基于光通信中光損耗的測量與研究

蘇寶璽，陳小君，吳榮琴

(福建師范大學閩南科技學院，福建泉州 362332)

基于光通信中光損耗的測量與研究

蘇寶璽，陳小君，吳榮琴

(福建師范大學閩南科技學院，福建泉州 362332)

近年來，隨著光通信的不斷發展，光纖的應用范圍也越來越廣，如光纖光纜的傳輸、光纖傳感器的應用、光電子器件等。光纖測試的重要指標之一便是光纖損耗，它對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。本文通過不同的測試方法對光纖進行損耗測試與研究，探討如何降低光纖的損耗。

光纖損耗；測試方式；實驗教學

1 光纖損耗的定義

任何傳輸介質都存在著損耗，光纖也一樣。光纖損耗的定義為：光纖在每個單位長度上的衰減值大小，由于制作材料的緣故，光在傳送時發生部分光波能量被吸收的現象，單位為dB/km。同樣，當光纖與光纖相互連接時，由于連接處耦合得不完全，也會產生損耗，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際意義。

2 幾種光損耗的實驗測量

想要了解光纖的損耗，就必須對光纖進行相關的損耗測量實驗，本課題涉及的光纖損耗研究有光纖耦合、截斷法測量、插入損耗、彎曲損耗[2]。在實驗中所用光纖為單模(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出的光功率能在其內最大量的進行傳輸，耦合效率受光源輻射的空間分布、光源發光面積、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 耦合的實驗步驟

按照圖2進行實驗器材的連接，調節好位置，使其水平，然后再調節相關儀器上的各個旋鈕進行測量。

1.激光器；2.物鏡；3.五維調節系統；4.功率計圖2 實驗光路圖

2.1.3 單模和多模光纖耦合效率測量結果

單模和多模光纖耦合效率測量結果如表1所示。

表1 單模和多模的光纖耦合效率測量結果

2.1.4 實驗分析

在實際應用中，光纖與各接頭之間的耦合效率非常關鍵。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對損耗有影響[3]。

在實驗中，決定耦合效率的關鍵有：激光器輸出穩定，且聚焦光斑要足夠小才行[4]；光纖的纖芯半徑和數值口徑的大小同樣會影響耦合效率，理想情況下纖芯的半徑與數值口徑的值越大，進入光纖中的光越強，耦合的效率也就越高，實驗室中單模的纖芯為3.2μm，多模的纖芯達到了62.5μm，所以在實驗測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，在實驗時可能因人為原因導致光路發生一定角度的偏離，使耦合下降。數據結果中，單模效率只有91.96%，是相對比較低的，說明單模的損耗較多。

2.2 截斷法測量光纖衰減及損耗

2.2.1 截斷法的公式、定義及內容

打開532 nm激光器讓光源輸出穩定，按圖3進行實驗連接操作，在穩定條件下，測量出P1的值，然后保證光輸入強度與之前相同，在距輸入端1 m處剪斷，測得此段光纖的輸出光功率P2，將數據帶入公式中計算出衰減系數，實驗效果圖如圖4，實驗測量結果如表2所示。

圖3 截斷法測量光纖傳輸損耗示意圖

圖4 截斷法實驗效果圖

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

2.2.2 實驗分析

由衰減系數公式計算可知，衰減系數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，是限制發送機和接收機之間的最大傳輸距離的主要原因[6]。由于本實驗中使用的光纖是裸光纖(纖芯62.5μm)，利用熔接機和陶瓷頭自制另外一端光纖頭，缺少包層保護，光纖端面切割與灰塵物質使其損耗比較大。

2.3 插入損耗測試

2.3.1 插入損耗實驗原理

把單模光纖跳線的兩端分別接在實驗箱1310 nm工作窗口處上和經過擾模器接到光功率計上，根據插入損耗實驗原理(圖5)，用光功率計測得功率為P0，用小可變衰減器測得P1。把測量值代入公式IL=10×lg(P0/P1),計算出插入損耗值。同理，多模光纖的測量與1550 nm窗口的接法相同。實驗實際效果圖見圖6和圖7。

圖5 插入損耗實驗原理圖

圖6 單模纏繞

圖7 多模纏繞

2.3.2 數據處理及結果

1310 nm工作窗口插入損耗和1550 nm窗口插入損耗實驗數據見表3和表4。

表3 1310 nm插入損耗計算

表4 1550 nm插入損耗計算

2.3.3 實驗分析

插入損耗法作為光纖衰減測量的方法之一，會受耦合器件的效率影響，主要有內部因素和外部因素。內部因素是由兩連接光纖之間存在的特性參數有差異引起的，光纖之間的結構參數失匹，光纖纖芯之間的對準有偏差等。外部因素主要指纖芯端面間隙引起的損耗、光纖的端面質量和端面所受的污染和光纖接續處折射率不連續等問題。此外，在插入前后不能得到完全相同的穩態功率分布，所得準確度比應用截斷法低。由實驗數據結果可知，在相同波段下，單模的損耗比多模的損耗要小，因為多模的纖芯半徑和數值孔徑比單模大得多，在相同條件下，多模的插入損耗會比單模大得多。一般而言，在不同光波段的情況下，1550 nm波長傳輸平均損耗是要比1310 nm的要小，但實驗結果中，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，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，在光纖對準連接時處理不當也會增加損耗。

2.4 彎曲損耗測試

2.4.1 彎曲損耗

按實驗原理圖(圖8)搭建實驗光路，用兩米62.5/125 μm規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。對于G.652光纖，用半徑為37.5 mm松繞100圈，在1550 nm波長測得的損耗增加應小于1 dB；對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1310窗口和1550窗口進行測試，依據CCITT標準[7]，光纖的彎曲損耗比較小，在實驗中采用減小彎曲半徑的辦法提高實驗效果的明顯性。從表5和表6的實驗數據得到兩個結論：第一，光纖相同，光信號波長相同，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，彎曲損耗會隨著工作波長的增加而增多。

圖9 多模光纖測試方式一

圖10 多模光纖測試方式二

圖11 單模光纖測試方式一

圖12 單模光纖測試方式二

2.4.2 實驗結果

實驗數據見表5和表6。

表5 多模光纖彎曲損耗數據

表6 單模光纖彎曲數據

3 結語

不同的光纖損耗測量方法各有特點，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量方法以及如何降低這些損耗，希望對高校的實驗教學有所幫助。

[1]崔宏.光纖損耗淺談[J].價值工程,2013(6):78.

[2]楊文琴.信息光學實驗[M].廈門:廈門大學出版社,2016.

[3]楊東,軒克輝.光纖損耗的測試[J].山東輕工業學院學報:自然科學版,2011(3):74-76.

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

[5]劉昆.光纖參數測試及其應用研究[D].天津:天津大學,2007.

[6]趙干.工程實踐中的光纖損耗的研究[D].濟南:山東大學,2010.

[7]薛夢馳.光纖彎曲損耗研究與測試[J].電信科學,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

福建師范大學閩南科技學院2016年院級實踐教改項目“基于光通信中光損耗的測量與研究”(MKSJJG-2016-0028)。

蘇寶璽(1983- )，男，實驗師，從事光學實驗室管理研究。