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正文內(nèi)容

光纖、光纜及其通信系統(tǒng)的測量(編輯修改稿)

2025-01-18 22:45 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 相移差別來確定群時延與波長的關系,進而導出色散系統(tǒng)的一種方法。 ①測量原理 設正弦調(diào)制信號的頻率為 f( MHz),被測驗光纖長度為 L(km),輸入信號的不同波長分加緊為 λ1,λ2...λn記為 ),2,1( nii ???為了測量方便,設一個參考光波長為 λf ,則對于輸入不同波長的信號經(jīng)過光纖傳輸后產(chǎn)生相移差都是相對參考波長而言,設 λi和 λf間經(jīng)光纖傳輸后的時延差為 Δti,相移差為 i??通過測量,得到 i??又因為 ft ii ??210 6????ps 10.2.2 色散的測量 37 于是,每公里的平均時延差為 Ltii??? ps/km 這樣,能過測量不同波長 i?下的 i??, 根據(jù)上式計算出一組 ii?? ?值,然后按下同光纖的群時延公式 )(??進行曲線擬合 從而求出公式中有關系數(shù),進而求得該光纖的色散系數(shù)。 10.2.2 色散的測量 38 ②測量裝置 10.2.2 色散的測量 圖 107示出了用相移法測量色散系數(shù)的一種裝置,圖中,光源采用 LD激光器,要求具有穩(wěn)定的光源強度和波長,相位計用來測量參信號與被測信號間的相移差,此裝置光路分簡單,測試動態(tài)范圍大,但需要多個激光器,挑選困難,價格昂貴。 LD λ1 LD λ2 LD λn 光開關 0 被測光纖 圖 107 相移法測色散系數(shù)方框圖 光電檢測器 放大器 LD λf 參考信號光纖鏈路 光電檢測器 放大器 相位計 信號發(fā)生器 計算機 多個激光器 39 方法 B:脈沖時延法 脈沖時延法是通過測量經(jīng)同一窄脈沖調(diào)制后的不同波長的光信號 , 經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)的時延差 , 然后接按定義計算出色散系數(shù) , 由于信號經(jīng)光纖傳輸后會發(fā)生脈沖展寬 , 所以只有用足夠窄的窄脈沖調(diào)制信號 , 在按收端才能把兩個不同波長的信號區(qū)分開 。 ①測量原理 設被測光纖長度為 L(km),輸入信號不同的波長分別為 1?2… n?記為 i?( i =1,2… , n)為了測量的需要,找一個參考光波長 f這樣,輸入不同波長的信號經(jīng)過光纖傳輸后產(chǎn)生的時延差都是相對于參考波長而言 ,設 和 間經(jīng)光纖輸后的時延差為 Δti i?f10.2.2 色散的測量 40 10.2.2 色散的測量 通過示波器觀測到的 Δti,如圖 108所示,于是,單位長度平均時延差為 Lt ii???ps/km 到此之后可與相移法一樣,求得色散系數(shù) 圖 108脈沖時延法取樣示波器波形示意圖 41 ②測量裝置 圖 109示出了用脈沖時延法測量色散系數(shù)的一種裝置,圖中光源為 LD激光器,要求具有穩(wěn)定的光源強度和波長脈沖發(fā)生器要求能產(chǎn)生足夠窄的窄脈沖,光電檢測器要求具有足夠高的響應度。示波器須采用帶寬極高的高速取樣示波器,以觀測到不同的波長的極小相對的時延差,需說明的是,脈沖發(fā)生器發(fā)生的、經(jīng)過延后直接送到示波器的脈沖是作為參考波長的脈沖信號。 LD λ1 LD λ2 LD 光開關 0 被測光纖 圖 109 脈沖時延法測色散系統(tǒng)方框圖 光電檢測器 放大器 脈 沖 發(fā)生器 取樣 示波器 λn 計算機 多個激光器 時 延 10.2.2 色散的測量 42 10. 偏振模色散的測量 一個特定波長的信號能量分配到兩個正交的偏振模上 .因為任何光纖其截面都不是理想的圓 ,材料也不可能具有理想的對稱性 ,而且沿長度方向上還是變化的 ,所以就產(chǎn)生了沿長度方向變化的雙折射 .每個偏振模式傳播的群速度有微小差別 ,這樣就導致了場的偏振取向隨著距離變化發(fā)生旋轉(zhuǎn) .在特定波長上兩個偏振模式的傳播時間差 Δτpol會導致脈沖展寬 ,這就是所謂的偏振模色散 (PMD) 1 色散的概念 1斯托克斯參數(shù)法, 2偏振態(tài)法 , 3干涉法 測試方法主要有 43 10.3 光纖的機械性能與環(huán)境性能測量 光纖機械性能的測量 1 光纖強度的測量 測量方法 (1)裂紋及斷裂 光纖制造中石英玻璃的理論強度是由 (Sio4)分子之間的鍵結(jié)合力所決定的 .然而 ,石英玻璃光纖基體存在的微小不均勻性、高溫熔融驟冷拉絲使表面形成應力分布不勻及環(huán)境塵埃、機械損傷等致使光纖產(chǎn)生微裂紋。特別應指出的是光纖強度基于光纖表面微裂紋有關。 44 (2) 裂紋生長 假設石英玻璃光纖長度方向分布著非常小的物理缺陷或微裂紋。這樣光纖的臨界斷裂的發(fā)生常常是因為受到潮濕、塵埃、化學物質(zhì)作用使表面強度變?nèi)?。石英玻璃光纖的包層玻璃周圍涂覆轍聚合物涂覆層或密封膜(例如,非晶態(tài)碳膜和施加金屬涂覆層)旨在減小這些消弱光纖強度的作用。 在理想惰性環(huán)境條件下(低溫、濕度為零、高真空),任何裂紋都不會生長。僅當外界舍家的應力增加到 KIC時,斷裂才會發(fā)生。 在非惰性環(huán)境下的光纖(如高溫、潮濕、環(huán)境中有水分或化學物質(zhì)),任何施加應力都會使裂紋生長。由于二氧化硅鍵發(fā)生水解,故它被稱作為應力腐蝕 10.3 光纖的機械性能與環(huán)境性能測量 45 ( 3)疲勞 在一定條件下,光纖表面微裂紋生長擴大至光潛斷裂的過程稱為光纖的疲勞。通常,人們按施加的應力方式不同,將疲勞分為靜態(tài)疲勞和動態(tài)疲勞 ①靜態(tài)疲勞 : 靜態(tài)疲勞即施加一個恒定的應力,測量其斷裂時間 ②動態(tài)疲勞 : 動態(tài)疲勞即施加一個具有恒定速率的應力,測量加載和斷裂時間 ( 4)使用壽命 當光纖處在真空環(huán)境中,由于沒有水分存在,所以不會發(fā)生應力腐蝕,其疲勞參數(shù) n(如 nd和 ns)為最大值,光纖也具有最高的強度,這時的強度就是光纖的惰性強度 Si。 10.3 光纖的機械性能與環(huán)境性能測量 46 2.測量方法 ( 1)篩選試驗 ①測量原理 為了保證一個最低的光纖強度,篩選試驗是最好的方法。篩選試驗的木的就是將整個光纖制造程度上的強度低于或等于篩選應力的點去除,保證幸存光纖的機械可靠性。 ITUT 的篩選試驗的基準試驗方法為縱向張力法。 縱向張力法測量原理是一種施加張力荷載至拉絲涂覆后的整根連續(xù)長度光纖上。被測的初始光纖會段成幾段短光纖,可以認為每段短光纖已通過篩選試驗 10.3 光纖的機械性能與環(huán)境性能測量 47 ②實驗裝置 通常,光纖光纜生產(chǎn)中用來進行光纖篩選試驗的試驗有兩種類型:制動輪篩選試驗機和固定重量篩選試驗機 ③實驗程序 試樣應是一根全長光纖,兩端的端段可能不能滿足篩選試驗期間的所有技術要求,如最大卸載時間,應該在篩選試驗后去掉。短段試樣光纖長度的典型值小于 50m。 篩選試驗后,光纖的完全斷裂證明光纖受到破壞。檢驗光潛斷裂的方法包括:目視檢查和 OTDR測量。將斷裂區(qū)去處后,經(jīng)受住的光纖長度被認為通過了篩選試驗 10.3 光纖的機械性能與環(huán)境性能測量 48 ( 2)抗拉強度 ①測量原理 篩選試驗只是保證了光纖的最低強度,在一根實際的石英玻璃光纖表面,存在著許多微裂紋,簡單的對光潛施加應力,那么沿著光纖長度方向和在光潛的橫截面積中均勻的存在著應力。我們也可以用光纖斷裂累積概率的威泊爾分布來表征光纖的強度,即:一定長度的光纖,在應力 σ的作用下,光纖的斷裂累積概率可用威泊爾分布來描述。 ? ? ??????????????????? mLLLF00exp1, ???式中, F為小于或等于 σ 的應力下光纖斷裂的累積概率; σ 0是在 “標距 ”長度 L0下測得的,與 e1或 %的累積概率相對應的強度;L0、 σ 0和 m均為常數(shù) 10.3 光纖的機械性能與環(huán)境性能測量 49 ②實驗裝置 光纖抗拉強度的實驗裝置為一臺合適的拉力機。拉力機的拉伸方向可以是垂直的或水平的。拉力機的拉伸速度每分鐘應為試樣長度的約 3%~ 5%。夾持光潛可用卡盤或其它合適的方法,光纖夾具應不使光纖試樣損壞和打滑 ③實驗程序 應使制備的試樣受試長度達到 1m(短試樣)或 10~ 20m (長試樣)。如果需要,試樣可在溫度 20oC的自來水槽中或在氣候室(如控制溫度 23oC和相對濕度 95%)中作預處理。與處理時間應不少于 24h. 10.3 光纖的機械性能與環(huán)境性能測量 50 二 .疲勞參數(shù) 在一定一例條件下 ,光纖表面微裂紋生長擴大至光潛斷裂的過程稱為光纖的疲勞 .通常 ,按施加應力的模式光纖的疲勞可分為 :靜態(tài)疲勞和動態(tài)疲勞 任何光纖的疲勞試驗都應在盡可能接近實際應用的模擬條件下確定斷裂應力和疲勞性質(zhì) .ITUT 法有 :動態(tài)疲勞的軸向張力法、動態(tài)疲勞的兩點彎曲法、靜態(tài)疲勞的軸向張力法、靜態(tài)疲勞的兩點彎曲法和靜態(tài)疲勞的均勻彎曲法。 10.3 光纖的機械性能與環(huán)境性能測量 51 (1) 動態(tài)疲勞參數(shù)的軸向張力測試法 ①測量原理 軸向張力法是用來確定光纖在規(guī)定的恒定應變速率下的動態(tài)疲勞參數(shù)。軸向張力法測量原理是通過改變應變速率來檢驗光纖的動態(tài)疲勞性能。這個試驗方法適用于斷裂應力值的對數(shù)與應變速率的對數(shù)呈線性關系的那些光纖和應變速率 ②試驗裝置 軸向張力法測定光纖動態(tài)疲勞參數(shù) nd的實驗裝置主要組成有:試樣夾持裝置、力值傳感器、可變速度驅(qū)動裝置等。 10.3 光纖的機械性能與環(huán)境性能測量 52 ③試驗程序 所有試樣應在實驗環(huán)境中至少預處理 24h。試驗應在恒定的環(huán)境條件下進行。試驗期間,溫度的標稱值應在 20~ 23177。2oC之內(nèi);相對濕度的標稱值應在 40%~ 60177。5%之內(nèi);為獲得可靠的實驗結(jié)果,要求相對濕度的標稱值靠近 50% RH。 軸向張力法測量光纖動態(tài)疲勞參數(shù)的實驗程序如下:設定和記錄標距長度,設定和記錄應變速率,將夾持輪返回到標距長度的間隔位置。將光纖試樣兩端依次安裝在夾具上。光纖的切線點應與負載標定時處于同一位置。引導每根試樣,在卡盤上至少纏繞要求的圈數(shù),各圈不得相互交叉。將負載記錄儀置于零位。啟動電機拉伸光纖,記錄應力與時間的關系曲線,直至光潛斷裂,關掉電機。 10.3 光纖的機械性能與環(huán)境性能測量 53 (2) 靜態(tài)疲勞參數(shù)的軸向張力測試法 ① 測量原理 軸向張力法又可以用來確定單根光纖段在張力下的靜態(tài)疲勞參數(shù)。軸向張力法測量光纖靜態(tài)疲勞參數(shù)的測量原理是通過改變施加的應力大小來檢驗光纖的靜態(tài)疲勞性能 ②試驗裝置 如所示的是兩種軸向張力實驗裝置 圖 1010 靜態(tài)疲勞軸向張力實驗裝置 10.3 光纖的機械性能與環(huán)境性能測量 54 ③實驗程序 每個標稱應力水平下的樣本大小應至少為 15個光纖試樣。應對至少五種不同的標稱施加應力水平 σ a進行試驗。標稱應力的選擇應使其中值斷裂時間大約從 1小時~ 30天,使得在對數(shù)坐標紙上有大約相等的間距。對標準的石英玻璃光纖,達到這一要求的負載范圍為 30~ 50N。 有與斷裂時間取決于光纖斷裂應力和疲勞參數(shù),所施加的實際標稱應力水平和施加的應力水平的個數(shù)能反復來確定。換句話說,開始試驗時可以用一個寬的應力水平范圍,將斷裂太快或太慢的實驗數(shù)據(jù)舍去。 樣品做完預處理之后,安裝在試驗裝置上,監(jiān)測并記錄每根光纖斷裂的時間。對一樣品在給定的標稱應力水平下進行試驗時,只要中間樣品已斷裂,就可提前終止試驗。若多半樣品已斷裂,在所有余留樣品斷裂以前就可進行計算并確定中值斷裂時間。 10.3 光纖的機械性能與環(huán)境性能測量 55 三、可剝性 光纖的可剝性的測量原理是利用立式拉力機提供受試光潛和剝離工具之間的相對運動來定量確定沿光纖縱向機械剝?nèi)ケWo涂覆層所需的力。 光纖涂覆層剝離實驗裝置主要有:拉伸裝置、力值傳感器、轉(zhuǎn)換放大器和剝離工具等 試驗光纖的一端應緊固在試驗夾具上,使其在加載時不打滑(例如光纖在直徑為 80mm的輪子上繞三圈)。光纖的另一端穿過剝離工具,并插入到光潛導向孔中。距光潛斷頭規(guī)定的距離處切開涂覆層。觀察、測量并記錄剝?nèi)ゲAЧ饫w涂覆層所需的力,要去除試驗期間光纖斷裂情況下的數(shù)據(jù)。當涂覆層完全從光纖上剝?nèi)r,試驗完成。 10.3 光纖的機械性能與環(huán)境性能測量 56 四.光纖的翹曲 1 定義 光纖的翹曲是剝除預涂覆層后的石英玻璃裸光纖自然彎曲的曲率半徑,以米表示 光纖的翹曲特性是由于光潛制造光程中的高速拉制和驟然冷卻過程致使光纖中產(chǎn)生內(nèi)應力,即淬火造成的裸光纖固有的一種彎曲特性 2 作用 光潛翹曲是光潛本身固有的自然彎曲特性,它對光潛的連接損耗的影響特別大,特別是對多根光纖構(gòu)成的光纖帶的連接,由于各根光潛翹曲方向是隨機的,故對靠 V槽
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