對光纖以及光纖（xiān）通信係（xì）統（tǒng）的測量方法作了一些簡單介（jiè）紹，主要介紹了光（guāng）纖測量：單模光纖模場直徑、光纖損（sǔn）耗、光纖色散與帶寬的（de）測量；光纖通信係統測量（liàng）：光發射機發送光功率、光源消光比、光接收機靈敏度、光接收機動態範圍、眼圖的測量。

　　光纖通信 技（jì）術是近20年（nián）來迅猛發展的新興技術，是（shì）世界新技術（shù）革命的重要標誌，又是未來信息社會中高（gāo）速信息網（wǎng）的主要 傳輸工具。由於光纖的傳光性能極其優良，因此光纖通（tōng）信方（fāng）式現己成（chéng）為（wéi）光通（tōng）信的主流。在現存及設計的光纖通信（xìn）係統中（zhōng），一起草 www.17c.com必須對其進行測（cè）量以確定現存及設計的 光纖通信係統是否能夠（gòu）達到係統要求（qiú）。光纖通信（xìn）的測量應包括光纖本身的測量和光纖通信係統的測量。

一、光纖（xiān）參數的測（cè）量

　　1.單模光纖模場直徑的測量

　　從理論上 講（jiǎng）單模光纖中隻有基模(LP0l)傳輸，基模場強在光（guāng）纖橫截麵的存在與光纖的（de）結構有關，而模場直徑就是衡 量光纖模截麵上一定場強範圍（wéi）的物理量。對於均勻（yún）單模光纖，基模場強在光纖橫截麵上近似為高斯分布，通常將纖芯（xīn）中場強（qiáng）分（fèn）布曲線最大值1／e處所對應的寬度定 義為（wéi）模場直徑。簡單說來它是描述光纖中光功率（lǜ）沿光纖半徑的分布狀態，或者說是描述光纖所傳（chuán）輸的光能的集中程度的參量。因此（cǐ）測量單（dān）模光纖模（mó）場直徑的核心（xīn）就（jiù）是（shì） 要測出（chū）這種分布。

      測量（liàng）單模光纖模場直徑的方法有：橫向位移法和傳輸功率法。下麵介紹傳輸功率法。

      取（qǔ） 一段2米長的被測光纖，將（jiāng）端麵處理後放入測量係統中，測（cè）量係統主要由光源和角度可（kě）以轉動的（de）光電檢測（cè）器構成。光纖 的輸入端應與光源對準。另外為了（le）保（bǎo）證隻（zhī）測主模(LP01)而沒有高次模，在係統中加了一隻濾模器，最簡單的辦法是將光纖打（dǎ）一（yī）個直徑60mm的小圓圈。當光 源所（suǒ）發的光通過被測光纖，在光纖末端得（dé）到（dào）遠場輻射圖，用檢測（cè）器沿極（jí）坐標作測（cè）量，即可測得輸出光功率與（yǔ）掃描角度間的（de）關係，P—θ線如圖2所示。然後，按模（mó）場 直徑的定義公式輸入（rù）P和θ值，由計算機按計算程序算出模場直徑（jìng）。

      2.光纖損耗的測量

      光纖（xiān）損耗是光（guāng）纖（xiān）的一個（gè）重要傳輸（shū）參數。由於光纖有衰減，光纖中光功率隨距（jù）離是按指數的（de）規律（lǜ）減小的。但是，對（duì）於單模光 纖或（huò）近似穩態的模式分布的多模光纖衰減係數a是一個與（yǔ）位置無（wú）關的常（cháng）數。若設P(Z1)為（wéi）Z＝Z1處的光功率，即輸入光功率。若設P(Z2)為Z2處的光功 率，即這段光（guāng）纖的輸出功率。因此，光（guāng）纖的衰減（jiǎn）係數a定義（yì）為

      因此，隻要知道了光纖（xiān）長度Z2-Z1和Z2、Z1處的光功率P(Z1)、P(Z2)，就可算出這段光纖的衰減係數a。測量光纖的損（sǔn）耗有很多種辦法，下麵隻介紹其中的兩種（zhǒng）辦法。

       1)截斷法

　　截斷法是一種（zhǒng）測量精度最好的辦法（fǎ），但是其缺點是要（yào）截（jié）斷光纖。這種測量方法的測量方框如圖3所示。

       取一條被測的長光纖接入（rù）測量係統中，並在圖中的“2”點位（wèi）置用光功率計測（cè）出該點的光功率P(Z2)。然後，保持光 源的輸入狀態不變（biàn），在被測量光纖靠近輸入端處“1”點將光纖截斷，測量“l”點處的光功率P(Z1)。這個測量過程等於測了（le）1～2兩點間這段（duàn）光纖的輸入光 功（gōng）率P(Z1)和輸出光功率P(Z2)，又知道“1”、“2”點間的（de）距離Z2-2l，因此，將這些值代入

       即可算出這段光纖的平均衰減係數。

       在測量方框圖中斬波器(又稱截光器)是一種（zhǒng）能周期斷續光束的器（qì）件。例（lì）如是一個有徑向開縫的轉盤。它將直流光信（xìn）號變為交變光信號，作為參考光信號送到鎖相放（fàng）大器中，與通過了被測光纖（xiān）的光信號鎖定，以克服直流漂移和暗電流等影響，以確保測量精度。

       2)背（bèi）向散（sàn）射法

       測量原理（lǐ）。用背向散射法測量光纖（xiān）損耗的原理與雷達探測目（mù）標的原理相似（sì）。在被測光纖的輸（shū）入端射入一個強的光脈衝，這個光窄脈衝在光纖內傳輸時，由於光纖 內部的不均勻性將（jiāng）產生瑞利散（sàn）射(當（dāng）然遇到（dào）光纖的接（jiē）頭及斷點將（jiāng）產生更強烈的反射)。這種散射光有一部分將沿光纖返回向輸入（rù）端傳（chuán）輸，這種連續不斷向輸入端傳輸 散射光稱（chēng）為背向散（sàn）射光。從物理概念上看，這種背向（xiàng）散射光就將光纖上（shàng）各點的“信息”送回了（le）輸（shū）入端。靠近輸入端的光波傳輸損耗少，故（gù）散射回來的信號（hào）就強（qiáng），離輸 入端遠的（de）地（dì）方光波傳輸損耗大，散射回來的信號就弱。人們就用這（zhè）種帶有光纖各點“信息（xī）”的背向（xiàng）散射對光纖的損耗等（děng）進行測量。這（zhè）個測量儀器稱為光時域反（fǎn）射儀， 簡寫（xiě）成OTDR(Optical Time Domain Reflectometer)。一條有代表性的測量曲線如圖4所示。

       曲（qǔ）線上A、D兩個很強的（de）回波對應（yīng）於光（guāng）纖的輸入端麵和輸出端麵引起的反射。曲線B點（diǎn）對（duì）應於一（yī）個光纖接頭引起的散（sàn）射回 波。C點可能對應於光（guāng）纖中的（de）一個氣泡引起的散射回波。怎樣利用光纖的（de）瑞利散射對光纖（xiān）進行測量，是關於從（cóng）定量的角度進行討論。由於現在利用OTDR機器對光 纖鏈路的損耗進行（háng）測量時，能直（zhí）觀、直接從OTDR機器內讀出所（suǒ）需（xū）數據，所以這裏不作定量討論。

       光時域反射儀原理方框圖，如（rú）圖5所示。這種儀（yí）表的工作原理是：首先用脈衝發生器調製一個光源使（shǐ）光源產生窄（zhǎi）脈衝光 波，經（jīng）光學係統耦入光纖。光波（bō）在光纖中（zhōng）傳（chuán）輸時出現散射，散射光沿光纖返回，途（tú）中經過光纖定向耦（ǒu）合器輸入光電檢測器，經光電檢測器變為電信號，再經放大及信 號處理送入顯示器（qì）。其中（zhōng）對信號處理的原因是，背向散（sàn）射光非常微弱，淹沒在一片噪聲中，因此，要用取樣積分器積分，在一定時間間隔對微（wēi）弱的散射信號取樣並（bìng）求 和。在（zài）這過程中，由於噪聲（shēng）是隨機的，在求和時抵消掉了，從而將散（sàn）射信號取了出來。用OTDR除了可以測量光纖的損耗以外，還（hái）可以（yǐ）觀察光纖沿（yán）線的損耗（hào）情（qíng）況， 以及某（mǒu）損（sǔn）耗突然變化點的裝置，光纖接頭的插入損耗等。OTDR還有（yǒu）一個工程上的重大用處，能夠方便地找出光纖的斷點。現在用OTDR測量光纖損（sǔn）耗是最常用 的（de）一種方法。優點（diǎn）是測量非破壞性，功（gōng）能多，使用方便。但是，在使用時始終（zhōng）有一段盲區。另外用OTDR從（cóng）光纖兩端測出的衰減值有差別，通常取平均值。

       3.光纖色散與寬帶（dài）的（de）測量

       光纖的色散特（tè）性是影響（xiǎng）光纖通信傳輸容量和中繼距離（lí）的一個重要（yào）因素。在數據（jù）信號通信中（zhōng），如色散大，光（guāng）脈衝展寬就嚴（yán） 重，在接收端就可能因脈衝展寬而（ér）出（chū）現相鄰脈衝的重（chóng）疊，從而出現誤碼。為了避免出現這種情況，隻好使碼（mǎ）元間隔加（jiā）大，或使傳輸（shū）距離縮短。顯然這就使得（dé）傳輸容量 降低，中繼局距離變短，這是人們所不希望的。在（zài）模擬傳輸中，同樣由於色散大，不同頻率的模擬（nǐ）光信號頻譜不相同，在接收端就會使模擬信號出現嚴重失真。同樣 為了避免出現這種情況，隻好使傳輸模擬帶寬下降，或（huò）傳輸距離縮短，這是人們所不希望的。為此，高碼率、寬帶寬模擬（nǐ）信號的光纖通信係統中對光纖（xiān）的色散就要認 真（zhēn）考慮。如同前麵所述，因為（wéi）光纖色散造成光脈衝（chōng）的波形展寬，這是從時域觀點分析的（de）情況，若是從（cóng）頻域角（jiǎo）度（dù）來看，光纖有（yǒu）色（sè）散就表示光纖是有一定傳輸（shū）帶寬的。因 此脈衝展（zhǎn）寬和帶寬是從不同角度描述光纖傳輸特性的兩個緊密聯係的參量

       從測量方法上（shàng）與此對應也有兩種方法。一種是從時域角度來測量光脈衝的展寬；另一種是從頻域角度（dù）來（lái）測量光纖的基帶寬度。

       1)用時域方（fāng）法來測量脈衝展寬

       測（cè） 量原理。首先為了使問題還不至於複雜，假設輸入光纖和從光纖輸出的光脈衝波形都近似成高斯分布的如圖6所示。圖6(a)是光纖輸出光功率 Pin(t)的波形（xíng）圖，從最大（dà）值A1降到A1/2時的寬度為Δτ1。圖（tú）6（b)是（shì）光纖的輸出光功率Pout(t)的波形圖（tú），其幅度降為一半時的寬度為 Δτ2可（kě）以證明，脈（mò）衝通過光纖後的展寬Δτ與（yǔ）其輸（shū）入、輸出波形寬度Δτ1和Δτ2的關係為:

(1-1)

       由此可見，Δτ不是Δτ2與Δτ1的簡單（dān）相減的關係。所以，隻要將測出來的Δτ1和Δτ2代入上式即可以算出脈衝展寬Δτ。求出Δτ以後，再根據脈衝的展寬（kuān）Δτ和相（xiàng）應（yīng）的帶寬B間的公式

B＝0.44／Δτ (1-2)

       將（jiāng）Δτ代入式中可求出相應的光（guāng）纖每公裏帶寬（kuān）。若Δτ的單位用ns，則B的單位是MHz。

       測量方框圖。用（yòng）時域法測量光纖的（de）脈衝展寬(進而計算出（chū）光纖帶寬的方框圖如圖7所示（shì）)

       首先用一台脈衝信號發生器去調製一個激光器。從激光器輸出的光信號通過分（fèn）光（guāng）鏡分（fèn）為兩路。一路進入被測光纖(由於色（sè） 散作用，這一路的光脈衝信號被展（zhǎn）寬)，經光纖傳輸到達光電檢測器1和接（jiē）收機（jī）1，送入雙蹤取（qǔ）樣示波（bō）器並顯示出來，這個波形相當（dāng）於前麵（miàn）講的Pout(t)。另 一路，不經過被測光纖，通過反射鏡直接進入光檢測器2和接收機器2，然後也被（bèi）送入雙蹤示波（bō）器顯示出來。由於這個（gè）波形沒有經過被檢測光纖，故相當於（yú）被測光纖 輸入（rù）信號的波形，即相當於Pin(t)。從顯示出的脈衝波形上分別測得Pin(t)的寬度Δτ1和Pout(t)的寬度Δτ2。這樣就可將Δτ1和Δτ2 代入式(1-1)及(1-2)最終算出帶寬B。最（zuì）後還應該指出，用這種方法測量單模光纖比較困難，因為其Δτ太小。

       2)用頻域法測量光纖（xiān）帶寬

       頻域法測量，就是用一個掃頻振（zhèn）蕩器產（chǎn）生的頻率連續變化的正弦信號去調製激光器，從（cóng）而研究光纖對於不同的頻率，來調製的（de）光信號的傳輸能力。具體的說，就（jiù） 是要設法測出光纖傳輸己調製光波的頻率響應特性。得到了（le）頻率響（xiǎng）應特性後，即可按一般方法求出光纖的帶寬。

       設Pin(f)為輸入被測光纖的光功率與調製頻（pín）率f間的（de）關（guān）係。Pout(f)為被測光纖輸（shū）出的光功率（lǜ）與調製頻率f 關係。則被測光纖的頻率響應特性H(f)為（wéi）H(f)＝Pout(f)／Pin(f)，若以半功率點來確定光纖的帶寬fc即 10lgH(f)=10lg[Pout(f)/Pin(f)]＝10lg1／2＝-3dB。fc稱為（wéi）光（guāng）纖的3dB光帶寬。用頻域法測量光纖帶寬的方框圖如 9所示：

       由於測量光纖的頻率響應特（tè）性（xìng），需要測出輸（shū）入光纖的光功率特（tè）性和（hé）從光纖輸出的（de）光功率特性，即需要得到兩個信號，故在 圖9中用一條短光纖的輸（shū）出光功率來代替被測光（guāng）纖的（de）輸入光功率。在圖（tú）9中，由（yóu）掃頻信號發生器輸出一個頻率（lǜ）連（lián）續可調的（de）正弦信號。利用這（zhè）個信（xìn）號去對激光（guāng）器的光信 號進行強度調製，然後將這個已調光信號耦合入光開關（guān），由光開關依次送（sòng）出兩路信號（hào），一路光信號（hào）進入短光纖，經短（duǎn）光纖後麵過光電檢測器送入頻譜分析（xī）儀。用短（duǎn）光 纖的輸出信號來代替被測光纖的輸入信號（hào）(由於光纖短，經過傳（chuán）輸後（hòu）信號變化很小，故可（kě）以認為即是輸入信號)。另（lìng）一路光（guāng）信號（hào）是經（jīng）過光開關送入被測光纖，由（yóu）連續 的正弦波（bō）調製的光信號經過光纖（xiān）傳輸，攜（xié）帶了被測光纖對不同（tóng）調（diào）製頻率光信（xìn）號的反應，從光纖（xiān）輸出，經光電檢測器送入頻（pín）譜分析儀。這樣頻譜分析儀中就得到了（le）被測 光纖（xiān）的輸入和輸出兩種（zhǒng）光信號，因此，就可得到被測光纖的頻率響應，從而可測出光（guāng）纖的帶寬。

二、光纖通信係統的（de）測量

       1.光發射機發送光功（gōng）率（lǜ）的測量

       因為在實際的光纖通信係統中，光（guāng）發射機的（de）輸出（chū）光功率是在有信號調製的情況下，光源輸出的（de）功（gōng）率，故在測量光發射機發送光功（gōng）率（lǜ）時，就用信號對光源進行強（qiáng）度調製。測量光發射機發送光功率的方框圖如圖（tú）10所示。

       2.光源消光比的測量

       在數據光傳輸係統中，一部性能優異（yì）的光端機的發射機盤（pán）在傳數字信號過（guò）程中（zhōng），發“0”碼時，應（yīng）無光功率輸（shū）出。但是， 實際的光發（fā）射機由於光源器件本身的問題，以及直流偏置，致使發“0”碼時也有微弱的光（guāng）輸出，由理論分析可見，這種情況將（jiāng）使接收機的靈敏度下降，描述光發射（shè） 機上述這種性能的指（zhǐ）標，就是消光比（bǐ）EXT它為：

       測量光發射機消光比（bǐ）的方框圖，仍然可用圖10所示的測量係統

       3.光接收機靈敏度的（de）測量

       測量方框（kuàng）圖如圖11所示

       當測模擬傳送係統（tǒng）的光接收機靈敏度時，由（yóu）圖可知信號發生器為模擬的測試信號發生器，檢測器（qì）為模擬視頻信號測試儀。 在光接收機端，逐漸加大光衰減器的衰減量，(即表示（shì）輸入光接收機的輸（shū）入信（xìn）號逐漸減少)，這時（shí）由信號（hào）測（cè）試儀測出的信號指標（biāo）變劣，直到它有一個指標迅速（sù）下降（jiàng）到 規定的指標（biāo）以（yǐ）下時，例如甲級指標(即表示此時接收機的信號（hào）輸（shū）出已經達不到指標要求的臨界狀態)，這時將光（guāng）功（gōng）率計接到光衰減器的輸出端（duān），由此測到的光功率 Pmin既是接收機的靈敏度。

       當測數據傳輸係（xì）統的光（guāng）接收機靈敏皮時，由圖可知信號發生器為碼型發生器，檢測器為誤碼檢測（cè）器（qì），測試方法類同，隻是誤碼檢測（cè）儀讀出的是誤碼率。

       將測出的pmin值代入式Sr＝10lg(Pmin/10-3即可算出光接收（shōu）機靈敏度的dBm值。

       4.光接（jiē）收動態範圍的測量

       光接（jiē）收機的（de）動態範圍D＝10lg[Pmax/Pmin]。在數據傳輸係統中，式中Pmax指滿足誤碼率指（zhǐ）標下（xià），接 收機的最大輸入光功率，Pmin即為接收機的靈敏度。因而，測量光接收機的動態範圍（wéi）時，隻要測出在一定誤（wù）碼率指標下，接收機的Pmax和Pmin值並代入 式中即可算出動（dòng）態範圍（wéi）。所以，測量動態範圍的方（fāng）框（kuàng）圖仍然采（cǎi）用（yòng）圖11所示的測量係統。在模擬傳輸係統中，其它都相（xiàng）同（tóng），隻要滿足的不是誤碼率，而是模擬指（zhǐ）標， 例如視頻指標。

      在（zài）測量過程（chéng）中，pmin的測量與前麵測量（liàng）接收機靈敏度的過程一樣。測量Pmax時，將圖11中的衰減器衰減逐漸減 少,數據傳輸（shū）係（xì）統的誤碼率檢測儀中的誤（wù）碼（mǎ）率逐漸加大，直到誤碼率增大到某個規定的指標(例如10-9)。這時光功（gōng）率（lǜ）計讀出的（de）光功（gōng）率即為（wéi）Pmax。在模擬傳 輸（shū）係統中，Pmax的測量差別僅是用模擬指（zhǐ）標測試儀測出指標，取代誤碼率測試儀測出（chū）誤碼率。

      5.數（shù）據光纖通信係統測量中的眼圖

      一種用直觀方法來判斷光（guāng）纖（xiān）接收機碼間幹擾的辦法，就（jiù）是用眼圖來進行分析。將這種隨機的數字輸出（chū）信號接入示波器，如果將示波器的掃描周期調（diào）整到上述脈衝序列周期T的（de）整數倍上（shàng）(例如3T)，顯然示波器（qì）將（jiāng）被同步，屏幕上的圖形將穩定下來。

      由於示波器水平掃描每3T就掃描一次，因此,這個隨機脈（mò）衝序列中每個三碼元段將（jiāng）重疊在一起。又因熒光屏的餘輝，使 得屏幕上（shàng）所呈現的圖形不是一（yī）次（cì）掃描產（chǎn）生的三個碼元段，而是（shì）若幹段重疊在（zài）一起。不僅如此，還由於長序列脈衝碼元出現的情況是隨時機的，故每三個碼元組成的一（yī） 段中，各種碼元的（de）組合（hé）情況都可能存在。這樣，將上述各因（yīn）素都綜合在一起，最（zuì）後，在示波（bō）器（qì）屏幕（mù）上即顯（xiǎn）示出圖12這樣一種像人眼一樣的圖形。

      從上（shàng）麵的眼圖形成過程可以想象，如果無碼間幹擾和（hé）噪聲，則該眼圖像人的眼睛一樣完（wán）全張開，而且圖形清（qīng）晰；當有碼間幹擾存在時，圖中（zhōng）的“眼睛”不能完全張開，而且圖形不（bú）清楚。如既有碼間幹（gàn）擾又有噪聲，則眼（yǎn）睛張開更小，圖形更不清晰。