電子測量技術(shù)（第2版）11第1部分

第11章光纖通信測試技術(shù)

主要內(nèi)容

介紹光纖通信測試的基本概念；主要對光通信系統(tǒng)中的光纖、無源光器件、光檢測器、光發(fā)射機和光接收機等電路單元的基本測試方法進行介紹，最后介紹了常用光纖通信測試儀表的工作原理和使用方法。

重點：

掌握對光通信系統(tǒng)中的光纖、無源光器件、光檢測器、光發(fā)射機和光接收機等電路單元的技術(shù)指標和指標的基本測試方法；掌握光功率計、光時域反射儀、誤碼儀和抖動測試儀的工作原理和使用方法。

難點：

光纖通信系統(tǒng)單元的技術(shù)指標定義；光時域反射儀、誤碼儀和抖動測試儀的工作原理和使用方法?！?/p>

11.1光纖通信測試的基本概念

1.光通信發(fā)展概述

光通信是以光為載體的通信方式。從國際的發(fā)展趨勢預計，我國的光纖通信會快速發(fā)展，同時，社會的需求與技術(shù)的進步又將為光纖通信產(chǎn)業(yè)帶來了廣闊的市場前景。借助于微電子技術(shù)、光電子技術(shù)和CPU技術(shù)的快速進步，中國的光通信技術(shù)不僅要在國內(nèi)滿足網(wǎng)絡建設的需求，還將在國際網(wǎng)絡中發(fā)揮重大的作用。2.光纖通信測試概念

光纖通信測試技術(shù)就是為保證光纖通信系統(tǒng)設計、現(xiàn)場施工和系統(tǒng)性能而采取的一系列測試技術(shù)。

光線通信系統(tǒng)的參數(shù)繁多，測試方法也多種多樣，本章將按系統(tǒng)構(gòu)成單元、參數(shù)定義和常規(guī)測試方法的順序來進行描述典型的光纖通信系統(tǒng)構(gòu)成如圖11.1所示.

光發(fā)送機光纖

光發(fā)送機

中繼器

電纜機

(發(fā))

電纜機

(發(fā))圖11.1典型光纖系統(tǒng)構(gòu)成方框圖

包括電端機、光端機、光源、光檢測器、光中繼器和光纖等單元?！?1.2光纖與無源光器件的測試光纖的實用特性參數(shù)很多，可以歸納為三類：幾何特性和光學特性、傳輸特性、光纖的機械特性和溫度特性，其中最重要的是傳輸特性。傳輸特性主要包括光纖的衰減系數(shù)、多模光纖的帶寬、單模光纖的色散特性和光纖的非線性效應等，它們與中繼距離和通信容量有關。11.2.1光纖衰減系數(shù)a測試1.光纖的衰減系數(shù)a的定義光纖衰減系數(shù)用來表示光纖的衰減特性，定義為單位長度光纖引起的光功率損耗，即kmdBPLPL/)0()(lg10)(-=la式中P（L）——在傳輸距離L=0處注入光纖的光功率；

P（0）——指沿傳播方向上傳輸?shù)絃處的光功率.2.光纖衰減系數(shù)的測量方法（1）截斷法

首先測量整根光纖長度的輸出功率P（L），然后不改變注入電流，在離注入端2m~3m處切斷光纖，并測量剪斷后的約2m長度的短光纖的輸出功率P（0），作為整個光纖的輸入功率，最后按定義計算出。測量裝置如圖11.2所示.。

截斷法又稱差值法或兩點法，是一種直接利用衰減系數(shù)的定義進行測量的方法。截斷法是公認的基準方法，操作簡便，在保持注入光光強和波長不變的情況下，具有很高的測試精度。但該方法不適合在工程中使用。

光源

注入系統(tǒng)

光功率計

P（L）

P（0）圖11.2截斷法定波長衰減測試系統(tǒng)原理圖利用光纖一端作輸入輸出口，給光纖輸入一個很窄的光脈沖，經(jīng)光纖內(nèi)部的反射和散射，少部分光反向傳播回來，返回的脈沖序列形成一個包絡脈沖，在同一輸入端被接收，并加以分析。在這個方法中，除了測量反射光之外，有時還要測量背向散射光，一般把測量反射光信號的方法稱為反射法；測量背向散射光的方法稱為背向散射法。（2）光時域反射測試法光時域反射法也叫背向反射法。這是一種多功能測量方法，可測量光纖的衰耗、衰耗沿軸向的分布、光纖光纜的光學連續(xù)性、物理缺陷、接頭損耗和光纖長度等。

圖11.3背向散射法測試系統(tǒng)原理圖

脈沖發(fā)生器光源

定向耦合器光纖

光電檢測器

低噪聲放大器

信號處理器顯示典型的背向散射法測試系統(tǒng)如圖11.3所示。

1.時域測試法11.2.2

光纖帶寬的測試時域法利用的是脈沖調(diào)制原理。按照對脈沖信號財經(jīng)及數(shù)學處理方法的不同，又可分為脈沖展寬法、快速傅里葉變換法和頻譜分析法。采用示波器測試的簡單脈沖展寬法如圖11.4所示，給光纖輸入一個很窄的光脈沖，然后觀察經(jīng)長度L的光纖傳輸?shù)妮敵雒}沖，用取樣示波器測量兩個脈沖波形，然后求得光纖的帶寬。

信號發(fā)生器數(shù)字光發(fā)送機數(shù)字光接收機取樣示波器2tD1tD圖11.4示波法測試帶寬原理圖2tD1tD式中——經(jīng)過長度為L的光纖傳輸?shù)妮敵雒}沖寬度；

——輸入窄脈沖的寬度。2122441.0ttD-D=B（GHz）（11-2）式中P出(ω)——經(jīng)過長度為L的光纖傳輸?shù)妮敵雒}沖的傅里葉變換；P入(ω)——短光纖輸出脈沖的傅里葉變換，作為輸入脈沖的傅里葉變換。一般定義頻域功率傳遞函數(shù)半幅值點對應的頻率為光截頻，也稱為-3dB帶寬。）（wH=(11-3)P出（ω）P入（ω）2.頻域測試法用掃頻儀輸出的正弦信號對光源不段地從低頻到高頻進行正弦調(diào)制，輸出信號經(jīng)過光纖，由一個寬帶探測器和可調(diào)諧放大器檢測，用頻譜分析儀或網(wǎng)絡分析儀進行記錄。然后對一短光纖作同樣測量，兩次測量得到輸出和輸入脈沖的傅里葉變換P出(ω)和P入(ω)，于是可得到頻域的功率傳遞函數(shù)：11.2.3光纖無源器件的特性測試

1.光纖連接器的性能參數(shù)

評價光纖連接器的技術(shù)指標主要有插入損耗、回波損耗、重復性和互換性。（1）插入損耗

插入損耗是指光纖中的光信號通過連接器之后，輸出光功率相對于輸入光功率p0

比值的對數(shù)。(11-4)式中p0——經(jīng)過連接器輸出的光功率；

pi——輸入光功率。(11-5)式中Pr——經(jīng)過連接器的后向反射的光功率?；夭〒p耗又稱為后向反射損耗，是指在光纖連接處后向反射光功率

Pr相對于輸入光功率Pi

比值的對數(shù)。（2）回波損耗（3）重復性和互換性重復性是指活動連接器多次拔插后插入損耗的變化；互換性是指連接器各部件互換時插入損耗的變換。這兩項指標可以考核連接器結(jié)構(gòu)設計和加工工藝的合理性，是表明連接器實用化的重要指標。2.光纖耦合器的性能參數(shù)

光纖耦合器的主要性能參數(shù)是插入損耗、附加損耗、分光比和隔離度。本節(jié)以圖11.5所示的X型光纖耦合器為例進行介紹，其它耦合器的參數(shù)定義可以類推。2341圖11.5X型4端口光纖耦合器示意圖插入損耗是光纖光纜連接器中最重要的性能指標，定義為在一個特定波長輸出與輸入光功率之比。插入損耗是由于耦合器插入在輸入端口和輸出端口之間產(chǎn)生的損耗，比較典型的耦合器插入損耗值為3.4dB。（1）插入損耗LI（2）耦合比（分光比）SR耦合比是耦合器的某一個端口輸出的功率占總所有端口輸出光功率之和的比例，定義為耦合比也可以用絕對值或百分比給出，即（3）附加損耗LE附加損耗是耦合器的某一個輸入端口輸入的功率占總輸出光功率的比例，定義為（4）串擾系數(shù)LC和隔離度對于由1輸入端口輸入光引起的對2輸入端口的串擾系數(shù)定義：1輸入端口泄漏到2輸入端口功率與1輸入端口輸入功率的比值的對數(shù)。串擾系數(shù)的倒數(shù)為隔離度。3.波分復用器/解復用器性能指標波分復用器/解復用器是一種具有波長選擇的耦合器，其功能是將多路不同波長的信號復合后送入同一光纖中，或?qū)⒃谕桓饫w中傳輸?shù)亩嗦凡煌ㄩL的信號在光路上分開。性能指標主要有插入損耗、信道隔離度、通帶特性等。（1）插入損耗插入損耗是指對于某一特定通道，輸出端標稱波長信號功率與輸入端同樣標稱波長信號功率比值的對數(shù)。該參數(shù)是衡量波分復用器的一項重要指標，此值越小越好，對于工作波長器件。（2）中心波長（或通帶）、、…、它是由設計、制造者根據(jù)相應的國際、國家或行業(yè)標準確定的。（3）中心波長范圍、、…、對于每一個工作通道，器件必須給出一個適應于光源光譜寬度的范圍。該參數(shù)限定了所選用的光源的譜寬及中心波長位置，它以單位1.0nm表示,或以平均信道之間間隔的10%表示。（4）相鄰信道之間的串擾最大值該參數(shù)是衡量波分復用器的另一項重要指標，此值越大越好。一般而言，數(shù)字通信系統(tǒng)大于30dB，模擬通信系統(tǒng)大于50dB。（5）通帶特性主要指分波器各信道的濾波特性，通常測試指標為-0.5dB帶寬、-3dB帶寬和-20dB帶寬。4.固定與可變光衰減的主要參數(shù)主要指標有工作波長、衰減范圍和衰減精度。衰減范圍以最大衰減值來表示，用于測量設備的特殊衰減器的衰減量可達100dB，典型值為60dB；衰減精度也稱為分辨率，是指衰減調(diào)節(jié)的精度。5.摻鉺光纖放大器的主要參數(shù)從EDFA的輸入端輸入光信號，在輸出端用光功率計測量光功率，測出的輸出端信號光功率比輸入端的光功率增加量就是EDFA增益。（1）增益是指放大器工作在線性范圍內(nèi)的增益。該增益在給定的信號波長和泵浦功率下與輸入信號光功率是無關的，但對于不同波長，小信號增益是不一樣的，它是波長的函數(shù)。是指在光纖放大器正常的工作條件下能夠達到的最高小信號增益。是指殘生最大小信號增益的波長。（2）小信號增益（3）最大小信號增益（4）最大小信號增益波長（6）小信號增益穩(wěn)定性是指在給定的波長范圍內(nèi)，小信號增益峰-峰值的變化。（7）小信號增益穩(wěn)定性是指放大器在政策工作條件下，在一個規(guī)定的試驗周期內(nèi)，放大器輸出光功率波動的最大值。（5）小信號增益波長帶寬是指小信號增益比最大小信號增益低3dB時的波長間隔（9）偏振相關增益變化是指放大器在正常工作條件下，由輸入信號偏振狀態(tài)的變化引起的光放大器小信號增益的最大變化。（10）噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)是衡量EDFA性能好壞的重要指標，對不同用途的器件，應進行不同的設計和優(yōu)化，使其噪聲系數(shù)最低。6.光纖無源器件的特性測試插入損耗、分光比和隔離度是比較常用的性能參數(shù)，它們都與光功率有關，可以采用圖11.6所示系統(tǒng)進行測試。圖11.6光纖無源器件特性測試原理圖碼型發(fā)生器數(shù)字光發(fā)送機

S待測器件

光功率機R§11.3光源與光發(fā)送機的測試光纖系統(tǒng)的發(fā)送和接收的性能參數(shù)分為電性能和光性能兩種。電性能參數(shù)主要有誤碼性能、抖動性能、漂移性能及可用性性能；光性能參數(shù)則主要有中繼段衰減和色散、平均發(fā)送光功率、消光比和最小邊抑制比（SMSR）、動態(tài)范圍和接收靈敏度。光源與光發(fā)送機是光纖通信系統(tǒng)的重要單元，它將輸入的電信號加載到光源的發(fā)射光束上變成光信號送入光纖。根據(jù)電端機送入光端機信號的性質(zhì)不同，光纖通信系統(tǒng)可分為模擬光發(fā)送機和數(shù)字光發(fā)送機。11．3．1數(shù)字光發(fā)送機的性能描述11.3.1數(shù)字光發(fā)送機的性能描述

3.為了光脈沖成為傳輸信號的準確重現(xiàn)，光脈沖的響應時間及開通延遲時間必須遠小于每個碼元的時隙。對數(shù)字光發(fā)送機性能主要有以下要求：1.輸出光功率必須保持恒定。即要求在環(huán)境溫度變化或LD器件的老化的過程中，其輸出光功率保持不變，或者其變化幅度在數(shù)字光纖通信工程設計指標要求的范圍內(nèi)，以保證光纖通信能長期正常穩(wěn)定地運行。2.光發(fā)送機發(fā)送的光脈沖的消光比應盡可能的大，以免光接受機付出較大的光接受靈敏度代價。11．3．1數(shù)字光發(fā)送機的性能描述6.光發(fā)送機在保證滿足數(shù)字光纖通訊系統(tǒng)所要求的技術(shù)性能指標的前提下，要求其電路結(jié)構(gòu)簡單、可靠、經(jīng)濟、低功耗以及便于批量生產(chǎn)和維護，這些對于光發(fā)送機在數(shù)字光纖通訊工程中的應用都是十分重要的。4.輸出光脈沖應無張馳振蕩和自脈沖。5.LD的輻射波長必須保持恒定，尤其在高速以至超高速的光發(fā)送機中，應該采取相應有效的解決措施，以實現(xiàn)大容量長距離的數(shù)字光纖通訊。11.3.2數(shù)字光發(fā)送機的主要性能指標光發(fā)送機的平均輸出功率是正常工作條件下，光端機輸出的平均光功率，即光源尾纖輸出的平均光功率。平均發(fā)送光功率指標與實際的光纖線路有關，在長距離光纖數(shù)字通信系統(tǒng)中，要求有較大的平均發(fā)送功率；在短距離的光纖數(shù)字系統(tǒng)中，則要求較小的平均發(fā)送光功率。通常，光發(fā)送機的發(fā)送功率需要由1~1.5dB的富余度。

常用的數(shù)字光發(fā)送機性能指標有平均發(fā)送光功率和消光比。1．平均發(fā)送光功率光發(fā)送機的平均輸出功率被定義為當發(fā)送機送偽隨機序列信號時，在參考點S處（光發(fā)送機的輸出端）所測的平均光功率。消光比時光發(fā)送機的質(zhì)量指標之一，它定義為2．消光比EXT

式中P00——光端輸入信號脈沖都為“0”時輸出的平均光功率；

P11——光端機輸信號脈沖都為“1”時輸出的平均光功率。如使用LED作光源，無須考慮消光比，因為電信號直接加到LED上，無輸入信號時的輸出功率為零；只有以LD作光源的光端機才要求測試消光比。無信號時，光源輸出的光功率對接收而言是一種噪聲，將降低光接收機的靈敏度。因此，從接收機角度考慮，消光比越小越好。但是，消光比太低，光源的輸出功率將降低，光源的譜線寬度也增加，同時