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关于光纤接续损耗测试以及分析

摘要:本文介绍光纤接续损耗产生的原因,光纤接续损耗测试的原理以及几种测试方法的应用和计算,较为系统的阐述了光纤接续损耗测试的科学方法。

  关键词:光纤 接续 损耗 OTDR

  光纤接续损耗是光纤通信系统性能指标中的一项重要参数,损耗值的大小直接影响到光传输系统的整体传输质量,在光缆施工和维护测试中,运用科学的测试分析方法,对提高整个光缆接续施工质量和维护工作极其重要,尤其是进一步研究光通信中长波长的单模光纤的通信性能、传输衰耗、测量精度和检查维修等方面有一定现实意义。

一、 光纤接续损耗分析

  1、 光纤接续损耗产生的原因   1.1 本征损耗

  本征损耗是光纤材料所固有的一种损耗,预制棒拉丝成纤后就确定了,这种损耗无法避免,引起光纤本征损耗的主要原因是散射和吸收,散射是由于材料密度不均匀而产生的瑞利散射,吸收主要是光纤材料中的杂质粒子对某些波长的光产生强烈的吸收。

  1.2光纤的附加损耗

  附加损耗是成纤后产生的损耗,主要是由于光纤受到弯曲和微弯所产生的,在成缆和光缆的施工过程中,都不可避免地要发生弯曲,因此就会产生附加损耗,对于单模光纤,对接的两根纤,由于模场直径,纤芯和包层的同心度、纤芯的不圆度参数的差异,会导致光纤接续损耗的产生,在两根光纤完全对准,且忽略端面间隙的情况下,接续损耗主要取决于光纤模场直径的差异,接续损耗的计算为:b=20lg[1/2(d1/d2+ d2/ d1)], d1与d2分别为两对接光纤的模场直径,从计算公式可以看出,两对接光纤的模场直径相等(即d1=d2)时,其接续损耗b=0。

  2、 影响光纤接续损耗的原因

  影响光纤接续损耗的原因,主要是光纤本身的结构参数和熔接机的熔接质量,同时还有一些人为因素和机械因素,比如光纤收容盘纤产生的弯曲损耗,光纤切割的断面质量,横向失配、纵向分离、轴向倾斜等。

二、 光纤接续损耗测试分析

  1、 熔接机对接续损耗估算原理

  熔接机接续是通过对光纤X轴和Y轴方向的错位调整,在轴心错位最小时进行熔接的,这种能调整轴心的方法称为纤芯直视法,这种方法不同于功率检测法,现场是无法知道接续损耗的确切数值的,在整个调整轴心和熔接接续过程中,通过摄像机把探测到所熔接纤芯状态的信息,送到熔接机的分析程序中,然后熔接机计算出接续损耗值,其实准确地说,这只能是说明光纤轴心对准的程度,并不含有光纤本身的固有特性所影响的损耗,而OTDR的测试方法是后向散射法,它包含有光纤参数的不同形式的反射损耗,所以熔接机所显示的数据配合观察光纤接续断面情况只是粗略地估计了光纤接续点损耗的状况,不能作为光纤接续损耗的真实值。   2、 OTDR的工作原理

  背向散射法是将大功率的窄脉冲光注入待测光纤,然后在同一端检测沿光纤轴向向后返回的散射光功率,由于光纤材料密度不均匀,其本身的缺陷和掺杂成分不均匀,当脉冲通过光纤传输时,沿光纤长度上的每一点均会引起瑞利散射,其中总有一部分进入光纤的数值孔径角,沿光纤轴反向传输到输入端。瑞利散射光的波长与入射光的波长相同,其光功率与散射点的入射光功率成正比,测量沿光纤轴向返回的背向瑞利散射光功率可采集到沿光纤传输损耗的信息,从而测得光纤的衰减。   光时域反射仪通过光发送脉冲进入输入光纤,同时在输入端接收其中的菲涅尔反射光和瑞利背向散射光,再变成电信号,随时间在示波器上显示。

  使用OTDR测试光纤接续损耗时,1550nm的波长对光纤弯曲的损耗较1310nm敏感,所以光纤接续损耗测试应选择1550nm波长,以便观察光缆敷设和光纤接续中是否会因光纤弯曲过度而造成损耗增大,但采用光源光功率计全程传输损耗测试时应对1310nm和1550nm两波长进行分测。

  用OTDR监测光纤接续,常用的有两种方法,第一种是前向单程测试法,OTDR在光纤接续方向前一个接头点进行测试,采用这种方法监测,测试点与接续点始终只隔一盘光缆长度,测试接头衰耗较为准确,测试速度较快,大部分情况下能较为准确的取得光纤接续的损耗值,但缺点是所测得的损耗值全部是单向测试数据,还不能全面、精确地反映光纤接续的真正的损耗值。如图所示:

图1 光纤损耗测试图


  第二种是前向双程测试法,OTDR测试点与接续点的位置仍同前向单程监测布置一样,但须在接续方向的最始端做环回,即在接续方向的始端将每组束管内的光纤分别两两短接,组成环回回路,由于增加了环回点,所以OTDR测试可以测出接续损耗的双向值,用OTDR前向双程测试光纤,两方向测试的结果有时会不同,主要原因是光纤芯径和相对折射率均不相同时(即不同品牌或不同批次的光纤熔接),不仅会造成熔接损耗增加,还会造 成OTDR两个方向(A端到B端或B端到A端)的测量值相差很大,当两根被熔接的光纤的模场直径不同时,因为小模场直径光纤传导瑞利散射光的能力比大模场直径光纤强,所以当这两种直径的光纤熔接时,若从小模场直径光纤向大模场直径光纤方向测试时,熔接损耗可能是负值(即虚假增益),反之,则出现高损耗值,这是一种表面现象,是由于不同模场直径对瑞利散射光传导能力不同所造成测量上的缺陷,并非熔接点的实际损耗,所以从两个不同方向测试并取平均值后,所得的损耗才是熔接点的真正损耗,比如一个接头从A到B测得的损耗为0.18dB,而从B到A测得的损耗为-0.12dB,实际上此头的损耗为[0.18+(-0.12)]/2=0.03dB,但如果从单向值0.18dB来判断,可能会误认为接续不合格,掐断重接,所以双向测试能避免这种误判的情况,具体测试原理及方法如下:

图2 测试原理与方法


  1、 接续点做好第1纤的接续端面后,测试点使用OTDR根据最强的菲涅尔反射峰找好接续点的位置,并记录n1。

  2、 接续点熔接好第一纤后,测试点从A至B方向监测第1纤的A至B正向损耗值,并记录m1正。

  3、 接续点做好第2纤接续端面后,测试点使用OTDR经过1、2纤的环回找到第2纤B至A方向接续点的位置,并记录n2。

  4、 接续点在熔接好第2纤后,测试点从A至B并经环回后变为B至A方向监测第2纤的B至A的反向损耗值,并记录m2反。

  5、 测试点再把第2纤接入OTDR测试端口,利用上述记录的n1位置,快速定位找出第2纤的A至B方向的正向接续损耗值,并记录m2正,接下来经过环回利用上述记录的n2位置,快速定位找出第1纤的B至A方向的反向接续损耗值,并记录m1反。

  6、 计算第1纤、第2纤的接续损耗:Loss1=1/2(m1正+m1反) 
                  Loss2=1/2(m2正+m2反)

  这种方法的优点是能准确评估光纤接续损耗,缺点是双向测试增加了工作量,减慢了测试速度,比如中继段较长的线路,在离起始端20km处接续,如一盘光缆长2km,则在距离起始端2km处测试,那样测试正向值是测2km处的衰耗值,测反向则是42km处的衰耗值,由于距离越来越长,信号较弱已不能准确地测出反向值,要想继续双向监测,必须在另一头做环回来进行接续和测试,这样中间最终必有一个头无法双向监测。

  总之,上述两种光纤接续损耗的测试方法是目前通行的测试方法,根据不同的现场情况和实际要求,可以采用不同的测试方法,随着光通信技术的进步与发展,相信很快就会有更先进、更精确的光纤衰耗测试设备和测试手段应用到光缆施工、光线路传输质量的分析之中去。


参考文献:
  《现代光纤通信技术》,吴翼平,国防工业出版社
  《光纤通信工程》,赵梓森,人民邮电出版社
  《光同步数字传输网》,韦乐平,人民邮电出版社
  《光纤通信系统》,顾畹仪 李国瑞,北京邮电大学出版社
  《光缆通信工程》,李立高,人民邮电出版社
  《光纤光缆工程测试》,胡先志 刘泽恒,人民邮电出版社

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