對(duì)光纖以及光纖通信系統(tǒng)的測(cè)量方法作了一些簡(jiǎn)單介紹，主要介紹了光纖測(cè)量：?jiǎn)文９饫w模場(chǎng)直徑、光纖損耗、光纖色散與帶寬的測(cè)量；光纖通信系統(tǒng)測(cè)量：光發(fā)射機(jī)發(fā)送光功率、光源消光比、光接收機(jī)靈敏度、光接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍、眼圖的測(cè)量。

　　光纖通信 技術(shù)是近20年來(lái)迅猛發(fā)展的新興技術(shù)，是世界新技術(shù)革命的重要標(biāo)志，又是未來(lái)信息社會(huì)中高速信息網(wǎng)的主要 傳輸工具。由于光纖的傳光性能極其優(yōu)良，因此光纖通信方式現(xiàn)己成為光通信的主流。在現(xiàn)存及設(shè)計(jì)的光纖通信系統(tǒng)中，我們必須對(duì)其進(jìn)行測(cè)量以確定現(xiàn)存及設(shè)計(jì)的 光纖通信系統(tǒng)是否能夠達(dá)到系統(tǒng)要求。光纖通信的測(cè)量應(yīng)包括光纖本身的測(cè)量和光纖通信系統(tǒng)的測(cè)量。

一、光纖參數(shù)的測(cè)量

　　1.單模光纖模場(chǎng)直徑的測(cè)量

　　從理論上 講單模光纖中只有基模(LP0l)傳輸，基模場(chǎng)強(qiáng)在光纖橫截面的存在與光纖的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而模場(chǎng)直徑就是衡 量光纖模截面上一定場(chǎng)強(qiáng)范圍的物理量。對(duì)于均勻單模光纖，基模場(chǎng)強(qiáng)在光纖橫截面上近似為高斯分布，通常將纖芯中場(chǎng)強(qiáng)分布曲線值1／e處所對(duì)應(yīng)的寬度定 義為模場(chǎng)直徑。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)它是描述光纖中光功率沿光纖半徑的分布狀態(tài)，或者說(shuō)是描述光纖所傳輸?shù)墓饽艿募谐潭鹊膮⒘?。因此測(cè)量單模光纖模場(chǎng)直徑的核心就是 要測(cè)出這種分布。

      測(cè)量單模光纖模場(chǎng)直徑的方法有：橫向位移法和傳輸功率法。下面介紹傳輸功率法。

      取 一段2米長(zhǎng)的被測(cè)光纖，將端面處理后放入測(cè)量系統(tǒng)中，測(cè)量系統(tǒng)主要由光源和角度可以轉(zhuǎn)動(dòng)的光電檢測(cè)器構(gòu)成。光纖 的輸入端應(yīng)與光源對(duì)準(zhǔn)。另外為了保證只測(cè)主模(LP01)而沒有高次模，在系統(tǒng)中加了一只濾模器，的辦法是將光纖打一個(gè)直徑60mm的小圓圈。當(dāng)光 源所發(fā)的光通過被測(cè)光纖，在光纖末端得到遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖，用檢測(cè)器沿極坐標(biāo)作測(cè)量，即可測(cè)得輸出光功率與掃描角度間的關(guān)系，P—θ線如圖2所示。然后，按模場(chǎng) 直徑的定義公式輸入P和θ值，由計(jì)算機(jī)按計(jì)算程序算出模場(chǎng)直徑。

      2.光纖損耗的測(cè)量

      光纖損耗是光纖的一個(gè)重要傳輸參數(shù)。由于光纖有衰減，光纖中光功率隨距離是按指數(shù)的規(guī)律減小的。但是，對(duì)于單模光 纖或近似穩(wěn)態(tài)的模式分布的多模光纖衰減系數(shù)a是一個(gè)與位置無(wú)關(guān)的常數(shù)。若設(shè)P(Z1)為Z＝Z1處的光功率，即輸入光功率。若設(shè)P(Z2)為Z2處的光功 率，即這段光纖的輸出功率。因此，光纖的衰減系數(shù)a定義為

      因此，只要知道了光纖長(zhǎng)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系數(shù)a。測(cè)量光纖的損耗有很多種辦法，下面只介紹其中的兩種辦法。

       1)截?cái)喾?/span>

　　截?cái)喾ㄊ且环N測(cè)量精度辦法，但是其缺點(diǎn)是要截?cái)喙饫w。這種測(cè)量方法的測(cè)量方框如圖3所示。

       取一條被測(cè)的長(zhǎng)光纖接入測(cè)量系統(tǒng)中，并在圖中的“2”點(diǎn)位置用光功率計(jì)測(cè)出該點(diǎn)的光功率P(Z2)。然后，保持光 源的輸入狀態(tài)不變，在被測(cè)量光纖靠近輸入端處“1”點(diǎn)將光纖截?cái)啵瑴y(cè)量“l(fā)”點(diǎn)處的光功率P(Z1)。這個(gè)測(cè)量過程等于測(cè)了1～2兩點(diǎn)間這段光纖的輸入光 功率P(Z1)和輸出光功率P(Z2)，又知道“1”、“2”點(diǎn)間的距離Z2-2l，因此，將這些值代入

       即可算出這段光纖的平均衰減系數(shù)。

       在測(cè)量方框圖中斬波器(又稱截光器)是一種能周期斷續(xù)光束的器件。例如是一個(gè)有徑向開縫的轉(zhuǎn)盤。它將直流光信號(hào)變?yōu)榻蛔児庑盘?hào)，作為參考光信號(hào)送到鎖相放大器中，與通過了被測(cè)光纖的光信號(hào)鎖定，以克服直流漂移和暗電流等影響，以確保測(cè)量精度。

       2)背向散射法

       測(cè)量原理。用背向散射法測(cè)量光纖損耗的原理與雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的原理相似。在被測(cè)光纖的輸入端射入一個(gè)強(qiáng)的光脈沖，這個(gè)光窄脈沖在光纖內(nèi)傳輸時(shí)，由于光纖 內(nèi)部的不均勻性將產(chǎn)生瑞利散射(當(dāng)然遇到光纖的接頭及斷點(diǎn)將產(chǎn)生更強(qiáng)烈的反射)。這種散射光有一部分將沿光纖返回向輸入端傳輸，這種連續(xù)不斷向輸入端傳輸 散射光稱為背向散射光。從物理概念上看，這種背向散射光就將光纖上各點(diǎn)的“信息”送回了輸入端?？拷斎攵说墓獠▊鬏敁p耗少，故散射回來(lái)的信號(hào)就強(qiáng)，離輸 入端遠(yuǎn)的地方光波傳輸損耗大，散射回來(lái)的信號(hào)就弱。人們就用這種帶有光纖各點(diǎn)“信息”的背向散射對(duì)光纖的損耗等進(jìn)行測(cè)量。這個(gè)測(cè)量?jī)x器稱為光時(shí)域反射儀， 簡(jiǎn)寫成OTDR(Optical Time Domain Reflectometer)。一條有代表性的測(cè)量曲線如圖4所示。

       曲線上A、D兩個(gè)很強(qiáng)的回波對(duì)應(yīng)于光纖的輸入端面和輸出端面引起的反射。曲線B點(diǎn)對(duì)應(yīng)于一個(gè)光纖接頭引起的散射回 波。C點(diǎn)可能對(duì)應(yīng)于光纖中的一個(gè)氣泡引起的散射回波。怎樣利用光纖的瑞利散射對(duì)光纖進(jìn)行測(cè)量，是關(guān)于從定量的角度進(jìn)行討論。由于現(xiàn)在利用OTDR機(jī)器對(duì)光 纖鏈路的損耗進(jìn)行測(cè)量時(shí)，能直觀、直接從OTDR機(jī)器內(nèi)讀出所需數(shù)據(jù)，所以這里不作定量討論。

       光時(shí)域反射儀原理方框圖，如圖5所示。這種儀表的工作原理是：首先用脈沖發(fā)生器調(diào)制一個(gè)光源使光源產(chǎn)生窄脈沖光 波，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)耦入光纖。光波在光纖中傳輸時(shí)出現(xiàn)散射，散射光沿光纖返回，途中經(jīng)過光纖定向耦合器輸入光電檢測(cè)器，經(jīng)光電檢測(cè)器變?yōu)殡娦盘?hào)，再經(jīng)放大及信 號(hào)處理送入顯示器。其中對(duì)信號(hào)處理的原因是，背向散射光非常微弱，淹沒在一片噪聲中，因此，要用取樣積分器積分，在一定時(shí)間間隔對(duì)微弱的散射信號(hào)取樣并求 和。在這過程中，由于噪聲是隨機(jī)的，在求和時(shí)抵消掉了，從而將散射信號(hào)取了出來(lái)。用OTDR除了可以測(cè)量光纖的損耗以外，還可以觀察光纖沿線的損耗情況， 以及某損耗突然變化點(diǎn)的裝置，光纖接頭的插入損耗等。OTDR還有一個(gè)工程上的重大用處，能夠方便地找出光纖的斷點(diǎn)?，F(xiàn)在用OTDR測(cè)量光纖損耗是 的一種方法。優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量非破壞性，功能多，使用方便。但是，在使用時(shí)始終有一段盲區(qū)。另外用OTDR從光纖兩端測(cè)出的衰減值有差別，通常取平均值。

       3.光纖色散與寬帶的測(cè)量

       光纖的色散特性是影響光纖通信傳輸容量和中繼距離的一個(gè)重要因素。在數(shù)據(jù)信號(hào)通信中，如色散大，光脈沖展寬就嚴(yán) 重，在接收端就可能因脈沖展寬而出現(xiàn)相鄰脈沖的重疊，從而出現(xiàn)誤碼。為了避免出現(xiàn)這種情況，只好使碼元間隔加大，或使傳輸距離縮短。顯然這就使得傳輸容量 降低，中繼局距離變短，這是人們所不希望的。在模擬傳輸中，同樣由于色散大，不同頻率的模擬光信號(hào)頻譜不相同，在接收端就會(huì)使模擬信號(hào)出現(xiàn)嚴(yán)重失真。同樣 為了避免出現(xiàn)這種情況，只好使傳輸模擬帶寬下降，或傳輸距離縮短，這是人們所不希望的。為此，高碼率、寬帶寬模擬信號(hào)的光纖通信系統(tǒng)中對(duì)光纖的色散就要認(rèn) 真考慮。如同前面所述，因?yàn)楣饫w色散造成光脈沖的波形展寬，這是從時(shí)域觀點(diǎn)分析的情況，若是從頻域角度來(lái)看，光纖有色散就表示光纖是有一定傳輸帶寬的。因 此脈沖展寬和帶寬是從不同角度描述光纖傳輸特性的兩個(gè)緊密聯(lián)系的參量

       從測(cè)量方法上與此對(duì)應(yīng)也有兩種方法。一種是從時(shí)域角度來(lái)測(cè)量光脈沖的展寬；另一種是從頻域角度來(lái)測(cè)量光纖的基帶寬度。

       1)用時(shí)域方法來(lái)測(cè)量脈沖展寬

       測(cè) 量原理。首先為了使問題還不至于復(fù)雜，假設(shè)輸入光纖和從光纖輸出的光脈沖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)的波形圖，從值A(chǔ)1降到A1/2時(shí)的寬度為Δτ1。圖6（b)是光纖的輸出光功率Pout(t)的波形圖，其幅度降為一半時(shí)的寬度為 Δτ2可以證明，脈沖通過光纖后的展寬Δτ與其輸入、輸出波形寬度Δτ1和Δτ2的關(guān)系為:

(1-1)

       由此可見，Δτ不是Δτ2與Δτ1的簡(jiǎn)單相減的關(guān)系。所以，只要將測(cè)出來(lái)的Δτ1和Δτ2代入上式即可以算出脈沖展寬Δτ。求出Δτ以后，再根據(jù)脈沖的展寬Δτ和相應(yīng)的帶寬B間的公式

B＝0.44／Δτ (1-2)

       將Δτ代入式中可求出相應(yīng)的光纖每公里帶寬。若Δτ的單位用ns，則B的單位是MHz。

       測(cè)量方框圖。用時(shí)域法測(cè)量光纖的脈沖展寬(進(jìn)而計(jì)算出光纖帶寬的方框圖如圖7所示)

       首先用一臺(tái)脈沖信號(hào)發(fā)生器去調(diào)制一個(gè)激光器。從激光器輸出的光信號(hào)通過分光鏡分為兩路。一路進(jìn)入被測(cè)光纖(由于色 散作用，這一路的光脈沖信號(hào)被展寬)，經(jīng)光纖傳輸?shù)竭_(dá)光電檢測(cè)器1和接收機(jī)1，送入雙蹤取樣示波器并顯示出來(lái)，這個(gè)波形相當(dāng)于前面講的Pout(t)。另 一路，不經(jīng)過被測(cè)光纖，通過反射鏡直接進(jìn)入光檢測(cè)器2和接收機(jī)器2，然后也被送入雙蹤示波器顯示出來(lái)。由于這個(gè)波形沒有經(jīng)過被檢測(cè)光纖，故相當(dāng)于被測(cè)光纖 輸入信號(hào)的波形，即相當(dāng)于Pin(t)。從顯示出的脈沖波形上分別測(cè)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。最后還應(yīng)該指出，用這種方法測(cè)量單模光纖比較困難，因?yàn)槠洇う犹　?/span>

       2)用頻域法測(cè)量光纖帶寬

       頻域法測(cè)量，就是用一個(gè)掃頻振蕩器產(chǎn)生的頻率連續(xù)變化的正弦信號(hào)去調(diào)制激光器，從而研究光纖對(duì)于不同的頻率，來(lái)調(diào)制的光信號(hào)的傳輸能力。具體的說(shuō)，就 是要設(shè)法測(cè)出光纖傳輸己調(diào)制光波的頻率響應(yīng)特性。得到了頻率響應(yīng)特性后，即可按一般方法求出光纖的帶寬。

       設(shè)Pin(f)為輸入被測(cè)光纖的光功率與調(diào)制頻率f間的關(guān)系。Pout(f)為被測(cè)光纖輸出的光功率與調(diào)制頻率f 關(guān)系。則被測(cè)光纖的頻率響應(yīng)特性H(f)為H(f)＝Pout(f)／Pin(f)，若以半功率點(diǎn)來(lái)確定光纖的帶寬fc即 10lgH(f)=10lg[Pout(f)/Pin(f)]＝10lg1／2＝-3dB。fc稱為光纖的3dB光帶寬。用頻域法測(cè)量光纖帶寬的方框圖如 9所示：

       由于測(cè)量光纖的頻率響應(yīng)特性，需要測(cè)出輸入光纖的光功率特性和從光纖輸出的光功率特性，即需要得到兩個(gè)信號(hào)，故在 圖9中用一條短光纖的輸出光功率來(lái)代替被測(cè)光纖的輸入光功率。在圖9中，由掃頻信號(hào)發(fā)生器輸出一個(gè)頻率連續(xù)可調(diào)的正弦信號(hào)。利用這個(gè)信號(hào)去對(duì)激光器的光信 號(hào)進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，然后將這個(gè)已調(diào)光信號(hào)耦合入光開關(guān)，由光開關(guān)依次送出兩路信號(hào)，一路光信號(hào)進(jìn)入短光纖，經(jīng)短光纖后面過光電檢測(cè)器送入頻譜分析儀。用短光 纖的輸出信號(hào)來(lái)代替被測(cè)光纖的輸入信號(hào)(由于光纖短，經(jīng)過傳輸后信號(hào)變化很小，故可以認(rèn)為即是輸入信號(hào))。另一路光信號(hào)是經(jīng)過光開關(guān)送入被測(cè)光纖，由連續(xù) 的正弦波調(diào)制的光信號(hào)經(jīng)過光纖傳輸，攜帶了被測(cè)光纖對(duì)不同調(diào)制頻率光信號(hào)的反應(yīng)，從光纖輸出，經(jīng)光電檢測(cè)器送入頻譜分析儀。這樣頻譜分析儀中就得到了被測(cè) 光纖的輸入和輸出兩種光信號(hào)，因此，就可得到被測(cè)光纖的頻率響應(yīng)，從而可測(cè)出光纖的帶寬。

二、光纖通信系統(tǒng)的測(cè)量

       1.光發(fā)射機(jī)發(fā)送光功率的測(cè)量

       因?yàn)樵趯?shí)際的光纖通信系統(tǒng)中，光發(fā)射機(jī)的輸出光功率是在有信號(hào)調(diào)制的情況下，光源輸出的功率，故在測(cè)量光發(fā)射機(jī)發(fā)送光功率時(shí)，就用信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。測(cè)量光發(fā)射機(jī)發(fā)送光功率的方框圖如圖10所示。

       2.光源消光比的測(cè)量

       在數(shù)據(jù)光傳輸系統(tǒng)中，一部性能優(yōu)異的光端機(jī)的發(fā)射機(jī)盤在傳數(shù)字信號(hào)過程中，發(fā)“0”碼時(shí)，應(yīng)無(wú)光功率輸出。但是， 實(shí)際的光發(fā)射機(jī)由于光源器件本身的問題，以及直流偏置，致使發(fā)“0”碼時(shí)也有微弱的光輸出，由理論分析可見，這種情況將使接收機(jī)的靈敏度下降，描述光發(fā)射 機(jī)上述這種性能的指標(biāo)，就是消光比EXT它為：

       測(cè)量光發(fā)射機(jī)消光比的方框圖，仍然可用圖10所示的測(cè)量系統(tǒng)

       3.光接收機(jī)靈敏度的測(cè)量

       測(cè)量方框圖如圖11所示

       當(dāng)測(cè)模擬傳送系統(tǒng)的光接收機(jī)靈敏度時(shí)，由圖可知信號(hào)發(fā)生器為模擬的測(cè)試信號(hào)發(fā)生器，檢測(cè)器為模擬視頻信號(hào)測(cè)試儀。 在光接收機(jī)端，逐漸加大光衰減器的衰減量，(即表示輸入光接收機(jī)的輸入信號(hào)逐漸減少)，這時(shí)由信號(hào)測(cè)試儀測(cè)出的信號(hào)指標(biāo)變劣，直到它有一個(gè)指標(biāo)迅速下降到 規(guī)定的指標(biāo)以下時(shí)，例如指標(biāo)(即表示此時(shí)接收機(jī)的信號(hào)輸出已經(jīng)達(dá)不到指標(biāo)要求的臨界狀態(tài))，這時(shí)將光功率計(jì)接到光衰減器的輸出端，由此測(cè)到的光功率 Pmin既是接收機(jī)的靈敏度。

       當(dāng)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的光接收機(jī)靈敏皮時(shí)，由圖可知信號(hào)發(fā)生器為碼型發(fā)生器，檢測(cè)器為誤碼檢測(cè)器，測(cè)試方法類同，只是誤碼檢測(cè)儀讀出的是誤碼率。

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

       4.光接收動(dòng)態(tài)范圍的測(cè)量

       光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍D＝10lg[Pmax/Pmin]。在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，式中Pmax指滿足誤碼率指標(biāo)下，接 收機(jī)的輸入光功率，Pmin即為接收機(jī)的靈敏度。因而，測(cè)量光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍時(shí)，只要測(cè)出在一定誤碼率指標(biāo)下，接收機(jī)的Pmax和Pmin值并代入 式中即可算出動(dòng)態(tài)范圍。所以，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍的方框圖仍然采用圖11所示的測(cè)量系統(tǒng)。在模擬傳輸系統(tǒng)中，其它都相同，只要滿足的不是誤碼率，而是模擬指標(biāo)， 例如視頻指標(biāo)。

      在測(cè)量過程中，pmin的測(cè)量與前面測(cè)量接收機(jī)靈敏度的過程一樣。測(cè)量Pmax時(shí)，將圖11中的衰減器衰減逐漸減 少,數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的誤碼率檢測(cè)儀中的誤碼率逐漸加大，直到誤碼率增大到某個(gè)規(guī)定的指標(biāo)(例如10-9)。這時(shí)光功率計(jì)讀出的光功率即為Pmax。在模擬傳 輸系統(tǒng)中，Pmax的測(cè)量差別僅是用模擬指標(biāo)測(cè)試儀測(cè)出指標(biāo)，取代誤碼率測(cè)試儀測(cè)出誤碼率。

      5.數(shù)據(jù)光纖通信系統(tǒng)測(cè)量中的眼圖

      一種用直觀方法來(lái)判斷光纖接收機(jī)碼間干擾的辦法，就是用眼圖來(lái)進(jìn)行分析。將這種隨機(jī)的數(shù)字輸出信號(hào)接入示波器，如果將示波器的掃描周期調(diào)整到上述脈沖序列周期T的整數(shù)倍上(例如3T)，顯然示波器將被同步，屏幕上的圖形將穩(wěn)定下來(lái)。

      由于示波器水平掃描每3T就掃描一次，因此,這個(gè)隨機(jī)脈沖序列中每個(gè)三碼元段將重疊在一起。又因熒光屏的余輝，使 得屏幕上所呈現(xiàn)的圖形不是一次掃描產(chǎn)生的三個(gè)碼元段，而是若干段重疊在一起。不僅如此，還由于長(zhǎng)序列脈沖碼元出現(xiàn)的情況是隨時(shí)機(jī)的，故每三個(gè)碼元組成的一 段中，各種碼元的組合情況都可能存在。這樣，將上述各因素都綜合在一起，最后，在示波器屏幕上即顯示出圖12這樣一種像人眼一樣的圖形。

      從上面的眼圖形成過程可以想象，如果無(wú)碼間干擾和噪聲，則該眼圖像人的眼睛一樣張開，而且圖形清晰；當(dāng)有碼間干擾存在時(shí)，圖中的“眼睛”不能張開，而且圖形不清楚。如既有碼間干擾又有噪聲，則眼睛張開更小，圖形更不清晰。