光纤色散测量课件.ppt

1、Measurement of Fiber Measurement of Fiber DispersionDispersion 色散：光信号在光纤中传输时，由于不色散：光信号在光纤中传输时，由于不同成分的光传输同成分的光传输不同引起的脉冲展不同引起的脉冲展宽的物理效应。不同成分包括：波长、宽的物理效应。不同成分包括：波长、模式、偏振模式、偏振.色散主要影响系统的传输容量，也对中色散主要影响系统的传输容量，也对中继距离有影响。继距离有影响。(Dispersion)Dispersion)模式色散：模式色散：多模光纤中，不同模多模光纤中，不同模式的光沿着不同的路径传输，各式的光沿着不同的路径传输，各模

2、式群速度不同而产生色散。模式群速度不同而产生色散。模内色散模内色散模间色散模间色散材料色散：材料色散：材料对不同频率光材料对不同频率光的折射率不同而产生的色散的折射率不同而产生的色散波导色散：波导色散：同一模式下同一模式下,不同频不同频率光的群速不同而产生的色散率光的群速不同而产生的色散光纤的色散可以从光纤的时域特性和频域特光纤的色散可以从光纤的时域特性和频域特性两个方面来描述光脉冲波形在时间上发性两个方面来描述光脉冲波形在时间上发生了展宽是从时域特性来描述了光纤的色散生了展宽是从时域特性来描述了光纤的色散效应而光纤的频域特性，则是把光纤看作效应而光纤的频域特性，则是把光纤看作一个传输一个传输

3、“网络网络”由于网络总是有一定带由于网络总是有一定带宽的，所以就用光纤的频带宽度来从频域特宽的，所以就用光纤的频带宽度来从频域特性描述光纤的色散效应性描述光纤的色散效应从光纤的时域特性看，色散使光脉冲沿着光纤行进一从光纤的时域特性看，色散使光脉冲沿着光纤行进一段距离后脉冲变宽。段距离后脉冲变宽。DtDt s s（l l）DlDl;DtDt为光为光脉冲通过脉冲通过单位长度光纤后的展宽单位长度光纤后的展宽;s s（l l）(ps/kmnm)为色散系数为色散系数;DlDl为光源的谱线宽度。为光源的谱线宽度。时域测量时域测量lltlsdd)()(从光纤的频域特性来描述从光纤的频域特性来描述,是把光纤看

4、作一个有一定是把光纤看作一个有一定带宽带宽B的传输的传输“网络网络”通常把调制信号经过光纤传通常把调制信号经过光纤传播后，光功率下降一半播后，光功率下降一半(即即3dB)时的频率时的频率(fc)的大小，的大小，定义为光纤的带宽定义为光纤的带宽(B)。光纤频率传递函数光纤频率传递函数H(f)带宽和色散的关系可用下式表示：带宽和色散的关系可用下式表示：441kmGHzBD t式中，式中，DtDt为光为光脉冲通过脉冲通过单位长度光纤后的展宽单位长度光纤后的展宽(ps)。色散是光信号在光纤中传输时，由于不同色散是光信号在光纤中传输时，由于不同成分的光传输时延成分的光传输时延t t不同引起的脉冲展宽的不

5、同引起的脉冲展宽的物理效应。光纤带宽与脉冲展宽在实质上物理效应。光纤带宽与脉冲展宽在实质上是一致的。光脉冲变宽是色散在时域的反是一致的。光脉冲变宽是色散在时域的反映。映。光纤带宽是色散在频域的反映。光纤光纤带宽是色散在频域的反映。光纤色散越严重，色散越严重，脉冲展宽的就越多，带宽就脉冲展宽的就越多，带宽就越窄。越窄。光纤色散的测量是测量光纤对信号展宽的程度。光纤色散的测量是测量光纤对信号展宽的程度。色色散的测试方法有散的测试方法有时域法时域法和和频域法频域法两种。两种。又称脉冲展宽法。利用测量通过光纤的又称脉冲展宽法。利用测量通过光纤的光脉冲产生的脉冲宽度确定光纤的色散。光脉冲产生的脉冲宽度确

6、定光纤的色散。又称扫频法，通过光纤的频率响应测量又称扫频法，通过光纤的频率响应测量带宽，然后确定色散系数。带宽，然后确定色散系数。注入有两种方式：注入有两种方式：所谓满注入所谓满注入就是要均匀地激励起所有的传导模式，而限制注入就是要均匀地激励起所有的传导模式，而限制注入就是只激励起较低损耗的低阶模，而适当的抑制损就是只激励起较低损耗的低阶模，而适当的抑制损耗较大的高阶模。耗较大的高阶模。色散测量与衰减测量不同，它们不是测量输入和输色散测量与衰减测量不同，它们不是测量输入和输出的光功率电平，而是测量沿全光纤长度传输的光出的光功率电平，而是测量沿全光纤长度传输的光脉冲时间展宽量。脉冲时间展宽量。光

7、光源源透透镜镜满注入条件是具有均匀空间分布的入射光束近场光斑满注入条件是具有均匀空间分布的入射光束近场光斑直径大于被测光纤的纤芯直径，远场辐射角的数值孔直径大于被测光纤的纤芯直径，远场辐射角的数值孔径大于被测光纤的数值孔径。径大于被测光纤的数值孔径。具体地说对具体地说对50125 m，NA=0.25的多模光纤，满的多模光纤，满注入条件是：注入条件是：入射光束必须以光斑形式入射到光纤端面中心区，入射光束必须以光斑形式入射到光纤端面中心区，近场光斑近场光斑-3dB直径不小于直径不小于70 m，远场，远场-3dB半辐射半辐射角正弦值不小于角正弦值不小于0.30-3dB例例为了使接收端的稳态功率分布符

8、合满注入条件，为了使接收端的稳态功率分布符合满注入条件，应使用扰模器、滤模器和包层模剥除器来实现。应使用扰模器、滤模器和包层模剥除器来实现。滤模器和包层模剥除器应在距离待测光纤始端滤模器和包层模剥除器应在距离待测光纤始端约约1m处使用。经过扰模、滤模和包层模剥除处使用。经过扰模、滤模和包层模剥除后，离注入端约后，离注入端约2m处待测光纤的理想近场和处待测光纤的理想近场和远场分布图应与长光纤或接续光纤终端的近场远场分布图应与长光纤或接续光纤终端的近场和远场分布图相似。和远场分布图相似。由于单模光纤只传输一种模式，因而它不存由于单模光纤只传输一种模式，因而它不存在模间色散，只有模内色散，即材料色散

9、和在模间色散，只有模内色散，即材料色散和波导色散。通常材料色散比波导色散大两个波导色散。通常材料色散比波导色散大两个量级。但是，在零色散区，材料色散与波导量级。但是，在零色散区，材料色散与波导色散值大致相当，只是两者符号相反。即：色散值大致相当，只是两者符号相反。即：处，色散近似为零。因而称处，色散近似为零。因而称l l0 0 为为零色散点。（注：零色散点。（注：若在波长若在波长l l的光的光的群时延为的群时延为t(lt(l)，则色散的程度可，则色散的程度可用色散系数用色散系数s s (l)(l)来评定。其定义如下来评定。其定义如下:nm)nm)ps/(kmps/(km lltlsddL)(1

10、)(psps llstDDL)(对谱宽为对谱宽为DlDl的光源光沿光纤传输距离的光源光沿光纤传输距离L脉冲展宽脉冲展宽为为:s(ls(l)单模光纤的模内色散，它是波长的函数。从原单模光纤的模内色散，它是波长的函数。从原理上讲，测量理上讲，测量s(ls(l)时，只要观察脉冲到达的时间和时，只要观察脉冲到达的时间和波长的关系，即可由上式计算出波长的关系，即可由上式计算出s(ls(l)。进行时域测。进行时域测量，需要一系列可以使用的单色光源或一个波长量，需要一系列可以使用的单色光源或一个波长连续可调的光源，还需要一个能测量时间延迟的连续可调的光源，还需要一个能测量时间延迟的装置。装置。nm)nm)p

11、s/(kmps/(km lltlsddL)(1)(B-3光纤是含有三氧光纤是含有三氧化二硼的梯度光纤，化二硼的梯度光纤，GB-4到到GB-6是含有是含有少量三氧化二硼而含少量三氧化二硼而含有较多的二氧化锗的有较多的二氧化锗的梯度光纤，杂质含量梯度光纤，杂质含量从从GB4到到GB6逐逐步增加。步增加。零色散点零色散点llltlsddL)(1)(对于多模光纤，模间色散通常占主导地位。对于多模光纤，模间色散通常占主导地位。通过观察脉冲展宽可以测量色散。脉冲展宽由下式通过观察脉冲展宽可以测量色散。脉冲展宽由下式计算：计算：22)()(iotttDDD 输入脉冲输入脉冲输出脉冲输出脉冲otDitD窄脉冲

12、且波形接近高斯分布。窄脉冲且波形接近高斯分布。采用采用“满注入满注入”方式。方式。首先用一短光纤将首先用一短光纤将“1”、“2”两点相连，这时从示波器中得两点相连，这时从示波器中得到的波形相当于到的波形相当于Pin(t)，并测量其宽度，并测量其宽度DtDti,然后再将被测光纤连然后再将被测光纤连到到“1”，“2”两点之间，此时从示波器得到两点之间，此时从示波器得到Pout(t)波形，并测波形，并测量它的宽度量它的宽度DtDto o。由下式计算脉冲的展宽：。由下式计算脉冲的展宽：22)()(iotttDDD22)()(iotttDDDtD 光源噪声光源噪声 光电探测器噪声光电探测器噪声 电路噪声

13、电路噪声 示波器噪声示波器噪声 读书误差读书误差从光纤的频域特性来描述从光纤的频域特性来描述,是把光纤看作一个有一定是把光纤看作一个有一定带宽带宽B的传输的传输“网络网络”通常把调制信号经过光纤传通常把调制信号经过光纤传输输后，光功率下降一半后，光功率下降一半(即即3dB)时的频率时的频率(fc)的大小，的大小，定义为光纤的带宽定义为光纤的带宽(B)。光纤频率传递函数光纤频率传递函数通过连续改变调制信号的频率通过连续改变调制信号的频率并测定光纤输入和输出的信号并测定光纤输入和输出的信号幅度，可以得到光纤的频率响幅度，可以得到光纤的频率响应。对光电探测器输出的电信应。对光电探测器输出的电信号进行

14、测量时，通常使用频谱号进行测量时，通常使用频谱分析仪或矢量电压表。频谱分分析仪或矢量电压表。频谱分析仪可测量光纤响应的幅频特析仪可测量光纤响应的幅频特性。性。)(H)()()(ioPPH)(lg)(lg)(lgioPPH)(iP)(oP图图417并与第二步的长光纤扫频测量结果相并与第二步的长光纤扫频测量结果相减。其差值由寄存器输出，并由减。其差值由寄存器输出，并由xy函数记录仪绘出基带频响的幅频曲线。函数记录仪绘出基带频响的幅频曲线。幅频曲线的幅频曲线的6dB(电带宽电带宽)点对应的点对应的频率为测得的光纤带宽频率为测得的光纤带宽B。、用一段短光纤连接、用一段短光纤连接EO与与OE，以便调节发

15、射功率使接收设备工作在线性范围内。以便调节发射功率使接收设备工作在线性范围内。、接入被测光纤并进行同步扫频测量。扫频范围应超过被、接入被测光纤并进行同步扫频测量。扫频范围应超过被测光纤的带宽。频谱仪测量的结果以分贝数存储在寄存器中。测光纤的带宽。频谱仪测量的结果以分贝数存储在寄存器中。、保持注入条件不变，在距注入端约、保持注入条件不变，在距注入端约2米处截断光纤，并对米处截断光纤，并对此短光纤进行同样的扫频测量。频谱分析的结果送入寄存器，此短光纤进行同样的扫频测量。频谱分析的结果送入寄存器，光纤频率传递函数光纤频率传递函数H(f)441kmGHzfBcD tDtDt的单位的单位ps （1）时域

16、法测光纤色散是观察脉冲光信号通过光）时域法测光纤色散是观察脉冲光信号通过光纤后的时间延迟或脉冲展宽。频域法是使用不同频率纤后的时间延迟或脉冲展宽。频域法是使用不同频率的正弦波调制光信号测得光纤的基带响应。的正弦波调制光信号测得光纤的基带响应。（2）时域法要求产生和探测极窄的脉冲，而频域）时域法要求产生和探测极窄的脉冲，而频域法需要一个从低频到高频的可调信号源用以驱动激光法需要一个从低频到高频的可调信号源用以驱动激光器或发光管。器或发光管。（3）在测量准确度方面，频域法优于时域法。在）在测量准确度方面，频域法优于时域法。在实际测量中，由于输入脉冲本身或光输出探测器等原实际测量中，由于输入脉冲本身

17、或光输出探测器等原因，检测到的脉冲不可能很窄。因此，如用频域法来因，检测到的脉冲不可能很窄。因此，如用频域法来测量，只要根据测量，只要根据H()Po()Pi(),测量在光纤输测量在光纤输入端和输出端的频率响应，并求它们的商，就可以得入端和输出端的频率响应，并求它们的商，就可以得到光纤的基带响应的幅值。到光纤的基带响应的幅值。返回返回调制频率为调制频率为30 MHz30 MHz。如果采用侧面发光二。如果采用侧面发光二极 管。正 弦 调 制 信 号 频 率极 管。正 弦 调 制 信 号 频 率f f可 达可 达9090100MHz100MHz则更有利于提高分辨率。温度则更有利于提高分辨率。温度变化可能引起发光二极管调制信号的相位变化可能引起发光二极管调制信号的相位变化变化,因此因此,要将发光要将发光二极管放在恒温槽中。二极管放在恒温槽中。返回返回棱镜式单色仪光学系统图1O2OF-入射狭缝O1-第一准直镜F-出射狭缝O2-第二准直镜M-平面反射镜P-三棱镜返回返回返回返回返回返回锗光电二极管的光谱响应光谱响应在0.61.8m锗光电管的光谱响应特性光电管的光谱响应特性