CN101793600B

CN101793600B - 光纤传输损耗系数测量装置及测量方法

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Publication number: CN101793600B
Application number: CN2010101467022A
Authority: CN
Inventors: 吴至境; 沈启舜; 袁文; 陆徐超; 刘天元
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2010-04-15
Filing date: 2010-04-15
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2030-04-15
Also published as: CN101793600A

Abstract

一种光纤测量技术领域的基于背向散射法的光纤传输损耗系数测量装置及其测量方法，包括：激光发射装置、三端口环形器、函数信号发生器、光电探测器、数字示波器和计算功能模块。本发明克服了切断法测量光纤传输损耗系数存在带破坏性操作和插入损耗法受耦合连接头影响而使测量结果不精确的问题，并且不同于一般基于背向散射法的OTDR采用大功率窄脉冲光信号测量光纤损耗的方法，它采用较宽的方波激光脉冲信号作为光纤输入信号，大大减小了背向散射光的模式分布和光纤的不均匀性对测量结果的影响。本发明具有装置简单、操作简便和测量结果精确的优点。

Description

光纤传输损耗系数测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种光纤测量技术领域的方法，具体涉及一种基于背向散射法的光纤传输损耗系数测量装置及测量方法。

背景技术

光纤的传输损耗特性是决定光纤网络传输距离、传输稳定性和可靠性的最重要因素之一，因此对光纤的传输损耗系数的准确测定具有非常重要的意义。在光纤通信中，光信号在光纤中的传输损耗主要有接续损耗(光纤的固有损耗、熔接损耗和活动接头损耗)和非接续损耗(弯曲损耗、其他施工因素和应用环境所造成的损耗)两类。

现阶段已经提出的测定光纤传输损耗系数的方法有三种：第一种为切断法，切断法首先将测试光源与被测光纤连接，测量出被测光纤出射点光出射功率P_o，然后保持光注入条件不变，在离注入端约2m处切断光纤，测量出被截断光纤长度L，再测量出剩余光纤出射点光出射功率P_i。最后由公式α＝-(10/L)lg(P_o/P_i)(dB/km)即可得光纤损耗系数α的大小。切断法的优点在于其测量精度高，优于其它方法0.1dB，但是这种测量方法需要截断光纤，这对于被测光纤来说是一种带破坏性操作。第二种为插入损耗法，这种测量方法本质上仍为切断法，只是其在光纤切断处用光纤耦合连接头来代替。这种测量方法不需要切断光纤，为非破坏性的，适合于现场使用，但是插入损耗法的测量精确度和重复性要受到耦合接头的精确度和重复性的影响，不如切断法的精确度高。第三种光纤传输损耗系数测量方法为背向散射法。这种方法将大功率的窄脉冲光信号注入被测光纤，然后在同一端检测沿光纤背向返回的散射光功率，因为主要的散射机理是瑞利散射，瑞利散射光的特征是它的波长与入射光波的波长相同，光功率与该点的入射光功率成正比，所以测量沿光纤返回的背向散射光功率就可以获得光沿光纤传输时损耗的信息，从而可以测量出光纤的传输损耗系数。基于背向散射或反射信号的测量仪器为光时域反射仪(Optical Time Domain Reflectometer，简称OTDR)，它可以方便地对光纤进行无破坏性的测量。

经对现有文献进行检索发现，现阶段普遍使用的OTDR(如日本横河的AQ7275型OTDR和安藤AQ7260型OTDR)一般采用大功率短脉冲激光信号作为测试信号光，，通过测量光纤回射光功率及脉冲传输时间来对光纤的损耗进行测量。这种测量方法无法控制光纤背向散射光的模式分布，这常使光纤两个传输方向上测得的传输衰减系数不同，并且它对光纤的非均匀性很敏感，如光纤的数值孔径、直径或散射系数等的变化都会对背向散射信号有影响，其测得的衰减系数将产生较大的偏差，不利于光纤的传输衰减系数的确定。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种光纤传输损耗系数测量装置及测量方法，克服了切断法测量光纤传输损耗系数存在带破坏性操作和插入损耗法受耦合连接头影响而使测量结果不精确的问题，并且不同于一般基于背向散射法的OTDR采用大功率窄脉冲光信号测光纤损耗的方法，它采用较宽的方波激光脉冲信号作为光纤输入信号，大大减小了背向散射光的模式分布和光纤的不均匀性对测量结果的影响。因此，本发明具有装置简单、操作简便和测量结果精确的优点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于光时域反射仪的光纤传输损耗系数测量装置，包括：激光发射装置、三端口环形器、函数信号发生器、光电探测器、数字示波器和计算功能模块，其中：函数信号发生器与激光发射装置相连接并将输出激光调制为方波光脉冲，激光发射装置与三端口环形器的第一端口相连接并输出方波光脉冲，三端口环形器的第二端口与被测光纤相连接并输出方波脉冲至被测光纤中，三端口环形器的第三端口与光电探测器相连接以输出回波信号，光电探测器与数字示波器连接将回波信号通过光电探测器转变为电信号并输出至数字示波器进行测量，数字示波器与计算功能模块相连接以将回波波形数据输入到计算功能模块并得到光纤传输损耗系数。

本发明涉及上述基于光时域反射仪的光纤传输损耗系数测量装置的测量方法，包括以下步骤：

第一步、将被测光纤与三端口环形器的第二端口连接，然后根据回波信号调节函数信号发生器，使激光发射装置发出的方波激光脉冲具有信号脉宽T。

所述的根据回波信号调节函数信号发生器是指：

1)回波信号的波形表达式在方波激光脉冲的信号脉宽T小于光来回被测光纤所需时间2Ln/c时为

P_{1} (t) = \{\begin{matrix} F_{2} \frac{ησn}{αc} (1 - e^{- αtc / n}) + F_{1} (1 - η) & 0 \leq t \leq T \\ F_{2} \frac{ησn}{αc} e^{- α (t - T) c / n} (1 - e^{- αTc / n}) & T < t \leq \frac{2 Ln}{c} \\ F_{2} \frac{ησn}{αc} [e^{- α (t - T) c / n} - e^{- 2 αL}] + F_{3} η {Re}^{- 2 αL} & \frac{2 Ln}{c} < t \leq \frac{2 Ln}{c} + T \end{matrix}

2)回波信号的波形表达式在方波激光脉冲的信号脉宽T大于光来回被测光纤所需时间2Ln/c时为

P_{2} (t) = \{\begin{matrix} F_{2} \frac{ησn}{αc} (1 - e^{- αtc / n}) + F_{1} (1 - η) & 0 \leq t \leq \frac{2 Ln}{c} \\ F_{2} \frac{ησn}{αc} (1 - e^{- 2 αL}) + F_{1} (1 - η) + F_{3} η {Re}^{- 2 αL} & \frac{2 Ln}{c} < t \leq T \\ F_{2} \frac{ησn}{αc} [e^{- α (t - T) c / n} - e^{- 2 αL}] + F_{3} η {Re}^{- 2 αL} & T < t \leq \frac{2 Ln}{c} + T \end{matrix}

其中：F₁，F₂，F₃分别为光电探测器所接受到的光功率占被测光纤前端面、传输线路和后端面反射功率的比例，η为三端口环形器的第二端口与被测光纤前端面的耦合效率，σ为被测光纤传输线路中后向散射光占总散射光的比例，n为被测光纤有效折射率，c为真空中的光速，L为被测光纤长度，α为所要测量的光纤传输损耗系数。

第二步、通过三端口环形器的第三端口将回波信号输入到光电探测器，然后由数字示波器显示并采集波形数据。

第三步、将数字示波器所采集到的光纤回波波形数据导入计算功能模块，并由计算功能模块对数据进行数值拟合计算，得到所需要测量的光纤传输损耗系数。

本发明的特点为在激光发射装置中对其中的大功率半导体二极管激光器即可进行电路内调制也可以通过函数信号发生器进行外调制得到方波激光信号输出，而且其脉宽可以自由调节。探测光经三端口环形器的第二端口输入到被测光纤中，被测光纤回波信号经环形器的第三端口输入到光电探测器，这里使用环形器而没有使用光纤耦合器的原因就是光纤耦合器对输入光和回波光都会产生一个很大的耦合分光损耗，比环形器损耗大很多。本装置回波光经过光电探测器后直接输入到示波器中，通过示波器显示其回波波形，而没有像一般OTDR需将回波信号经过A/D转换器转换成数字信号后输入特别的信号处理装置与显示装置，这就具有了结构简单的特点。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

其中：1激光发射装置、2三端口环形器、3函数信号发生器、4光电探测器、5数字示波器、6计算功能模块、7被测光纤、8三端口环形器第一端口、9三端口环形器第二端口、10三端口环形器第三端口。

图2为光输入方波信号脉宽T小于光来回被测光纤所需时间2Ln/c时光输入信号与OTDR回波信号的理论模拟图。

图3为光输入方波信号脉宽T大于光来回被测光纤所需时间2Ln/c时光输入信号与OTDR回波信号的理论模拟图。

图4为实施例中示波器所采集到的方波输入信号与OTDR回波信号截屏图(T＜2Ln/c)。

图5为实施例中示波器所采集到的方波输入信号与OTDR回波信号截屏图(T＞2Ln/c)。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：激光发射装置1、三端口环形器2、函数信号发生器3、光电探测器4、数字示波器5、计算功能模块6和被测光纤7，其中：函数信号发生器3与激光发射装置1相连接并将输出激光调制为方波光脉冲，激光发射装置1与三端口环形器2的第一端口8相连接并输出方波光脉冲，三端口环形器2的第二端口9与被测光纤7相连接并输出方波脉冲至被测光纤7中，三端口环形器2的第三端口10与光电探测器4相连接以输出回波信号，光电探测器4与数字示波器5连接将回波信号通过光电探测器4转变为电信号并输出至数字示波器5进行测量，数字示波器5与计算功能模块6相连接以将回波波形数据输入到计算功能模块6并拟合计算得到光纤传输损耗系数。

本实施例通过以下步骤实现测量：

所述的根据回波信号调节函数信号发生器是指：

1)如图2所示，回波信号的波形表达式在方波激光脉冲的信号脉宽T小于光来回被测光纤所需时间2Ln/c时为

P_{1} (t) = \{\begin{matrix} F_{2} \frac{ησn}{αc} (1 - e^{- αtc / n}) + F_{1} (1 - η) & 0 \leq t \leq T \\ F_{2} \frac{ησn}{αc} e^{- α (t - T) c / n} (1 - e^{- αTc / n}) & T < t \leq \frac{2 Ln}{c} \\ F_{2} \frac{ησn}{αc} [e^{- α (t - T) c / n} - e^{- 2 αL}] + F_{3} η {Re}^{- 2 αL} & \frac{2 Ln}{c} < t \leq \frac{2 Ln}{c} + T \end{matrix}

2)如图3所示，回波信号的波形表达式在方波激光脉冲的信号脉宽T大于光来回被测光纤所需时间2Ln/c时为

P_{2} (t) = \{\begin{matrix} F_{2} \frac{ησn}{αc} (1 - e^{- αtc / n}) + F_{1} (1 - η) & 0 \leq t \leq \frac{2 Ln}{c} \\ F_{2} \frac{ησn}{αc} (1 - e^{- 2 αL}) + F_{1} (1 - η) + F_{3} η {Re}^{- 2 αL} & \frac{2 Ln}{c} < t \leq T \\ F_{2} \frac{ησn}{αc} [e^{- α (t - T) c / n} - e^{- 2 αL}] + F_{3} η {Re}^{- 2 αL} & T < t \leq \frac{2 Ln}{c} + T \end{matrix}

本实施例中测量对象为12.5km康宁公司的SMF-28单模光纤，在不同的脉宽输入方波信号下所得到的回波波形图分别如图4、图5所示。并通过数字示波器5和计算机采集得到OTDR所测回波波形数据，将回波波形数据导入到所开发的计算功能模块即可直接得到此光纤在入射光波长(980nm)下的光纤传输损耗系数大小为1.148dB/km。

然后用切断法测量此光纤在入射光波长(980nm)下的光纤传输损耗系数，测量共进行了四次。测量数据列表如表1所示，与OTDR所测数据(1.148dB/km)比较可以发现，两者数据误差小于0.019dB/km。

表1

输入方波信号脉宽(us)	P_i(mW)	P_o(mW)	α(dB/km)
				49	2.058	51.08	1.165
71	2.242	55.89	1.167
				171	2.556	63.88	1.168
224	2.629	65.85	1.168

Claims

1.一种光纤传输损耗系数测量装置的测量方法，所述装置包括：激光发射装置、三端口环形器、函数信号发生器、光电探测器、数字示波器和计算功能模块，函数信号发生器与激光发射装置相连接并将输出激光调制为方波光脉冲，激光发射装置与三端口环形器的第一端口相连接并输出方波光脉冲，三端口环形器的第二端口与被测光纤相连接并输出方波脉冲至被测光纤中，三端口环形器的第三端口与光电探测器相连接以输出回波信号，光电探测器与数字示波器连接将回波信号通过光电探测器转变为电信号并输出至数字示波器进行测量，数字示波器与计算功能模块相连接以将回波波形数据输入到计算功能模块并得到光纤传输损耗系数，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

第一步、将被测光纤与三端口环形器所示的三端口环形器的第二端口连接，然后根据回波信号调节函数信号发生器，使激光发射装置发出的方波激光脉冲具有合适的信号脉宽；

第二步、通过三端口环形器的第三端口将回波信号输入到光电探测器，然后由数字示波器显示并采集波形数据；

第三步、将数字示波器所采集到的光纤回波波形数据导入计算功能模块，并由计算功能模块对数据进行数值拟合计算，得到所需要测量的光纤传输损耗系数；

所述的根据回波信号调节函数信号发生器是指：

1)回波信号的波形表达式在方波激光脉冲的信号脉宽T小于光来回被测光纤所需时间2Ln/c时为：

P_{1} (t) = \{\begin{matrix} F_{2} \frac{ησn}{αc} (1 - e^{- αtc / n}) + F_{1} (1 - η) & 0 \leq t \leq T \\ F_{2} \frac{ησn}{αc} e^{- α (t - T) c / n} (1 - e^{- αTc / n}) & T < t \leq \frac{2 Ln}{c} \\ F_{2} \frac{ησn}{αc} [e^{- α (t - T) c / n} - e^{- 2 αL}] + F_{3} ηR e^{- 2 αL} & \frac{2 Ln}{c} < t \leq \frac{2 Ln}{c} + T \end{matrix}

2)回波信号的波形表达式在方波激光脉冲的信号脉宽T大于光来回被测光纤所需时间2Ln/c时为：

P_{2} (t) = \{\begin{matrix} F_{2} \frac{ησn}{αc} (1 - e^{- αtc / n}) + F_{1} (1 - η) & 0 \leq t \leq \frac{2 Ln}{c} \\ F_{2} \frac{ησn}{αc} (1 - e^{- 2 αL}) + F_{1} (1 - η) + F_{3} ηR e^{- 2 αL} & \frac{2 Ln}{c} < t \leq T \\ F_{2} \frac{ησn}{αc} [e^{- α (t - T) c / n} - e^{- 2 αL}] + F_{3} ηR e^{- 2 αL} & T < t \leq \frac{2 Ln}{c} + T \end{matrix}