【正文】 兩光纖數(shù)值孔徑值不同 時(shí) ， 產(chǎn)生數(shù)值孔徑失配接續(xù)衰減 ， 可由下式計(jì)算： Lc2＝ 10log[(N?A)S/(N?A)r] (dB) 式中： （ N?A)S發(fā)射光纖數(shù)值孔徑 (N?A)r接受光纖數(shù)值孔徑 146 光纖接頭衰減 3折射率分布失配產(chǎn)生的衰減 相鄰兩光纖折射率分布形式不同 。 例如：一個(gè)為階躍分布 ， 一個(gè)為梯度分布 ， 由此產(chǎn)生的折射率失配衰減 。 可由下式計(jì)算： Lc3＝ 10log[gs(gr+1)/gr(gs+1) (dB) 式中： gs— 發(fā)射光纖折射率分布指數(shù)； gr— 接受光纖折射率分布指數(shù) 147 光纖接頭衰減 4端面間隙衰減 相鄰兩光纖端面連接時(shí) ， 中間存在一定距離的間隙 d，由此產(chǎn)生的衰減 。 可由下式計(jì)算： 多模光纖： Lc4＝ 20log{[Df/2]/[Df/2+dtg(sin1NA/nｆ )]} 單模光纖： Lc4＝ 10log{[(1+2Z2)2+Z2]/(1+4Z2)} 式中： W— 模場(chǎng)半徑 d— 間隙距離 Df— 光纖直徑 N?A— 數(shù)值孔徑 Z＝ λd/ 2πn fw2 nf— 光纖折射率 148 光纖接頭衰減 〈 5〉 軸線傾角衰減 兩相鄰光纖間在接續(xù)時(shí)端面軸線上存在一個(gè)傾斜角度 θ ，而引起的衰減 。 149 光纖接頭衰減 〈 5〉 軸線傾角衰減 可由下式計(jì)算： 多模光纖： Lc5＝ 10log[12θ/π(N ?A)] (dB) 單模光纖： Lc5＝ [πn fwθ/λ] 2 (dB) 光纖端面傾斜角是嚴(yán)重影響連接損耗的原因之一 。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 ， 多模梯度型光纖相對(duì)折射率差 Δ 大時(shí) ， 端面傾角允許范圍較大 ， 當(dāng) Δ= — 1%時(shí) ， 傾角為 θ= 2176。 時(shí) ， 連接衰減在 — 。 150 光纖接頭衰減 〈 6〉 橫向偏移或同心度誤差引起的衰減 兩相鄰光纖間在接續(xù)時(shí)在端面上存在橫向偏移或同心度誤差而引起的衰減 。 可由下式計(jì)算： 多 模 光 纖 ： Lc6 ＝ 10log{1[2x(1x2/Df2)1/2/πD f]π/ 2（ sin1x/Df） } (dB) 單模 光纖： Lc6＝ (x/w0)2 (dB) 式中： X— 光纖間的橫向偏移距離 Df光纖芯層直徑 w0光纖模場(chǎng)半徑 151 光纖接頭衰減 〈 7〉 菲涅爾反射衰減 菲涅爾反射又稱二次反射 ， 兩根光纖對(duì)接時(shí) ， 端面之間可能沒(méi)有緊密接觸而留有一些空隙 。 間隙中介質(zhì)一般是空氣 ，其折射率 n0與光纖纖芯的折射率 nf是不同的 。 這樣 ， 在兩個(gè)光纖的端面上光傳輸時(shí)便會(huì)產(chǎn)生菲涅爾反射 ， 引起光傳輸損耗 。． Lc7＝ 20log{1[(nfn0)/（ nf+n0） ]2} 式中： nf— 光纖芯層折射率 n0— 空氣的折射率 ， 為 1 152 石英光纖的衰減譜 153 根據(jù)以上分析和經(jīng)驗(yàn) ， 光纖總損耗 α與波長(zhǎng) λ的關(guān)系可以表示為 α= +B+CW(λ)+IR(λ)+UV(λ) 4?A 式中 ， A為瑞利散射系數(shù) ， B為結(jié)構(gòu)缺陷散射產(chǎn)生的損耗 ，CW(λ)、 IR(λ)和 UV(λ)分別為雜質(zhì)吸收 、 紅外吸收和紫外吸收產(chǎn)生的損耗 。 154 損耗測(cè)量 注入條件與穩(wěn)態(tài)分布 在介紹光纖損耗測(cè)試之前 ， 討論一下光功率的注入與穩(wěn)態(tài)傳輸及其實(shí)現(xiàn)和判斷是很有必要的 ， 因?yàn)閹缀跛袇?shù)的測(cè)試都無(wú)一例外地要涉及到這些問(wèn)題 。 光功率進(jìn)入光纖有兩種注入方式： (1) 穩(wěn)態(tài)注入：穩(wěn)態(tài)注入又稱限制注入 。 通過(guò)適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng) ， 使注入光本身接近于光纖的穩(wěn)態(tài)分布 ， 即僅激勵(lì)損耗較低的低階模 ， 因?yàn)橹挥械碗A模才能夠在光纖中遠(yuǎn)距離傳輸 。 (2) 滿注入：就是要激勵(lì)所有的導(dǎo)模 ， 所以又叫全激勵(lì) 。 155 只有在穩(wěn)態(tài)模式分布的條件下 ， 才能得到惟一代表光纖本征特性的 α 值 。 獲得穩(wěn)態(tài)模式分布有三種方法： (1) 建立 NAb≈NA f的光學(xué)系統(tǒng)； (2) 建立穩(wěn)態(tài)模式模擬器 ， 一般包括擾模器 、 濾模器和包層模消除器； (3) 用一根性能和被測(cè)光纖相同或相似的輔助光纖 ，代替光纖耦合長(zhǎng)度的作用 ， 這種方法在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用得非常方便 。 156 擾模器： 是一種用強(qiáng)烈的幾何擾動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)模式強(qiáng)耦合的裝置。圖 示為一種擾模器結(jié)構(gòu)，是將光纖在一系列圓棒之間作正弦形彎曲，在幾厘米之內(nèi)即可達(dá)到模式穩(wěn)態(tài)分布。 157 濾模器： 是一種用來(lái)選擇 、 抑制或衰減某些模式的裝置 。 濾模器可以采用繞棒式的 ， 先把光纖低張力地繞在一根 20mm長(zhǎng)的圓棒上 ， 棒的直徑為 12mm， 約繞 5圈即可達(dá)到濾除高階模的目的 ， 如圖所示 。 158 包層模剝除器： 是一種促使包層模轉(zhuǎn)換成輻射模的裝置 ， 以便將包層模從光纖中除掉 。 這種裝置是將光纖的一小段去掉涂敷層 ， 浸入折射率等于或稍大于包層折射率的匹配液中來(lái)使包層模被剝除的 。 匹配液一般采用丙三醇 (甘油 )、 四氯化碳和液態(tài)石蠟等 。 如果涂敷層折射率高于包層折射率 ， 就可以不去掉涂敷層而直接將光纖浸入充滿折射率匹配液的正弦形槽內(nèi) ， 也可達(dá)到剝除包層模的目的 ， 如圖所示 。 159 損耗測(cè)量 光纖損耗測(cè)量有兩種基本方法：一種是測(cè)量通過(guò)光纖的傳輸光功率 ， 稱剪斷法和插入法；另一種是測(cè)量光纖的后向散射光功率 ， 稱后向散射法 。 1. 剪斷法 光纖損耗系數(shù)由下確定 ， 即 )/(lg1021 KmdBppLa ? 式中 ， L為被測(cè)光纖長(zhǎng)度 (km)， P1和 P2分別為輸入光功率和輸出光功率 (mW或 W)。 160 由此可見(jiàn) ， 只要測(cè)量長(zhǎng)度為 L2的長(zhǎng)光纖輸出光功率 P2， 保持注入條件不變 ， 在注入裝置附近剪斷光纖 ， 保留長(zhǎng)度為L(zhǎng)1（ 一般為 2~3m） 的短光纖 ， 測(cè)量其輸出光功率 P1(即長(zhǎng)度為L(zhǎng)=L2L1這段光纖的輸入光功率 )， 根據(jù)公式就可以計(jì)算出 α 值 。 161 圖 光功率和光纖長(zhǎng)度的關(guān)系 滿注入欠注入穩(wěn)態(tài)模式分布光纖長(zhǎng)度 LL1L2P2P1光功率lgP耦合長(zhǎng)度162 剪斷法光纖損耗測(cè)量系統(tǒng)框圖 偏置電路注入裝置光源P1P2被測(cè)光纖檢測(cè)器放大器電平測(cè)量163 插入損耗測(cè)量法 在實(shí)際應(yīng)用中 ， 可以采用插入法作為替代方法 。 插入法是在注入裝置的輸出和光檢測(cè)器的輸入之間直接連接 ， 測(cè)出光功率 P1， 然后在兩者之間插入被測(cè)光纖 ， 再測(cè)出光功率 P2， 據(jù)此計(jì)算 α 值 。 這種方法可以根據(jù)工作環(huán)境 ， 靈活運(yùn)用 ， 但應(yīng)對(duì)連接損耗作合理的修正 。 164 插入損耗法儀器校正 插入損耗法 測(cè)量 165 3. 后向散射法 原理：瑞利散射光功率與傳輸光功率成比例 。 利用與傳輸光相反方向的瑞利散射光功率來(lái)確定光纖損耗系數(shù)的方法 ，稱為后向散射法 。 設(shè)在光纖中正向傳輸光功率為 P， 經(jīng)過(guò) L1和 L2點(diǎn) (L1L2)時(shí)分別為 P1和 P2(P1P2)， 從這兩點(diǎn)返回輸入端 (L=0)。 光檢測(cè)器的后向散射光功率分別為 Pd(L1)和 Pd(L2)， 經(jīng)分析推導(dǎo)得到 ，正向和反向平均損耗系數(shù) 。 )/()()(lg)(2102112KmdBLPdLpdLLa??166 后向散射法不僅可以測(cè)量損耗系數(shù) ， 還可利用光在光纖中傳輸?shù)臅r(shí)間來(lái)確定光纖的長(zhǎng)度 L。 顯然 ， 12 nctL ? 式中 ， c為光速 ， n1為光纖的纖芯折射率 ， t為光脈沖發(fā)出到返回的時(shí)間 。 167 圖 后向散射法光纖損耗測(cè)量 光學(xué)系統(tǒng) 耦合器件 光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)信號(hào)處理放大器示波器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)被測(cè)光纖光源光檢測(cè)器168 右圖是后向散射功率曲線的示例 ， (a)輸入端反射區(qū)； (b)恒定斜率區(qū) ， 用以確定損耗系數(shù)； (c)連接器 、 接頭或局部缺陷引起的損耗； (d)介質(zhì)缺陷 (例如氣泡 )引起的反射； (e)輸出端反射區(qū) ， 用以確定光纖長(zhǎng)度 。 (a) PA (b) (c) (d) (e) PB dB 長(zhǎng)度 (a) (b) (c) (d) (e) PB dB 長(zhǎng)度 后向散射功率曲線的示例 169 用后向散射法的原理設(shè)計(jì)的測(cè)量?jī)x器稱為 光時(shí)域反射儀 (OTDR)。 這種儀器采用單端輸入和輸出 ， 不破壞光纖 ，使用非常方便 。 OTDR不僅可以測(cè)量光纖損耗系數(shù)和光纖長(zhǎng)度 ， 還可以測(cè)量連接器和接頭的損耗 ， 觀察光纖沿線的均勻性和確定故障點(diǎn)的位置 ， 是光纖通信系統(tǒng)工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量不可缺少的工具 。 170 光纖測(cè)試技術(shù)參考資料： 白崇恩 ， 《 光纖測(cè)試 》 ， 人民郵電出版社 。 （ 學(xué)校圖書(shū)館 ） 171 .1 .4 光纖的色散特性 色散的物理意義 根據(jù)物理光學(xué)中 “ 色散 ” 的定義 ， 色散是指復(fù)色光分解成單色光而形成光譜的現(xiàn)象 。 172 .1 .4 光纖的色散特性 色散的物理意義 光纖色散的概念是指光纖中攜帶信號(hào)能量的各種模式成分 ， 或信號(hào)自身的不同頻率成分 ， 因群速度不同 ， 在傳輸過(guò)程中相互散開(kāi) ， 從而引起信號(hào)失真的一種物理現(xiàn)象 。 或從能量的觀點(diǎn)簡(jiǎn)單描述為：光纖色散主要是指集中的光能量經(jīng)光纖傳輸后在光纖輸出端發(fā)生能量分散 ， 導(dǎo)致傳輸信號(hào)畸變的現(xiàn)象 ， 單位為 ps/nm。 173 光脈沖中的不同頻率或模式在光纖中的群速度不同 ， 這些頻率成分和模式到達(dá)光纖終端有先有后 ， 使得光脈沖發(fā)生展寬 ， 這就是光纖的色散 ， 如圖所示 。 色散引起的脈沖展寬示意圖 174 t1 t2 t3 t4 脈沖展寬導(dǎo)致接收端無(wú)法將相鄰的脈沖分開(kāi) ， 從而導(dǎo)致誤碼 。 因此 ， 射散特性限制了光纖的傳輸容量 。 175 單模光纖 中存在著材料色散 、 波導(dǎo)色散 、 和偏振模色散 。 多模光纖 除具有單模光纖中存在的各種色散外 ， 還存在一種模式色散 。 模式色散＞材料色散＞波導(dǎo)色散＞偏振模色散 176 色散描述方式 群時(shí)延差 （ Δσ ） 群時(shí)延差是指光波脈沖經(jīng)光纖傳輸后 ， 由于不同群速度的作用結(jié)果 ， 使各種模式的光波抵達(dá)終端的時(shí)間不同 ， 那么最先抵達(dá)光纖終點(diǎn)的傳輸模式所需的時(shí)延時(shí)間 σ 1與最后抵達(dá)光纖終點(diǎn)的傳輸模式所需的時(shí)延時(shí)間 σ 2之間的時(shí)延時(shí)間差 Δσ 就定義為光纖的群時(shí)延差 ， 單位： ps。 或定義為光波經(jīng) 1km長(zhǎng)的光纖傳輸后光波脈沖寬度展寬了多少 PS（ 1PS=1012S） 。 單位： ps/km。 群時(shí)延差越大 ， 光纖色散就越嚴(yán)重 ， 因此 ， 常用群時(shí)延差表示色散程度 。 177 色散描述方式 色散系數(shù) D(λ) 色散系數(shù)是表征單位長(zhǎng)度光纖通信容量的一個(gè)物理量 。其定義為：各頻率成分或不同模式的光信號(hào)以不同的群速度經(jīng)單位長(zhǎng)度光纖傳輸后 ， 在單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)所產(chǎn)生的色散或產(chǎn)生的平均群時(shí)延差的多少 。 單位： ps/nm178。km 。 D代表兩個(gè)波長(zhǎng)間隔為 1nm的光波傳輸 1km距離后的時(shí)延 ??? ????? LD )(脈沖展寬： ??以波長(zhǎng)單位表達(dá)的光信號(hào)譜寬 178 色散描述方式 帶寬 （ B） 光纖的帶寬 (f為調(diào)制信號(hào)頻率 ) 179 通常把調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖傳播后 ， 光功率下降一半 (即 3dB)時(shí)的頻率 (fc)的大小 ， 定義為光纖的帶寬(B)。 由于它是光功率下降 3dB對(duì)應(yīng)的頻率 ， 故也稱為3dB光帶寬 。 可用下式表示 。 180 式中： BM是由模式色散引起的模式畸變帶寬； Bc是由材料色散和波導(dǎo)色散引起的波長(zhǎng)色散帶寬 。 181 波長(zhǎng)色散帶寬定義為： 式中： Δλ是光源的譜線寬度 ， 單位是 nm；L是光纖的長(zhǎng)度 ， 單位是 km； D(λ)是材料色散和波導(dǎo)色散的色散系數(shù) (即波長(zhǎng)色散系數(shù) )， 單位是 ps/(nmkm)， 其中材料色散占主導(dǎo)地位 。 182 .1 .4 光纖的色散特性 模式色散 多模