【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 相移差別來(lái)確定群時(shí)延與波長(zhǎng)的關(guān)系，進(jìn)而導(dǎo)出色散系統(tǒng)的一種方法。 ①測(cè)量原理 設(shè)正弦調(diào)制信號(hào)的頻率為 f（ MHz），被測(cè)驗(yàn)光纖長(zhǎng)度為 L(km)，輸入信號(hào)的不同波長(zhǎng)分加緊為 λ1,λ2...λn記為 ),2,1( nii ???為了測(cè)量方便，設(shè)一個(gè)參考光波長(zhǎng)為 λf ,則對(duì)于輸入不同波長(zhǎng)的信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖傳輸后產(chǎn)生相移差都是相對(duì)參考波長(zhǎng)而言，設(shè) λi和 λf間經(jīng)光纖傳輸后的時(shí)延差為 Δti,相移差為 i??通過(guò)測(cè)量，得到 i??又因?yàn)? ft ii ??210 6????ps 10.2.2 色散的測(cè)量 37 于是，每公里的平均時(shí)延差為 Ltii??? ps/km 這樣，能過(guò)測(cè)量不同波長(zhǎng) i?下的 i??， 根據(jù)上式計(jì)算出一組 ii?? ?值，然后按下同光纖的群時(shí)延公式 )(??進(jìn)行曲線擬合 從而求出公式中有關(guān)系數(shù)，進(jìn)而求得該光纖的色散系數(shù)。 10.2.2 色散的測(cè)量 38 ②測(cè)量裝置 10.2.2 色散的測(cè)量 圖 107示出了用相移法測(cè)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(qiáng)度和波長(zhǎng)，相位計(jì)用來(lái)測(cè)量參信號(hào)與被測(cè)信號(hào)間的相移差，此裝置光路分簡(jiǎn)單，測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍大，但需要多個(gè)激光器，挑選困難，價(jià)格昂貴。 LD λ1 LD λ2 LD λn 光開(kāi)關(guān) 0 被測(cè)光纖 圖 107 相移法測(cè)色散系數(shù)方框圖 光電檢測(cè)器 放大器 LD λf 參考信號(hào)光纖鏈路 光電檢測(cè)器 放大器 相位計(jì) 信號(hào)發(fā)生器 計(jì)算機(jī) 多個(gè)激光器 39 方法 B：脈沖時(shí)延法 脈沖時(shí)延法是通過(guò)測(cè)量經(jīng)同一窄脈沖調(diào)制后的不同波長(zhǎng)的光信號(hào) ， 經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)的時(shí)延差 ， 然后接按定義計(jì)算出色散系數(shù) ， 由于信號(hào)經(jīng)光纖傳輸后會(huì)發(fā)生脈沖展寬 ， 所以只有用足夠窄的窄脈沖調(diào)制信號(hào) ， 在按收端才能把兩個(gè)不同波長(zhǎng)的信號(hào)區(qū)分開(kāi) 。 ①測(cè)量原理 設(shè)被測(cè)光纖長(zhǎng)度為 L(km),輸入信號(hào)不同的波長(zhǎng)分別為 1?2… n?記為 i?（ i =1,2… ， n）為了測(cè)量的需要，找一個(gè)參考光波長(zhǎng) f這樣，輸入不同波長(zhǎng)的信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖傳輸后產(chǎn)生的時(shí)延差都是相對(duì)于參考波長(zhǎng)而言 ，設(shè) 和 間經(jīng)光纖輸后的時(shí)延差為 Δti i?f10.2.2 色散的測(cè)量 40 10.2.2 色散的測(cè)量 通過(guò)示波器觀測(cè)到的 Δti，如圖 108所示，于是，單位長(zhǎng)度平均時(shí)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(shí)延法取樣示波器波形示意圖 41 ②測(cè)量裝置 圖 109示出了用脈沖時(shí)延法測(cè)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(qiáng)度和波長(zhǎng)脈沖發(fā)生器要求能產(chǎn)生足夠窄的窄脈沖，光電檢測(cè)器要求具有足夠高的響應(yīng)度。示波器須采用帶寬極高的高速取樣示波器，以觀測(cè)到不同的波長(zhǎng)的極小相對(duì)的時(shí)延差，需說(shuō)明的是，脈沖發(fā)生器發(fā)生的、經(jīng)過(guò)延后直接送到示波器的脈沖是作為參考波長(zhǎng)的脈沖信號(hào)。 LD λ1 LD λ2 LD 光開(kāi)關(guān) 0 被測(cè)光纖 圖 109 脈沖時(shí)延法測(cè)色散系統(tǒng)方框圖 光電檢測(cè)器 放大器 脈 沖 發(fā)生器 取樣 示波器 λn 計(jì)算機(jī) 多個(gè)激光器 時(shí) 延 10.2.2 色散的測(cè)量 42 10. 偏振模色散的測(cè)量 一個(gè)特定波長(zhǎng)的信號(hào)能量分配到兩個(gè)正交的偏振模上 .因?yàn)槿魏喂饫w其截面都不是理想的圓 ,材料也不可能具有理想的對(duì)稱性 ,而且沿長(zhǎng)度方向上還是變化的 ,所以就產(chǎn)生了沿長(zhǎng)度方向變化的雙折射 .每個(gè)偏振模式傳播的群速度有微小差別 ,這樣就導(dǎo)致了場(chǎng)的偏振取向隨著距離變化發(fā)生旋轉(zhuǎn) .在特定波長(zhǎng)上兩個(gè)偏振模式的傳播時(shí)間差 Δτpol會(huì)導(dǎo)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(cè)試方法主要有 43 10.3 光纖的機(jī)械性能與環(huán)境性能測(cè)量 光纖機(jī)械性能的測(cè)量 1 光纖強(qiáng)度的測(cè)量 測(cè)量方法 (1)裂紋及斷裂 光纖制造中石英玻璃的理論強(qiáng)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(yīng)力分布不勻及環(huán)境塵埃、機(jī)械損傷等致使光纖產(chǎn)生微裂紋。特別應(yīng)指出的是光纖強(qiáng)度基于光纖表面微裂紋有關(guān)。 44 (2) 裂紋生長(zhǎng) 假設(shè)石英玻璃光纖長(zhǎng)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?yàn)槭艿匠睗?、塵埃、化學(xué)物質(zhì)作用使表面強(qiáng)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(qiáng)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(huì)生長(zhǎng)。僅當(dāng)外界舍家的應(yīng)力增加到 KIC時(shí)，斷裂才會(huì)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(xué)物質(zhì)），任何施加應(yīng)力都會(huì)使裂紋生長(zhǎng)。由于二氧化硅鍵發(fā)生水解，故它被稱作為應(yīng)力腐蝕 10.3 光纖的機(jī)械性能與環(huán)境性能測(cè)量 45 （ 3）疲勞 在一定條件下，光纖表面微裂紋生長(zhǎng)擴(kuò)大至光潛斷裂的過(guò)程稱為光纖的疲勞。通常，人們按施加的應(yīng)力方式不同，將疲勞分為靜態(tài)疲勞和動(dòng)態(tài)疲勞 ①靜態(tài)疲勞 : 靜態(tài)疲勞即施加一個(gè)恒定的應(yīng)力，測(cè)量其斷裂時(shí)間 ②動(dòng)態(tài)疲勞 : 動(dòng)態(tài)疲勞即施加一個(gè)具有恒定速率的應(yīng)力，測(cè)量加載和斷裂時(shí)間 （ 4）使用壽命 當(dāng)光纖處在真空環(huán)境中，由于沒(méi)有水分存在，所以不會(huì)發(fā)生應(yīng)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(qiáng)度，這時(shí)的強(qiáng)度就是光纖的惰性強(qiáng)度 Si。 10.3 光纖的機(jī)械性能與環(huán)境性能測(cè)量 46 2．測(cè)量方法 （ 1）篩選試驗(yàn) ①測(cè)量原理 為了保證一個(gè)最低的光纖強(qiáng)度，篩選試驗(yàn)是最好的方法。篩選試驗(yàn)的木的就是將整個(gè)光纖制造程度上的強(qiáng)度低于或等于篩選應(yīng)力的點(diǎn)去除，保證幸存光纖的機(jī)械可靠性。 ITUT 的篩選試驗(yàn)的基準(zhǔn)試驗(yàn)方法為縱向張力法。 縱向張力法測(cè)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(zhǎng)度光纖上。被測(cè)的初始光纖會(huì)段成幾段短光纖，可以認(rèn)為每段短光纖已通過(guò)篩選試驗(yàn) 10.3 光纖的機(jī)械性能與環(huán)境性能測(cè)量 47 ②實(shí)驗(yàn)裝置 通常，光纖光纜生產(chǎn)中用來(lái)進(jìn)行光纖篩選試驗(yàn)的試驗(yàn)有兩種類型：制動(dòng)輪篩選試驗(yàn)機(jī)和固定重量篩選試驗(yàn)機(jī) ③實(shí)驗(yàn)程序 試樣應(yīng)是一根全長(zhǎng)光纖，兩端的端段可能不能滿足篩選試驗(yàn)期間的所有技術(shù)要求，如最大卸載時(shí)間，應(yīng)該在篩選試驗(yàn)后去掉。短段試樣光纖長(zhǎng)度的典型值小于 50m。 篩選試驗(yàn)后，光纖的完全斷裂證明光纖受到破壞。檢驗(yàn)光潛斷裂的方法包括：目視檢查和 OTDR測(cè)量。將斷裂區(qū)去處后，經(jīng)受住的光纖長(zhǎng)度被認(rèn)為通過(guò)了篩選試驗(yàn) 10.3 光纖的機(jī)械性能與環(huán)境性能測(cè)量 48 （ 2）抗拉強(qiáng)度 ①測(cè)量原理 篩選試驗(yàn)只是保證了光纖的最低強(qiáng)度，在一根實(shí)際的石英玻璃光纖表面，存在著許多微裂紋，簡(jiǎn)單的對(duì)光潛施加應(yīng)力，那么沿著光纖長(zhǎng)度方向和在光潛的橫截面積中均勻的存在著應(yīng)力。我們也可以用光纖斷裂累積概率的威泊爾分布來(lái)表征光纖的強(qiáng)度，即：一定長(zhǎng)度的光纖，在應(yīng)力 σ的作用下，光纖的斷裂累積概率可用威泊爾分布來(lái)描述。 ? ? ??????????????????? mLLLF00exp1, ???式中， F為小于或等于 σ 的應(yīng)力下光纖斷裂的累積概率； σ 0是在 “標(biāo)距 ”長(zhǎng)度 L0下測(cè)得的，與 e1或 %的累積概率相對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度；L0、 σ 0和 m均為常數(shù) 10.3 光纖的機(jī)械性能與環(huán)境性能測(cè)量 49 ②實(shí)驗(yàn)裝置 光纖抗拉強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)裝置為一臺(tái)合適的拉力機(jī)。拉力機(jī)的拉伸方向可以是垂直的或水平的。拉力機(jī)的拉伸速度每分鐘應(yīng)為試樣長(zhǎng)度的約 3％～ 5％。夾持光潛可用卡盤(pán)或其它合適的方法，光纖夾具應(yīng)不使光纖試樣損壞和打滑 ③實(shí)驗(yàn)程序 應(yīng)使制備的試樣受試長(zhǎng)度達(dá)到 1m（短試樣）或 10～ 20m （長(zhǎng)試樣）。如果需要，試樣可在溫度 20oC的自來(lái)水槽中或在氣候室（如控制溫度 23oC和相對(duì)濕度 95％）中作預(yù)處理。與處理時(shí)間應(yīng)不少于 24h. 10.3 光纖的機(jī)械性能與環(huán)境性能測(cè)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(zhǎng)擴(kuò)大至光潛斷裂的過(guò)程稱為光纖的疲勞 .通常 ,按施加應(yīng)力的模式光纖的疲勞可分為 :靜態(tài)疲勞和動(dòng)態(tài)疲勞 任何光纖的疲勞試驗(yàn)都應(yīng)在盡可能接近實(shí)際應(yīng)用的模擬條件下確定斷裂應(yīng)力和疲勞性質(zhì) .ITUT 法有 :動(dòng)態(tài)疲勞的軸向張力法、動(dòng)態(tài)疲勞的兩點(diǎn)彎曲法、靜態(tài)疲勞的軸向張力法、靜態(tài)疲勞的兩點(diǎn)彎曲法和靜態(tài)疲勞的均勻彎曲法。 10.3 光纖的機(jī)械性能與環(huán)境性能測(cè)量 51 (1) 動(dòng)態(tài)疲勞參數(shù)的軸向張力測(cè)試法 ①測(cè)量原理 軸向張力法是用來(lái)確定光纖在規(guī)定的恒定應(yīng)變速率下的動(dòng)態(tài)疲勞參數(shù)。軸向張力法測(cè)量原理是通過(guò)改變應(yīng)變速率來(lái)檢驗(yàn)光纖的動(dòng)態(tài)疲勞性能。這個(gè)試驗(yàn)方法適用于斷裂應(yīng)力值的對(duì)數(shù)與應(yīng)變速率的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系的那些光纖和應(yīng)變速率 ②試驗(yàn)裝置 軸向張力法測(cè)定光纖動(dòng)態(tài)疲勞參數(shù) nd的實(shí)驗(yàn)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(dòng)裝置等。 10.3 光纖的機(jī)械性能與環(huán)境性能測(cè)量 52 ③試驗(yàn)程序 所有試樣應(yīng)在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中至少預(yù)處理 24h。試驗(yàn)應(yīng)在恒定的環(huán)境條件下進(jìn)行。試驗(yàn)期間，溫度的標(biāo)稱值應(yīng)在 20～ 23177。2oC之內(nèi)；相對(duì)濕度的標(biāo)稱值應(yīng)在 40％～ 60177。5％之內(nèi)；為獲得可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，要求相對(duì)濕度的標(biāo)稱值靠近 50％ RH。 軸向張力法測(cè)量光纖動(dòng)態(tài)疲勞參數(shù)的實(shí)驗(yàn)程序如下：設(shè)定和記錄標(biāo)距長(zhǎng)度，設(shè)定和記錄應(yīng)變速率，將夾持輪返回到標(biāo)距長(zhǎng)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(diǎn)應(yīng)與負(fù)載標(biāo)定時(shí)處于同一位置。引導(dǎo)每根試樣，在卡盤(pán)上至少纏繞要求的圈數(shù)，各圈不得相互交叉。將負(fù)載記錄儀置于零位。啟動(dòng)電機(jī)拉伸光纖，記錄應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系曲線，直至光潛斷裂，關(guān)掉電機(jī)。 10.3 光纖的機(jī)械性能與環(huán)境性能測(cè)量 53 (2) 靜態(tài)疲勞參數(shù)的軸向張力測(cè)試法 ① 測(cè)量原理 軸向張力法又可以用來(lái)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(cè)量光纖靜態(tài)疲勞參數(shù)的測(cè)量原理是通過(guò)改變施加的應(yīng)力大小來(lái)檢驗(yàn)光纖的靜態(tài)疲勞性能 ②試驗(yàn)裝置 如所示的是兩種軸向張力實(shí)驗(yàn)裝置 圖 1010 靜態(tài)疲勞軸向張力實(shí)驗(yàn)裝置 10.3 光纖的機(jī)械性能與環(huán)境性能測(cè)量 54 ③實(shí)驗(yàn)程序 每個(gè)標(biāo)稱應(yīng)力水平下的樣本大小應(yīng)至少為 15個(gè)光纖試樣。應(yīng)對(duì)至少五種不同的標(biāo)稱施加應(yīng)力水平 σ a進(jìn)行試驗(yàn)。標(biāo)稱應(yīng)力的選擇應(yīng)使其中值斷裂時(shí)間大約從 1小時(shí)～ 30天，使得在對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上有大約相等的間距。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的石英玻璃光纖，達(dá)到這一要求的負(fù)載范圍為 30～ 50N。 有與斷裂時(shí)間取決于光纖斷裂應(yīng)力和疲勞參數(shù)，所施加的實(shí)際標(biāo)稱應(yīng)力水平和施加的應(yīng)力水平的個(gè)數(shù)能反復(fù)來(lái)確定。換句話說(shuō)，開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)可以用一個(gè)寬的應(yīng)力水平范圍，將斷裂太快或太慢的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)舍去。 樣品做完預(yù)處理之后，安裝在試驗(yàn)裝置上，監(jiān)測(cè)并記錄每根光纖斷裂的時(shí)間。對(duì)一樣品在給定的標(biāo)稱應(yīng)力水平下進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，只要中間樣品已斷裂，就可提前終止試驗(yàn)。若多半樣品已斷裂，在所有余留樣品斷裂以前就可進(jìn)行計(jì)算并確定中值斷裂時(shí)間。 10.3 光纖的機(jī)械性能與環(huán)境性能測(cè)量 55 三、可剝性 光纖的可剝性的測(cè)量原理是利用立式拉力機(jī)提供受試光潛和剝離工具之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)定量確定沿光纖縱向機(jī)械剝?nèi)ケＷo(hù)涂覆層所需的力。 光纖涂覆層剝離實(shí)驗(yàn)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(yàn)光纖的一端應(yīng)緊固在試驗(yàn)夾具上，使其在加載時(shí)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(guò)剝離工具，并插入到光潛導(dǎo)向孔中。距光潛斷頭規(guī)定的距離處切開(kāi)涂覆層。觀察、測(cè)量并記錄剝?nèi)ゲＡЧ饫w涂覆層所需的力，要去除試驗(yàn)期間光纖斷裂情況下的數(shù)據(jù)。當(dāng)涂覆層完全從光纖上剝?nèi)r(shí)，試驗(yàn)完成。 10.3 光纖的機(jī)械性能與環(huán)境性能測(cè)量 56 四．光纖的翹曲 1 定義 光纖的翹曲是剝除預(yù)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(guò)程致使光纖中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)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(duì)光潛的連接損耗的影響特別大，特別是對(duì)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(jī)的，故對(duì)靠 V槽