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光纖截止波長測試及影響因素

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光纖截止波長測試及影響因素

分類:
技術交流
作者:
發布時間:
2017/11/20

  昌偉 Tu changwei

  成都中住光纖有限公司

  Chendu SEI Optical Fiber Co.,Ltd

  摘要:

  現代光纖通信中單模光纖已經作為的光傳輸主要媒介,由光纖的傳輸理論可知,把包層和芯層邊界代入波動方程求解,可得LP11模截止時光纖只有單模即LP01模傳輸,對應的波長叫作截止波長。在通信鏈路中系統波長必須大于截止波長。國際電信聯盟技術委員會ITU-T根據不同的測試條件和環境規定了截止波長測試方法和替代方法及相應標準,本文主要針對用光譜傳輸功率法進行截止波長測試及影響測試截止波長的原因進行闡述。

  關鍵詞:單模光纖、截止波長、光譜傳輸功率法

  Abstract: A Singlemode fiber is a primary optic transmission medium in modern Fiber-optic communication. With the fiber transmission theory,we solve wave equations according to fiber’s core-cladding boundary and know that fiber transmits only by Singlemode(LP01 mode) if the higher mode(LP11 mode) is cut-off. That wavelength is defined as cut-off wavelength. The system ‘s operating wavelength must be greater than the fiber cut-off wavelength in transmission-lank. The International Telecommunication Union Standardization Sector(ITU-T) rule the cut-off wavelength measuring method ,the substitution method and the corresponding standard by the deferent measuring factor and condition. This article describe the optic spectral transmitted power technique which measure the cut-off wavelength and the influent factor.

  Key words: a Singlemode fiber, cut-off wavelength, an optic spectral transmitted power technique

  一. 截止波長的物理概念和定義

  根據光纖中光傳輸的標量波動方程求解可知,單模光纖LP11模的截止波長為:

1-1

  對于階躍型光纖,Vc=2.40483。由上式得到的截止波長,其與光纖芯層直徑和折射率n1有關,另外還和光纖的指數相對折射率有關系,大多數文獻上稱之為理論截止波長,記作λct。在工程應用中λct意義不大。一般中只在理論研究中有一定價值。

  人們通常所說的截止波長是指測試截止波長,通過實踐表明測試截止波長與所測光纖的長度和所處的狀態有關(如彎曲和受到應力作用等)。為了使測試截止波長在工程應用中有實際意義,如在光纖生產中控制光纖拉絲張力,制造光纜和敷設光纜時控制其在工作波長有效單模傳輸等。國際電信聯盟標準化部門在ITU-T G.650(2000/10)中將實際測量的截止波長分為三類并制定相應標準,根據測試條件和測試式樣不同分為:光纜截止波長、光纖截止波長和跳線光纜截止波長。

  1.光纜截止波長λcc,光纜截止波長是在預先將22m光纜平直安放,剝去被測光纜端護套等保護層,兩端各裸露出1m長的預涂覆光纖,并在兩端裸露光纖各打一個40mm的小圈條件下測的成纜截止波長。實踐證明,工作波長經過22m成纜光纖后,LP11模不能繼續傳播。因此,光纜截止波長是確保光纜中光纖單模工作最為直接有效的參數。

  2.光纖截止波長λc,因為其測試容易,也是工程應用中最多的截止波長。光纖截止波長是指光纖在保持一個140mm松繞大圈其它部分平直、長度為2m光纖的條件下測的光纖截止波長。

  3.跳線光纜截止波長λcj,跳線光纜波長是指跳線光纜包含一個76mm松套小圈、長度為2m條件測得的截止波長。由于跳線光纜實際應用中可能長度很短,所以ITU-T專門對跳線纜和普通光纜規定了不同的測試條件和標準。

  如上所述,λcc、λc、λcj是由于光纖種類、光纜結構和試驗條件不同而得到的,但不管怎樣的定義,對于λcc、λc和λcj就是規定的條件下LP11模截止對應的波長。在實際應用中雖然這三種對應關系不易確定,但對不同光纖和光纜結構、及試驗條件,應確保在最短工作波長、兩點連續的最短光纜段長處于單模傳輸是非常重要的,現在很多光纖光纜廠家都引用光纜截止波長為標準,實踐表明其對應光纖截止波長可延長到1290nm甚至到1330nm。為了降低光纖模式噪音和色散對光纖系統的影響,規定λcc即最短光纜段長的截止波長小于系統波長即:λcc<λs是非常有必要的。

  通常對于同一類型的光纖λcc、λc、λcj一般有如下關系:

  λc>λcj>λcc

  ITU-T(2000/10)中對G652、G653、G654、G655不同類型光纖對應截止波長作了規定,同時GB/T9771-2000中也對幾種不同類型的光纖的截止波長作了規定。下面列出目前應用最廣的兩種光纖對應標準:

  G652光纖λcc≤1260mm, λc≤1250mm, λcj≤1250mm

  G655光纖λcc≤1480mm, λc≤1470mm, λcj≤1480mm

  二. 光纖截止波長的測試

  (1)測試原理

  光纖截止波長的測試在ITU-T G650(2000)中規定了傳輸功率法作為基準測試方法,而作為替代方法未成纜光纖截止波長測試法在實際工程中很少應用,目前商用儀器也是采用傳輸功率法作為測試原理,在光纖光纜等廠家中大量應用。

  我們知道單模光纖中除了固有的吸收和散射損耗外,還有因外界作用使光纖產生的附加損耗,如:光纖芯包缺陷、縱向不均勻性、光纖微(宏)彎等。這些附加損耗在單模光纖截止波長處產生的衰減很大,從前面的截止波長定義可知,在理論截止波長以下波段,高階模LP11模傳輸,而在其后高階模截止,對應波長只有基模存在,所以在接近截止波長時光纖功率急劇衰減。傳輸功率法的測量原理就是在規定的實驗條件下,通過測試被測的一短段光纖隨波長變化傳輸功率與參考的傳輸功率之比來確定截止波長。

  在實際應用中我們取2m長度的被測光纖作試樣,用綜合測試裝置把傳輸功率譜和參考傳輸功率譜相比較,確定光纖的截止波長,根據ITU G650(2000)中規定了兩種得到參考傳輸功率譜,這里取打一小圈所得光功率譜作為參考傳輸功率譜。

  (2)試驗裝置

  傳輸功率法測量單模光纖的試驗裝置,如下圖所示。這個試驗裝置主要成分有:光源、包層模剝除器、光探測器等。

  光源:選用的光源FWHM譜寬不超過10nm。在完成整個測量過程中,光源的位置、光強和波長應穩定不變,并能夠在足夠寬的波長范圍內工作。調制:為改善接收器處的信噪比,通常采取調制光源方法,如果采取這個辦法,光探測器應與光源調制頻率同步信號處理系統連接探測,系統應基本是線性的。注入條件與系統:應用的條件是均勻地激勵LP01和LP11模,例如:穩定的注入方法是用穩定的大光斑、大數值孔徑的注入光學系統。包層模剝除器:包層模剝除器:其是一個確保包層模轉換為輻射模的器件,因此,它從光纖中剝除包層模,應確定不能影響LP01模。光探測器:選用一個合適的光探測器,以求截斷來自光纖的所有輻射,光探測器的光譜響應與光源的光譜特性相一致,光探測器應具有良好的表面均勻性和線性靈敏度。

  (3)截止波長測試

  本測試裝置選用光纖光纜廠家采用較多的PK2220作為測試手段,其光源穩定,接收器的信噪比較高,測試重復性較好,能滿足ITU-T G650(2000/10)截止波長對測試裝置要求。

  選取一根2m單模光纖作為測試試樣。用光纖剝線鉗和切割刀把帶有夾具光纖兩端面切得平整,有條件的情況下可以測試一下端面角,要求端面角小于1.0然后進行下一步工作。選取單模光纖截止波長測試菜單,我們選取用打小圈作為參考信號的測試方法。把2m光纖放在裝置的輸入輸出端,調節端面校準裝置,使光纖端面清晰即可,把2m光纖打一280mm的大圈,注意應保持光纖松馳不應受到任何外部應力和比280mm小的自然彎曲。這樣就可以進行試樣光纖光功率譜P1(λ)測試,測試結果暫時保存在一數組CUTRUNDAT中。當試樣光纖光功率譜測試完畢時,檢查光纖的端面是否保持不變,如保持完好,把試樣光纖打一60mm的小圈,這時就可以測試光纖參考功率譜P2(λ),測試裝置根據如下公式擬合衰減譜:

2-1 這是含有高階模即LP11模試樣光纖衰功率譜P1(λ)和參考的傳輸功率P2(λ)得到的衰減譜損耗,測試截止波長就定義為其損耗

下降到0.1dB時所對應的

,擬合曲線如下圖所示: 

   由圖二可見,在轉變區,高階模功率隨波長增大而降低,在光纖截止波長附近,衰減急劇下降,在之后各波長可以認為基本上只有LP01模傳輸,在圖b中測試光纖衰功率譜P1(λ)在截止波長后有少量LP11模殘余功率。

  三. 影響測試截止波長的因素

  光纖測試截止波長是在規定的試驗條件下得到的,在各工程應用中由于種種原因可能不會完全按照規定試驗條件進行測試。前面已經提出光纖長度和光纖所處的狀態對光纖截止波長測試有很大影響,下面通過實驗總結各個因素對測試截止波長影響程度,可作為各光纖光纜廠家參考:

  (1) 長度對測試截止波長的影響

  分別取1.5m、2.0m、3.0m試樣其它試驗條件滿足ITU G650(2000/10)規定測試條件,得如下數據:

測試次數

1.5m樣品

2.0m樣品

3.0m樣品

備注

1

1212.87

1242.65

1226.29

測試所用儀器為PK2220且選擇某光纖廠家同一盤光纖外端取樣,測試值單位nm

2

1219.85

1240.16

1239.22

3

1219.41

1238.02

1248.32

4

1217.43

1246.31

1238.32

5

1216.15

1242.78

1244.84

平均值

1217.142

1241.984

1239.398

標準偏差

2.82

3.12

8.40

  我們正常測試時用28cm大圈,由于儀器操作臺問題,把光纖圈放大操作可能性很少,故只討論放小的情況。從圖四進行分析,當圈放到20cm時,光纖截止波長測試平均值和標準偏差變化較小,對測試數據影響不大;當圈放到14cm時,測試重復性較好但截止波長測試數據急劇減小,對測試結果非常不利。所以在操作人員進行測試時,當遇到光纖測試樣品不夠時,或在操作臺有自然小圈時一定要展開再進行測試。

  (3) 外部應力對測試截止波長的影響

  在光纖拉制過程中,我們所得到的光纖芯并非是理想的圓,而是有一定的橢圓度,加上光纖受到擠壓、涂層損傷、彎曲或扭轉等因素,可能使光纖受到不對稱的橫向應力。這些應力的存在可能對測試截止波長產生影響,這里討論一下光纖受到微彎帶來不對稱橫應力作用下光纖測試截止波長變化情況:

  下圖為不受應力、1kg、3kg微彎及光纖表面受不規則應力情況下對應測試截止波長光譜損耗圖:

  數據分析:從圖六、七光纖損耗譜看來,光纖受到微彎側應力情況其峰值有很大變化,隨著所受應力增加峰值最高dB降低越多,說明LP11高階模在較短波長時所傳輸光功率比沒有受應力比較,急劇下降,同時光纖測試截止波長大大減小,測試結果比較三者標準偏差變化不大。圖八是由于單模光纖包層受到不規則橫向應力,在測試光纖衰功率譜P1(λ)時有部分長波長有LP11高階模殘余功率存在,但在進行參考功率譜P2(λ)測試時LP11模對宏彎小圈很敏感,泄漏出去,因而從譜損耗來看有多峰現象產生。

  光纖受到應力測試截止波長變小,理論上我們所得測試截止波長較小越能保證光纖在系統工作波長單模傳輸,但工程應用中比如光纜敷設時我們會盡量不讓光纖受到外部應力,讓光纖處于松馳狀態,否則可能對光纖衰減、PMD帶來不利影響。所以光纖光纜廠家在測試光纖截止波長時要求光纖在松馳的狀態下進行,這樣才能保證我們得到的更能滿足光纜截止波長的要求。

  四.結束語

  本文對光纖幾種不同截止波長定義進行了較為系統的描述,同時引用了ITU-T G650(2000/10)給出了不同定義截止波長的相應標準。在實際應用中不同工程引用與自己相適應的標準,對于光纖制造廠家可引用光纜截止波長但要規定最大和最小光纖測試截止波長。傳輸功率法是光纖截止波長的基準測試方法,其測試原理和測試裝置及對測試環境的要求在文中進行了闡述。文中通過對ITU G652單模光纖進行實驗,從光纖長度、宏彎和光纖受到不規則應力三方面總結了對光纖測試截止波長的不同程度影響。

  參考文獻:1. 趙梓森 等編著. 光纖通信工程,人民郵電郵版社,

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