包玉蓮 朱凱東
[摘要] 對光纖以及光纖通信系統(tǒng)的測量方法作了一些簡單介紹，主要介紹了光纖測量：單模光纖模場直徑、光纖損耗、光纖色散與帶寬的測量；光纖通信系統(tǒng)測量：光發(fā)射機發(fā)送光功率、光源消光比、光接收機靈敏度、光接收機動態(tài)范圍、眼圖的測量。
光纖通信技術(shù)是近20年來迅猛發(fā)展的新興技術(shù)，是世界新技術(shù)革命的重要標(biāo)志，又是未來信息社會中高速信息網(wǎng)的主要傳輸工具。由于光纖的傳光性能極其優(yōu)良，因此光纖通信方式現(xiàn)己成為光通信的主流。在現(xiàn)存及設(shè)計的光纖通信系統(tǒng)中，我們必須對其進行測量以確定現(xiàn)存及設(shè)計的光纖通信系統(tǒng)是否能夠達到系統(tǒng)要求。光纖通信的測量應(yīng)包括光纖本身的測量和光纖通信系統(tǒng)的測量。
一、光纖參數(shù)的測量
1.單模光纖模場直徑的測量
從理論上講單模光纖中只有基模(LP0l)傳輸，基模場強在光纖橫截面的存在與光纖的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而模場直徑就是衡量光纖模截面上一定場強范圍的物理量。對于均勻單模光纖，基模場強在光纖橫截面上近似為高斯分布，通常將纖芯中場強分布曲線最大值1／e處所對應(yīng)的寬度定義為模場直徑。簡單說來它是描述光纖中光功率沿光纖半徑的分布狀態(tài)，或者說是描述光纖所傳輸?shù)墓饽艿募谐潭鹊膮⒘俊Ｒ虼藴y量單模光纖模場直徑的核心就是要測出這種分布。
測量單模光纖模場直徑的方法有：橫向位移法和傳輸功率法。下面介紹傳輸功率法。
取一段2米長的被測光纖，將端面處理后放入測量系統(tǒng)中，測量系統(tǒng)主要由光源和角度可以轉(zhuǎn)動的光電檢測器構(gòu)成。光纖的輸入端應(yīng)與光源對準(zhǔn)。另外為了保證只測主模(LP01)而沒有高次模，在系統(tǒng)中加了一只濾模器，最簡單的辦法是將光纖打一個直徑60mm的小圓圈。當(dāng)光源所發(fā)的光通過被測光纖，在光纖末端得到遠場輻射圖，用檢測器沿極坐標(biāo)作測量，即可測得輸出光功率與掃描角度間的關(guān)系。然后，按模場直徑的定義公式輸入P和θ值，由計算機按計算程序算出模場直徑。
2.光纖損耗的測量
光纖損耗是光纖的一個重要傳輸參數(shù)。由于光纖有衰減，光纖中光功率隨距離是按指數(shù)的規(guī)律減小的。但是，對于單模光纖或近似穩(wěn)態(tài)的模式分布的多模光纖衰減系數(shù)a是一個與位置無關(guān)的常數(shù)。若設(shè)P(Z1)為Z＝Z1處的光功率，即輸入光功率。若設(shè)P(Z2)為Z2處的光功率，即這段光纖的輸出功率。因此，光纖的衰減系數(shù)a定義為
因此，只要知道了光纖長度Z2-Z1和Z2、Z1處的光功率P(Z1)、P(Z2)，就可算出這段光纖的衰減系數(shù)a。測量光纖的損耗有很多種辦法，下面只介紹其中的兩種辦法。
1)截斷法
截斷法是一種測量精度最好的辦法，但是其缺點是要截斷光纖。
取一條被測的長光纖接入測量系統(tǒng)中，并在圖中的“2”點位置用光功率計測出該點的光功率P(Z2)。然后，保持光源的輸入狀態(tài)不變，在被測量光纖靠近輸入端處“1”點將光纖截斷，測量“l(fā)”點處的光功率P(Z1)。這個測量過程等于測了1～2兩點間這段光纖的輸入光功率P(Z1)和輸出光功率P(Z2)，又知道“1”、“2”點間的距離Z2-2l，因此，將這些值代入
即可算出這段光纖的平均衰減系數(shù)。
在測量方框圖中斬波器(又稱截光器)是一種能周期斷續(xù)光束的器件。例如是一個有徑向開縫的轉(zhuǎn)盤。它將直流光信號變?yōu)榻蛔児庑盘枺鳛閰⒖脊庑盘査偷芥i相放大器中，與通過了被測光纖的光信號鎖定，以克服直流漂移和暗電流等影響，以確保測量精度。
2)背向散射法
測量原理。用背向散射法測量光纖損耗的原理與雷達探測目標(biāo)的原理相似。在被測光纖的輸入端射入一個強的光脈沖，這個光窄脈沖在光纖內(nèi)傳輸時，由于光纖內(nèi)部的不均勻性將產(chǎn)生瑞利散射(當(dāng)然遇到光纖的接頭及斷點將產(chǎn)生更強烈的反射)。這種散射光有一部分將沿光纖返回向輸入端傳輸，這種連續(xù)不斷向輸入端傳輸散射光稱為背向散射光。從物理概念上看，這種背向散射光就將光纖上各點的“信息”送回了輸入端。靠近輸入端的光波傳輸損耗少，故散射回來的信號就強，離輸入端遠的地方光波傳輸損耗大，散射回來的信號就弱。人們就用這種帶有光纖各點“信息”的背向散射對光纖的損耗等進行測量。這個測量儀器稱為光時域反射儀，簡寫成OTDR(Optical Time Domain Reflectometer)。
曲線上A、D兩個很強的回波對應(yīng)于光纖的輸入端面和輸出端面引起的反射。曲線B點對應(yīng)于一個光纖接頭引起的散射回波。C點可能對應(yīng)于光纖中的一個氣泡引起的散射回波。怎樣利用光纖的瑞利散射對光纖進行測量，是關(guān)于從定量的角度進行討論。由于現(xiàn)在利用OTDR機器對光纖鏈路的損耗進行測量時，能直觀、直接從OTDR機器內(nèi)讀出所需數(shù)據(jù)，所以這里不作定量討論。
光時域反射儀的工作原理是：首先用脈沖發(fā)生器調(diào)制一個光源使光源產(chǎn)生窄脈沖光波，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)耦入光纖。光波在光纖中傳輸時出現(xiàn)散射，散射光沿光纖返回，途中經(jīng)過光纖定向耦合器輸入光電檢測器，經(jīng)光電檢測器變?yōu)?a class="channel_keylink" href="/search.asp">電信號，再經(jīng)放大及信號處理送入顯示器。其中對信號處理的原因是，背向散射光非常微弱，淹沒在一片噪聲中，因此，要用取樣積分器積分，在一定時間間隔對微弱的散射信號取樣并求和。在這過程中，由于噪聲是隨機的，在求和時抵消掉了，從而將散射信號取了出來。用OTDR除了可以測量光纖的損耗以外，還可以觀察光纖沿線的損耗情況，以及某損耗突然變化點的裝置，光纖接頭的插入損耗等。OTDR還有一個工程上的重大用處，能夠方便地找出光纖的斷點。現(xiàn)在用OTDR測量光纖損耗是最常用的一種方法。優(yōu)點是測量非破壞性，功能多，使用方便。但是，在使用時始終有一段盲區(qū)。另外用OTDR從光纖兩端測出的衰減值有差別，通常取平均值。
3.光纖色散與寬帶的測量
光纖的色散特性是影響光纖通信傳輸容量和中繼距離的一個重要因素。在數(shù)據(jù)信號通信中，如色散大，光脈沖展寬就嚴重，在接收端就可能因脈沖展寬而出現(xiàn)相鄰脈沖的重疊，從而出現(xiàn)誤碼。為了避免出現(xiàn)這種情況，只好使碼元間隔加大，或使傳輸距離縮短。顯然這就使得傳輸容量降低，中繼局距離變短，這是人們所不希望的。在模擬傳輸中，同樣由于色散大，不同頻率的模擬光信號頻譜不相同，在接收端就會使模擬信號出現(xiàn)嚴重失真。同樣為了避免出現(xiàn)這種情況，只好使傳輸模擬帶寬下降，或傳輸距離縮短，這是人們所不希望的。為此，高碼率、寬帶寬模擬信號的光纖通信系統(tǒng)中對光纖的色散就要認真考慮。如同前面所述，因為光纖色散造成光脈沖的波形展寬，這是從時域觀點分析的情況，若是從頻域角度來看，光纖有色散就表示光纖是有一定傳輸帶寬的。因此脈沖展寬和帶寬是從不同角度描述光纖傳輸特性的兩個緊密聯(lián)系的參量。
從測量方法上與此對應(yīng)也有兩種方法。一種是從時域角度來測量光脈沖的展寬；另一種是從頻域角度來測量光纖的基帶寬度。
由此可見，Δτ不是Δτ2與Δτ1的簡單相減的關(guān)系。所以，只要將測出來的Δτ1和Δτ2代入上式即可以算出脈沖展寬Δτ。求出Δτ以后，再根據(jù)脈沖的展寬Δτ和相應(yīng)的帶寬B間的公式
B＝0.44／Δτ (1-2)
將Δτ代入式中可求出相應(yīng)的光纖每公里帶寬。若Δτ的單位用ns，則B的單位是MHz。
測量方框圖。用時域法測量光纖的脈沖展寬
首先用一臺脈沖信號發(fā)生器去調(diào)制一個激光器。從激光器輸出的光信號通過分光鏡分為兩路。一路進入被測光纖(由于色散作用，這一路的光脈沖信號被展寬)，經(jīng)光纖傳輸?shù)竭_光電檢測器1和接收機1，送入雙蹤取樣示波器并顯示出來，這個波形相當(dāng)于前面講的Pout(t)。另一路，不經(jīng)過被測光纖，通過反射鏡直接進入光檢測器2和接收機器2，然后也被送入雙蹤示波器顯示出來。由于這個波形沒有經(jīng)過被檢測光纖，故相當(dāng)于被測光纖輸入信號的波形，即相當(dāng)于Pin(t)。從顯示出的脈沖波形上分別測得Pin(t)的寬度Δτ1和Pout(t)的寬度Δτ2。這樣就可將Δτ1和Δτ2代入式(1-1)及(1-2)最終算出帶寬B。最后還應(yīng)該指出，用這種方法測量單模光纖比較困難，因為其Δτ太小。
2)用頻域法測量光纖帶寬
頻域法測量，就是用一個掃頻振蕩器產(chǎn)生的頻率連續(xù)變化的正弦信號去調(diào)制激光器，從而研究光纖對于不同的頻率，來調(diào)制的光信號的傳輸能力。具體的說，就是要設(shè)法測出光纖傳輸己調(diào)制光波的頻率響應(yīng)特性。得到了頻率響應(yīng)特性后，即可按一般方法求出光纖的帶寬。
設(shè)Pin(f)為輸入被測光纖的光功率與調(diào)制頻率f間的關(guān)系。Pout(f)為被測光纖輸出的光功率與調(diào)制頻率f關(guān)系。則被測光纖的頻率響應(yīng)特性H(f)為H(f)＝Pout(f)／Pin(f)，若以半功率點來確定光纖的帶寬fc即10lgH(f)=10lg[Pout(f)/Pin(f)]＝10lg1／2＝-3dB。fc稱為光纖的3dB光帶寬。
由于測量光纖的頻率響應(yīng)特性，需要測出輸入光纖的光功率特性和從光纖輸出的光功率特性，即需要得到兩個信號，故在圖9中用一條短光纖的輸出光功率來代替被測光纖的輸入光功率。由掃頻信號發(fā)生器輸出一個頻率連續(xù)可調(diào)的正弦信號。利用這個信號去對激光器的光信號進行強度調(diào)制，然后將這個已調(diào)光信號耦合入光開關(guān)，由光開關(guān)依次送出兩路信號，一路光信號進入短光纖，經(jīng)短光纖后面過光電檢測器送入頻譜分析儀。用短光纖的輸出信號來代替被測光纖的輸入信號(由于光纖短，經(jīng)過傳輸后信號變化很小，故可以認為即是輸入信號)。另一路光信號是經(jīng)過光開關(guān)送入被測光纖，由連續(xù)的正弦波調(diào)制的光信號經(jīng)過光纖傳輸，攜帶了被測光纖對不同調(diào)制頻率光信號的反應(yīng)，從光纖輸出，經(jīng)光電檢測器送入頻譜分析儀。這樣頻譜分析儀中就得到了被測光纖的輸入和輸出兩種光信號，因此，就可得到被測光纖的頻率響應(yīng)，從而可測出光纖的帶寬。
二、光纖通信系統(tǒng)的測量
1.光發(fā)射機發(fā)送光功率的測量
因為在實際的光纖通信系統(tǒng)中，光發(fā)射機的輸出光功率是在有信號調(diào)制的情況下，光源輸出的功率，故在測量光發(fā)射機發(fā)送光功率時，就用信號對光源進行強度調(diào)制。
2.光源消光比的測量
在數(shù)據(jù)光傳輸系統(tǒng)中，一部性能優(yōu)異的光端機的發(fā)射機盤在傳數(shù)字信號過程中，發(fā)“0”碼時，應(yīng)無光功率輸出。但是，實際的光發(fā)射機由于光源器件本身的問題，以及直流偏置，致使發(fā)“0”碼時也有微弱的光輸出，由理論分析可見，這種情況將使接收機的靈敏度下降，描述光發(fā)射機上述這種性能的指標(biāo)，就是消光比EXT它為：
3.光接收機靈敏度的測量
當(dāng)測模擬傳送系統(tǒng)的光接收機靈敏度時，由圖可知信號發(fā)生器為模擬的測試信號發(fā)生器，檢測器為模擬視頻信號測試儀。在光接收機端，逐漸加大光衰減器的衰減量，(即表示輸入光接收機的輸入信號逐漸減少)，這時由信號測試儀測出的信號指標(biāo)變劣，直到它有一個指標(biāo)迅速下降到規(guī)定的指標(biāo)以下時，例如甲級指標(biāo)(即表示此時接收機的信號輸出已經(jīng)達不到指標(biāo)要求的臨界狀態(tài))，這時將光功率計接到光衰減器的輸出端，由此測到的光功率Pmin既是接收機的靈敏度。
當(dāng)測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的光接收機靈敏皮時，由圖可知信號發(fā)生器為碼型發(fā)生器，檢測器為誤碼檢測器，測試方法類同，只是誤碼檢測儀讀出的是誤碼率。
將測出的pmin值代入式Sr＝10lg(Pmin/10-3即可算出光接收機靈敏度的dBm值。
4.光接收動態(tài)范圍的測量
光接收機的動態(tài)范圍D＝10lg[Pmax/Pmin]。在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，式中Pmax指滿足誤碼率指標(biāo)下，接收機的最大輸入光功率，Pmin即為接收機的靈敏度。因而，測量光接收機的動態(tài)范圍時，只要測出在一定誤碼率指標(biāo)下，接收機的Pmax和Pmin值并代入式中即可算出動態(tài)范圍。所以，測量動態(tài)范圍的方框圖仍然采用圖11所示的測量系統(tǒng)。在模擬傳輸系統(tǒng)中，其它都相同，只要滿足的不是誤碼率，而是模擬指標(biāo)，例如視頻指標(biāo)。
在測量過程中，pmin的測量與前面測量接收機靈敏度的過程一樣。測量Pmax時，將圖11中的衰減器衰減逐漸減少,數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的誤碼率檢測儀中的誤碼率逐漸加大，直到誤碼率增大到某個規(guī)定的指標(biāo)(例如10-9)。這時光功率計讀出的光功率即為Pmax。在模擬傳輸系統(tǒng)中，Pmax的測量差別僅是用模擬指標(biāo)測試儀測出指標(biāo)，取代誤碼率測試儀測出誤碼率。
5.數(shù)據(jù)光纖通信系統(tǒng)測量中的眼圖
一種用直觀方法來判斷光纖接收機碼間干擾的辦法，就是用眼圖來進行分析。將這種隨機的數(shù)字輸出信號接入示波器，如果將示波器的掃描周期調(diào)整到上述脈沖序列周期T的整數(shù)倍上(例如3T)，顯然示波器將被同步，屏幕上的圖形將穩(wěn)定下來。
由于示波器水平掃描每3T就掃描一次，因此,這個隨機脈沖序列中每個三碼元段將重疊在一起。又因熒光屏的余輝，使得屏幕上所呈現(xiàn)的圖形不是一次掃描產(chǎn)生的三個碼元段，而是若干段重疊在一起。不僅如此，還由于長序列脈沖碼元出現(xiàn)的情況是隨時機的，故每三個碼元組成的一段中，各種碼元的組合情況都可能存在。這樣，將上述各因素都綜合在一起，最后，在示波器屏幕上即顯示出圖12這樣一種像人眼一樣的圖形。
從上面的眼圖形成過程可以想象，如果無碼間干擾和噪聲，則該眼圖像人的眼睛一樣完全張開，而且圖形清晰；當(dāng)有碼間干擾存在時，圖中的“眼睛”不能完全張開，而且圖形不清楚。如既有碼間干擾又有噪聲，則眼睛張開更小，圖形更不清晰。 被測光纖的頻率響應(yīng)特性H(f)為H(f)＝Pout(f)／Pin(f)，若以半功率點來確定光纖的帶寬fc即10lgH(f)=10lg[Pout(f)/Pin(f)]＝10lg1／2＝-3dB。fc稱為光纖的3dB光帶寬。
