光纖參數測試方法的研究
1、引言
光纖通信技術的飛速發展增加了光纖光纜的需求量。目前，全世界已敷設光纖數億公里，光纖通信不僅在陸地上使用，而且還形成了跨越大西洋和太平洋的海底光纜線路，幾乎包圍了整個地球。按光纜敷設方式分有：自承重架空光纜，管道光纜，鎧裝地埋光纜和海底光纜。按光纜結構分有：束管式光纜，層絞式光纜，緊抱式光纜，帶式光纜，非金屬光纜和分支光纜。按光纜用途分有：長途通訊用光纜、短途室外光纜、混合光纜和建筑物內用光纜。光纖光纜在國內以至世界的需求量都是很大的，確保光纖光纜的質量至關重要，光纖基本參數的測試是對光纖光纜質量的保證。
光纖光纜是光信號傳輸的媒質，它是光通信的基礎。在這個領域國家參考國際電工委員會IEC 793-1-2：1995《光纖第1部分：總規范第2篇：尺寸參數試驗方法》，IEC 793-1-4：1995《光纖第1部分：總規范第4篇：傳輸特性和光學特性試驗方法》和國際電聯ITU-T G650：1997《單模光纖相關參數的定義和試驗方法》，ITU-T G651：1993《50/125μm多模漸變折射率光纖纜的特性》等相關國際標準制定了光纖光纜的國家標準GB/T 15972.2-1998《光纖總規范第2部分：尺寸參數試驗方法》和GB/T 15972.4-1998《光纖總規范第4部分：傳輸特性和光學特性試驗方法》，對光纖的基本測試參數和試驗方法做出了相關規定。
這些標準規范了光纖光纜的具體性能指標。光纖的特性參數分為幾何特性參數(光纖長度、纖芯直徑、包層直徑、纖芯不圓度、包層不圓度、芯/包層同心度誤差等)、光學特性參數(模場直徑、單模光纖的截止波長、成纜單模光纖的截止波長、折射率分布、多模光纖的數值孔徑等)、傳輸特性參數(衰減、波長色散等)。#p#
2、光纖參數的測試方法
對光纖參數的測試方法參照國標中相關的試驗方法進行，下面列舉出一些光纖基本參數的測試方法。光纖的特性參數中，幾何特性參數對光纖的包層直徑、包層不圓度、芯/包層同心度誤差的測試方法做出相關說明；光學特性參數對模場直徑、單模光纖的截止波長、成纜單模光纖的截止波長的測試方法做出相關說明；傳輸特性參數對光纖的衰減、波長色散的測試方法做出相關說明。
2.1、光纖幾何特性參數測試
光纖的折射率分布、包層直徑、包層不圓度、芯/包層同心度誤差的測試方法。
測量包層直徑、包層不圓度、芯/包層同心度誤差的測試方法是折射近場法、橫向干涉法和近場光分布法（橫截面幾何尺寸測定）。
光纖的折射率分布、包層直徑、包層不圓度、芯/包層同心度誤差的測試方法有三種。
◆折射近場法
折射近場法是多模光纖和單模光纖折射率分布測定的基準試驗方法（RTM），也是多模光纖尺寸參數測定的基準試驗方法和單模光纖尺寸參數測定的替代試驗方法（ATM）。
折射近場測量是一種直接和精確的測量。它能直接測量光纖（纖芯和包層）橫截面折射率變化，具有高分辨率，經定標可給出折射率絕對值。由折射率剖面圖可確定多模光纖和單模光纖的幾何參數及多模光纖的***理論數值孔徑。
◆橫向干涉法
橫向干涉法是折射率剖面和尺寸參數測定的替代試驗方法（ATM）。橫向干涉法采用干涉顯微鏡，在垂直于光纖試樣軸線方向上照明試樣，產生干涉條紋，通過視頻檢測和計算機處理獲取折射率剖面。
◆近場光分布法
這種方法是多模光纖幾何尺寸測定的替代試驗方法（ATM）和單模光纖幾何尺寸（除模場直徑）測定的基準試驗方法（RTM）。通過對被測光纖輸出端面上近場光分布進行分析，確定光纖橫截面幾何尺寸參數。
可以采用灰度法和近場掃描法。灰度法用視頻系統實現兩維（x-y）近場掃描，近場掃描法只進行一維近場掃描。由于纖芯不圓度的影響，近場掃描法與灰度法得出的纖芯直徑可能有差別。纖芯不圓度可以通過多軸掃描來確定。
一般商用儀表折射率分布的測試方法是折射近場法。
測試中使用的儀表是光纖幾何參數和折射率分布測量儀。測試步驟如下：
①試樣制備時應注意試樣端面清潔、光滑并垂直于光纖軸。
②測量包層時，端面傾斜角應小于1°。控制端面損傷，使其對測量精度的影響最小。
③注意避免光纖的小彎曲。
④將被測光纖剝除被覆層，用專用光纖切割刀切割出平整的端面, 放入光纖樣品盒中，樣品盒中注入折射率稍高于光纖包層折射率的折射率匹配液。
⑤將光纖樣品盒垂直放在光纖折射率分布測量儀的光源和光探測器之間，進行x-y方向的掃描測試。
⑥通過分析得到光纖折射率分布、包層直徑、包層不圓度、芯/包層同心度誤差的測試數據。
2.2、光纖光學特性參數測試
(1)單模光纖模場直徑的測試方法
模場直徑是單模光纖基模（LP01）模場強度空間分布的一種度量，它取決于該光纖的特性。
模場直徑（MFD）可在遠場用遠場光強分布Pm(θ)、互補孔徑功率傳輸函數α(θ)和在近場用近場光強分布f2(r)來測定。模場直徑定義與測量方法嚴格相關。
單模光纖模場直徑的測試方法有三種。
◆直接遠場掃描法
直接遠場掃描法是測量單模光纖模場直徑的基準試驗方法（RTM）。它直接按照柏特曼（Petermann）遠場定義，通過測量光纖遠場輻射圖計算出單模光纖的模場直徑。
◆遠場可變孔徑法
遠場可變孔徑法是測量單模光纖模場直徑的替代試驗方法（ATM）。它通過測量光功率穿過不同尺寸孔徑的兩維遠場圖計算出單模光纖的模場直徑，計算模場直徑的數學基礎是柏特曼遠場定義。
◆近場掃描法
近場掃描法是測量單模光纖模場直徑的替代試驗方法（ATM）。它通過測量光纖徑向近場圖計算出單模光纖的模場直徑，計算模場直徑的數學基礎是柏特曼遠場定義。
一般商用儀表模場直徑測試方法是遠場變孔徑法(VAFF)。
測試中使用的儀表是光纖模場直徑和衰減譜測量儀。測試步驟如下：
◆準備2m（±0.2m）的光纖樣品，兩端剝除被覆層，放在光纖夾具中，用專用光纖切割刀切割出平整的端面。
◆將被測光纖連接入測量儀的輸入和輸出端，檢查光接收端的聚焦狀態，如果曲線不在屏幕的正中央或光纖端面不夠清晰，則需要進行位置和焦距的調整。
◆在光源的輸出端保持測試光纖的注入條件不變，打一個半徑30mm的小環，濾除LP11模的影響，進行模場直徑的測試。
通過分析得到光纖模場直徑的測試數據。
（2）單模光纖截止波長和成纜單模光纖截止波長的測試方法
測量單模光纖的截止波長和成纜單模光纖的截止波長的測試方法是傳輸功率法。
當光纖中的模大體上被均勻激勵情況下，包括注入較高次模在內的總光功率與基模光功率之比隨波長減小到規定值（0.1dB）時所對應的較大波長就是截止波長。傳輸功率法根據截止波長的定義，在一定條件下，把通過被測光纖（或光纜）的傳輸功率與參考傳輸功率隨波長的變化相比較，得出光纖（或光纜）的截止波長值。
一般商用儀表模場直徑測試方法是傳輸功率法。
測試中使用的儀表是光纖模場直徑和衰減譜測量儀。測試步驟如下：
①在樣品制備時，單模光纖的截止波長的測試使用2m（±0.2m）的光纖樣品，成纜單模光纖的截止波長的測試使用22m的已成纜單模光纖。
②將測試光纖的兩端剝除被覆層, 放在光纖夾具中，用專用光纖切割刀切割出平整的端面。
③將被測光纖連接入測量儀的輸入和輸出端, 檢查光接收端的聚焦狀態, 如果曲線不在其屏幕的正中央或光纖端面不夠清晰, 則需要進行位置和焦距的調整。
④先在測試光纖不打小環的情況下，測試參考傳輸功率。
⑤再將測試光纖在注入端打一個半徑30mm的小環，濾除LP11模的影響，測試此時的傳輸功率。
⑥將兩條傳輸功率測試曲線相比較，通過數據分析處理，得到光纖（或光纜）的截止波長值。
2.3、光纖傳輸特性參數測試
(1)衰減的測試方法
衰減是光纖中光功率減少量的一種度量，它取決于光纖的性質和長度，并受測量條件的影響。衰減的主要測試方法如下：
◆截斷法
截斷法是測量光纖衰減特性的基準試驗方法（RTM），在不改變注入條件時測出通過光纖兩橫截面的光功率，從而直接得到光纖衰減。
◆插入損耗法
插入損耗法是測量光纖衰減特性的替代試驗方法（ATM），原理上類似于截斷法，但光纖注入端的光功率是注入系統輸出端的出射光功率。測得的光纖衰減中包含了試驗裝置的衰減，必須分別用附加連接器損耗和參考光纖段損耗對測量結果加以修正。
◆后向散射法
后向散射法是測量光纖衰減特性的替代試驗方法（ATM），它測量從光纖中不同點后向散射至該光纖始端的后向散射光功率。這是一種單端測量方法。
一般商用儀表衰減的測試方法是截斷法和后向散射法。
截斷法測試中使用的儀表是光纖模場直徑和衰減譜測量儀。測試步驟如下：
①準備不短于1km或更長一些（一般一個光纖盤長：25km）的光纖樣品，兩端剝除被覆層, 放在光纖夾具中，用專用光纖切割刀切割出平整的端面。
②將測試光纖盤的外端光纖通過專用夾具連接儀表的發射端，將測試光纖盤的內端光纖通過專用夾具連接儀表的接收端，檢查光接收端的聚焦狀態, 如果曲線不在屏幕的正中央或光纖端面不夠清晰, 則需要進行位置和焦距的調整。
③在光纖注入端打一個半徑30mm的小環，濾除LP11模的影響，測試此時的傳輸功率。
④保持光源的注入狀態不變（在光纖注入端打一個半徑30mm的小環），將測試光纖樣品截斷為2m的試樣，光纖通過專用夾具連接儀表的接收端，檢查光接收端的聚焦狀態, 如果曲線不在屏幕的正中央或光纖端面不夠清晰，則需要進行位置和焦距的調整。測試此時的傳輸功率。
將兩條傳輸功率測試曲線相比較，通過數據分析處理，得到光纖在1310nm和1550nm波段的衰減譜特性。
后向散射法測試中使用的儀表是光時域反射計。測試步驟如下：
①將測試光纖盤的外端通過熔接光纖連接器或裸纖適配器，接入光時域反射計進行測試。
②測試中光時域反射計使用最小二乘法（LSA）計算光纖的衰減，此方法可忽略光纖中可能的熔接或接頭損耗對光纖鏈路測試造成的影響。
③如需分段測試光纖鏈路的衰減可使用兩點法進行測試。
④光纖衰減測試中，應選擇光纖測試曲線中的線性區域，避開測試曲線近端的飽和區域和末端的反射區域，測試兩點間的光纖衰減（dB/km）。
⑤更改光時域反射計的測試波長，分別對1310nm和1550nm波長處的光纖衰減特性進行測試分析。
實際測試中，可以通過截斷法和后向散射法兩種測試方法驗證光纖衰減的測試數據。對于帶有光纖連接器的測試光纖樣品，為了不破壞已安裝的光纖連接器，則只能使用后向散射法進行單端非破壞性測試。
（2）波長色散的測試方法
波長色散是由組成光源譜的不同波長的光波以不同群速度傳輸引起的光纖中每單位光源譜寬的光脈沖展寬，用ps/nm表示。它取決于該光纖的特性和長度。波長色散的主要測試方法如下：
◆相移法
相移法是測量光纖波長色散的基準試驗方法（RTM）。它在頻域中通過檢測、記錄和處理不同波長正弦調制信號的相移來測量不同波長信號的群時延，從而推導出光纖波長色散。
◆脈沖時延法
脈沖時延法是測量光纖波長色散的替代試驗方法（ATM）。它在時域中通過直接檢測、記錄和處理不同波長脈沖信號的群時延，從而推導出光纖波長色散。
◆微分相移法
微分相移法是測量光纖波長色散的替代試驗方法（ATM）。它在1000nm~1700nm波長范圍內由兩個相近波長間的微分群時延來測量特定波長上的波長色散系數。
一般商用儀表波長色散的測試方法是相移法。
測試中使用的設備是色散測量儀。測試步驟如下：
①測試光纖樣品應不短于1km。光纖兩端做好光纖連接器。
②在色散測試時應先用兩根標準光纖跳線分別連接色散測量儀的輸入端和輸出端，通過法蘭盤連接兩根光纖跳線的另一端，將色散測量儀自環，測試此時的參考值。
③再將測試光纖通過法蘭盤接入光纖環路。
④根據測試光纖樣品，設定光纖類型；數據擬合方式；光纖測試中的群折射率；測試光纖長度；；測試波長范圍；波長間隔等。
⑤測試光纖的零色散波長、零色散斜率和色散系數等。通過對測試數據的分析處理得到光纖的色散特性。
光纖參數測試中的不確定度評定方法：光纖參數測試中的不確定度評定一般參考下面提到的方法進行。主要考慮測量儀器引入的不確定度和測量重復性兩方面因素。#p#
3、光纖參數測試中普遍存在的問題
以單模光纖B1.1類（即非色散位移單模光纖）、B1.3類（即波長段擴展的非色散位移單模光纖）和B4類（即非零色散位移單模光纖）為例說明光纖參數測試中普遍存在的問題。光纖參數測試中普遍存在的問題是單模光纖的截止波長指標超標的問題。
根據國內光纖光纜標準，截止波長可分為光纜截止波長λCC、光纖截止波長λC和跳線光纜截止波長λCj，光纖光纜的截止波長指標應符合表二中的相應規定。光纜使用長度不小于22m時應符合表二中λCC規定，使用長度小于22m但不小于2m時應符合表二中λCj規定，使用長度小于2m時應符合表二中 λC規定，以防止傳輸時可能產生的模式噪聲。
表1中B1.1和B1.3類光纖截止波長的指標相同，以下我們將B1.1和B1.3類光纖簡稱為B1類光纖。
在對國內光纖光纜廠商光纜產品的委托測試中，在四種規格的光纜產品中以192芯（其中B1類光纖178芯，B4類光纖14芯）為抽樣基數，隨機抽取B1類光纖樣品12根，B4類光纖樣品4根，測試單模光纖的截止波長參數。測試結果中單模光纖的截止波長普遍存在超標現象。
光纖測試數據如圖1所示，從圖中看出B4類光纖的截止波長滿足指標要求，B1類光纖截止波長除二根滿足指標要求外，其它都大于截止波長指標的上限。
圖1、光纖截止波長測試結果
由于光纖截止波長過大，超過了系統預期的工作波長。無法避免系統中光傳輸時模式噪聲和色散功率的代價的影響。光纖的截止波長超標，使光纖不能處于單模（基模LP01）工作狀態，對系統中光信號的傳輸造成干擾，影響了傳輸質量。所以應嚴格控制光纖光纜截止波長的范圍，對光纖纖芯生產工藝進行改進，對光纖光纜的成纜過程進行監控。
4、結束語
光纖參數測試是光纖及光纜測試中的重要技術指標，對光纖光纜的質量至關重要。本文歸納了光纖參數的測試方法、不確定度評定準則、以及在光纖光纜測試中存在的問題。總結了實際測試中對測試方法的應用和改進，以及可能遇到的問題和解決方法。
【編輯推薦】
