光纤参数测试方法的研究

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摘要

论述了光纤的测试参数、测试方法以及不确定度分析。总结了光纤几何参数、模场直径、截止波长、衰减、波长色散的测试方法。归纳出了光纤参数测试中存在的问题和解决方法。

1、引言

光纤通信技术的飞速发展增加了光纤光缆的需求量。目前，全世界已敷设光纤数亿公里，光纤通信不仅在陆地上使用，而且还形成了跨越大西洋和太平洋的海底光缆线路，几乎包围了整个地球。按光缆敷设方式分有：自承重架空光缆，管道光缆，铠装地埋光缆和海底光缆。按光缆结构分有：束管式光缆，层绞式光缆，紧抱式光缆，带式光缆，非金属光缆和分支光缆。按光缆用途分有：长途通讯用光缆、短途室外光缆、混合光缆和建筑物内用光缆。光纤光缆在国内以至世界的需求量都是很大的，确保光纤光缆的质量至关重要，光纤基本参数的测试是对光纤光缆质量的保证。

光纤光缆是光信号传输的媒质，它是光通信的基础。在这个领域国家参考国际电工委员会IEC 793-1-2：1995《光纤第1部分：总规范第2篇：尺寸参数试验方法》，IEC 793-1-4：1995《光纤第1部分：总规范第4篇：传输特性和光学特性试验方法》和国际电联ITU-T G650：1997《单模光纤相关参数的定义和试验方法》，ITU-T G651：1993《50/125μm多模渐变折射率光纤缆的特性》等相关国际标准制定了光纤光缆的国家标准GB/T 15972.2-1998《光纤总规范第2部分：尺寸参数试验方法》和GB/T 15972.4-1998《光纤总规范第4部分：传输特性和光学特性试验方法》，对光纤的基本测试参数和试验方法做出了相关规定。

这些标准规范了光纤光缆的具体性能指标。光纤的特性参数分为几何特性参数(光纤长度、纤芯直径、包层直径、纤芯不圆度、包层不圆度、芯/包层同心度误差等)、光学特性参数(模场直径、单模光纤的截止波长、成缆单模光纤的截止波长、折射率分布、多模光纤的数值孔径等)、传输特性参数(衰减、波长色散等)。

2、光纤参数的测试方法

对光纤参数的测试方法参照国标中相关的试验方法进行，下面列举出一些光纤基本参数的测试方法。光纤的特性参数中，几何特性参数对光纤的包层直径、包层不圆度、芯/包层同心度误差的测试方法做出相关说明；光学特性参数对模场直径、单模光纤的截止波长、成缆单模光纤的截止波长的测试方法做出相关说明；传输特性参数对光纤的衰减、波长色散的测试方法做出相关说明。

2.1、光纤几何特性参数测试

光纤的折射率分布、包层直径、包层不圆度、芯/包层同心度误差的测试方法。

测量包层直径、包层不圆度、芯/包层同心度误差的测试方法是折射近场法、横向干涉法和近场光分布法（横截面几何尺寸测定）。

光纤的折射率分布、包层直径、包层不圆度、芯/包层同心度误差的测试方法有三种。

●折射近场法

折射近场法是多模光纤和单模光纤折射率分布测定的基准试验方法（RTM），也是多模光纤尺寸参数测定的基准试验方法和单模光纤尺寸参数测定的替代试验方法（ATM）。

折射近场测量是一种直接和精确的测量。它能直接测量光纤（纤芯和包层）横截面折射率变化，具有高分辨率，经定标可给出折射率绝对值。由折射率剖面图可确定多模光纤和单模光纤的几何参数及多模光纤的最大理论数值孔径。

●横向干涉法

横向干涉法是折射率剖面和尺寸参数测定的替代试验方法（ATM）。横向干涉法采用干涉显微镜，在垂直于光纤试样轴线方向上照明试样，产生干涉条纹，通过视频检测和计算机处理获取折射率剖面。

●近场光分布法

这种方法是多模光纤几何尺寸测定的替代试验方法（ATM）和单模光纤几何尺寸（除模场直径）测定的基准试验方法（RTM）。通过对被测光纤输出端面上近场光分布进行分析，确定光纤横截面几何尺寸参数。

可以采用灰度法和近场扫描法。灰度法用视频系统实现两维（x-y）近场扫描，近场扫描法只进行一维近场扫描。由于纤芯不圆度的影响，近场扫描法与灰度法得出的纤芯直径可能有差别。纤芯不圆度可以通过多轴扫描来确定。

一般商用仪表折射率分布的测试方法是折射近场法。

测试中使用的仪表是光纤几何参数和折射率分布测量仪。测试步骤如下：

①试样制备时应注意试样端面清洁、光滑并垂直于光纤轴。

②测量包层时，端面倾斜角应小于1。控制端面损伤，使其对测量精度的影响最小。

③注意避免光纤的小弯曲。

④将被测光纤剥除被覆层，用专用光纤切割刀切割出平整的端面, 放入光纤样品盒中，样品盒中注入折射率稍高于光纤包层折射率的折射率匹配液。

⑤将光纤样品盒垂直放在光纤折射率分布测量仪的光源和光探测器之间，进行x-y方向的扫描测试。

⑥通过分析得到光纤折射率分布、包层直径、包层不圆度、芯/包层同心度误差的测试数据。

2.2、光纤光学特性参数测试

(1)单模光纤模场直径的测试方法

模场直径是单模光纤基模（LP01）模场强度空间分布的一种度量，它取决于该光纤的特性。

模场直径（MFD）可在远场用远场光强分布Pm(θ)、互补孔径功率传输函数α(θ)和在近场用近场光强分布f2(r)来测定。模场直径定义与测量方法严格相关。

单模光纤模场直径的测试方法有三种。

●直接远场扫描法

直接远场扫描法是测量单模光纤模场直径的基准试验方法（RTM）。它直接按照柏特曼（Petermann）远场定义，通过测量光纤远场辐射图计算出单模光纤的模场直径。

●远场可变孔径法

远场可变孔径法是测量单模光纤模场直径的替代试验方法（ATM）。它通过测量光功率穿过不同尺寸孔径的两维远场图计算出单模光纤的模场直径，计算模场直径的数学基础是柏特曼远场定义。

●近场扫描法

近场扫描法是测量单模光纤模场直径的替代试验方法（ATM）。它通过测量光纤径向近场图计算出单模光纤的模场直径，计算模场直径的数学基础是柏特曼远场定义。

一般商用仪表模场直径测试方法是远场变孔径法(VAFF)。

测试中使用的仪表是光纤模场直径和衰减谱测量仪。测试步骤如下：

●准备2m（0.2m）的光纤样品，两端剥除被覆层，放在光纤夹具中，用专用光纤切割刀切割出平整的端面。

●将被测光纤连接入测量仪的输入和输出端，检查光接收端的聚焦状态，如果曲线不在屏幕的正中央或光纤端面不够清晰，则需要进行位置和焦距的调整。

●在光源的输出端保持测试光纤的注入条件不变，打一个半径30mm的小环，滤除LP11模的影响，进行模场直径的测试。

通过分析得到光纤模场直径的测试数据。

（2）单模光纤截止波长和成缆单模光纤截止波长的测试方法

测量单模光纤的截止波长和成缆单模光纤的截止波长的测试方法是传输功率法。

当光纤中的模大体上被均匀激励情况下，包括注入较高次模在内的总光功率与基模光功率之比随波长减小到规定值（0.1dB）时所对应的较大波长就是截止波长。传输功率法根据截止波长的定义，在一定条件下，把通过被测光纤（或光缆）的传输功率与参考传输功率随波长的变化相比较，得出光纤（或光缆）的截止波长值。

一般商用仪表模场直径测试方法是传输功率法。

测试中使用的仪表是光纤模场直径和衰减谱测量仪。测试步骤如下：

①在样品制备时，单模光纤的截止波长的测试使用2m（0.2m）的光纤样品，成缆单模光纤的截止波长的测试使用22m的已成缆单模光纤。

②将测试光纤的两端剥除被覆层, 放在光纤夹具中，用专用光纤切割刀切割出平整的端面。

③将被测光纤连接入测量仪的输入和输出端, 检查光接收端的聚焦状态, 如果曲线不在其屏幕的正中央或光纤端面不够清晰, 则需要进行位置和焦距的调整。

④先在测试光纤不打小环的情况下，测试参考传输功率。

⑤再将测试光纤在注入端打一个半径30mm的小环，滤除LP11模的影响，测试此时的传输功率。

⑥将两条传输功率测试曲线相比较，通过数据分析处理，得到光纤（或光缆）的截止波长值。

2.3、光纤传输特性参数测试

(1)衰减的测试方法

衰减是光纤中光功率减少量的一种度量，它取决于光纤的性质和长度，并受测量条件的影响。衰减的主要测试方法如下：

●截断法

截断法是测量光纤衰减特性的基准试验方法（RTM），在不改变注入条件时测出通过光纤两横截面的光功率，从而直接得到光纤衰减。

●插入损耗法

插入损耗法是测量光纤衰减特性的替代试验方法（ATM），原理上类似于截断法，但光纤注入端的光功率是注入系统输出端的出射光功率。测得的光纤衰减中包含了试验装置的衰减，必须分别用附加连接器损耗和参考光纤段损耗对测量结果加以修正。

●后向散射法

后向散射法是测量光纤衰减特性的替代试验方法（ATM），它测量从光纤中不同点后向散射至该光纤始端的后向散射光功率。这是一种单端测量方法。

一般商用仪表衰减的测试方法是截断法和后向散射法。

截断法测试中使用的仪表是光纤模场直径和衰减谱测量仪。测试步骤如下：

①准备不短于1km或更长一些（一般一个光纤盘长：25km）的光纤样品，两端剥除被覆层, 放在光纤夹具中，用专用光纤切割刀切割出平整的端面。

②将测试光纤盘的外端光纤通过专用夹具连接仪表的发射端，将测试光纤盘的内端光纤通过专用夹具连接仪表的接收端，检查光接收端的聚焦状态, 如果曲线不在屏幕的正中央或光纤端面不够清晰, 则需要进行位置和焦距的调整。

③在光纤注入端打一个半径30mm的小环，滤除LP11模的影响，测试此时的传输功率。

④保持光源的注入状态不变（在光纤注入端打一个半径30mm的小环），将测试光纤样品截断为2m的试样，光纤通过专用夹具连接仪表的接收端，检查光接收端的聚焦状态, 如果曲线不在屏幕的正中央或光纤端面不够清晰，则需要进行位置和焦距的调整。测试此时的传输功率。

将两条传输功率测试曲线相比较，通过数据分析处理，得到光纤在1310nm和1550nm波段的衰减谱特性。

后向散射法测试中使用的仪表是光时域反射计。测试步骤如下：

①将测试光纤盘的外端通过熔接光纤连接器或裸纤适配器，接入光时域反射计进行测试。

②测试中光时域反射计使用最小二乘法（LSA）计算光纤的衰减，此方法可忽略光纤中可能的熔接或接头损耗对光纤链路测试造成的影响。

③如需分段测试光纤链路的衰减可使用两点法进行测试。

④光纤衰减测试中，应选择光纤测试曲线中的线性区域，避开测试曲线近端的饱和区域和末端的反射区域，测试两点间的光纤衰减（dB/km）。

⑤更改光时域反射计的测试波长，分别对1310nm和1550nm波长处的光纤衰减特性进行测试分析。

实际测试中，可以通过截断法和后向散射法两种测试方法验证光纤衰减的测试数据。对于带有光纤连接器的测试光纤样品，为了不破坏已安装的光纤连接器，则只能使用后向散射法进行单端非破坏性测试。

（2）波长色散的测试方法

波长色散是由组成光源谱的不同波长的光波以不同群速度传输引起的光纤中每单位光源谱宽的光脉冲展宽，用ps/nm表示。它取决于该光纤的特性和长度。波长色散的主要测试方法如下：

●相移法

相移法是测量光纤波长色散的基准试验方法（RTM）。它在频域中通过检测、记录和处理不同波长正弦调制信号的相移来测量不同波长信号的群时延，从而推导出光纤波长色散。

●脉冲时延法

脉冲时延法是测量光纤波长色散的替代试验方法（ATM）。它在时域中通过直接检测、记录和处理不同波长脉冲信号的群时延，从而推导出光纤波长色散。

●微分相移法

微分相移法是测量光纤波长色散的替代试验方法（ATM）。它在1000nm~1700nm波长范围内由两个相近波长间的微分群时延来测量特定波长上的波长色散系数。

一般商用仪表波长色散的测试方法是相移法。

测试中使用的设备是色散测量仪。测试步骤如下：

①测试光纤样品应不短于1km。光纤两端做好光纤连接器。

②在色散测试时应先用两根标准光纤跳线分别连接色散测量仪的输入端和输出端，通过法兰盘连接两根光纤跳线的另一端，将色散测量仪自环，测试此时的参考值。

③再将测试光纤通过法兰盘接入光纤环路。

④根据测试光纤样品，设定光纤类型；数据拟合方式；光纤测试中的群折射率；测试光纤长度；；测试波长范围；波长间隔等。

⑤测试光纤的零色散波长、零色散斜率和色散系数等。通过对测试数据的分析处理得到光纤的色散特性。

光纤参数测试中的不确定度评定方法：光纤参数测试中的不确定度评定一般参考下面提到的方法进行。主要考虑测量仪器引入的不确定度和测量重复性两方面因素。

3、光纤参数测试中普遍存在的问题

以单模光纤B1.1类（即非色散位移单模光纤）、B1.3类（即波长段扩展的非色散位移单模光纤）和B4类（即非零色散位移单模光纤）为例说明光纤参数测试中普遍存在的问题。光纤参数测试中普遍存在的问题是单模光纤的截止波长指标超标的问题。

根据国内光纤光缆标准，截止波长可分为光缆截止波长λCC、光纤截止波长λC和跳线光缆截止波长λCj，光纤光缆的截止波长指标应符合表二中的相应规定。光缆使用长度不小于22m时应符合表二中λCC规定，使用长度小于22m但不小于2m时应符合表二中λCj规定，使用长度小于2m时应符合表二中λC规定，以防止传输时可能产生的模式噪声。

在对国内光纤光缆厂商光缆产品的委托测试中，在四种规格的光缆产品中以192芯（其中B1类光纤178芯，B4类光纤14芯）为抽样基数，随机抽取B1类光纤样品12根，B4类光纤样品4根，测试单模光纤的截止波长参数。测试结果中单模光纤的截止波长普遍存在超标现象。

在对国内光纤光缆厂商光缆产品的委托测试中，在四种规格的光缆产品中以192芯（其中B1类光纤178芯，B4类光纤14芯）为抽样基数，随机抽取B1类光纤样品12根，B4类光纤样品4根，测试单模光纤的截止波长参数。测试结果中单模光纤的截止波长普遍存在超标现象。

4、结束语

光纤参数测试是光纤及光缆测试中的重要技术指标，对光纤光缆的质量至关重要。本文归纳了光纤参数的测试方法、不确定度评定准则、以及在光纤光缆测试中存在的问题。总结了实际测试中对测试方法的应用和改进，以及可能遇到的问题和解决方法。