和经验,光纤总损耗l与波长λ的关系可以表示为

l=

λ4

+B+CW（λ+IR（λ+UV（λ（6

式中:

A为瑞利散射系数;B为结构缺陷散射产生的损

3实　验　室　研　究　与　探　索

第28卷　

耗;CW（λ、IR（λ和UV（λ分别为杂质吸收、红外吸收和紫外吸收产生的损耗。

3　单模光纤色散和损耗的测量方法

3.1　色散的测量

[1,2,6]

单模光纤色散的测量方法很多,例如相移法（频域法、脉冲法（时域法、干涉法等,本文采用由ITU2T（国际电信联盟2电信标准化机构和IEC（国际电工委员会等国际标准组织推荐的“相位移方法”,其基本测量原理示意图如图2所示

。

图2　相移法测量单模光纤色散的实验原理示意图

　　系统由光源、波长选择器、、出器、光探测器、时延发生器、部分等组成,1,λ2,…,λN,,使得i满足2Nπ<φi<（2N+2π,于是,当波长差别很小时,不同波长的时延τi有下面的关系:

τi+1-τiλi+1-λi≈d

λ=D（λi

（7即可得到不同波长的色散值。

具体地,单模光纤色散测量实验装置示意图如图3所示

。

图3　单模光纤色散测量实验装置示意图

　　如果1535、1310nm2个信号光经过待测光纤后

相位相差为2Nπ+φ1（-π<φ1<π,不改变信号源频率使得1310nm/1555nm信号光经过待测光纤后的相位差为2Nπ+φ2（-π<φ2<π,可以得到1535nm/1555nm的2个信号光经过待测光纤后相

位差为φ1-φ2,则相应的色散值为

　D1550≈τi+1-τiλi+1-λi=（φ1-φ2/2

πfL1555-1535=

Δτ/20L（8式中:

f为信号源调制频率;L为待测光纤长度。

3.2　损耗的测量

[1,2,5,6]

测量光纤损耗的常用方法包括插入法、剪断法和

后向散射法等,相关技术标准（如ITU2TG