实验三 光纤衰减系数的测试
一． 实验目的
1. 掌握实现模式稳态分布的方法； 2. 了解光纤衰减的几个因素； 3. 掌握用“截断法”测量光纤衰减系数的方法。
二． 实验仪器
1． 光纤 3.3km 2． 稳定光源 1台 3． 光功率计 1台 4． 光纤切割刀 1台 5． 光纤剥皮钳 1把 6． 剪刀 1把 7． 裸纤适配器 2个 8． 扰模器 1个 9． 包层模剥除器 2个 10． 酒精泵灯 1个 三． 实验原理
光纤是一种利用全反射原理，使光线沿着弯曲路径从一端传输到另一端的光学元件。由折射定律可知，只要满足一定角度入射的光束就可以在光纤中全反射传输，最终以等于入射角的角度射出，常用光纤数值孔径反映这种特性。理论上只要满足以上条件的光线都可以在光纤中传输下去，但是实际上光束在光纤中传输会产生一定的能量损耗，这些损耗限制了光信号的传输距离，以及在接收端的输出信号的大小。在光纤的传输特性中，衰减是多模光纤和单模光纤共有的最重要的指标之一，它表明了光纤对光能的传输损耗，对光纤通信系统的中继距离有着决定性的影响。
1. 光纤的衰减
光能在光纤中传输时，除了由于吸收、散射而使光能损失外，由于成缆敷设造成的光纤微弯曲和宏弯曲，光纤的耦合和接续，都会使光能产生附加的损失。归纳起来，产生衰减的原因大致可以分为三大类：吸收损耗，散射损耗，附加损耗。他们与光纤的材料组成、传输波长和工作情况有关。
（1）吸收损耗
吸收损耗主要来自三个方面：光纤材料的本征吸收、材料中杂质吸收和结构中原子缺陷造成的吸收。由于吸收作用使光能变成热能而损失掉。本征吸收是由于紫外区的电子能级跃迁和红外区的分子振动能级的跃迁所引起，这是不可避免的；杂质吸收主要是铁、钴、镍、铜、锰、铬、钒、铂等过渡金属元素和OH离子产生的吸收；结构中原子缺陷的吸收是由于在光纤制造过程中，玻璃受到某种热激励，或在某些情况下受到强辐射而感生的。 （2）散射损耗
散射损耗是以光能的形式把能量辐射出光纤之外的一种损耗，它包括瑞利散射、波导散射、受激拉曼散射和受激布里渊散射。瑞利散射属于固有散射，是由于光纤材料种折射率不均匀造成的；波导散射是与光纤波导结构缺陷有关的散射。 （3）附加损耗
附加损耗是光纤成缆之后产生的损耗。实际线路中，光纤不可避免地要受到微弯曲和宏弯曲，
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其结果是传导模变换为辐射模而导致光能损耗。
综上所述，瑞利散射和本征吸收最终限制了通信光纤的衰减极限。图1示出了有OH离子存在时的衰减系数与波长的特性曲线。图2示出了无OH离子时的衰减系数与波长的特性曲线。
衰减dB/km2.01.51.00.50.01.000
1.2001.4001.600波长（nm）
图1 有OH离子时衰减系数与波长关系曲线
衰减dB/km1210864200.6
0.81.01.21.41.61.82.0波长（nm）
图2 无OH离子时衰减系数与波长关系曲线
（4）衰减谱
光纤的损耗是随波长的不同而变化的，即不同波长的光在同一根光纤中传输，其损耗也是不同的。表示损耗随波长变化的曲线称为光纤的损耗谱曲线。其曲线如下：
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图 3 光纤的衰减谱
2. 衰减系数
光纤中平均光功率沿光纤长度减少的规律为： P?Z??P?0?10???Z/10?
式中P?Z?和P?0?分别为轴向距离Z处和Z?0处的光功率；?是衰减系数，定义为单位长度光纤引起的光功率衰减，单位为dB/km。当Z?L时，
10P?Z???????logdB/km LP?0?这里????表示在波长?处的衰减系数。
3. 衰减系数测试方法
光纤衰减系数测量的目的是为了提供单根光纤的衰减，以便将单根光纤的衰减加起来确定连接长度的总衰减。衰减值应在室温下测量，即10?C~35?C之间，CCITT G.650、G.651都规定截断法为基准测试方法，背向散射法为替代测试方法。
背向散射法是通过光纤中后向散射光信号来提取光纤衰减及其它信息，诸如光纤光缆的光学连续性、物理缺陷、接头损耗和光纤长度等。利用背向散射原理做的仪表称为光时域反射计，简称OTDR，用OTDR可直接测量出光纤的衰减系数。下图是一典型的OTDR曲线，如图4所示。
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dB1VB2VA345A
曲线上A-B间的衰减是：
AA?B????B图4 典型的OTDR曲线
长度
1?VA?VB? 2VA 、VB是以对数刻度的背向散射功率电平。平均衰减系数为
??A L另外，从曲线上还可以分析很多现象：
1为光纤输入端耦合器件产生的菲涅尔反射； 2斜率为一常数的区间；
3由于局部缺陷、连续或耦合造成的不连续性； 4由于介电波导本身缺陷引起的反射；
5光纤尾端的菲涅尔反射，利用这一反射可以测量光纤的长度。 本实验采用“截断法”测量光纤的损耗。“截断法”只作两次测量，一次在光纤的输出端测量输出功率。另一次在距离输入端1～3m处剪断一截光纤，测量这一小截光纤的输出功率。两次测量结果的比值，得出剩余长光纤的损耗。“截断法”的优点是测试简便，能得到光纤的频谱衰减特性（任意波长下的损耗系数）和具有较高的精度（一般可以达到0.2dB）。“截断法”衰减系数测试框图如图5所示。
稳定光源被测光纤FC型裸纤适配器绕模器包层模剥除器包层模剥除器FC型裸纤适配器光功率计
图5 截断法测定光纤衰减系数系统装置
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