光纖損耗及參數(shù)的測量研究

蘇寶璽，劉新芳，李銀成，陳小君（閩南科技學(xué)院，福建 泉州 362332）

1 研究背景

近些年，光纖在通信、交通、電力和醫(yī)療等多個應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)十分重要的地位。隨著光纖到戶技術(shù)快速而迅猛的發(fā)展，光纖接入的損耗問題顯得尤為突出。要了解光纖在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用，以及光纖種類的選擇，就需要對光纖的參數(shù)和它在應(yīng)用中出現(xiàn)的損耗及弊端進行研究[1-2]。通過實驗測量計算光纖的各類損耗，能夠分析如何有效降低損耗值或者避免損耗的發(fā)生。本文的數(shù)據(jù)測量和分析方法，對光纖損耗參數(shù)計算和實際工程應(yīng)用起到一定的借鑒作用。

2 光纖耦合效率

光纖耦合在光纖應(yīng)用中有著重要的意義，在光纖傳輸和傳感技術(shù)中，各部件的耦合是一個重要的環(huán)節(jié)[3]。當(dāng)光纖本身的損耗降低后，提高光纖耦合效率，減小光纖耦合引起的損耗顯得尤為重要[4]。在光纖傳輸和傳感系統(tǒng)中，耦合損耗是一個重要的參數(shù)。本測量主要探究DSPL固體激光器光源通過40倍物鏡與單模、多模光纖間的耦合問題。

光路按圖1搭建，將各器件按照測試要求安置好，進行測量。

圖1 光纖耦合測量圖

由表1中數(shù)據(jù)可知：單模光纖的耦合效率低于多模光纖的耦合效率，與實際應(yīng)用情況吻合。測量中采用9/125 μm單模光纖和62.5/125 μm多模光纖，單模光纖耦合效率平均值96.18%比多模光纖耦合效率平均值99.55%低。提高耦合效率需要設(shè)計穩(wěn)定的光路，且需激光輸出穩(wěn)定、聚焦光斑小、光路不能偏移。注意對光纖端面處理完善，光纖端面不能出現(xiàn)斷面的現(xiàn)象，使用前需清潔干凈，否則耦合效率降低明顯。

表1 單模和多模光纖耦合結(jié)果

3 光纖數(shù)值孔徑

光纖的數(shù)值孔徑（NA）表征的是光纖接收入射光線的能力，是反映光纖與光源、光探測器及其他光纖相互耦合效率的重要參數(shù)[5]。通過測量光纖出射光斑尺寸大小來計算出光纖出射角度，從而確定光纖的數(shù)值孔徑。將功率計放置于圓斑的正中心，測量此時功率為P1，記錄此時平移臺千分絲桿的刻度R1；沿著直徑方向移動功率計，P2為邊緣功率，當(dāng)P2=0.1P1時，記錄此時千分絲桿的刻度R2；則圓斑的近似半徑R=|R1-R2|。測得光纖輸出端與屏的間距L=26.1 mm，利用公式NA=Sin[arctan[|R1-R2|/L]]即可計算數(shù)值孔徑大小。

由表2、表3可知，多模光纖的數(shù)值孔徑平均值顯然比較大。從材料性質(zhì)來比，多模光纖對入射光的接收能力比單模光纖大，說明數(shù)值孔徑與接收光的能力成正比。因此，在使用過程時，如果數(shù)值孔徑太大，會影響光纖的帶寬，還會引起光纖模畸變大。

表2 單模光纖數(shù)值孔徑

表3 多模光纖數(shù)值孔徑

4 光纖連接損耗和傳輸損耗

在工程應(yīng)用中，光纖連接遇到的主要問題是連接處存在的損耗，這里通過測量，計算光纖連接損耗的大?。煌ㄟ^測量5dB光衰減器，驗證光纖衰減器功能，模擬實際工程光信號傳輸問題。采用輸出功率為300mW的532nm綠光半導(dǎo)體激光器，連接9/125μm單模光纖。測出光纖耦合后的輸出功率P1和經(jīng)安裝5dB光纖衰減器后衰減后的功率P2即可計算出損耗值。

由表4可知：耦合過程中光纖連接損耗衰減較低，說明耦合過程中連接損耗是人為可控制減少的一種誤差[6]。接5dB衰減器后輸出功率明顯降低，損耗百分誤差為11.7%。導(dǎo)致誤差的主要因素是5dB的衰減器在連接口處產(chǎn)生的連接損耗較大。通過光衰減器可以降低某些器件輸入端口的光功率，避免光接收機等光信號接收器件因功率太強而失真。

表4 連接損耗和衰減器輸出功率

5 多模光纖插入損耗

5.1 FC-FC多模光跳線與ST-FC多模光跳線在1310nm波長處光纖插入損耗

在測試光纖插入損耗時，本測試采用850nm光發(fā)端機，以CCITT推薦的剪斷法為測試方法，用小可變衰減器替代可調(diào)衰減的多模光纖[6]，用柱狀擾模器形成平衡模分布，先測試A點光功率P0，再拆除光功率計，連接小可變衰減器，測試B點的輸出光功率P1，測試框圖如圖2所示。損耗計算公式為:其中α（λ）表示在波長λ處的衰減系數(shù)[7]，波長λ為1310nm。P(0)指的是軸向距離Z=0處的光功率。P(ZL)指的是軸線距離Z=L處的光功率。

圖2 光纖損耗測試框圖

5.2 FC-FC多模光跳線在1310 nm波長處的衰減系數(shù)

通過插損法測出FC-FC在1310nm波長處未加小可變衰減器時的輸出功率，再連接上小可變衰減器。

由表5可見1310nm波長處FC-FC的損耗系數(shù)的實驗數(shù)據(jù)在1.32dB/km到1.63dB/km之間，平均值為1.465dB/km。

表5 FC-FC多模光跳線在1310 nm波長處的衰減系數(shù)

5.3 ST-FC多模光跳線在1310 nm波長處的衰減系數(shù)

通過插損法測出ST-FC在1310nm波長處未加小可變衰減器時的輸出功率，再連接上小可變衰減器。

由表6可見該ST-FC多模光跳線在1310 nm波長的衰減系數(shù)在0.18dB/km到0.39dB/km之間，平均值為0.288dB/km。從上述兩個測試看出，ST-FC多模光跳線比FC-FC多模光跳線的損耗系數(shù)要低得多。

表6 ST-FC多模光跳線在1310 nm波長處的實驗數(shù)據(jù)

6 光纖彎曲損耗

彎曲損耗是光纖布線時最主要的可降低損耗之一[8-9]。

圖3 單模光纖彎曲損耗測試實驗圖

通過光纖纏繞擾模器來模擬光纖彎曲形式，彎曲損耗計算公式為A=10lg（P1/P2），A是光纖彎曲損耗，P1為光纖未纏繞測量功率，P2為光纖纏繞后測量功率。圖4、圖5分別為擾模器的兩種不同纏繞方法。

圖4 彎曲半徑R1纏繞方法

圖5 彎曲半徑R2纏繞方法

測試時分別在1310 nm和1550 nm兩個波長上，測量單模光纖跳線未纏繞時輸出的光功率P0，再根據(jù)圖4、圖5兩種彎曲半徑纏繞方法測光功率P1和P2，最后根據(jù)彎曲損耗計算公式求出相對損耗值。同理，多模光纖跳線也可用相同方法計算相對損耗值。

表7 兩種纏繞方法彎曲損耗比較

由表7可知：同類型光纖，通過同樣波長光信號時，圖5彎曲半徑大，圖4彎曲半徑小，圖5的損耗比圖4小。按照CCITT標(biāo)準(zhǔn)，在測試中采用減小彎曲半徑來改變光纖的損耗。同樣，對于同類型光纖，彎曲半徑相同時，通過不同波長光信號，損耗程度也不一樣。相比于多模光纖，單模光纖G.652[10]在表7中，1310nm的工作窗口，損耗比1550nm小得多。

7 總結(jié)

本文總結(jié)了光纖耦合效率、數(shù)值孔徑的測量方法。研究連接損耗、彎曲損耗和插入損耗為主的各種損耗對光纖通信所造成的影響，指出了哪些是造成光纖通信損耗主要原因。提醒光纖布線時應(yīng)當(dāng)進行合理的設(shè)計以減小損耗，并且損耗是可以通過合理的布線方法減小的。對光纖通信的教學(xué)及減小光纖通信損耗有一定的借鑒意義。