蘇寶璽，陳小君，吳榮琴

(福建師范大學(xué)閩南科技學(xué)院，福建泉州 362332)

基于光通信中光損耗的測(cè)量與研究

蘇寶璽，陳小君，吳榮琴

(福建師范大學(xué)閩南科技學(xué)院，福建泉州 362332)

近年來，隨著光通信的不斷發(fā)展，光纖的應(yīng)用范圍也越來越廣，如光纖光纜的傳輸、光纖傳感器的應(yīng)用、光電子器件等。光纖測(cè)試的重要指標(biāo)之一便是光纖損耗，它對(duì)光纖的傳輸效率具有重要影響，可以減小損耗，提高傳輸效率。本文通過不同的測(cè)試方法對(duì)光纖進(jìn)行損耗測(cè)試與研究，探討如何降低光纖的損耗。

光纖損耗；測(cè)試方式；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

1 光纖損耗的定義

任何傳輸介質(zhì)都存在著損耗，光纖也一樣。光纖損耗的定義為：光纖在每個(gè)單位長(zhǎng)度上的衰減值大小，由于制作材料的緣故，光在傳送時(shí)發(fā)生部分光波能量被吸收的現(xiàn)象，單位為dB/km。同樣，當(dāng)光纖與光纖相互連接時(shí)，由于連接處耦合得不完全，也會(huì)產(chǎn)生損耗，影響光的傳輸效率[1]。因此，研究光纖的損耗特性以降低光纖損耗具有實(shí)際意義。

2 幾種光損耗的實(shí)驗(yàn)測(cè)量

想要了解光纖的損耗，就必須對(duì)光纖進(jìn)行相關(guān)的損耗測(cè)量實(shí)驗(yàn)，本課題涉及的光纖損耗研究有光纖耦合、截?cái)喾y(cè)量、插入損耗、彎曲損耗[2]。在實(shí)驗(yàn)中所用光纖為單模(纖芯3.2μm)和多模(纖芯62.5μm)兩種。

2.1 光纖耦合效率測(cè)量

2.1.1 耦合原理

采用532 nm固體激光器光源與光纖的耦合中光源所發(fā)出的光功率能在其內(nèi)最大量的進(jìn)行傳輸，耦合效率受光源輻射的空間分布、光源發(fā)光面積、光纖收光特性及傳輸特性等影響。凸透鏡耦合方式如圖1所示。

圖1 凸透鏡耦合方式

2.1.2 耦合的實(shí)驗(yàn)步驟

按照?qǐng)D2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)器材的連接，調(diào)節(jié)好位置，使其水平，然后再調(diào)節(jié)相關(guān)儀器上的各個(gè)旋鈕進(jìn)行測(cè)量。

1.激光器；2.物鏡；3.五維調(diào)節(jié)系統(tǒng)；4.功率計(jì)圖2 實(shí)驗(yàn)光路圖

2.1.3 單模和多模光纖耦合效率測(cè)量結(jié)果

單模和多模光纖耦合效率測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 單模和多模的光纖耦合效率測(cè)量結(jié)果

2.1.4 實(shí)驗(yàn)分析

在實(shí)際應(yīng)用中，光纖與各接頭之間的耦合效率非常關(guān)鍵。光纖與光纖之間、光纖與接收端之間、光源與光纖之間、無源器件與光纖之間的耦合都會(huì)對(duì)損耗有影響[3]。

在實(shí)驗(yàn)中，決定耦合效率的關(guān)鍵有：激光器輸出穩(wěn)定，且聚焦光斑要足夠小才行[4]；光纖的纖芯半徑和數(shù)值口徑的大小同樣會(huì)影響耦合效率，理想情況下纖芯的半徑與數(shù)值口徑的值越大，進(jìn)入光纖中的光越強(qiáng)，耦合的效率也就越高，實(shí)驗(yàn)室中單模的纖芯為3.2μm，多模的纖芯達(dá)到了62.5μm，所以在實(shí)驗(yàn)測(cè)量中單模的光纖耦合效率比多模的耦合效率要低得多；還有就是人為因素，在實(shí)驗(yàn)時(shí)可能因人為原因?qū)е鹿饴钒l(fā)生一定角度的偏離，使耦合下降。數(shù)據(jù)結(jié)果中，單模效率只有91.96%，是相對(duì)比較低的，說明單模的損耗較多。

2.2 截?cái)喾y(cè)量光纖衰減及損耗

2.2.1 截?cái)喾ǖ墓?、定義及內(nèi)容

打開532 nm激光器讓光源輸出穩(wěn)定，按圖3進(jìn)行實(shí)驗(yàn)連接操作，在穩(wěn)定條件下，測(cè)量出P1的值，然后保證光輸入強(qiáng)度與之前相同，在距輸入端1 m處剪斷，測(cè)得此段光纖的輸出光功率P2，將數(shù)據(jù)帶入公式中計(jì)算出衰減系數(shù)，實(shí)驗(yàn)效果圖如圖4，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如表2所示。

圖3 截?cái)喾y(cè)量光纖傳輸損耗示意圖

圖4 截?cái)喾▽?shí)驗(yàn)效果圖

光纖長(zhǎng)度(m)輸出功率P1(mW)輸出功率P2(mW)衰減系數(shù)(dB/km)1495299.040.55.8

2.2.2 實(shí)驗(yàn)分析

由衰減系數(shù)公式計(jì)算可知，衰減系數(shù)α=5.8 dB/km。由此可見，光纖損耗是限制通信性能的主要原因之一，是限制發(fā)送機(jī)和接收機(jī)之間的最大傳輸距離的主要原因[6]。由于本實(shí)驗(yàn)中使用的光纖是裸光纖(纖芯62.5μm)，利用熔接機(jī)和陶瓷頭自制另外一端光纖頭，缺少包層保護(hù)，光纖端面切割與灰塵物質(zhì)使其損耗比較大。

2.3 插入損耗測(cè)試

2.3.1 插入損耗實(shí)驗(yàn)原理

把單模光纖跳線的兩端分別接在實(shí)驗(yàn)箱1310 nm工作窗口處上和經(jīng)過擾模器接到光功率計(jì)上，根據(jù)插入損耗實(shí)驗(yàn)原理(圖5)，用光功率計(jì)測(cè)得功率為P0，用小可變衰減器測(cè)得P1。把測(cè)量值代入公式IL=10×lg(P0/P1),計(jì)算出插入損耗值。同理，多模光纖的測(cè)量與1550 nm窗口的接法相同。實(shí)驗(yàn)實(shí)際效果圖見圖6和圖7。

圖5 插入損耗實(shí)驗(yàn)原理圖

圖6 單模纏繞

圖7 多模纏繞

2.3.2 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果

1310 nm工作窗口插入損耗和1550 nm窗口插入損耗實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3和表4。

表3 1310 nm插入損耗計(jì)算

表4 1550 nm插入損耗計(jì)算

2.3.3 實(shí)驗(yàn)分析

插入損耗法作為光纖衰減測(cè)量的方法之一，會(huì)受耦合器件的效率影響，主要有內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素是由兩連接光纖之間存在的特性參數(shù)有差異引起的，光纖之間的結(jié)構(gòu)參數(shù)失匹，光纖纖芯之間的對(duì)準(zhǔn)有偏差等。外部因素主要指纖芯端面間隙引起的損耗、光纖的端面質(zhì)量和端面所受的污染和光纖接續(xù)處折射率不連續(xù)等問題。此外，在插入前后不能得到完全相同的穩(wěn)態(tài)功率分布，所得準(zhǔn)確度比應(yīng)用截?cái)喾ǖ?。由?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果可知，在相同波段下，單模的損耗比多模的損耗要小，因?yàn)槎嗄５睦w芯半徑和數(shù)值孔徑比單模大得多，在相同條件下，多模的插入損耗會(huì)比單模大得多。一般而言，在不同光波段的情況下，1550 nm波長(zhǎng)傳輸平均損耗是要比1310 nm的要小，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，單模在1550 nm下的損耗較1310 nm的要多。由于光纖在纏繞后沒能理平整，在換波段時(shí)，又一次的纏繞讓光纖過于彎曲，損耗也比相同條件下要大些，再加上小可變衰減器有衰減的功能，在光纖對(duì)準(zhǔn)連接時(shí)處理不當(dāng)也會(huì)增加損耗。

2.4 彎曲損耗測(cè)試

2.4.1 彎曲損耗

按實(shí)驗(yàn)原理圖(圖8)搭建實(shí)驗(yàn)光路，用兩米62.5/125 μm規(guī)格多模光纖分別連接1310 nm和1550 nm光波光源并分別按圖9、圖10方式纏繞光纖，單模光纖分別按圖11、圖12方式纏繞。對(duì)于G.652光纖，用半徑為37.5 mm松繞100圈，在1550 nm波長(zhǎng)測(cè)得的損耗增加應(yīng)小于1 dB；對(duì)G.653光纖，要求增加的損耗小于0.5 dB。彎曲損耗可由公式A=10×lg(P1/P2)計(jì)算。

圖8 彎曲損耗原理圖

采用單模光纖和多模光纖分別針對(duì)1310窗口和1550窗口進(jìn)行測(cè)試，依據(jù)CCITT標(biāo)準(zhǔn)[7]，光纖的彎曲損耗比較小，在實(shí)驗(yàn)中采用減小彎曲半徑的辦法提高實(shí)驗(yàn)效果的明顯性。從表5和表6的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到兩個(gè)結(jié)論：第一，光纖相同，光信號(hào)波長(zhǎng)相同，光纖彎曲半徑小的，其損耗大；第二，光纖相同，光纖彎曲半徑相同，彎曲損耗會(huì)隨著工作波長(zhǎng)的增加而增多。

圖9 多模光纖測(cè)試方式一

圖10 多模光纖測(cè)試方式二

圖11 單模光纖測(cè)試方式一

圖12 單模光纖測(cè)試方式二

2.4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5和表6。

表5 多模光纖彎曲損耗數(shù)據(jù)

表6 單模光纖彎曲數(shù)據(jù)

3 結(jié)語(yǔ)

不同的光纖損耗測(cè)量方法各有特點(diǎn)，如何降低光通信中光損耗是光纖研究的重要課題。本文分析了幾種光損耗的測(cè)量方法以及如何降低這些損耗，希望對(duì)高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)有所幫助。

[1]崔宏.光纖損耗淺談[J].價(jià)值工程,2013(6):78.

[2]楊文琴.信息光學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].廈門:廈門大學(xué)出版社,2016.

[3]楊東,軒克輝.光纖損耗的測(cè)試[J].山東輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011(3):74-76.

[4]石紅梅,張國(guó)圓,岳明道.光纖連接損耗特性分析[J].有線電視技術(shù),2007(7):98-99.

[5]劉昆.光纖參數(shù)測(cè)試及其應(yīng)用研究[D].天津:天津大學(xué),2007.

[6]趙干.工程實(shí)踐中的光纖損耗的研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2010.

[7]薛夢(mèng)馳.光纖彎曲損耗研究與測(cè)試[J].電信科學(xué),2009(7):57-58.

MeasurementandResearchofOpticalLossinOpticalCommunication

SU Bao-xi, CHEN Xiao-jun, WU Rong-qin

(Minnan Science and Technology Institute,Fujian Normal University, Quanzhou Fujian 362332,China)

In recent years, with the development of optical communication, the scope of application of optical fiber is more and more widely, such as the transmission of optical fiber cable and the application of optical fiber sensors, optoelectronic devices and so on. One of the important indexes of optical fiber testing is the loss of the optical fiber, it has an important influence on the transmission efficiency of optical fiber loss, to improve the transmission efficiency. This research is mainly the loss of the fiber, through different testing methods to test and research on optical fiber loss, understand how to reduce fiber loss.

optical fiber loss; test methods; experimental teaching

O431.1

A

2095-7602(2017)12-0019-06

2017-06-21

福建師范大學(xué)閩南科技學(xué)院2016年院級(jí)實(shí)踐教改項(xiàng)目“基于光通信中光損耗的測(cè)量與研究”(MKSJJG-2016-0028)。

蘇寶璽(1983- )，男，實(shí)驗(yàn)師，從事光學(xué)實(shí)驗(yàn)室管理研究。