光纤损耗谱测量实验系统设计

李永倩，刘艳蕊，王 磊，张淑娥

（华北电力大学 电子与通信工程系，河北 保定 071003）

自低损耗光纤问世以来，光纤通信技术以惊人的速度发展并得到了广泛应用，在现代信息传输领域中占据十分重要的地位[1-6]。为了增强学生综合运用光纤通信基本理论与方法的能力，培养他们的动手能力和创新能力，“光纤通信原理”课程秉承“厚基础、强实践、重创新、因材施教、教研相长”的教学理念，在“光纤通信原理”精品课程实验教学体系建设[7]基础上，充分利用新建的光纤通信原理综合实验平台资源，设计了基于插入法测量光纤损耗谱的实验教学内容和实验系统，并让学生进行了学习和实践。

光纤测量包括光纤的特性参数测量和机械性能、环境性能测试，其中主要是特性参数测量。光纤损耗是光纤传输特性的基本参数，对于评价光纤、光纤链路的质量及确定光纤通信系统传输的中继距离有重要作用。光纤损耗谱测量实验是“光纤通信原理”课程要求学生重点掌握的内容[8]，在理论讲解基础上辅以教学实验，可以引导学生在实验中发现问题、分析问题和解决问题，并掌握光纤损耗谱测量实验系统的组成、调试和测量方法，熟悉相关实验设备的工作原理和使用方法，提高学生的动手操作能力和基本实验技能。

1 光纤损耗类型

光在传输的过程中，随着传输距离的增加，光功率的衰减是无法避免的。光纤的损耗定义为光纤对光波功率的衰减作用。光纤损耗主要包括：散射损耗、弯曲损耗、吸收损耗、制造损耗等[9-11]。

（1）散射损耗。散射损耗主要由材料在加热过程中微观密度不均匀性和成分变化引起的瑞利散射和由光纤结构缺陷引起的散射产生。由于光纤在制造过程中沉积到熔石英中的随机密度变化会引起折射率的变化，从而导致光向各个方向散射，即瑞利散射。瑞利散射是一种基本损耗机制，它决定了光纤损耗的最终极限。

（2）弯曲损耗。在实际应用中，光纤弯曲变形将会产生空间滤波效应、模式泄漏及模式耦合。当光纤的曲率半径远大于所使用的光纤的直径时，将会造成光纤的宏观弯曲损耗[9]。光纤弯曲导致光在光纤中传播的全反射条件被破坏，使进入光纤弯曲部分的光从高阶模折射到包层中，所携带的能量被辐射出去，从而产生辐射损耗[12]。

（3）吸收损耗。吸收损耗是由于光纤材料和其所含杂质对光能的吸收引起的。光纤的吸收损耗主要包括基质材料的本征吸收和杂质吸收。本征吸收是指紫外和红外电子跃迁与振动跃迁引起的吸收，两种吸收带的尾端延伸到光纤通信波段，从而引起光纤的吸收损耗。杂质吸收主要是由各种过渡金属离子和OH-离子导致的损耗。通常可以通过改变光的波长或改变材料成分来降低吸收损耗，优化光纤性能[13]。

（4）制造损耗。制造损耗是在制造光纤的工艺过程中产生的，主要由光纤中杂质成分的吸收和光纤本身的结构缺陷引起[8]。光纤中的杂质吸收损耗前面已经谈到，此处不再赘述。光纤结构的缺陷，如光纤中有气泡、直径波动或纤芯-包层交界面不平滑等均会带来损耗。可通过提高材料纯度及优化制造工艺来降低制造损耗。

2 实验方法

截断法是光纤损耗的基准测量方法，测量精度高，但具有破坏性。考虑到实验材料的重复利用，本实验采用插入法作为替代方法。图1 为插入法光纤损耗谱测量系统的原理框图。其基本原理是：先使用一根短的标准光纤跳线连接光源和光功率计，设置波长可变光源的波长为0λ，记录此时的输出功率值0P，再用待测光纤代替光纤跳线，测量这种情况下光纤的输出功率值1P。需要注意的是，光纤位置、弯曲程度、连接头等均应尽量保持不变，并且保证光纤中的模式受到均匀的激励。光纤损耗特性一般由光纤衰减系数衡量，其表达式为：

式中，α(λ)表示波长为λ 时的光纤衰减系数，单位为dB/km，L 为待测光纤长度。将插入法测得的数据代入公式（1）中，即可计算出单位长度待测光纤在波长λ0下的光纤衰减系数。改变可变光源波长，重复上面的测试步骤，可以获得不同波长下待测光纤的衰减系数，实现待测光纤损耗谱的测量。

图1 插入法光纤损耗谱测量系统原理框图

3 实验系统搭建

本文设计的插入法光纤损耗谱测量实验系统如图2 所示。该实验系统包括卤素灯、光栅单色仪、斩波器、光纤跳线、25 km 单模光纤、光电检测器、锁相放大器等实验设备和材料。锁相放大器与斩波器配合使用可实现微弱信号检测，应用到插入法光纤损耗谱测量实验系统中可提高系统性能。

图2 插入法光纤损耗谱测量实验系统框图

卤素灯（光谱范围为250～2700 nm）发出的宽谱、高功率光信号通过输入光耦合透镜组进入光栅单色仪中，光栅单色仪采用蜗轮蜗杆机构，通过软件控制步进电机，带动光栅转动，将复合光分解为线宽为0.4 nm 的单色光。单色光经由斩波器将连续光调制成具有固定重复频率500 Hz 的脉冲光，并入射到待测光纤中。同时，斩波器驱动源输出的500 Hz 电信号作为参考信号输入到锁相放大器中。待测光纤末端输出的光信号经由光电检测器进行光-电转换，其输出作为锁相放大器的输入，进行锁相放大。观察并记录不同波长下光纤跳线和待测光纤末端在锁相放大后的电压测量值。

实验系统中的光栅单色仪与斩波器的位置可以互换，只要使注入光纤的光信号为固定重复频率的脉冲单色光即可。考虑到实验系统组装较为复杂，在学生开始测量实验前，应将卤素灯光源室、输入光耦合透镜组、单色仪、斩波器调整完毕，并固定安装在光学平板上。按照图2 搭建的实验系统实物如图3 所示。

图3 插入法光纤损耗谱测量实验系统实物图

4 实验结果及分析

通过计算机中安装的控制软件，改变单色仪输出波长，测量波长范围为650～1300 nm、1310 nm、1350～1600 nm，步进为50 nm，记录各组波长下光纤跳线和待测光纤输出端锁相放大后的电压测量值。

图4 为锁相放大器的显示界面，其中R 为锁相放大后的电压值，θ 为锁相放大器两路输入信号的相位偏移值。锁相环（PLL）显示LOCKED 表示锁相正常。利用公式（1）计算不同波长下的光纤衰减系数，将计算结果绘制成光纤损耗谱曲线，如图5 所示。

由图5 可以直观地观察到光纤损耗谱的变化情况。随着波长的增加，光纤损耗谱整体呈现降低的趋势，但在950 nm 和1400 nm 处，OH-离子的振动吸收导致光纤损耗增加，损耗谱出现了小的波峰。曲线有3 个低损耗谷，即光纤通信所使用的3 个低损耗“窗口”，分别为短波长850 nm 波段及长波长1310 nm 波段和1550 nm 波段。测量结果基本与理论值吻合，满足实践教学的要求。

图4 锁相放大器显示界面

图5 实验测得的光纤损耗谱曲线

通过本次实验有效调动了学生独立思考与实践操作的积极主动性，学生不仅清晰地理解和掌握了光纤损耗谱的测量原理与实验方法，还熟悉了卤素灯、光栅单色仪、斩波器、光电检测器、锁相放大器等常用光电子设备，提高了学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。

5 结语

实践性教学是培养学生创新意识和创新能力的重要教学环节。本课程以现代教育思想为指导，以培养掌握本领域坚实的基础理论和宽广的专业知识，具有较强的解决实际问题的能力，能够承担电子与通信工程领域及相关专业技术或管理工作，具有良好的职业素养和社会责任感的高级工程技术人才为宗旨，利用“光纤通信原理”课程的创新型综合实验平台的实验设备，设计并搭建了插入法光纤损耗谱测量实验系统。作为“光纤通信原理”课程的综合实验教学内容，旨在培养学生的实操能力、独立思维能力和创新能力。实践表明，在理论教学环节辅以实验，可以有效调动学生参与实验的主动性和积极性，加深学生对理论知识的理解与掌握，提高自主学习效果。