光纤技术课件 第四章光纤色散测量

单击此处编辑母版标题样式,第,四,章,光纤,色散测量,光纤传感技术,Fiber Optical Sensor,第,四,章,光纤,色散测量,Measurement of Fiber,Dispersion,内 容,一、时域法二、频域法三、时域法和频域法的比较,光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于不同成分的光传输,时延,t,不同引起的脉冲展宽的物理效应。,色散主要影响系统的传输容量，也对中继距离有影响。,光纤的色散,(,Dispersion),色散引起的脉冲展宽,模式色散：,多模光纤中，不同模式的光沿着不同的路径传输，各模式群速度不同，因此由多个导膜组成的光脉冲就分解成许多脉冲而产生色散。,色散分类,模内色散,模间色散,材料色散：,材料对不同频率光的折射率不同而产生的色散,波导色散：,同一模式下,不同频率光的群速不同而产生的色散,光纤的色散可以从光纤的时域特性和频域特性两个方面来描述光脉冲波形在时间上发生了展宽是从时域特性来描述了光纤的色散效应而光纤的频域特性，则是把光纤看作一个传输“网络”由于网络总是有一定带宽的，所以就用光纤的频带宽度来从频域特性描述光纤的色散效应,色散的时域和频域描述,从光纤的时域特性看，色散使光脉冲沿着光纤行进一段距离后脉冲变宽。,时域描述,钟形函数,2,s,A,f(t),t,（高斯分布函数）,傅立叶变换,可见钟形函数的傅氏变换也是钟形函数,傅立叶变换,从光纤的频域特性来描述,是把光纤看作一个有一定带宽,B,的传输“网络”通常把调制信号经过光纤传,播后，光功率下降一半(即,3dB),时的频率(,f,c,),的大小，定义为光纤的带宽(,B)。,光纤的频域描述,光纤频率传递函数,H(,w,),P,o,(,w,),P,i,(,w,)H(,w,),H(,w,),-w,c,w,c,H(,w,),X(,w,),Y(,w,),色散的频域描述,当一个光脉冲通过光纤这个“网络”时，这个光脉冲的频率成分就受这个“网络”的限制，在这个“网络”带宽以外的频率成分将被抑制掉，从而光脉冲出现了失真,或,H(,w,),P,o,(,w,) /P,i,(,w,),带宽和色散的关系可用下式表示：,光纤的色散和带宽的关系,式中，,Dt,为光,脉冲通过,单位长度光纤后的展宽,(,ps,),。对于模内色散，,Dt,s,（,l,）,Dl,，,s,（,l,）,(,单位,ps/km,nm),为色散系数,Dl,为光源半功率点的谱线宽度。,光纤色散的测量是测量光纤对信号展宽的程度。由上可知，光纤带宽与脉冲展宽在实质上是一致的。光脉冲变宽是色散在时域的反映。,光纤带宽是色散在频域的反映。因此，色散的测试方法有,时域法,和,频域法,两种。,色散的测量方法,时域法,又称脉冲展宽法。利用测量通过光纤的光脉冲产生的脉冲宽度确定光纤的色散。,频域法,又称扫频法，通过光纤的频率响应测量带宽，然后确定色散系数。,此方法采用频率连续可调的正弦被调制光源做为测试信号源，故也称为正弦波法或相移法。,注入有两种方式：,满注入和限制注入,所谓满注入就是要均匀地激励起所有的传导模式，而限制注入就是只激励起较低损耗的低阶模，而适当的抑制损耗较大的高阶模。,当测量光纤的色散时，采用满注入方式。,满注入条件是具有均匀空间分布的入射光束近场光斑直径大于被测光纤的纤芯直径，远场辐射角的数值孔径大于被测光纤的数值孔径。,色散测量的光激励,测量色散多模光纤的注入条件,阶跃型多模光纤,光源,透镜,色散测量多模光纤的光注入要求,为了使接收端的稳态功率分布符合满注入条件，应使用扰模器、滤模器和包层模剥除器来实现。,滤模器和包层模剥除器应在距离待测光纤始端约,1m,处使用。经过扰模、滤模和包层模剥除后，离注入端约,2m,处待测光纤的理想近场和远场分布图应与长光纤或接续光纤终端的近场和远场分布图相似。,稳态模功率分布模拟装置,色散测量的光激励,一、时域法,光纤模内色散与模间色散的测量,一、光纤模内色散的测量,由于单模光纤只传输一种模式，因而它不存在模间色散，只有模内色散，即材料色散和波导色散。通常材料色散比波导色散大两个量级。但是，在零色散区，材料色散与波导色散值大致相当，只是两者符号相反。即：,l,0,m,m,处，材料色散近似为零。因而称,l,0,为零色散点。（注：,附近,，是光纤的最低损耗点）,时域法,若在波长,l,下单位长度的群时延为,t(l),，则色散的程度可用色散系数,s(l),来评定。其定义如下,:,模内色散或频率色散系数,对谱宽为,Dl,的光源单位长度光纤的脉冲展宽为,:,时域法,模内色散测量方法：,s(l),单模光纤的模内色散，它是波长的函数。从原理上讲，测量,s(l),时，只要观察脉冲到达的时间和波长的关系，即可由上式计算出,s(l),。进行时域测量，需要一系列可以使用的单色光源或一个波长连续可调的光源，还需要一个能测量时间延迟的装置。,时域法,时域脉冲延迟测量装置,时域法,演示,光纤传输延迟与波长的关系,B-3,光纤是含有三氧化二硼的梯度光纤，,GB,-,4,到,GB,-,6,是含有少量三氧化二硼而含有较多的二氧化锗的梯度光纤，杂质含量从,GB,4,到,GB,6,逐步增加。,时域法,零色散点,多模光纤材料色散和波长的关系,时域法,零色散,二、模间色散的测量,对于多模光纤，模间色散通常占主导地位。,通过观察脉冲展宽可以测量模间色散。脉冲展宽由下式计算：,输入脉冲,输出脉冲,时域法,光脉冲要求：,窄脉冲且波形接近高斯分布。,光注入要求：,采用“满注入”方式。,首先用一短光纤将“,1 ”,、“,2”,两点相连，这时从示波器中得到的波形相当于,P,in,(t),，并测量其宽度,Dt,i,然后再将被测光纤连到“,1”,，“,2”,两点之间，此时从示波器得到,P,out,(t),波形，并测量它的宽度,Dt,o,。由下式计算脉冲的展宽：,脉冲展宽测量装置,二、脉冲展宽的测量误差分析,时域法,光脉冲,影响测量误差因素：,光源噪声,光电探测器噪声,电路噪声,示波器噪声,读书误差,二、频域法,用正弦波调制光波来测量光纤色散的方法,模内色散测量常采用,相移法,。,不同波长的信号经过相同光纤传输后，因时延,D,t,不同而,导致相位移动不同,(,wD,t,或,2p,f,D,t,),。相移法就是通过测量经同一正弦信号调制后的不同波长的光信号，经光纤传输后产生的相移差别来确定群时延与波长的关系，进而导出色散系数的一种方法。,频域法,1,、模内色散测量,相位法特点：,要求的测试设备较简单，且正弦信号可采用窄带滤波放大，有利于提高信噪比，测量准确度高，因此已被广泛应用。,相移法可采用一组发光二极管作光源，也可采用一组激光器作光源。,频域法,设正弦调制信号的频率为,f,，被测光纤长度为,L,，输入信号的波长分别为,l,1,，,l,2,，,，,l,i,(,i,1,，,2,，,),为了测量方便，设一个参考光波长为,l,r,，则对于输入不同波长的信号经过光纤传输后产生的相移差是相对于参考波长而言。设,l,i,和,l,r,间经光纤传输后的时延差为,D,t,i,相移差为,Df,i,通过测量得到,Df,i,。,测量原理,所以,因为,频域法,进而由,s(l)=,d,t/,d,l,求得该光纤的色散系数,s,t,=,A,+,B,l,-4,+,C,l,-3,+,D,l,-2,+,E,l,4,这样，通过测量不同波长,l,i,的,Df,i,，由上式计算出一组,t,i,l,i,值，然后进行多项式曲线拟合，得出,t(l),曲线。,*,*,*,*,*,*,*,l,t,频域法,（,1,）发光二极管（,LED,）型测量系统,图是采用一组发光二极管作光源的测量系统,矢量电压表是能同时测量信号幅度和相位的测量仪器,相移法测量系统框图,单色仪,信号发生器,LED,探测器,(,APD,),的波长响应要同光源相匹配，这里选用,Ge,APD,。为了防止不同光功率在探测器中引起的相移，利用可变衰减器使各波长下探测器接收到的光功率大致相等。,矢量电压表的分辨率一般是,o,由它测出不同波长下正弦信号的相对相位差。,当调制频率,f,为,30 MHz,时，该系统的分辨率约为,9ps,；当,f,为,100 MHz,时，约为,3ps,。,发光二权管由频率,f,30 MHz,的正弦信号进行调制。宽光谱的调制光直接经尾纤耦合进待测单模光纤,(,也可经透镜耦合,),。出射光由单色仪分出,Dl,=6nm,，中心波长为,l,i,单色光再经透镜会聚到探测器的光敏面。探测器将接收到的光信号转换为电信号，经放大器放大后送到矢量电压表。参考信号取自信号发生器，矢量电压去测得的,f,i,(l),数据送入计算机。利用式,(433),拟合这些数据得出曲线。由式,(434),可得到,s(l),曲线。通过色散系数,s(l),曲线可确定零色散波长。,测量过程,相对时延与被长的关系和相应的色散系数曲线,L=1360m,2,、激光器型测量系统,激光器型装置的特点是用一组半导体激光器作为光源。激光器的谱宽很小，一般小于,6nm,，因此，不需要单色仪选取波长。其测量原理和数据处理方法完全与发光二极管型相同。,（,2,）激光器型相移法测量系统图,2,、模间色散测量,通过连续改变调制信号的频率并测定光纤输入和输出的信号幅度，可以得到光纤的频率响应，对光电探测器输出的电信号进行测量时，通常使用频谱分析仪或矢量电压表。频谱分析仪可测量光纤基带响应的幅频特性，矢量电压表可同时测量光纤基带响应的幅频和相频特性。,切断法光纤带宽扫频测试系统,图,4,17,并与第二步的长光纤扫频测量结果相减。其差值由寄存器输出，并由,xy,函数记录仪绘出基带频响的幅频曲线。幅频曲线的,6dB(,电带宽,),点对应的频率为测得的光纤带宽,B,。,测量步骤：,第一,、用一段短光纤连接,E,O,与,O,E,，,以便调节发射功率使接收设备工作在线性范围内。,第二,、接入被测光纤并进行同步扫频测量。扫频范围应超过被测光纤的带宽。频谱仪测量的结果以分贝数存储在寄存器中。,第三,、保持注入条件不变，在距注入端约,2,米处截断光纤，并对此短光纤进行同样的扫频测量。频谱分析的结果送入寄存器，,光纤频率传递函数,H(,f,),带宽和色散的关系,Dt,的单位,ps,插入法光纤带宽扫频测试系统,时域法和频域法的比较,时间延迟脉冲展宽,测光纤的基带响应,极窄的脉冲,可调信号源,（,1,）时域法测光纤色散是观察脉冲光信号通过光纤后的时间延迟或脉冲展宽。频域法是使用不同频率的正弦波调制光信号测得光纤的基带响应。,（,2,）时域法要求产生和探测极窄的脉冲，而频域法需要一个从低频到高频的可调信号源用以驱动激光器或发光管。,（,3,）在测量准确度方面，频域法优于时域法。在实际测量中，由于输入脉冲本身或光输出探测器等原因，检测到的脉冲不可能很窄。因此，如用频域法来测量，只要根据,H (,w,),P,o,(,w,),P,i,(,w,),测量在光纤输入端和输出端的频率响应，并求它们的商，就可以得到光纤的基带响应的幅值。,时域法和频域法的比较,1,、,光纤损耗的测量是测量光波沿光纤传输时，每公里光功率的衰减减情况。,测量方法有截断法、插入法和后向散射法。,对于单模光纤与多模光纤来说测量时的注入系统是不同的单模光纤需要滤模器当光纤的涂敷层折射率低于包层的折射率时还需要包层模剥除器多模光纤除需上述器件外，还需扰模器。,2,、,光纤色散的测量是测量光纤对信号展宽的程度。,多模光纤中模式色散起主要作用，且色散程度较大。通过测量多模光纤的,带宽或脉冲展宽来,测量多模光纤的色散程度。它的测量方法有时域法和频域法,单模光纤中只存在材料色散和波导色散，色散程度要比多模光纤小的多，可以通过测量单模光纤的色散系数来确定单模光纤的色散程度它的测量方法有相移法和脉冲时延法。,光纤参数的测量小结,3,、当测量光纤的损耗时，采用限制注入方式，因为损耗较大的高阶模的注入，会由于被测光纤长度不同而使输出光功率不同，从而产生测量误差；当测量光纤的色散时，则采用满注入方式，因为色散的测量是由光脉冲通过光纤传输后脉冲时间的展宽来确定的，如果采用限制注入，会使功率在不同模式上的分布产生较大变化，致使光脉冲的展宽程度不同，测量结果就不准确,第四章 思考题,1,、从物理概念来看，色散、脉冲展宽、光纤带宽三者之间的关系是什么,?,2,、在测量光纤的损耗和色散时，光注入方式上有什么不同，为什么？,3,、试比较测量光纤色散的时域法和频域法。,通常感兴趣的波长范围是,m,m,，这里选用了两个,In GaAsP,InP,发光二极管其峰值波长分别为,m,m,和,m,m,，谱线半宽,Dl,均为,m,m,左右。用两个发光二极管就可覆盖,m,m,，,m,m,的波长范围，满足了,m,m,和,m,m,两个最感兴趣的波长范围。,发光二极管（,LED,）,返回,调制频率为,30 MHz,。如果采用侧面发光二极管。正弦调制信号频率,f,可达,90,100MHz,则更有利于提高分辨率。温度变化可能引起发光二极管调制信号的,相位变化因此，要将发,光二极管放在恒温槽中。,信号发生器,返回,单色仪工作原理,棱镜式单色仪光学系统图,F -,入射狭缝,O,1,-,第一准直镜,F-,出射狭缝,O,2,-,第二准直镜,M-,平面反射镜,P-,三棱镜,返回,相位法,相位法,返回,l,1,t(l,1,),时延差测量示意,参考脉冲,l,2,t(l,2,),时延差测量示意,参考脉冲,l,3,t(l,3,),时延差测量示意,返回,参考脉冲,喇 曼 效 应,当光照射到物质上时会发生,非弹性散射,，散射光中除有与激发光波长相同的弹性成分（,瑞利散射,）外，还有比激发光波长长的和短的成分，后一现象统称为,喇曼效应,。由分子振动、固体中的光学声子等元激发与激发光相互作用产生的非弹性散射称为,喇曼散射,，一般把瑞利散射和喇曼散射合起来所形成的光谱称为,喇曼光谱,。由于喇曼散射非常弱，所以一直到,1928,年才被印度物理学家喇曼等所发现。,