
光纤技术课件第三章光纤衰减测量.ppt
41页光纤传感技术光纤传感技术Fiber Optical Sensor第第三三章章 光纤光纤衰减测量衰减测量Measurement of Fiber Attenuation 第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量衰减(衰减(dB/km))波长波长——λ((μm))普通单模光纤的衰减随波长变化示意图普通单模光纤的衰减随波长变化示意图普通单模光纤的衰减随波长变化示意图普通单模光纤的衰减随波长变化示意图6 5 4 3 2 102第一窗口第一窗口第二窗口第二窗口第三窗口第三窗口 C 波段波段1525~1565nm 1.57 1.62 L波段波段第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量 内内 容容一、衰减测量的光激励一、衰减测量的光激励一、衰减测量的光激励一、衰减测量的光激励二、剪断法二、剪断法二、剪断法二、剪断法三、插入损耗法三、插入损耗法三、插入损耗法三、插入损耗法四、背向散射法四、背向散射法四、背向散射法四、背向散射法五、光时域反射计五、光时域反射计五、光时域反射计五、光时域反射计第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量1..多模光纤多模光纤的注入条件的注入条件当当光光耦耦合合进进多多模模光光纤纤时时,,会会激激励励起起很很多多模模式式,,这这些些模模式式所所携携带带的的能能量量各各不不和和同同,,传传输输时时的的损损耗耗也也不不相相同同,,而而且且由由于于光光纤纤的的弯弯曲曲及及结结构构的的不不均均匀匀性性等等原原因因,,使使得得各各模模式式之之间间发发生生能能量量转转换换..经经过过相相当当长长一一段段距距离离后后,,最最终终损损耗耗较较小小的的低低阶阶模模将将携携带带较较大大光光功功率率、、损损耗耗较较大大的的高高阶阶模模将将携携带带较较小小光光功功率率,,于于是是各各个个模模式式携携带带和和传传送送的的光光功功率率达达到到稳稳定定,,此此时时称称为为稳稳态态模模分分布布,,因因此此对对于于多多模模光光纤纤各各参参数数的的测测量量,,只只有有在在它它达达到到稳稳态态模模分分布布之之后后才才有有意意义义..光纤测量的注入条件光纤测量的注入条件光纤测量的注入条件光纤测量的注入条件一、衰减测量的光激励一、衰减测量的光激励第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量 能能使使多多模模光光纤纤达达到到稳稳态态模模分分布布的的注注入入条条件件有有两两种种方方式式::满满注注入入和和限限制制注注入入..所所谓谓满满注注入入就就是是要要均均匀匀地地激激励励起起所所有有的的传传导导模模式式,,而而限限制制注注入入就就是是只只激激励励起起较较低低损损耗耗的的低低阶阶模模,,而而适适当当的的抑抑制制损损耗耗较大的高阶模.较大的高阶模.当当测测量量光光纤纤的的损损耗耗时时,,采采用用限限制制注注入入方方式式,,因因为为损损耗耗较较大大的的高高阶阶模模的的注注入入,,会会由由于于被被测测光光纤纤长长度度不同而使输出光功率不同,从而产生测量误差。
不同而使输出光功率不同,从而产生测量误差一、衰减测量的光激励一、衰减测量的光激励一、衰减测量的光激励一、衰减测量的光激励1 1.多模光纤的注入条件.多模光纤的注入条件第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量无论以哪种注入方式,要达到稳态模分布需要配无论以哪种注入方式,要达到稳态模分布需要配置的设备有:扰模器、滤模器和包层模剥除器.置的设备有:扰模器、滤模器和包层模剥除器. ①①①①扰模器扰模器扰模器扰模器 要达到稳态模分布,需要在光纤中传输很长距要达到稳态模分布,需要在光纤中传输很长距离之后才行,这给测绘带来很多麻烦.根据模耦离之后才行,这给测绘带来很多麻烦.根据模耦合原理,采用强烈的几何扰动的方法.就能使多合原理,采用强烈的几何扰动的方法.就能使多模光纤各模式迅速达到稳态分布,这种器件称为模光纤各模式迅速达到稳态分布,这种器件称为扰模器.扰模器.稳态模功率分布模拟装置稳态模功率分布模拟装置一、衰减测量的光激励一、衰减测量的光激励一、衰减测量的光激励一、衰减测量的光激励第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量 ②②②②滤摸器滤摸器滤摸器滤摸器 当光耦合进光纤时.会激起瞬态模或其他不需要的传当光耦合进光纤时.会激起瞬态模或其他不需要的传导模,为了测量准确,要抑制掉这些模式,那么用来滤导模,为了测量准确,要抑制掉这些模式,那么用来滤除这些模的器件称为滤模器.通常这些需滤去的模损耗除这些模的器件称为滤模器.通常这些需滤去的模损耗都较大.如对光纤稍加弯曲,这些模很块就会衰减掉.都较大.如对光纤稍加弯曲,这些模很块就会衰减掉.一、衰减测量的光激励一、衰减测量的光激励一、衰减测量的光激励一、衰减测量的光激励第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量当光耦合进光纤时,不仅会激起传导模,还会激当光耦合进光纤时,不仅会激起传导模,还会激起非传导的辐射模辐射到包层中.当光纤的涂敷起非传导的辐射模辐射到包层中.当光纤的涂敷层的折射率比包层的折射率低时,辐射模会在包层的折射率比包层的折射率低时,辐射模会在包层与涂覆层界面上发生全反射,从而在包层中传层与涂覆层界面上发生全反射,从而在包层中传输,形成包层模.因为包层模会对测量产生严重输,形成包层模.因为包层模会对测量产生严重影响,所以需要除去.影响,所以需要除去.包层模剥除器包层模剥除器包层模剥除器包层模剥除器是一种使包层模转换成辐射模的部是一种使包层模转换成辐射模的部件,它可以将包层模从光纤中除掉。
件,它可以将包层模从光纤中除掉③③③③包层模剥除器包层模剥除器包层模剥除器包层模剥除器一、衰减测量的光激励一、衰减测量的光激励一、衰减测量的光激励一、衰减测量的光激励第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量 2.单模光纤的注入条件.单模光纤的注入条件在测量单模光纤的衰减时,由于光纤只传在测量单模光纤的衰减时,由于光纤只传导一个模式,没有稳态模功率分布问题,导一个模式,没有稳态模功率分布问题,所以注入系统不需要扰模器,只需要保证所以注入系统不需要扰模器,只需要保证激励基模常用的注入方法有,用一段光激励基模常用的注入方法有,用一段光纤来接续或用适当的光学系统来注入这纤来接续或用适当的光学系统来注入这些方法的具体要求应根据实验来确定,目些方法的具体要求应根据实验来确定,目前尚无明确的规定前尚无明确的规定一、衰减测量的光激励一、衰减测量的光激励一、衰减测量的光激励一、衰减测量的光激励第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量二、剪断法二、剪断法测量原理测量原理L L(km)(km)为为光光纤纤的的长长度度,P P1 1为为输入光光功功率率,P P2 2为输出光功率为输出光功率. . 剪断法是一种按衰减定义进行测量的方法。
剪断法是一种按衰减定义进行测量的方法第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量首首先先,,测测量量整整根根光光纤纤的的输输出出光光功功率率P2,,然然后后,,保保持持注注入入条条件件不不变变,,在在离离注注入入端端约约2米米处处切切断断光光纤纤,,并并测测量量该该短短光光纤纤的的输输出出光光功功率率P1 由由于于测测量量是是在在稳稳态态条条件件下下进进行行的的,,且且约约2米米光光纤纤的的衰衰减减可可忽忽略略不不计计,,故故可可将将P1 看看作作是是被被测测光光纤的始端注入功率纤的始端注入功率剪剪断断法法测测量量准准确确度度高高(误误差差小小于于0.1dB),,它它是是一种光纤衰减测量的标准方法一种光纤衰减测量的标准方法二、剪断法二、剪断法第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量2米米在测量衰减时,通常的剪断法要求两次测量,且在光纤始端和在测量衰减时,通常的剪断法要求两次测量,且在光纤始端和终端使用同一个光源和探测器终端使用同一个光源和探测器二、剪断法二、剪断法第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量衰减谱测量衰减谱测量注入系统注入系统波长波长滤光滤光器器二、剪断法二、剪断法宽光宽光谱谱第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量测量原理测量原理(a)校准输入参考电平校准输入参考电平(b)衰减测量衰减测量三、插入损耗法三、插入损耗法第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量利利用用与与传传输输光光相相反反方方向向的的瑞瑞利利散散射射光光功功率率来来确定光纤损耗系数的方法,称为确定光纤损耗系数的方法,称为背向散射法。
背向散射法瑞瑞利利散散射射光光功功率率与与散散射射点点的的入入射射光光功功率率成成正正比比,,因因此此测测量量沿沿光光纤纤轴轴向向返返回回的的背背向向瑞瑞利利散散射射光光功功率率就就可可以以获获得得光光沿沿光光纤纤传传输输损损耗耗的的信信息,从而可以测得光纤的衰减息,从而可以测得光纤的衰减四、背向散射法(又称后向散射法)四、背向散射法(又称后向散射法)第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量背向散射法原理背向散射法原理P后散射后散射=kPi用对数表示:用对数表示: lgP后散射后散射=lgPi+lgk第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量四、背向散射法四、背向散射法四、背向散射法四、背向散射法背背向向散散射射法法是是将将大大功功率率的的窄窄脉脉冲冲光光注注人人待待测测光光纤纤,,然然后后在在同同一一端端检检测测沿沿光光纤纤轴轴向向向向后后返返回回的的散射光功率散射光功率背向散射法测量原理框图背向散射法测量原理框图第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量信号的接收和处理信号的接收和处理接接接接收收收收::接接收收端端一一般般由由光光电电二二极极管管探探测测器器和和放放大大电电路路组组成成。
探探测测器器可可选选用用雪雪崩崩光光电电二二极极管管APD和和场场效应管效应管FET信信信信号号号号处处处处理理理理::背背向向散散射射法法测测得得的的信信号号很很弱弱,,比比入入射射光光功功率率低低几几十十分分贝贝要要从从噪噪声声中中把把所所需需的的信信号号检检测测出出来来,,必必须须采采用用一一种种降降低低噪噪声声的的信信号号处处理理方方法法例例如如,,采采用用取取样样积积分分器器利利用用平平均均法法消消除除噪噪声声这这种种方方法法的的原原理理是是噪噪声声的的统统计计平平均均值值趋趋于于零零,,且且信信号号是是周周朗朗的的,,可可以以不不断断积积累累,,因因此此信信噪噪比比可可以以提提高第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量 背向散射记录曲线背向散射记录曲线当光纤存在故障点时,亦可采用此方法检测当光纤存在故障点时,亦可采用此方法检测故障点位置:故障点位置: 第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量背向散射法与剪断法、插人损耗法背向散射法与剪断法、插人损耗法相比,突出的优点是:相比,突出的优点是:1.它是一种非破坏性的测量方法。
.它是一种非破坏性的测量方法2..它它是是一一种种单单端端口口测测量量法法,,即即测测量量只只需需在在光光纤纤的的一端进行这便于现场测量数公里的光缆一端进行这便于现场测量数公里的光缆3..它它可可以以提提供供光光纤纤损损耗耗与与长长度度关关系系的的详详细细信信息息因因此此,,可可检检测测光光纤纤的的物物理理缺缺陷陷或或断断裂裂点点位位置置,,测测量量接头损耗和位置,以及测量光纤长度等接头损耗和位置,以及测量光纤长度等背向散射法优点背向散射法优点第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量测测量量误误差差来来源源于于系系统统的的噪噪声声,,光光纤纤本本身身参参数数的的不不均均匀匀性性以以及及前前、、后后散散射射功功率率分分布布的的不不均均匀匀性性等等通通常常,,最最大大误误差差可可减减小小到到dB背向散射法测量衰减时存在的主要问题是:背向散射法测量衰减时存在的主要问题是: 1..由由于于背背向向散散射射系系数数非非常常小小,,因因此此注注入入端端需需要要非非常常大大的的光光功率 2. 由由于于散散射射体体密密度度或或数数值值孔孔径径的的影影响响,,脉脉冲冲宽宽度度值值呈呈现现不不均匀性.从而产生某些测量的不确定性。
均匀性.从而产生某些测量的不确定性 3..测测量量的的分分辨辨率率、、信信噪噪比比和和动动态态范范围围之之间间存存在在矛矛盾盾如如要要提提高高故故障障检检测测的的分分辨辨率率,,则则脉脉冲冲的的能能量量要要降降低低,,因因而而信信噪噪比比和和动态范围均下降动态范围均下降 由由于于背背向向散散射射法法存存在在上上述述缺缺点点,,故故不不能能作作为为衰衰减减测测量量的的基基准准方法如怀疑其测量结果时,应以切断法的测量结果为标准如怀疑其测量结果时,应以切断法的测量结果为标准 背向散射法的测量误差背向散射法的测量误差第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量剪剪断断法法是是根根据据损损耗耗系系数数的的定定义义,,直直接接测测量量传传输输光光功功率率而而实实现现的的,,所所用用仪仪器器简简单单,,测测量量结结果果准准确确,,因因而而被被确确定定为为基基准准方方法法但但这这种种方方法法是是破破坏坏性性的的,,不不利利于于多多次次重重复复测测量量在在实实际际应应用用中中,,可可以以采采用用插插入入法法和和背背向向散散射射法法作作为为替替代代方方法法。
插插入入法法和和背背向向散散射射法法可可以以根根据据工工作作环环境境,,灵灵活活运运用用但但准准确度不如剪断法确度不如剪断法剪断法与插入法、背向散射法比较剪断法与插入法、背向散射法比较第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量OTDR是是利利用用背背向向散散射射法法所所做做成成的的仪仪器器用用单单脉脉冲冲做做探探测测信信号号的的传传统统的的OTDR 存存在在着着分分辨辨率率和和信信噪噪比比、、动态范围、测量时间之间的矛盾动态范围、测量时间之间的矛盾如如何何解解决决这这个个矛矛盾盾??原原则则::在在保保证证分分辨辨率率的的前前提提下下,,尽可能提高信噪比和动态范围,并减少测量时间尽可能提高信噪比和动态范围,并减少测量时间五、光时域反射计五、光时域反射计(OTDR(OTDR))( ( ( (Optical time domain reflectometerOptical time domain reflectometer ) ) ) )第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量式式中中为为脉脉冲冲宽宽度度。
对对单单脉脉冲冲来来说说..其其能能量量取取决决于于脉脉宽宽,,故故瑞瑞利利散散射射回回来来的的信信号号能能量量也也取取决决于于脉脉宽宽,,因因而而,,提提高高分分辨辨势势必必降降低低信信噪噪比比,,怎怎样样才才能能在在不不加加宽宽单单脉脉冲冲宽度的基础上提高脉冲的能量呢宽度的基础上提高脉冲的能量呢?采采用用编编码码信信号号代代替替单单脉脉冲冲可可以以解解决决上上述述的的矛矛盾盾此此时时,,响响应应的的分分辨辨率率取取决决于于编编码码序序列列的的码码元元宽宽度度,,不不取取决决于于编编码码序序列列的的总总长长度度然然而而,,信信号号的的能能量量取取决决于于编编码码序序列的相关长度,其相关长度越长越好列的相关长度,其相关长度越长越好例如纠错编码序列,一种是伪随机序列例如纠错编码序列,一种是伪随机序列可分辨的两个故障点的最小距离为可分辨的两个故障点的最小距离为第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量美国美国HP公司公司8145A型型OTDR简介简介 8145A8145A 使使用用数数字字相相关关技技术术,,对对单单模模光光纤纤在在1300 nm时时能能产产生生28dB的的动动态态测测量量范范围围。
它它比比传传统统的的OTDR 测测量量速速度度快快150倍倍,,功功率率分分辨辨率率达达0.01 dB,,距距离离分分辨辨率率为为1m,,最最大大测测量量距距离离为为200 km OTDR 内内部部有有一一个个32位位微微处处理理器器,,用用以以自自动动计计算算连连接接损损耗耗它它可可提提供供宽宽度度为为125ns、、250ns、、500ns、、1m ms、、2m ms、、4m ms、、8m ms几几种种探探测测脉脉冲冲光光源源波波长长可可选选择择1300nm和和1540nm两两种种低低损损耗耗波波长长连连接接损损耗耗测测量量的的重重复复性性误误差差以以95%%的的概概率率优优于于衰衰减减系系数数的测量误差以的测量误差以95%的概率小于/%的概率小于/km .第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量HP8145A工作原理工作原理 HP 8145A采采用用格格林林码码作作为为输输入入光光的的调调制制信信号号格格林林码码是是一一种种纠纠错错编编码码脉脉冲冲它它的的自自相相关关函函数数的的特特点点是是主主瓣瓣(时时域域)近近似似于于一一个个d d函函数数,,而而旁旁瓣瓣很很小小(实际可达峰值的实际可达峰值的10%%)。
第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量格林码(循环码--格林码(循环码--格林码(循环码--格林码(循环码--Cyclic code)Cyclic code) 1957 1957 年发现年发现循环性循环性————任一许用码字经过循环移位后,得到的任一许用码字经过循环移位后,得到的码组仍为一个许用码组码组仍为一个许用码组如如 是循环码的一许用码组是循环码的一许用码组 则则 也是一许用码组也是一许用码组 第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量A1 : 1 1 0 0 1 0 1格林码例子格林码例子A1左移左移 3 位后,得位后,得A2 A2: 0 1 0 1 1 1 0第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量格林码自相关函数格林码自相关函数第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量互补格林码自相关函数互补格林码自相关函数互补格林码自相关函数互补格林码自相关函数第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量HP8145A工作原理框图工作原理框图第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量美国美国Acterna公司公司 MTS 5000光时域反射仪光时域反射仪 第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量美国Acterna公司 第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量第三章第三章第三章第三章 思考题思考题思考题思考题§2.5 §2.5 §2.5 §2.5 光纤定向耦合器光纤定向耦合器光纤定向耦合器光纤定向耦合器 用背向散射法测量光纤损耗的根据是什么用背向散射法测量光纤损耗的根据是什么?第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量各院(系):各院(系): 为了加强对学生学习的过程管理,加强学风建设,提高教学质量, 为了加强对学生学习的过程管理,加强学风建设,提高教学质量,特对特对《《苏州大学普通高等教育本、专科考试工作的规定苏州大学普通高等教育本、专科考试工作的规定》》(苏大教(苏大教[2004]46号)文中的本科生的必修课程的考试作如下补充说[2004]46号)文中的本科生的必修课程的考试作如下补充说明:明: 1、本科生的必修课程必须进行期中考试,期中考试的成绩占总 1、本科生的必修课程必须进行期中考试,期中考试的成绩占总成绩的成绩的25252525%,期中考试的试卷交由学院(系)保存。
%,期中考试的试卷交由学院(系)保存 2、教师要检查学生的出勤情况,出勤情况和作业情况计入成绩, 2、教师要检查学生的出勤情况,出勤情况和作业情况计入成绩,占总成绩的占总成绩的5555% 3、期末考试成绩占总成绩的 3、期末考试成绩占总成绩的70707070% 4、有条件的课程可以组织一定数量的小测验,计入平时成绩, 4、有条件的课程可以组织一定数量的小测验,计入平时成绩,可对上面的比例作适当的调整可对上面的比例作适当的调整 特此通知特此通知 教务处教务处 2006年年10月月8日日关于加强必修课程考试工作的通知关于加强必修课程考试工作的通知第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量校准输入参考电平校准输入参考电平返回返回第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量返回返回第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量a—由于由于耦合部件和光纤前端面引起的菲涅耳反射脉冲。
耦合部件和光纤前端面引起的菲涅耳反射脉冲b—光脉冲沿具有均匀损耗的光纤段传播时的背向瑞利散射曲线光脉冲沿具有均匀损耗的光纤段传播时的背向瑞利散射曲线c—由于接头或由于接头或耦合不完善引起的损耗,或由于光纤存在某些缺耦合不完善引起的损耗,或由于光纤存在某些缺陷引起的高损耗区陷引起的高损耗区d—光纤断裂处,此处损耗峰的大小反映出损坏的程度光纤断裂处,此处损耗峰的大小反映出损坏的程度e—光纤末端引起的菲涅耳反射脉冲光纤末端引起的菲涅耳反射脉冲光纤的损耗系数光纤的损耗系数分母中分母中2是由于衰减是经是由于衰减是经过正向和反向两次的结果过正向和反向两次的结果三、背向散射法三、背向散射法三、背向散射法三、背向散射法背向散射记录曲线背向散射记录曲线1返回返回第第第第三三三三章章章章 光纤光纤光纤光纤衰减测量衰减测量衰减测量衰减测量 梯度型光纤梯度型光纤阶跃型光纤阶跃型光纤阶跃型多模光纤阶跃型多模光纤 梯度型多模光纤梯度型多模光纤多模光纤多模光纤返回返回。












