光纤、光缆及其通信系统的测量.ppt

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光纤尺寸及带尺寸参数的测量,10.4.1 光纤几何尺寸参数的测量,10.4.2 光纤带尺寸参数装置,第十章 光纤、光缆及其通信系统的测量,返回,10.5光缆的性能测试,10.5.1 光缆的机械性能测试,10.5.2 光缆的环境性能测试,10.6 光端机的测量,10.6.1 光接口指标与测试,10.6.2 电接口指标与测试,10.7 光纤通信系统测量,10.7.1误码性能参数的测量,10.7.2 抖动性能参数的测量,第十章 光纤、光缆及其通信系统的测量,10.1 测量的基础知识,10.1.1 测量的基本概念,测量过程一般包括：准备、测量和数据处理三个阶段,准备阶段工作是明确被测量对象的性能及测量所要求达到目的，然后来选定合适的测量方法，进而选择相应的测量仪器。,测量阶段的工作是按照测量仪器所要求具备的测量条件，仔细地按试验程序进行操作，认真记录试验数据。,数据处理阶段任务是根据记录的数据，结合实验条件，运用误差理论和数据处理方法计算出测量结果和测量误差。,1测量过程,测量结果的表示形式有数据、曲线和图形等。不论用哪种形式表示测量结果，其内容都应该包含数值、单位和误差。我们在此要强调的是，在表示测量结果时，既要表示量值，又要注明测量误差的数值或范围。,2结果表示,3,3测量手段,任何测量都要通过量具、仪器、试验装置或测量系统来实现。,量具是体现计量单位的器具。量具中有少数量具可直接参与比较，例如，利用钢尺可直接测量受试光纤光缆试样长度。但是多数一具要借助专门的设备才能发挥比较的功能。例如，利用标准电阻测量电阻，需要通过电桥。由于使用量具测量操作比较麻烦，所以在实际工程测量中应少用量具测量，尽量使用直读式仪器。,仪器是泛指一切参与测量工作的设备。它包括直接读仪器、仪表、测试信号源、电源及辅助设备。常用的光纤光缆测量仪表有：光功率计、光时域后向反射和色散仪等。,测量装置上由几台测量仪器及有关设备组成的，是用来完成某种具体测量任务的整体组合。例如，国内广泛彩光缆机械性能测试装置。,测量系统是由若干个不同用途的测量仪器及有关辅助设备所组成，用来进行多种性能参数的综合测试系统。例如：光纤性能综合测量仪，它可以用来测试光纤的多种性能参数，如衰减系数、衰减谱、截止波长和模场直径等。,10.1 测量的基础知识,4,10.1.2,测试分类,光纤通信系统是由系统、有源器件、无源器件和光缆线路共同组成的复杂系统。整个系统以及各组成部分的测试项目繁多，为有助于从事测试的人员学习和掌握各种测试技术，按照不同特点，将测试分类介绍如下,1实体测试,按被测实体的特征，可将光纤通信系统发为系统测试、器件测试和光纤光缆测试。系统测试的例子有光端机、数字复用设备的测试等。器件测试例子有光纤放大器、衰减器等的测试等。光纤光缆测试例子有光纤衰减、光纤色散、光纤偏振模色散及光缆机械性能、光缆环境性能及光缆线路断点位置测试等。,2运行状态测试,按被测试实体运行状态，可将光纤通信系统分为停业务测试和不停业务测试。在当前条件下，有些测试只能是在停业务时才能进行，例如光接收机灵敏度和动态范围测试。另外一些测试可以在暂停业务下进行，也可在不停业务下进行，例如，光缆线路的衰减系统测试。,5,根据测试工作的目的的不同，又可将测试分为原料测试、产品测试、工程测试和维护测试等。,原料测试是景鉴定进厂原料的性能合格与否，是保证产品质量优良关系重要的测试。产品测试是为了保证出厂产品质量的测试。工程测试是保证工程质量的测试。维护测试是为确保可靠运行和维护质量的测试。,3工程项目的测试,测量是指借助于仪表来确定测量的值。例如，用光时域反射仪来确定某根光纤的衰减系统数是多少dB/km。,检验是在给一个指标值和一个容许界限的前提下，确定被测值是否保持在容许界限内。例如，用游标卡尺观测光缆外径，检验光缆外径是否在其规定尺寸的容许范围。,校准是一种日常进行的的使两个或多个量之间保持恒定的关系。通常这些量中有一个是参考基准，如标准光纤。光时域反射仪校准就是调整其测量长度和衰减系统数与标准光纤的长度和衰减系数相等。,应该指出的是，在光纤通信工程中，一般不严格地区分不同的测试，而将每个具体技术性能指标的测试简称为测试。,4广义上测试包括测量、检验和校准三个方面的具体技术工作内容。,10.1.2,测试分类,6,2相对误差,相以误差等于绝对误差与被测量的真值之比，因测得值与真值接近，故也可近似用绝对误差与测得值之比作为相对误差，即：,相对误差=绝对误差/真值绝对误差/测得值,由于绝对误差可能为正值或负值，因此相对误差了可能为正值或负值。,相对误差是无名数，通常用百分数（%）来表示。例如用水银温度计测得某一温度为20.3，用高一待级温度计测得值为20.20，因后者测得值精度高，故可以认为20.20接近真实温度，而水银温度计测量的绝对误差为0.1，其相对误差为：,0.1/20.200.1/20.30.5%,10.1.3误差理论,9,二、误差来源,在测量过程中，根据误差产生的原因可将误差来源归纳为测量装置误差、方法误差和人员误差,1测量装置误差,标准量具误差指的是以固定形式复现的标准量值的器具如标准电池、标准砝码等本身体现的误差。,仪器误差指的是被测量和已知量进行比较的仪器或仪表如天平等比较器、温度计等指示仪表本身所具有的误差。,附件误差指的是仪器附件及附属工具，如千分尺的调整量棒等的误差。附件误差也会引起测量误差。,2环境误差,由于环境因素与规定的标准状态不一致而引起的测量和被测量本身的变化所造成的误差，如温度、湿度、气压、振动、照明和电磁场等所引起的误差。,10.1.3误差理论,10,3方法误差,由于测量方法的不完善所引起的误差。如采用钢卷尺测量光缆的圆周长s，再通过计算求出光缆的直径如d=s/，因此，近似数取值的不同将会引起误差。,4人员误差,由于测量者受分辨能力的限制，因工作疲劳引起的视觉器官的生理变化，固有习惯引起的读数误差，以及精神上的因素产生的一时疏忽等引起的误差。,因此在计算测量结果的精确度时，对上述四个方面的误差来源要进行全面分析，对误差影响较大的因素要予以特别注意，力求不遗漏、不重复。,10.1.3误差理论,11,三、误差分类,按照误差的特点与性质，可分为系统误差、随机误差（也称为偶然误差）和粗大误差三类。,1系统误差,在同一条件下，多次测量同一量值时，绝对值和符号保持不变，或在条件改变时，按一定规律变化的误差称为系统误差。例如标准量值不准确或仪器刻度的不准确而引起的误差。,10.1.3误差理论,2随机误差,在同一条件下，多次测量同一量值时，绝对值和符号以不同预定方式变化着的误差称为随机误差(也称为偶然误差)。例如仪器仪表中传动部件的间隙和摩擦，连接件的弹性变形等引起的显示值不稳定。,12,超出在规定条件下预期的误差称为粗大误差(也称为疏忽误差)。粗大误差值较大，明显歪曲测量结果，如测量时对错了标志、读错或记错了数，使用有缺陷的仪器以及在测量时因操作不细心而引起的过失性误差等。,虽然误差分为上述三类，但是应该注意各类误差之间在一定条件下可以相互转化。对某项具体误差，在此条件下为系统误差，在彼条件下可为随机误差，反之亦然。掌握误差转化的特点，可将系统误差转化为随机误差，用数据统计方法减小误差影响，或将随机误差转化为系统误差，用修正方法减小其影响,3粗大误差,10.1.3误差理论,13,四.测量结果的处理,1.精度,反映测量结果与真值接近程度的量，称为精度。精度与误差的大小相对应，因此可用误差大小来表示精度的高低，误差小则精度高，误差大则精度低。,在测量技术中描述精度的有三个术语，即准确度、精密度和精确度。,10.1.3误差理论,准确度反映测量结果中系统误差的影响程度。系统误差越小，准确度越高。,准确度,精密度,精密度反映测量结果中随机误差的影响程度。随机误差越小，测量的精度越高。,14,精确度反映测量结果中系统误差和随机误差综合的影响程度，即表示测量结果与真值的一致程度，其定量特征可用测量的不确定度（或极限误差）来表示。,精度在数量上有时可用相对误差来表示，如相对误差为0.01%，可笼统地设其精度为10-4若纯属随机误差引起，则说其精密度为10-4，若是由系统误差与随机误差共同引起的，那么，则说其精确度为10-4。,对于具体的测量，精密度高的而准确度不一定高，准确度高的而精密度也不一定高，但精确度高，则精密度与准确度都高。,精确度,10.1.3误差理论,15,2.数据处理,因为测量过程中总存在测量误差，而仪器的分辨率又有限，所以测量数据处理总是被测量真值的近似值。究竟近似到何种程度合适，读测量仪表读数时取几位数字，这些都应根据所用仪器的准确度和理论计算的需要来确定。,有效数字,所谓有效数字是：规定截取得到的近似数的绝对误差不得超过其末位单位数字的一半，并称此近似数从它左边第一个不是零的数字起到右边最末一位数字止的所有数字为有效数字。有效数字通常由可靠数字和欠准数字两部分组成。例如，用准确度为0.5级的电压表测量电压时，电压表的指针停留在7.8与7.9之间，这时电压表的读数就需要用估计法来读取最后一位数字，若估计为7.86，这是一个近似值，7.8是可靠数字，而末位数6为欠准数字（超过一位欠准数字的估计是没有意义的），即7.86为三位有效数字,10.1.3误差理论,16,当由于计算或其它原因需要减少数据的数字位时，应按数字修约规则修约。数字修约规则规定，以所要保留数字的末位单位为单位，衡量拟舍去数字的数值情况：,（1）拟舍去数字的数值大于0.5单位者，所要保留数字的末位加1。,（2）拟舍去数字的数值小于0.5单位者，所要保留数字的末位不变。,（3）拟舍去数字的数值恰好等于0.5单位者，则使所要保留数字的末位凑成偶数（即当所要保留数字的末位为偶数时末位不变，为奇数时则加1）。,例如，将下列数据修约为四位有效数字。,5.142695.143,6.3785016.379,2.717292.717,4.5105004.510,3.216503.216,8.34358.344,数字修约规则,10.1.3误差理论,17,（1）作加减运算时，在各数中（采用同一计量单位），以小数点后位数最少的那个数(如无小数点，则为有效位数最少者)为基准数，其余各数均为修约至比基准数多一位小数，而计算结果所保留的小数点后位数与基准数相同。例如，13.65、0.00823与1.633三个数值相加时，因13.65小数点后位数最少（二位），因此其余二数修约至小数点后三位，然后相加，即13.65+0.008+1.633=15.291，计算结果小数点后应保留二位，故修约后计算结果为15.29。,（2）作乘除运算时，在各数中，以有效数字位为基准数，将其余各数修约至比基准数多一位有效数数字(与小数点位置无关)，而所得积或商的有效位数修约至与基准数相同。例如，12.450、13.1、1.5678三数相乘，有效数字位数最少的数为13.1其余两数修约后得12.41.57=255。,（3）将数平方与开方所得结果的有效数字与原来位数相同或多保留一位有效数。,（4）用对数进行运算时，所取对数应与真数有效数字位数相同。例如取lg32.8=1.52。查表时应按相同位数查找。,（5）若计算中出现如e、1/3等常数时，视具体情况而定，需要几位就取几位,有效数字的运算规则,10.1.3误差理论,18,3、曲线绘制,在分析两个(或多个)物理量之间的关系时，将数字、公式用曲线表示能达到更为形象和直观的效果。因此，测量结果常用曲线来表示。绘制曲线的基本要点如下。,1选择合适的坐标系,曲线表达常用的坐标系有直角坐标、对数坐标和极坐标等。例如，当自变量取值范围很宽时，可用对数坐标。,2坐标分度要合理,坐标分度要合理，并与测量误差相吻合。例如，误差为0.1，坐标的最小分度值应取0.1或0.2，在坐标纸上就能读到0.1左右。若选用的比例尺寸过大，则会夸大原有的测量准确度，反之则会牺牲原有的标准度，且作图困难,10.1.3误差理论,19,在坐标纸上只描绘一组数据所构成的曲线时，其测试点可用“”或“。”表示，若在同一坐标平面上描绘几组曲线时，为便于区分各组曲线，则应选用不同的标记或不同的颜色来表示。,在实际测量中，因为各种误差的影响使测量数据出现离散现象，所以不能把各测量点直接连接起来构成一条折线，而应作出一条尽可能靠近各数据点且又相当平滑的曲线，这个过程称为曲线的修匀。各测量点构成的对比情况，如图10.1所示。,图10.1修匀前后的曲线,10.1.3误差理论,4曲线修匀,3曲线的数据表示标记,20,五.测试标准,所谓标准就是依据科学技术和实践经验的重复事物，以特定程序和特定形式颁布的统一规定。,一个有效的通信标准通常是由电信部门、研究设计部门、制造厂家和营运用户的通力合作制定出来的。,通信标准的宗旨是规范网络结构、设备性能及其关键器件等，确保通信网全网运行安全可靠,2,标准层次,长期以来，我国通信部门在判定光纤光缆质量优劣中执行的标准层次，如图10.2所示,国际标准,国际标准,行业标准,进网要示,企业标准,工程设计规定,技术规范,维护规范,图10.2 标准层次,10.1.3误差理论,1.标准,21,10.1.3误差理论,国际标准通常是由国际组织成员国提出的草案，并以过反复协商后形成正式文本发布，供全世界范围参照执行的标准。例如有关光纤光缆性能和光纤测试方法所涉及到的国际标准主要有：国际电工委员会的IEC60793（1998）、IEC60794（1999）和国际电信联盟的IUT-TG.650G.655（2000）等。,国家标准是由国内科研院所、设计、生产使用部门起草，各部门委提出，经国家质量技术监督局批准发布，供国内参照执行标准，例如，GB/T 15972.115972.5-1998光纤总规范，GB/T 7424.1-1998 光缆总规范等,行业标准是由某行业国内科研院所、设计、生产使用部门起草，由该行业的主管标准部门提出，经该行业部委批准发布，供某行业内部参归照执行的标准。,22,进网要求作为光纤光缆技术规范、工程设计规范和维护规范的技术依据，是光纤光缆在寿命终止前和处于所允许的最恶劣环境条件下仍要满足的基本要求。,企业标准是企业内部自行制定的标准。企业标准除了需要引用进网要求的一些重要技术规定外，还应作出更详细的技术规范，用于直接指导光纤光缆的研制、生产和使用。企业标准中对其产品的性能要求应经进网要求行业标准和国家的指标更严格。,工程设计规范则依照实际工程设计的需要规定工程规模、工程概要、供货范围、报价和交货时间。同时还要依据进网要求规范工程设计需要的主要技术指标、检验程序等事宜。,维护规范要按照具体维护要求作出具体规定，并可能有特殊的规范要求,10.1.3误差理论,23,10.2 光纤传输特性的测量,10.2.1 光纤损耗的测量,1光纤的损耗的含义,如前所述，所谓光纤损耗，它指的是功率随着传输距离的增加而按数规律衰减，通常用衰减系数来表示，即单位长度光纤引起的光功率衰减称为衰减系数，符号为严格来说，在光纤不同位置，不同，即应表示为(z)，或P(z,1,)和P（Z,2,）分别为光纤在Z,1,和Z,2,处的光功率（光由Z,1,传向Z,2,），则它们的关系为,(10.4),但是，对于单模光纤或达到稳态模分布多模光纤来说，可以认为(z)与z无关，因此光纤的衰减系数定义为,dB/km,(10.5),式中，L=z,2,z,1,。,衰减系统越大，光纤的损耗越大，反之亦然,24,2光纤损耗的测量方法,10.2 光纤传输特性的测量,根据原CCITT规定，衰减系统的测量方法以截断法为基准，插入法和后向散射法为替代法。,（1）截断法,截断一种测量精度最好的方法，但其缺点是要截断光纤，截断法的测量方框图如图10.3所示,偏值电路,光 源,斩波器,注入系统,1,0,2,光电检测器,锁相放大器,光功率计,截 断,图10.3 截断法衰减测试方框图,被测光纤,25,测量过程中要示图中的光源保持位置、波长及输出光功率稳定，光电检测器的灵敏度与线性要好，且与光源的谱线性相匹配。,注入条纹将光源发出的光耦合进光纤，并使之满足一定的注入条件。,斩波器（又称截光器）是一种能使光束周期断续的器件，例如是一个有径向开缝的转盘，它将直流信号变为交变的光信号，作为参考光信号送到锁相放大器中，与通过被测光纤光信号锁定，以克服直流漂移和暗电流等影响，确保测量精度。,测量步骤如下：,取一条被测的长光纤接入测量系统中，并在图中“2”点位置用光功率计测出该出该点的光功率P(z,2,)，然后，保持光源的输入状态不变，在离被测光纤输入端2m的“1”点处，将光纤截断，测量“1”点处，将光纤截断，测量“1”点处的光功率P(z,1,)，知道了“1”，“2”点间的距离z,2,z,1,，将它以及P(z,1,)，P(z,2,)值代入式（5-2）中，即可算出这段光纤的平均衰减系数。,10.2 光纤传输特性的测量,26,（2）插入法,插入法具有非破坏性和使用简便的特点，插入法的测量方框如图10.4所示,偏值电路,光 源,斩波器,注入系统,1,0,2,光电检测器,锁相放大器,光功率计,短光纤,被测光纤,图10.4 插入法衰减测试方框图,10.2 光纤传输特性的测量,27,测量步骤如下：,先将1，2 两点用一短光纤相连，短路光纤损耗可近似为0，此时测量出功率P1就相当于是发送部分的入纤功率。然后再将被测光纤连到“1”，“2”之间，此时测出功率P2就是被测光纤出纤光功率。如果被测光纤长为Lkm，则全长光纤的平均衰减系数为,(10.6),需要说明的是，测试中活动连接器的质量可能会影响测试精度,10.2 光纤传输特性的测量,28,（3）后向散射法,后向散射法具有非破坏性和可单端测试的特点,测量原理,如果在光纤输入端射人一个强的光窄脉冲，这个光窄脉冲在光纤内传输时，由于光纤内部不均匀性将产生瑞利散射（当然，遇到光纤的接头，甚至于断点也要产生的散射），这种散射光有一部分沿光纤返回，向输入端传输，这种连续不断向输入端传输的散射光称为后向散射光。靠近输入端的光波传输损耗少，散射回来的信号就强，离输入端远的地方光波传输损耗大，散射回来的信号就弱。,下面具体推导如何从后向散射光中提取出衰减信号、设光波由光纤的输入端传到z点，再由z点散射后，部分光波返回输入端，严格来说，由于光纤轴向的非均匀性，光纤各点对光波的损耗不同，因而衰减系数应是z的函数，设正向传输时的衰减，此时光功率变为P(z)，则有,(10.7),10.2 光纤传输特性的测量,29,在z点发生散射后，一部分光返会成为后向散射光，这部分光功率与P(z)的比值成为后向散射系数，用S表示。后向散射光传输到光纤输入端，由于反向衰减，吃时的光功率变为Ps(z)，它表示的是在z点的散射光返回到输入端的光功率，它的表示式为,(10.8),将式(10.7)代入式(10.8)，则有,(10.9),如果取光纤从0z的平均衰减系数为,，则有,(10.10),10.2 光纤传输特性的测量,30,由此可以得到被测光纤中任意两点z,1,z,2,间的平均衰减系数为,将式(10.10)代入式(10.9)，则有,(10.11),(10.12),由式(10.12)可知道，只要能测出z,1,z,2,，通常依据这种原理理进行的损耗测量是由光时域反射计来完成,10.2 光纤传输特性的测量,31,光时域反射原理方框图,光时域 反身计简写为OTDR，它的原理方框图如图10-5所示,脉 冲,发生器,图,10-5,OTDR 原理方框图,光 源,光方向,耦合器,被测光纤,光电检测器,放大器,信号处理,装 置,数据输出,装 置,主时钟,示波器,10.2 光纤传输特性的测量,32,图中的主时钟产生标准的钟信号；脉冲发生器是根据这个时钟产生符合要求的窄脉冲，并用它来调制光源；光方向耦合器将光源发出的光，耦合到被测光纤，同时将散射和反射的信号耦合进光电检测器，再经放大信号处理后送入示波器显示输出波形及在数据输出系统输出有关数据，其中要进行信事情处理的原因是，后向散射光非常微弱，淹没在一片噪声中，因此，要用取样的积分器，在一定时间间隔内，对微弱的散光波取样并求和，在这个过程中，由于噪声是随机的，在求和时抵消了，从而将散射信号取出。,10.2 光纤传输特性的测量,33,图10-6OTDR 显示的曲线图形,一条有代表性的测测量曲线如图10-6所示，下面以它为例，说明光张中可能出现的衰减情况。,图中，A点为光纤输入端，在此端面上光发生菲涅尔反射，而且信号最强；曲线在B点有一突降，说明,光纤在此处有一个接头或其他缺陷，引起对光波的大幅度,衰减；曲线在C点突然上升，说明光纤在此处有一个断裂面或其他缺陷引起莫涅尔反射；D点为光纤输出端，在此端面上同样发生菲涅尔反射，之后信号消失,A-B段与B-C段的曲线都是逐渐降低且近乎直线，说明这两段光纤的轴向衰减是均匀的,只是B-C段曲线下降更平缓一些，说明这段光纤比前段光纤衰减系数要小,C-D段曲线不是直线，说明这段光纤轴向结构不太均匀。,10.2 光纤传输特性的测量,34,10.2.2 色散的测量,1光纤色散的含义,数字信号在光张中传输时是由不同的频率成分或不同的模式成分来携带的，这些不同的频率成分或模式成分有不同的传输速度，当它们在光纤中传输一段距离后将互相散开，于是光脉冲展宽，这种现象称为色散。,光纤的色散可以从光纤的时域特性和频域特性两方面来描述，光脉冲波形在时间上发生了展宽实际上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（不是无限宽），所以就用光纤的频带宽度来从频或域特性描述光纤的色散效应，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到这个“网络”的制约，在这个“网络”带宽以外的频率成分将被抑制掉，从而光脉冲出现了频率失真。由于时间波形与它的频率成份是一一对应的，因此这种频率失真反映到波形上，就是光脉被展宽。,35,光纤色散包括材料色散色、导波色散、和模式色散，材料色散和波导色散都由于信号由不同频率成分携带而引起脉冲展宽，所以它们也称频率色散。模式色散是由于信号不同模式成分携带而引起的脉展宽，在多模光纤中，三种色散都存在，只是模式色散远大于频率色散，所以主要考虑模式色散，并用光纤带宽来描述，在单模光纤中，只存在频率色散，用色散系数来描述,对单模光纤色散系数的测量需要用更精密的测量方法，这此方法主要有相移法和脉冲时延法，前者为基准测试方法，后者为替代测试法。,10.2.2 色散的测量,36,方法A：相移法,不同波长的信号经过相同光纤传输后，因时延不同而表现出相位移动的不同，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，进而导出色散系统的一种方法。,测量原理,设正弦调制信号的频率为,f,（MHz），被测验光纤长度为L(km)，输入信号的不同波长分加紧为,1,2,.,n,记为,为了测量方便，设一个参考光波长为,f,则对于输入不同波长的信号经过光纤传输后产生相移差都是相对参考波长而言，设,i,和,f,间经光纤传输后的时延差为,t,i,相移差为,通过测量，得到,又因为,ps,10.2.2 色散的测量,37,于是，每公里的平均时延差为,ps/km,这样，能过测量不同波长,下的,，,根据上式计算出一组,值，然后按下同光纤的群时延公式,进行曲线拟合,从而求出公式中有关系数，进而求得该光纤的色散系数。,10.2.2 色散的测量,38,测量装置,10.2.2 色散的测量,图10-7示出了用相移法测量色散系数的一种装置，图中，光源采用LD激光器，要求具有稳定的光源强度和波长，相位计用来测量参信号与被测信号间的相移差，此装置光路分简单，测试动态范围大，但需要多个激光器，挑选困难，价格昂贵。,LD,1,LD,2,LD,n,光开关,0,被测光纤,图,10-7,相移法测色散系数方框图,光电检测器,放大器,LD,f,参考信号光纤链路,光电检测器,放大器,相位计,信号发生器,计算机,多个激光器,39,方法B：脉冲时延法,脉冲时延法是通过测量经同一窄脉冲调制后的不同波长的光信号，经光纤传输后产的时延差，然后接按定义计算出色散系数，由于信号经光纤传输后会发生脉冲展宽，所以只有用足够窄的窄脉冲调制信号，在按收端才能把两个不同波长的信号区分开。,测量原理,设被测光纤长度为L(km),输入信号不同的波长分别为,记为,（,i,=1,2，n）为了测量的需要，找一个参考光波长,这样，输入不同波长的信号经过光纤传输后产生的时延差都是相对于参考波长而言，设 和 间经光纤输后的时延差为,t,i,10.2.2 色散的测量,40,10.2.2 色散的测量,通过示波器观测到的t,i,，如图10-8所示，于是，单位长度平均时延差为,ps/km,到此之后可与相移法一样，求得色散系数,图10-8脉冲时延法取样示波器波形示意图,41,测量装置,图10-9示出了用脉冲时延法测量色散系数的一种装置，图中光源为LD激光器，要求具有稳定的光源强度和波长脉冲发生器要求能产生足够窄的窄脉冲，光电检测器要求具有足够高的响应度。示波器须采用带宽极高的高速取样示波器，以观测到不同的波长的极小相对的时延差，需说明的是，脉冲发生器发生的、经过延后直接送到示波器的脉冲是作为参考波长的脉冲信号。,LD,1,LD,2,LD,光,开关,0,被测光纤,图,10-9,脉冲时延法测色散系统方框图,光电检测器,放大器,脉 冲,发生器,取样,示波器,n,计算机,多个激光器,时 延,10.2.2 色散的测量,42,10.2.3 偏振模色散的测量,一个特定波长的信号能量分配到两个正交的偏振模上.因为任何光纤其截面都不是理想的圆,材料也不可能具有理想的对称性,而且沿长度方向上还是变化的,所以就产生了沿长度方向变化的双折射.每个偏振模式传播的群速度有微小差别,这样就导致了场的偏振取向随着距离变化发生旋转.在特定波长上两个偏振模式的传播时间差,pol,会导致脉冲展宽,这就是所谓的偏振模色散(PMD),1 色散的概念,1斯托克斯参数法，,2偏振态法，,3干涉法,测试方法主要有,43,10.3 光纤的机械性能与环境性能测量,10.3.1 光纤机械性能的测量,1 光纤强度的测量,测量方法,裂纹及断裂,光纤制造中石英玻璃的理论强度是由(Sio,4,)分子之间的键结合力所决定的.然而,石英玻璃光纤基体存在的微小不均匀性、高温熔融骤冷拉丝使表面形成应力分布不匀及环境尘埃、机械损伤等致使光纤产生微裂纹。特别应指出的是光纤强度基于光纤表面微裂纹有关。,44,(2)裂纹生长,假设石英玻璃光纤长度方向分布着非常小的物理缺陷或微裂纹。这样光纤的临界断裂的发生常常是因为受到潮湿、尘埃、化学物质作用使表面强度变弱。石英玻璃光纤的包层玻璃周围涂覆辙聚合物涂覆层或密封膜（例如，非晶态碳膜和施加金属涂覆层）旨在减小这些消弱光纤强度的作用。,在理想惰性环境条件下（低温、湿度为零、高真空），任何裂纹都不会生长。仅当外界舍家的应力增加到KIC时，断裂才会发生。,在非惰性环境下的光纤（如高温、潮湿、环境中有水分或化学物质），任何施加应力都会使裂纹生长。由于二氧化硅键发生水解，故它被称作为应力腐蚀,10.3 光纤的机械性能与环境性能测量,45,（3）疲劳,在一定条件下，光纤表面微裂纹生长扩大至光潜断裂的过程称为光纤的疲劳。通常，人们按施加的应力方式不同，将疲劳分为静态疲劳和动态疲劳,静态疲劳:,静态疲劳即施加一个恒定的应力，测量其断裂时间,动态疲劳:,动态疲劳即施加一个具有恒定速率的应力，测量加载和断裂时间,（4）使用寿命,当光纤处在真空环境中，由于没有水分存在，所以不会发生应力腐蚀，其疲劳参数n（如n,d,和n,s,）为最大值，光纤也具有最高的强度，这时的强度就是光纤的惰性强度S,i。,10.3 光纤的机械性能与环境性能测量,46,2测量方法,（1）筛选试验,测量原理,为了保证一个最低的光纤强度，筛选试验是最好的方法。筛选试验的木的就是将整个光纤制造程度上的强度低于或等于筛选应力的点去除，保证幸存光纤的机械可靠性。ITU-T G.650规定的筛选试验的基准试验方法为纵向张力法。,纵向张力法测量原理是一种施加张力荷载至拉丝涂覆后的整根连续长度光纤上。被测的初始光纤会段成几段短光纤，可以认为每段短光纤已通过筛选试验,10.3 光纤的机械性能与环境性能测量,47,实验装置,通常，光纤光缆生产中用来进行光纤筛选试验的试验有两种类型：制动轮筛选试验机和固定重量筛选试验机,实验程序,试样应是一根全长光纤，两端的端段可能不能满足筛选试验期间的所有技术要求，如最大卸载时间，应该在筛选试验后去掉。短段试样光纤长度的典型值小于50m。,筛选试验后，光纤的完全断裂证明光纤受到破坏。检验光潜断裂的方法包括：目视检查和OTDR测量。将断裂区去处后，经受住的光纤长度被认为通过了筛选试验,10.3 光纤的机械性能与环境性能测量,48,（2）抗拉强度,测量原理,筛选试验只是保证了光纤的最低强度，在一根实际的石英玻璃光纤表面，存在着许多微裂纹，简单的对光潜施加应力，那么沿着光纤长度方向和在光潜的横截面积中均匀的存在着应力。我们也可以用光纤断裂累积概率的威泊尔分布来表征光纤的强度，即：一定长度的光纤，在应力的作用下，光纤的断裂累积概率可用威泊尔分布来描述。,式中，F为小于或等于的应力下光纤断裂的累积概率；,0,是在“标距”长度L,0,下测得的，与e,-1,或36.8%的累积概率相对应的强度；L,0,、,0,和m均为常数,10.3 光纤的机械性能与环境性能测量,49,实验装置,光纤抗拉强度的实验装置为一台合适的拉力机。拉力机的拉伸方向可以是垂直的或水平的。拉力机的拉伸速度每分钟应为试样长度的约35。夹持光潜可用卡盘或其它合适的方法，光纤夹具应不使光纤试样损坏和打滑,实验程序,应使制备的试样受试长度达到1m（短试样）或1020m（长试样）。如果需要，试样可在温度20,o,C的自来水槽中或在气候室（如控制温度23,o,C和相对湿度95）中作预处理。与处理时间应不少于24h.,10.3 光纤的机械性能与环境性能测量,50,二.疲劳参数,定义,在一定一例条件下,光纤表面微裂纹生长扩大至光潜断裂的过程称为光纤的疲劳.通常,按施加应力的模式光纤的疲劳可分为:静态疲劳和动态疲劳,2.测量方法,任何光纤的疲劳试验都应在尽可能接近实际应用的模拟条件下确定断裂应力和疲劳性质.ITU-T G.650推荐的疲劳参数试验方法有:动态疲劳的轴向张力法、动态疲劳的两点弯曲法、静态疲劳的轴向张力法、静态疲劳的两点弯曲法和静态疲劳的均匀弯曲法。,10.3 光纤的机械性能与环境性能测量,51,(1)动态疲劳参数的轴向张力测试法,测量原理,轴向张力法是用来确定光纤在规定的恒定应变速率下的动态疲劳参数。轴向张力法测量原理是通过改变应变速率来检验光纤的动态疲劳性能。这个试验方法适用于断裂应力值的对数与应变速率的对数呈线性关系的那些光纤和应变速率,试验装置,轴向张力法测定光纤动态疲劳参数n,d,的实验装置主要组成有：试样夹持装置、力值传感器、可变速度驱动装置等。,10.3 光纤的机械性能与环境性能测量,52,试验程序,所有试样应在实验环境中至少预处理24h。试验应在恒定的环境条件下进行。试验期间，温度的标称值应在20232,o,C之内；相对湿度的标称值应在40605之内；为获得可靠的实验结果，要求相对湿度的标称值靠近50RH。,轴向张力法测量光纤动态疲劳参数的实验程序如下：设定和记录标距长度，设定和记录应变速率，将夹持轮返回到标距长度的间隔位置。将光纤试样两端依次安装在夹具上。光纤的切线点应与负载标定时处于同一位置。引导每根试样，在卡盘上至少缠绕要求的圈数，各圈不得相互交叉。将负载记录仪置于零位。启动电机拉伸光纤，记录应力与时间的关系曲线，直至光潜断裂，关掉电机。,10.3 光纤的机械性能与环境性能测量,53,(2)静态疲劳参数的轴向张力测试法,测量原理,轴向张力法又可以用来确定单根光纤段在张力下的静态疲劳参数。轴向张力法测量光纤静态疲劳参数的测量原理是通过改变施加的应力大小来检验光纤的静态疲劳性能,试验装置,如所示的是两种轴向张力实验装置,图 10-10 静态疲劳轴向张力实验装置,10.3 光纤的机械性能与环境性能测量,54,实验程序,每个标称应力水平下的样本大小应至少为15个光纤试样。应对至少五种不同的标称施加应力水平,a,进行试验。标称应力的选择应使其中值断裂时间大约从1小时30天，使得在对数坐标纸上有大约相等的间距。对标准的石英玻璃光纤，达到这一要求的负载范围为3050N。,有与断裂时间取决于光纤断裂应力和疲劳参数，所施加的实际标称应力水平和施加的应力水平的个数能反复来确定。换句话说，开始试验时可以用一个宽的应力水平范围，将断裂太快或太慢的实验数据舍去。,样品做完预处理之后，安装在试验装置上，监测并记录每根光纤断裂的时间。对一样品在给定的标称应力水平下进行试验时，只要中间样品已断裂，就可提前终止试验。若多半样品已断裂，在所有余留样品断裂以前就可进行计算并确定中值断裂时间。,10.3 光纤的机械性能与环境性能测量,55,三、可剥性,测量原理,光纤的可剥性的测量原理是利用立式拉力机提供受试光潜和剥离工具之间的相对运动来定量确定沿光纤纵向机械剥去保护涂覆层所需的力。,2.试验装置,光纤涂覆层剥离实验装置主要有：拉伸装置、力值传感器、转换放大器和剥离工具等,3.试验程序,试验光纤的一端应紧固在试验夹具上，使其在加载时不打滑（例如光纤在直径为80mm的轮子上绕三圈）。光纤的另一端穿过剥离工具，并插入到光潜导向孔中。距光潜断头规定的距离处切开涂覆层。观察、测量并记录剥去玻璃光纤涂覆