CN103162938B - 用于表征光纤的光学性质的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于表征光纤的光学性质的方法，用于确定光纤的一个或多个光学性质。更具体地，本方法在无需基于不同的测量设备进行实验测试的情况下提供用于评定多模光纤的解决方案。根据本发明，使针对被测光纤的大量手动(操作员)处理最小化。

Description

用于表征光纤的光学性质的方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定光纤的光学性质的方法。此外，本发明涉及使用特定方法来确定光纤的一个或多个光学性质。另外，本发明涉及针对特定结构来选择光纤的方法，特别是选择要应用于所谓的带状电缆中的多模光纤(MMF)或者选择要应用于需要对由于光纤的弯曲所引起的衰减增加不太敏感的多模光纤(MMF)的结构中的多模光纤(MMF)。

背景技术

标题为“ExperimentalInvestigationofVariationofBackscatteredPowerLevelwithNumericalApertureinMultimodeOpticalFibers”,ElectronicsLetters,Vol.18,pp.130-132,1982的科学文献公开了用于确定背向散射功率水平随着数值孔径(NA)如何变化的实验。该文献教导了渐变折射率光纤与阶梯折射率光纤相比对这些变化更加敏感。通过将NA不同的光纤拼接到一起、测量背向散射水平的相应变化并且生成损耗曲线和参数波动曲线这两个曲线来进行这里所公开的实验。所获得的结果表明数值孔径变化伴随有瑞利(Rayleigh)散射变化。

JP2008203184涉及一种用于评价通过从传输路径的两端进行双向光学时域反射仪(OTDR)测量所获得的光纤的特性的方法、设备和程序。

JP3120437涉及一种用于测量光波导的应变的方法，其中在该光波导中，参考光纤和测试光纤彼此连接并且OTDR测试仪器连接至光纤的侧面。通过根据光纤(t)的偏移和测量得到的布里渊(Brillouin)频移进行特定算法来求出光纤的应变。

JP11287741涉及一种用于测量光纤的最大理论数值孔径的方法。

光纤带用于使用高数据速度的数据通讯应用。使用相对较低的速度，通过在多个玻璃光纤上进行并行传输来获得有效的高数据速度。然而，在这种情况下，针对各光纤出现延迟时间，这可能导致各光纤通道之间的信号到达时间存在差异。这导致在各种光学玻璃光纤上的光脉冲之间出现发散(spreading)，其中该现象在实践中被称为“延迟失真(skew)”。延迟失真是光纤带内各通道之间信号传播时间的最大差。延迟失真是确定同步并行数据传输的最大速度的重要因素。

以ps/m为单位来表示带延迟失真，其中该带延迟失真是来自带的各光纤之间每单位长度的最大延迟时间差。

在大多数应用中，在被称为“去延迟失真”的接收器电子电路中提供针对带延迟失真的补偿。然而，去延迟失真的范围可能受到限制并且该电路还会导致附加成本。由于该原因，减轻带本身的延迟失真可以提供可观的成本节约。市售有延迟失真性能在<10ps/m至<1ps/m范围内的低延迟失真带。

带内的延迟失真基本上由于三个主要原因，即：

A.各光纤的延迟时间差；

B.由于带的各光纤中使用的光学系统的波长差异所引起的延迟时间差；以及

C.由于带制造工艺所引起的各光纤的延迟时间差。

在不考虑带制造工艺的影响的情况下，本发明人假定NA值公差是MMF(多模光纤)中的延迟时间差的最大原因。对于锗掺杂MMF，最大值约为15ps/m。针对延迟时间差的第二位影响在于在应用840～860nm的总波长范围的情况下最大值约为2ps/m的光学信号源的波长变化。DMD(差分模式延迟)是延迟时间差的第三个原因，其中该DMD针对带宽非常低的MMF可以高达几ps/m，但可以通过应用高等级带宽MMF来进行最优化以降至0.1ps/m或0.3ps/m。反之，1ps/m的最大延迟时间差直接导致小于1％、即绝对值为2*10^-3的所谓有效NA(NA_eff)变化的最低限度要求。假定NA值为正态分布并且选择“+/-2σ”值作为极值的实际测量值，这样导致了约为2/4*10^-3＝0.5*10^-3的最大统计方差。

假设造成偏差的主要原因是测量不精确和工艺公差。通过应用所谓的远场扫描方法来测量NA_eff值，其中在该远程扫描方法中，在适当注入条件的情况下对由850nm的LED进行照明的2m光纤试样的远场进行扫描。造成NA_eff的固有变化的主要工艺影响在于：i)纤芯中心线处的锗掺杂浓度变化；以及ii)拉制引起的假定为小的NA_eff值的变化。

因而，光纤带中所使用的一组MMF的NA值是这种光纤带的延迟失真的指标。因而，可以使用一大批MMF的NA值来选择用于延迟失真低的光纤带的MMF。

另外，MMF的NA值还是MMF的宏弯曲灵敏度的指标。将宏弯曲灵敏度定义为光纤在特定匝数内弯曲成特定弯曲半径的情况下引起的衰减或者以dB为单位的损耗。优选地，宏弯曲灵敏度低的MMF用在MMF以低半径弯曲的情形中、或者诸如在光纤带中等MMF展现出外部应力的情形中。

为了确定可以用于确定一组光纤的延迟失真以及宏弯曲引起的衰减的、还被称为“飞行时间”的光纤性质延迟时间，需要特定测量设备以及大量操作员处理。NA或NA_eff的测量也需要特定测量设备和大量操作员处理。

发明内容

本发明的目的是提供一种可靠且可重复的用于确定光纤的一个或多个光学性质的方法。

本发明的另一目的是提供一种用于确定光纤的一个或多个光学性质的方法，其中在该方法中，避免了大量的手动操作员处理。

本发明的另一目的是提供一种用于确定光纤的一个或多个光学性质的方法，其中在该方法中，使测量设备的数量最少。

本发明的另一目的是为了基于NA值进行光纤选择的目的而提供精确的NA测量。

本发明的另一目的是提供如下一种方法，其中该方法允许在无需使用昂贵的专用设备的情况下，从库存中选择要应用于延迟失真要求低的特殊带状光缆中的MMF。

因而，本发明人发现一种用于确定光纤的一个或多个光学性质的方法，根据本发明，所述方法包括以下步骤：

i)提供光学性质的值具有预期变化的多个光纤，

ii)测量所述多个光纤的光学性质的值，

iii)选择所述多个光纤其中之一作为参考光纤，

iv)确定所述多个光纤相对于所述参考光纤的相对背向散射系数R_rel，

v)使步骤ii)中所获得的数据与步骤iv)中所获得的数据相关联，以获得表示所述多个光纤的R_rel和光学性质的值之间的相关性的校准曲线，

vi)测量其它光纤相对于所述参考光纤的R_rel，以及

vii)基于步骤v)中所获得的校准曲线来确定所述其它光纤的光学性质的值。

在前述方法中，可以重复步骤vi)和vii)以确定更大批量的光纤的光学性质的值。

与现有的测量方法相比，前述方法已得到可重复且成本低的方法。另外，与用于测量这些光学性质的标准方法相比，测量设备的数量大幅减少。

在本方法中，优选使用OTDR测量来确定一个或多个光纤光学性质。因而，本方法涉及根据OTDR背向散射轨迹来确定R_rel(相对背向散射系数)，并且使用该R_rel连同校准曲线一起确定被测光纤的光纤性质。这些性质为NA(数值孔径)、延迟时间和宏弯曲引起的衰减。在现有技术中，这些参数的确定需要特定测量设备(而非OTDR)以及大量操作员处理。

根据本方法的实施例，优选从NA、延迟时间、宏弯曲引起的衰减或它们的组合中选择光学性质。

在本发明的第一典型实施例中，通过在光纤中应用具有特定弯曲半径的弯曲、随后测量光信号的宏弯曲引起的衰减来确定根据步骤ii)的光学性质宏弯曲引起的衰减。

在本发明的第二典型实施例中，通过对经过具有准确的已知长度的光纤的激光脉冲进行飞行时间(TOF)测量来确定根据步骤ii)的光学性质延迟时间。通过使用具有校准延迟线的数字信号分析器来进行TOF测量。

在本发明的第三典型实施例中，通过远场扫描方法来确定根据步骤ii)的光学性质NA。

根据本方法的另一实施例，光学性质为NA，并且基于针对NA所确定的值来使用数学公式计算延迟时间和/或宏弯曲引起的衰减。

本方法还可以用于通过使用利用本方法所获得的一组MMF的延迟时间来确定所述一组MMF的光纤延迟失真。

本方法的基础是可以将背向散射功率P_b(z)0)描述为如下。

P_b(z)＝d(z)P(z)

与以下公式(来自于P.Matthijsse和C.MdeBlok；“Fieldmeasurementofsplicelossapplyingthebackscatteringmethod”；ElectronicsLetters,Vol15,No24,pp795-6；(1979))合并表明背向散射功率与作为纤芯中心和包层之间的折射率差的纤芯对比度(Δ)线性成比例。

$d\left(z\right)\&cong;\frac{3}{4}{\mathrm{\&gamma;}}_s\mathrm{\&Delta;}\frac{\mathrm{\&alpha;}}{\mathrm{\&alpha;}+1}<v_g>\mathrm{\&Delta;}t$

还已知Δ与NA²成比例。由于纤芯直径的影响仅隐含存在于其它系数中并且相当低，因此光纤之间的NA值差将会对背向散射功率的绝对水平起主导作用。在使用单模光纤(SMF)注入的情况下，可通过略微修改所应用的OTDR方法来进一步提高NA相对于其它参数的主导性。这样，在纤芯中心附近、即确定理论NA值(NAtheor)的锗掺杂浓度最高的区域内的MMF传播中，将启动功率限制为低阶模式，其中该NAtheor可以根据纤芯中心和包层的折射率来计算。NAtheor根据光纤的制造工艺而与所测量的光纤NA_eff值成线性相关。一种典型关系是NA_eff＝0.95*NAtheor。

测试方法本身等同于通过应用双向OTDR方法来测量两个光纤之间的拼接或耦合损耗，即从两个方向测量拼接或耦合点处的不连续性。然而，鉴于对于拼接或耦合损耗测量要对所测量的不连续值进行平均，在这种情况下，根据背向散射系数的差的测量值来确定以下的差，即：

$R_{REF}-R_{FUT}=(\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&alpha;}}-\stackrel{\&LeftArrow;}{\mathrm{\&alpha;}})/2$

其中，α是依赖于方向的拼接或耦合损耗，并且R_REF和R_FUT分别表示基准MMF(REF)和被测MMF(FUT)的背向散射系数。以dB为单位来表示背向散射系数。

通过重新测量光纤到光纤拼接或耦合10次来确定本测试方法的可重复性。在每次测量之后，重复进行劈开、最优化、拼接和从两侧测量不连续性的整个过程。为了测量所应用的OTDR设备上的不连续性，使用100m的标记距离并且针对该标记距离内的光纤损耗(固定值为0.051dB)补偿测量损耗。所有这些测量都是在1300nm处进行的。

本发明人发现以下：通过应用使这两个背向散射曲线与线性曲线拟合的标准算法、将这些曲线外推至拼接或耦合位置并且确定来自截面的不连续值，可以实现显著改善。

此外，可以通过对多次测量的结果进行平均来获得针对方差的更进一步改善。

因而，本发明涉及一种根据针对参考MMF(REF)和被测MMF(FUT)之间的拼接或耦合损耗的双向测量来确定背向散射系数的方法。根据优选实施例，通过使用基于光学时域反射仪(OTDR)的方法来执行步骤iv)和vi)。

此外，本发明涉及使用基于光学时域反射仪(OTDR)的方法通过测量所述光纤的相对背向散射系数(R_rel)来确定宏弯曲引起的衰减和/或时间延迟。

另外，本发明涉及使用基于光学时域反射仪(OTDR)的方法通过测量所述光纤的相对背向散射系数(R_rel)来确定NA。

因而，本发明涉及一种用于通过使用前述的基于光学时域反射仪(OTDR)的方法测量光纤的相对背向散射系数(R_rel)来确定NA的方法。

因而，本发明涉及一种用于通过使用前述的基于光学时域反射仪(OTDR)的方法测量光纤的相对背向散射系数(R_rel)来确定宏弯曲引起的衰减的方法。

因而，本发明涉及一种用于通过使用前述的基于光学时域反射仪(OTDR)的方法测量光纤的相对背向散射系数(R_rel)来确定时间延迟的方法。

因而，本发明涉及一种用于通过使用前述的基于光学时域反射仪(OTDR)的方法测量一组光纤的相对背向散射系数(R_rel)来确定延迟失真的方法。

本发明人所执行的实验表明光纤的实际值NA_eff和所测量的以dB为单位的相对背向散射系数(R_rel)之间存在线性相关性。根据本发明的基于OTDR的方法与标准NA_eff测试方法相比可重复性更好。基于本方法，现在可以在无需测量延迟时间的绝对值的情况下针对低延迟失真带的目的选择最大延迟时间差约为1ps/m的一组MMF卷轴。

基于本方法，现在还可以在无需利用需要特定设备和大量操作员处理的现有方法测量宏弯曲引起的衰减的情况下选择宏弯曲引起的损耗最小的MMF卷轴。现有方法需要以特定方式将光注入FUT，且FUT以确定方式弯曲以测量所注入光在已发生弯曲的光纤内的损耗。

附图说明

可以通过示例来更加详细地说明本发明，但这里所论述的示例仅用于例示的目的。

图1示出用于确定被测MMF的相对背向散射系数R_rel的双向OTDR测试设备。

图2示出所测量到的(利用现有NA测试技术所测量的)NA_eff和利用根据本发明的方法所测量的R_rel(相对背向反射系数)之间的关系。

图3示出R_rel和宏弯曲引起的衰减之间的关系。

具体实施方式

示例1

图1示出用于确定被测MMF的相对背向散射系数R_rel的双向OTDR测试设备。附图标记6所表示的位于卷轴上的参考多模光纤(REF)和附图标记5所表示的位于卷轴上的各被测光纤(FUT)源自于多个测试光纤(750m长)。所使用的注入单模光纤SMF3和被测MMF2的OTDR轨迹表现出这些光纤之间的相当高(即，约2dB)的耦合损耗，然而该耦合损耗并没有使测试方法的动态范围明显劣化。为了测量所应用的OTDR设备的不连续性，使用100m的标记距离，并且针对该标记距离内的光纤损耗(0.051dB的固定值)来补偿测量损耗。所有这些测量都在1310nm处进行。由于不能够获得稳定性足够的x-y-z微定位器，因此通过制造拼接器7来使REF光纤6和FUT光纤5相耦合。注入SMF经由机械耦合器4a、4b耦合至MMF。在50个拼接器以上的情况下，FUT和REF之间的平均拼接损耗1是0.023dB。对于所选择的光纤试样，两个拼接光纤之间的背向散射系数差的平均值为0.016dB而方差为0.009dB。

图2示出所测量到的(利用现有NA测试技术所测量的)NA_eff和利用根据本发明的方法所测量的R_rel(相对背向散射系数)之间的关系。图2示出表示不同的光纤设计的两条线(2003和2006)。经过2006个FUT的拟合线示出横轴上的NA_eff和纵轴上的R_rel这两个系数之间的线性关系。该拟合线是校准曲线。误差条示出与R_rel值相比在NA_eff值内的更宽扩散。这样，通过使用OTDR测量R_rel并且随后根据校准曲线计算NA_eff来解释本方法的使用方式。拟合线的位置依赖于参考光纤和FUT这两者的设计。这意味着优选使用相同的参考光纤，并且在FUT的设计已改变的情况下，必须重建校准曲线，即必须重新测量R_rel和NA_eff之间的关系。

本方法的结果如下：一旦得知R_rel和NA_eff之间的关系，就可以测量R_rel，并且使用该参数来确定被测光纤的NA_eff。

示例2

通过应用三个不同的弯曲半径(5、7.5和15mm)的两匝来使九个多模光纤(MMF)弯曲。利用现有的宏弯曲测量技术来测量宏弯曲引起的衰减[dB]。由于必须小心地使光纤弯曲，因此该标准技术涉及严格的操作员处理，并且注入光必须满足精确的注入条件。在后续步骤中，利用本方法来测量这些光纤的R_rel，其中如上所述，优选使用OTDR方法。图3中已公开了这些结果。

图3清楚地示出在R_rel值减少的情况下宏弯曲引起的衰减增加。据此，本发明人发现R_rel值能够用作用于确定光纤的宏宏弯曲引起的衰减的指标。

上述的示例1～2清楚地示出本基于光学时域反射仪OTDR的方法可以用于通过测量相对背向散射系数R_rel来i)确定光纤的NA_eff以及ii)确定宏弯曲引起的衰减。

Claims (11)

1.一种用于确定光纤的一个或多个光学性质的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

i)提供光学性质的值具有预期变化的多个光纤，

ii)测量所述多个光纤的所述光学性质的值，

iii)选择所述多个光纤其中之一作为参考光纤，

iv)确定所述多个光纤相对于所述参考光纤的相对背向散射系数，

v)使步骤ii)中所获得的数据与步骤iv)中所获得的数据相关联，以获得表示所述多个光纤的相对背向散射系数和所述光学性质的值之间的相关性的校准曲线，

vi)测量其它光纤相对于所述参考光纤的相对背向散射系数，以及

vii)基于步骤v)中所获得的校准曲线来确定所述其它光纤的所述光学性质的值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，针对多个光纤重复步骤vi)和步骤vii)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，从数值孔径、延迟时间、宏弯曲引起的衰减或者它们的组合中选择所述光学性质。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述光学性质是数值孔径，以及使用步骤vii)中所获得的数值孔径的值来计算延迟时间和/或宏弯曲引起的衰减。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，使用所述延迟时间来计算一组多模光纤的延迟失真。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过使用基于光学时域反射仪的方法来执行步骤iv)和步骤vi)。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基于光学时域反射仪的方法包括根据针对参考多模光纤和被测多模光纤之间的拼接或耦合损耗的双向测量来确定所述相对背向散射系数。

8.一种根据权利要求1或2所述的方法利用基于光学时域反射仪的方法测量光纤的相对背向散射系数来确定数值孔径的方法。

9.一种根据权利要求1或2所述的方法利用基于光学时域反射仪的方法测量光纤的相对背向散射系数来确定宏弯曲引起的衰减的方法。

10.一种根据权利要求1或2所述的方法利用基于光学时域反射仪的方法测量光纤的相对背向散射系数来确定时间延迟的方法。

11.一种根据权利要求1或2所述的方法利用基于光学时域反射仪的方法测量一组光纤的相对背向散射系数来确定延迟失真的方法。