光纖損耗譜測量實驗系統設計

李永倩，劉艷蕊，王 磊，張淑娥

（華北電力大學 電子與通信工程系，河北 保定 071003）

自低損耗光纖問世以來，光纖通信技術以驚人的速度發展并得到了廣泛應用，在現代信息傳輸領域中占據十分重要的地位[1-6]。為了增強學生綜合運用光纖通信基本理論與方法的能力，培養他們的動手能力和創新能力，“光纖通信原理”課程秉承“厚基礎、強實踐、重創新、因材施教、教研相長”的教學理念，在“光纖通信原理”精品課程實驗教學體系建設[7]基礎上，充分利用新建的光纖通信原理綜合實驗平臺資源，設計了基于插入法測量光纖損耗譜的實驗教學內容和實驗系統，并讓學生進行了學習和實踐。

光纖測量包括光纖的特性參數測量和機械性能、環境性能測試，其中主要是特性參數測量。光纖損耗是光纖傳輸特性的基本參數，對于評價光纖、光纖鏈路的質量及確定光纖通信系統傳輸的中繼距離有重要作用。光纖損耗譜測量實驗是“光纖通信原理”課程要求學生重點掌握的內容[8]，在理論講解基礎上輔以教學實驗，可以引導學生在實驗中發現問題、分析問題和解決問題，并掌握光纖損耗譜測量實驗系統的組成、調試和測量方法，熟悉相關實驗設備的工作原理和使用方法，提高學生的動手操作能力和基本實驗技能。

1 光纖損耗類型

光在傳輸的過程中，隨著傳輸距離的增加，光功率的衰減是無法避免的。光纖的損耗定義為光纖對光波功率的衰減作用。光纖損耗主要包括：散射損耗、彎曲損耗、吸收損耗、制造損耗等[9-11]。

（1）散射損耗。散射損耗主要由材料在加熱過程中微觀密度不均勻性和成分變化引起的瑞利散射和由光纖結構缺陷引起的散射產生。由于光纖在制造過程中沉積到熔石英中的隨機密度變化會引起折射率的變化，從而導致光向各個方向散射，即瑞利散射。瑞利散射是一種基本損耗機制，它決定了光纖損耗的最終極限。

（2）彎曲損耗。在實際應用中，光纖彎曲變形將會產生空間濾波效應、模式泄漏及模式耦合。當光纖的曲率半徑遠大于所使用的光纖的直徑時，將會造成光纖的宏觀彎曲損耗[9]。光纖彎曲導致光在光纖中傳播的全反射條件被破壞，使進入光纖彎曲部分的光從高階模折射到包層中，所攜帶的能量被輻射出去，從而產生輻射損耗[12]。

（3）吸收損耗。吸收損耗是由于光纖材料和其所含雜質對光能的吸收引起的。光纖的吸收損耗主要包括基質材料的本征吸收和雜質吸收。本征吸收是指紫外和紅外電子躍遷與振動躍遷引起的吸收，兩種吸收帶的尾端延伸到光纖通信波段，從而引起光纖的吸收損耗。雜質吸收主要是由各種過渡金屬離子和OH-離子導致的損耗。通常可以通過改變光的波長或改變材料成分來降低吸收損耗，優化光纖性能[13]。

（4）制造損耗。制造損耗是在制造光纖的工藝過程中產生的，主要由光纖中雜質成分的吸收和光纖本身的結構缺陷引起[8]。光纖中的雜質吸收損耗前面已經談到，此處不再贅述。光纖結構的缺陷，如光纖中有氣泡、直徑波動或纖芯-包層交界面不平滑等均會帶來損耗。可通過提高材料純度及優化制造工藝來降低制造損耗。

2 實驗方法

截斷法是光纖損耗的基準測量方法，測量精度高，但具有破壞性。考慮到實驗材料的重復利用，本實驗采用插入法作為替代方法。圖1 為插入法光纖損耗譜測量系統的原理框圖。其基本原理是：先使用一根短的標準光纖跳線連接光源和光功率計，設置波長可變光源的波長為0λ，記錄此時的輸出功率值0P，再用待測光纖代替光纖跳線，測量這種情況下光纖的輸出功率值1P。需要注意的是，光纖位置、彎曲程度、連接頭等均應盡量保持不變，并且保證光纖中的模式受到均勻的激勵。光纖損耗特性一般由光纖衰減系數衡量，其表達式為：

式中，α(λ)表示波長為λ 時的光纖衰減系數，單位為dB/km，L 為待測光纖長度。將插入法測得的數據代入公式（1）中，即可計算出單位長度待測光纖在波長λ0下的光纖衰減系數。改變可變光源波長，重復上面的測試步驟，可以獲得不同波長下待測光纖的衰減系數，實現待測光纖損耗譜的測量。

圖1 插入法光纖損耗譜測量系統原理框圖

3 實驗系統搭建

本文設計的插入法光纖損耗譜測量實驗系統如圖2 所示。該實驗系統包括鹵素燈、光柵單色儀、斬波器、光纖跳線、25 km 單模光纖、光電檢測器、鎖相放大器等實驗設備和材料。鎖相放大器與斬波器配合使用可實現微弱信號檢測，應用到插入法光纖損耗譜測量實驗系統中可提高系統性能。

圖2 插入法光纖損耗譜測量實驗系統框圖

鹵素燈（光譜范圍為250～2700 nm）發出的寬譜、高功率光信號通過輸入光耦合透鏡組進入光柵單色儀中，光柵單色儀采用蝸輪蝸桿機構，通過軟件控制步進電機，帶動光柵轉動，將復合光分解為線寬為0.4 nm 的單色光。單色光經由斬波器將連續光調制成具有固定重復頻率500 Hz 的脈沖光，并入射到待測光纖中。同時，斬波器驅動源輸出的500 Hz 電信號作為參考信號輸入到鎖相放大器中。待測光纖末端輸出的光信號經由光電檢測器進行光-電轉換，其輸出作為鎖相放大器的輸入，進行鎖相放大。觀察并記錄不同波長下光纖跳線和待測光纖末端在鎖相放大后的電壓測量值。

實驗系統中的光柵單色儀與斬波器的位置可以互換，只要使注入光纖的光信號為固定重復頻率的脈沖單色光即可。考慮到實驗系統組裝較為復雜，在學生開始測量實驗前，應將鹵素燈光源室、輸入光耦合透鏡組、單色儀、斬波器調整完畢，并固定安裝在光學平板上。按照圖2 搭建的實驗系統實物如圖3 所示。

圖3 插入法光纖損耗譜測量實驗系統實物圖

4 實驗結果及分析

通過計算機中安裝的控制軟件，改變單色儀輸出波長，測量波長范圍為650～1300 nm、1310 nm、1350～1600 nm，步進為50 nm，記錄各組波長下光纖跳線和待測光纖輸出端鎖相放大后的電壓測量值。

圖4 為鎖相放大器的顯示界面，其中R 為鎖相放大后的電壓值，θ 為鎖相放大器兩路輸入信號的相位偏移值。鎖相環（PLL）顯示LOCKED 表示鎖相正常。利用公式（1）計算不同波長下的光纖衰減系數，將計算結果繪制成光纖損耗譜曲線，如圖5 所示。

由圖5 可以直觀地觀察到光纖損耗譜的變化情況。隨著波長的增加，光纖損耗譜整體呈現降低的趨勢，但在950 nm 和1400 nm 處，OH-離子的振動吸收導致光纖損耗增加，損耗譜出現了小的波峰。曲線有3 個低損耗谷，即光纖通信所使用的3 個低損耗“窗口”，分別為短波長850 nm 波段及長波長1310 nm 波段和1550 nm 波段。測量結果基本與理論值吻合，滿足實踐教學的要求。

圖4 鎖相放大器顯示界面

圖5 實驗測得的光纖損耗譜曲線

通過本次實驗有效調動了學生獨立思考與實踐操作的積極主動性，學生不僅清晰地理解和掌握了光纖損耗譜的測量原理與實驗方法，還熟悉了鹵素燈、光柵單色儀、斬波器、光電檢測器、鎖相放大器等常用光電子設備，提高了學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。

5 結語

實踐性教學是培養學生創新意識和創新能力的重要教學環節。本課程以現代教育思想為指導，以培養掌握本領域堅實的基礎理論和寬廣的專業知識，具有較強的解決實際問題的能力，能夠承擔電子與通信工程領域及相關專業技術或管理工作，具有良好的職業素養和社會責任感的高級工程技術人才為宗旨，利用“光纖通信原理”課程的創新型綜合實驗平臺的實驗設備，設計并搭建了插入法光纖損耗譜測量實驗系統。作為“光纖通信原理”課程的綜合實驗教學內容，旨在培養學生的實操能力、獨立思維能力和創新能力。實踐表明，在理論教學環節輔以實驗，可以有效調動學生參與實驗的主動性和積極性，加深學生對理論知識的理解與掌握，提高自主學習效果。