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1、光纤传感技术光纤传感技术Fiber Optical SensorFiber Optical Sensor第第四四章章 光纤光纤色散测量色散测量Measurement of Fiber Dispersion 第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量 内内 容容一、时域法一、时域法二、频域法二、频域法三、时域法和频域法的比较三、时域法和频域法的比较第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量光光纤纤的的色色散散是是在在光光纤纤中中传传输输的的光光信信号号，随随传传输输距距离离增增加加，由由于于不不同同成成分分的的光光传传输输时延时延t
2、 t不同引起的脉冲展宽的物理效应。不同引起的脉冲展宽的物理效应。色色散散主主要要影影响响系系统统的的传传输输容容量量，也也对对中中继距离有影响。继距离有影响。光纤的色散光纤的色散(Dispersion)第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量色散引起的脉冲展宽色散引起的脉冲展宽第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量模模式式色色散散：多多模模光光纤纤中中，不不同同模模式式的的光光沿沿着着不不同同的的路路径径传传输输，各各模模式式群群速速度度不不同同，因因此此由由多多个个导导膜膜组组成成的的光光脉脉冲冲就就分分解解成成许许多多脉
3、脉冲而产生色散。冲而产生色散。色色散散分分类类模内色散模内色散模间色散模间色散材材料料色色散散：材材料料对对不不同同频频率率光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波导导色色散散：同同一一模模式式下下,不不同同频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第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量 光光纤纤的的色色散散可可以以从从光光纤纤的的时时域域特特性性和和频频域域特特性性两两个个方方面面来来描描述述光光脉脉冲冲波波形形在在时时间间上上发发生生了了展展宽宽是是从从时时域域特特性性来来描描述述了了光光纤纤的的色色散散效效应应而而光光纤纤
4、的的频频域域特特性性，则则是是把把光光纤纤看看作作一一个个传传输输“网网络络”由由于于网网络络总总是是有有一一定定带带宽宽的的，所所以以就就用用光光纤纤的的频频带带宽度来从频域特性描述光纤的色散效应宽度来从频域特性描述光纤的色散效应色散的时域和频域描述色散的时域和频域描述第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量从从光光纤纤的的时时域域特特性性看看，色色散散使使光光脉脉冲冲沿沿着着光光纤行进一段距离后脉冲变宽。纤行进一段距离后脉冲变宽。时域描述时域描述第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量钟形函数钟形函数 2s sA Af(t
5、f(t)t（高斯分布函数）（高斯分布函数）第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量傅立叶变换傅立叶变换可见钟形函数的傅氏变换也是钟形函数可见钟形函数的傅氏变换也是钟形函数第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量傅立叶变换傅立叶变换傅立叶变换傅立叶变换 第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量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带是把光纤看作一个有一定带宽宽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
6、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)。光纤的频域描述光纤的频域描述光纤频率传递函数光纤频率传递函数H(w w)第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量Po(w)Pi(w)H(w)H(w w)-w wc cw wc cH(w)X(w)Y(w)色散的频域描述色散的频域描述当一个光脉冲通过光纤这个当一个光脉冲通过光纤这个“网络网络”时，这个光脉冲时，这个光脉冲的频率成分就受这个的频率成分就受这个“网络网络”的限制，在这个的限制，在这个“网络网络”带宽以外的频率成分将被抑制掉，从而光脉冲出现带宽以外的频率成
7、分将被抑制掉，从而光脉冲出现了失真了失真或 H(w)Po(w)/Pi(w)第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量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：光纤的色散和带宽的关系光纤的色散和带宽的关系式式中中，DtDt为为光光脉脉冲冲通通过过单单位位长长度度光光纤纤后后的的展展宽宽(ps)。对对于于模模内内色色散散，DtDt s s（l l）Dl Dl，s s（l l）(单单位位ps/kmnm)为为色色散散系系数数,DlDl为为光光源源半半功率点的谱线宽度。功率点的谱线宽度。第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色
8、散测量光光纤纤色色散散的的测测量量是是测测量量光光纤纤对对信信号号展展宽宽的的程程度度。由由上上可可知知，光光纤纤带带宽宽与与脉脉冲冲展展宽宽在在实实质质上上是是一一致致的的。光光脉脉冲冲变变宽宽是是色色散散在在时时域域的的反反映映。光光纤纤带带宽宽是是色色散散在在频频域域的的反反映映。因因此此，色色散散的的测测试试方方法法有有时时域法域法和和频域法频域法两种。两种。色散的测量方法色散的测量方法第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量时时域域法法又又称称脉脉冲冲展展宽宽法法。利利用用测测量量通通过过光光纤纤的的光光脉脉冲冲产产生生的的脉脉冲冲宽宽度度确确定定光
9、纤的色散。光纤的色散。频频域域法法又又称称扫扫频频法法，通通过过光光纤纤的的频频率率响响应应测测量量带带宽宽，然然后后确确定定色色散散系系数数。此此方方法法采采用用频频率率连连续续可可调调的的正正弦弦被被调调制制光光源源做做为为测测试试信信号号源源，故故也也称称为为正正弦弦波波法或相移法。法或相移法。第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量注注入入有有两两种种方方式式：满满注注入入和和限限制制注注入入所所谓谓满满注注入入就就是是要要均均匀匀地地激激励励起起所所有有的的传传导导模模式式，而而限限制制注注入入就就是是只只激激励励起起较较低低损损耗耗的的低低阶阶模模
10、，而适当的抑制损耗较大的高阶模。而适当的抑制损耗较大的高阶模。当测量光纤的色散时，采用满注入方式。当测量光纤的色散时，采用满注入方式。满满注注入入条条件件是是具具有有均均匀匀空空间间分分布布的的入入射射光光束束近近场场光光斑斑直直径径大大于于被被测测光光纤纤的的纤纤芯芯直直径径，远远场场辐辐射射角角的的数数值值孔孔径径大大于于被被测测光光纤纤的的数数值值孔孔径。径。色散测量的光激励色散测量的光激励色散测量的光激励色散测量的光激励测量色散多模光纤的注入条件测量色散多模光纤的注入条件第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量 阶跃型多模光纤阶跃型多模光纤光光源源透透
11、镜镜色散测量多模光纤的光注入要求色散测量多模光纤的光注入要求第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量为为了了使使接接收收端端的的稳稳态态功功率率分分布布符符合合满满注注入入条条件件，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。滤滤模模器器和和包包层层模模剥剥除除器器应应在在距距离离待待测测光光纤纤始始端端约约1m处处使使用用。经经过过扰扰模模、滤滤模模和和包包层层模模剥剥除除后后，离离注注入入端端约约2m处处待待测测光光纤纤的的理理想想近近场场和和远远场场分分布布图图应应与与长长光光纤纤或或接接续续光光纤纤终终端端的的近
12、近场场和远场分布图相似。和远场分布图相似。稳态模功率分布模拟装置稳态模功率分布模拟装置色散测量的光激励色散测量的光激励色散测量的光激励色散测量的光激励第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量一、时域法一、时域法第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量光纤模内色散与模间色散的测量光纤模内色散与模间色散的测量一、光纤模内色散的测量一、光纤模内色散的测量由由于于单单模模光光纤纤只只传传输输一一种种模模式式，因因而而它它不不存存在在模模间间色色散散，只只有有模模内内色色散散，即即材材料料色色散散和和波波导导色色散散。通通常常材材料料色
13、色散散比比波波导导色色散散大大两两个个量量级级。但但是是，在在零零色色散散区区，材材料料色色散散与与波波导导色色散散值值大大致致相相当当，只只是是两两者者符符号号相相反反。即即：l l0 01.3m mm处处，材材料料色色散散近近似似为为零零。因因而而称称l l0 0 为为零零色色散散点点。（注注：1.55附附近近，是是光光纤纤的的最低损耗点）最低损耗点）时域法时域法第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量若若在在波波长长l l下下单单位位长长度度的的群群时时延延为为t(lt(l)，则则色色散散的的程程度度可可用用色色散散系系数数s(ls(l)来来评评定。其定
14、义如下定。其定义如下:模内色散或频率色散系数模内色散或频率色散系数对谱宽为对谱宽为DlDl的光源单位长度光纤的脉冲的光源单位长度光纤的脉冲展宽为展宽为:时域法时域法第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量模内色散测量方法：模内色散测量方法：s(ls(l)单单模模光光纤纤的的模模内内色色散散，它它是是波波长长的的函函数数。从从原原理理上上讲讲，测测量量s(ls(l)时时，只只要要观观察察脉脉冲冲到到达达的的时时间间和和波波长长的的关关系系，即即可可由由上上式式计计算算出出s(ls(l)。进进行行时时域域测测量量，需需要要一一系系列列可可以以使使用用的的单单色色光
15、光源源或或一一个个波波长长连连续续可可调调的的光光源源，还还需需要要一一个个能能测测量量时时间间延延迟迟的的装置。装置。时域法时域法第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量时域脉冲延迟测量装置时域脉冲延迟测量装置时域法时域法演示演示演示演示第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量光纤传输延迟与波长的关系光纤传输延迟与波长的关系B-3光光纤纤是是含含有有三三氧氧化化二二硼硼的的梯梯度度光光纤纤，GB-4到到GB-6是是含含有有少少量量三三氧氧化化二二硼硼而而含含有有较较多多的的二二氧氧化化锗锗的的梯梯度度光光纤纤，杂杂质质含含量
16、量从从GB4到到GB6逐逐步增加。步增加。时域法时域法零色散点零色散点第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量多模光纤材料色散和波长的关系多模光纤材料色散和波长的关系时域法时域法零色散零色散第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量二、模间色散的测量二、模间色散的测量对于多模光纤，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模间色散。脉冲展通过观察脉冲展宽可以测量模间色散。脉冲展宽由下式计算：宽由下式计算：输入脉冲输入脉冲输出脉冲输出脉冲时域法时域法第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤
17、光纤色散测量色散测量色散测量色散测量光脉冲要求：光脉冲要求：光脉冲要求：光脉冲要求：窄脉冲且波形接近高斯分布。窄脉冲且波形接近高斯分布。光注入要求：光注入要求：光注入要求：光注入要求：采用采用“满注入满注入”方式。方式。首首先先用用一一短短光光纤纤将将“1”、“2”两两点点相相连连，这这时时从从示示波波器器中中得得到到的的波波形形相相当当于于Pin(t)，并并测测量量其其宽宽度度DtDti,然然后后再再将将被被测测光光纤纤连连到到“1”，“2”两两点点之之间间，此此时时从从示示波波器器得得到到Pout(t)波波形形，并测量它的宽度并测量它的宽度DtDto o。由下式计算脉冲的展宽：。由下式计算
18、脉冲的展宽：脉冲展宽测量装置脉冲展宽测量装置第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量二、脉冲展宽的测量误差分析二、脉冲展宽的测量误差分析时域法时域法 光脉冲光脉冲影响测量误差因素：影响测量误差因素：影响测量误差因素：影响测量误差因素：光源噪声光源噪声 光电探测器噪声光电探测器噪声 电路噪声电路噪声 示波器噪声示波器噪声 读书误差读书误差第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量二、频域法二、频域法用正弦波调制光波来测量光纤色散的方法用正弦波调制光波来测量光纤色散的方法第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散
19、测量色散测量模内色散测量常采用模内色散测量常采用相移法相移法相移法相移法。不不同同波波长长的的信信号号经经过过相相同同光光纤纤传传输输后后，因因时时延延D Dt不不同同而而导导致致相相位位移移动动不不同同(wDwDt或或2p2pfD Dt)。相相移移法法就就是是通通过过测测量量经经同同一一正正弦弦信信号号调调制制后后的的不不同同波波长长的的光光信信号号，经经光光纤纤传传输输后后产产生生的的相相移移差差别别来来确确定定群群时时延延与与波长的关系，进而导出色散系数的一种方法。波长的关系，进而导出色散系数的一种方法。频域法频域法1、模内色散测量、模内色散测量第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤
20、色散测量色散测量色散测量色散测量相位法特点：相位法特点：要要求求的的测测试试设设备备较较简简单单，且且正正弦弦信信号号可可采采用用窄窄带带滤滤波波放放大大，有有利利于于提提高高信信噪噪比比，测测量量准准确度高，因此已被广泛应用。确度高，因此已被广泛应用。相相移移法法可可采采用用一一组组发发光光二二极极管管作作光光源源，也也可可采用一组激光器作光源。采用一组激光器作光源。频域法频域法第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量设设正正弦弦调调制制信信号号的的频频率率为为f，被被测测光光纤纤长长度度为为L，输输入入信信号号的的波波长长分分别别为为l l1，l l2，l
21、 li(i1，2，)为为了了测测量量方方便便，设设一一个个参参考考光光波波长长为为l lr，则则对对于于输输入入不不同同波波长长的的信信号号经经过过光光纤纤传传输输后后产产生生的的相相移移差差是是相相对对于于参参考考波波长长而而言言。设设l li和和l lr间间经经光光纤纤传传输输后的时延差为后的时延差为D Dti,相移差为相移差为DfDfi,通过测量得到通过测量得到DfDfi。测量原理测量原理所以所以所以所以因为因为因为因为频域法频域法第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量进而由进而由s(ls(l)=)=dt t/dl l求得求得该光纤的色散系数该光纤的色
22、散系数s st t=A+B l l-4-4+C l l-3-3+D l l-2-2+E l l4 4这样，通过测量不同波长这样，通过测量不同波长l li 的的DfDfi，由上式，由上式计算出一组计算出一组t ti l li值，然后进行多项式曲线值，然后进行多项式曲线拟合，得出拟合，得出t(lt(l)曲线。曲线。*l lt t频域法频域法第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量（1 1）发光二极管（）发光二极管（）发光二极管（）发光二极管（LEDLED）型测量系统）型测量系统）型测量系统）型测量系统图是采用一组发光二极管作光源的测量系统图是采用一组发光二极管作光
23、源的测量系统图是采用一组发光二极管作光源的测量系统图是采用一组发光二极管作光源的测量系统矢矢矢矢量量量量电电电电压压压压表表表表是是是是能能能能同同同同时时时时测测测测量量量量信信信信号号号号幅幅幅幅度度度度和和和和相位的测量仪器相位的测量仪器相位的测量仪器相位的测量仪器相移法测量系统框图相移法测量系统框图单色仪单色仪单色仪单色仪信号发生器信号发生器信号发生器信号发生器LEDLED第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量探探探探测测测测器器器器(APDAPD)的的的的波波波波长长长长响响响响应应应应要要要要同同同同光光光光源源源源相相相相匹匹匹匹配配配配，这这
24、这这里里里里选选选选用用用用GeGeAPDAPD。为为为为了了了了防防防防止止止止不不不不同同同同光光光光功功功功率率率率在在在在探探探探测测测测器器器器中中中中引引引引起起起起的的的的相相相相移移移移，利利利利用用用用可可可可变变变变衰衰衰衰减减减减器器器器使使使使各各各各波波波波长长长长下下下下探探探探测测测测器器器器接接接接收收收收到到到到的的的的光光光光功功功功率大致相等。率大致相等。率大致相等。率大致相等。矢矢矢矢量量量量电电电电压压压压表表表表的的的的分分分分辨辨辨辨率率率率一一一一般般般般是是是是 0.10.1o o,由由由由它它它它测测测测出出出出不不不不同同同同波波波波长下正
25、弦信号的相对相位差。长下正弦信号的相对相位差。长下正弦信号的相对相位差。长下正弦信号的相对相位差。当调制频率当调制频率当调制频率当调制频率f f为为为为30 MHz30 MHz时，该系统的分辨率约为时，该系统的分辨率约为时，该系统的分辨率约为时，该系统的分辨率约为9ps9ps；当当当当 f f为为为为100 MHz100 MHz时，约为时，约为时，约为时，约为3ps3ps。第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量发发发发光光光光二二二二权权权权管管管管由由由由频频频频率率率率f f30 30 MHzMHz的的的的正正正正弦弦弦弦信信信信号号号号进进进进行行行行
26、调调调调制制制制。宽宽宽宽光光光光谱谱谱谱的的的的调调调调制制制制光光光光直直直直接接接接经经经经尾尾尾尾纤纤纤纤耦耦耦耦合合合合进进进进待待待待测测测测单单单单模模模模光光光光纤纤纤纤(也也也也可可可可经经经经透透透透镜镜镜镜耦耦耦耦合合合合)。出出出出射射射射光光光光由由由由单单单单色色色色仪仪仪仪分分分分出出出出DlDlDlDl=6nm=6nm，中中中中心心心心波波波波长长长长为为为为l l l li i单单单单色色色色光光光光再再再再经经经经透透透透镜镜镜镜会会会会聚聚聚聚到到到到探探探探测测测测器器器器的的的的光光光光敏敏敏敏面面面面。探探探探测测测测器器器器将将将将接接接接收收收收
27、到到到到的的的的光光光光信信信信号号号号转转转转换换换换为为为为电电电电信信信信号号号号，经经经经放放放放大大大大器器器器放放放放大大大大后后后后送送送送到到到到矢矢矢矢量量量量电电电电压压压压表表表表。参参参参考考考考信信信信号号号号取取取取自自自自信信信信号号号号发发发发生生生生器器器器，矢矢矢矢量量量量电电电电压压压压去去去去测测测测得得得得的的的的f f f fi i(l(l(l(l)数数数数据据据据送送送送入入入入计计计计算算算算机机机机。利利利利用用用用式式式式(4(433)33)拟拟拟拟合合合合这这这这些些些些数数数数据据据据得得得得出出出出曲曲曲曲线线线线。由由由由式式式式(4
28、34)(434)可可可可得得得得到到到到s(ls(ls(ls(l)曲线。通过色散系数曲线。通过色散系数曲线。通过色散系数曲线。通过色散系数s(ls(ls(ls(l)曲线可确定零色散波长。曲线可确定零色散波长。曲线可确定零色散波长。曲线可确定零色散波长。测量过程测量过程第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量相对时延与被长的关系和相应的色散系数曲线相对时延与被长的关系和相应的色散系数曲线相对时延与被长的关系和相应的色散系数曲线相对时延与被长的关系和相应的色散系数曲线L=1360mL=1360m第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散
29、测量 2、激光器型测量系统、激光器型测量系统 激光器型装置的特点是用一组半导体激光激光器型装置的特点是用一组半导体激光器作为光源。激光器的谱宽很小，一般小于器作为光源。激光器的谱宽很小，一般小于6nm，因此，不需要单色仪选取波长。其测，因此，不需要单色仪选取波长。其测量原理和数据处理方法完全与发光二极管型量原理和数据处理方法完全与发光二极管型相同。相同。第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量（2）激光器型相移法测量系统图）激光器型相移法测量系统图第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量2、模间色散测量、模间色散测量通通通通过
30、过过过连连连连续续续续改改改改变变变变调调调调制制制制信信信信号号号号的的的的频频频频率率率率并并并并测测测测定定定定光光光光纤纤纤纤输输输输入入入入和和和和输输输输出出出出的的的的信信信信号号号号幅幅幅幅度度度度，可可可可以以以以得得得得到到到到光光光光纤纤纤纤的的的的频频频频率率率率响响响响应应应应，对对对对光光光光电电电电探探探探测测测测器器器器输输输输出出出出的的的的电电电电信信信信号号号号进进进进行行行行测测测测量量量量时时时时，通通通通常常常常使使使使用用用用频频频频谱谱谱谱分分分分析析析析仪仪仪仪或或或或矢矢矢矢量量量量电电电电压压压压表表表表。频频频频谱谱谱谱分分分分析析析析仪
31、仪仪仪可可可可测测测测量量量量光光光光纤纤纤纤基基基基带带带带响响响响应应应应的的的的幅幅幅幅频频频频特特特特性性性性，矢矢矢矢量量量量电电电电压压压压表表表表可可可可同同同同时时时时测测测测量量量量光光光光纤纤纤纤基基基基带带带带响响响响应应应应的的的的幅幅幅幅频频频频和和和和相相相相频频频频特性。特性。特性。特性。第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量切断法光纤带宽扫频测试系统切断法光纤带宽扫频测试系统第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量图图417并并与与第第二二步步的的长长光光纤纤扫扫频频测测量量结结果果相相减减。
32、其其差差值值由由寄寄存存器器输输出出，并并由由xy函函数数记记录录仪仪绘绘出出基基带带频频响响的的幅幅频频曲曲线线。幅幅频频曲曲线线的的6dB(电电带带宽宽)点点对对应应的的频率为测得的光纤带宽频率为测得的光纤带宽B。测量步骤：测量步骤：测量步骤：测量步骤：第一第一第一第一、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。第第第第二二二二、接接入入被被测测光光纤纤并并进进行行同同步步扫扫频频测测量量。扫扫频频范范围围应应超超过过被被测光纤的带宽。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
33、量的结果以分贝数存储在寄存器中。第第第第三三三三、保保持持注注入入条条件件不不变变，在在距距注注入入端端约约2米米处处截截断断光光纤纤，并并对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，第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量光纤频率传递函数光纤频率传递函数H(f)带宽和色散的关系带宽和色散的关系DtDt的单位的单位ps第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量插入法光纤带宽扫频测试系统插入法光纤带宽扫频测试系统第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色
34、散测量色散测量色散测量时域法和频域法的比较时域法和频域法的比较时间延迟时间延迟时间延迟时间延迟脉冲展宽脉冲展宽脉冲展宽脉冲展宽测光纤的测光纤的测光纤的测光纤的基带响应基带响应基带响应基带响应极窄的脉冲极窄的脉冲极窄的脉冲极窄的脉冲可调信号源可调信号源可调信号源可调信号源第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量 （1 1）时时时时域域域域法法法法测测测测光光光光纤纤纤纤色色色色散散散散是是是是观观观观察察察察脉脉脉脉冲冲冲冲光光光光信信信信号号号号通通通通过过过过光光光光纤纤纤纤后后后后的的的的时时时时间间间间延延延延迟迟迟迟或或或或脉脉脉脉冲冲冲冲展展展展宽宽
35、宽宽。频频频频域域域域法法法法是是是是使使使使用用用用不不不不同同同同频频频频率率率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。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 2）时时时时域域域域法法法法要要要要求求求求产产产产生生生生和和和和探探探探测测测测极极极极窄窄窄窄的的的的脉脉脉脉冲冲冲冲，而而而而频频频频域域域域法法法法需需需需要要要要一一一一个个个个从从从从低低低低频频频频到到到到高高高高频频频频的的的的可可可可调调调调信信信信号号号号源源源源用用用用以以以以驱驱驱驱动动动动激激激激光光光光器或发光管。器或发光管
36、。器或发光管。器或发光管。（3 3）在在在在测测测测量量量量准准准准确确确确度度度度方方方方面面面面，频频频频域域域域法法法法优优优优于于于于时时时时域域域域法法法法。在在在在实实实实际际际际测测测测量量量量中中中中，由由由由于于于于输输输输入入入入脉脉脉脉冲冲冲冲本本本本身身身身或或或或光光光光输输输输出出出出探探探探测测测测器器器器等等等等原原原原因因因因，检检检检测测测测到到到到的的的的脉脉脉脉冲冲冲冲不不不不可可可可能能能能很很很很窄窄窄窄。因因因因此此此此，如如如如用用用用频频频频域域域域法法法法来来来来测测测测量量量量，只只只只要要要要根根根根据据据据H H(w w w w)P P
37、o o(w w w w)P Pi i(w w w w),),测测测测量量量量在在在在光光光光纤纤纤纤输输输输入入入入端端端端和和和和输输输输出出出出端端端端的的的的频频频频率率率率响响响响应应应应，并并并并求求求求它它它它们们们们的的的的商商商商，就就就就可可可可以以以以得得得得到光纤的基带响应的幅值。到光纤的基带响应的幅值。到光纤的基带响应的幅值。到光纤的基带响应的幅值。时域法和频域法的比较时域法和频域法的比较第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量1、光光光光纤纤纤纤损损损损耗耗耗耗的的的的测测测测量量量量是是是是测测测测量量量量光光光光波波波波沿沿沿沿光
38、光光光纤纤纤纤传传传传输输输输时时时时，每每每每公公公公里里里里光光光光功功功功率率率率的衰减减情况。的衰减减情况。的衰减减情况。的衰减减情况。测量方法有截断法、插入法和后向散射法。测量方法有截断法、插入法和后向散射法。对对于于单单模模光光纤纤与与多多模模光光纤纤来来说说测测量量时时的的注注入入系系统统是是不不同同的的单单模模光光纤纤需需要要滤滤模模器器当当光光纤纤的的涂涂敷敷层层折折射射率率低低于于包包层层的的折折射射率率时时还还需需要要包包层层模模剥剥除除器器多多模模光光纤纤除除需需上上述述器器件件外外，还还需需扰模器。扰模器。2、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
39、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。光纤色散的测量是测量光纤对信号展宽的程度。多多模模光光纤纤中中模模式式色色散散起起主主要要作作用用，且且色色散散程程度度较较大大。通通过过测测量量多多模模光光纤纤的的带带带带宽宽宽宽或或或或脉脉脉脉冲冲冲冲展展展展宽宽宽宽来来来来测测量量多多模模光光纤纤的的色色散散程程度度。它的测量方法有时域法和频域法它的测量方法有时域法和频域法 单单模模光光纤纤中中只只存存在在材材料料色色散散和和波波导导色色散散，色色散散程程度度要要比比多多模模光光纤纤小小的的多多，可可以以通通过过测测量量单单模模光光纤纤的的色色散散系系数数来来确确定定单
40、单模模光纤的色散程度它的测量方法有相移法和脉冲时延法。光纤的色散程度它的测量方法有相移法和脉冲时延法。光纤参数的测量小结光纤参数的测量小结光纤参数的测量小结光纤参数的测量小结第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量3、当当测测量量光光纤纤的的损损耗耗时时，采采用用限限制制注注入入方方式式，因因为为损损耗耗较较大大的的高高阶阶模模的的注注入入，会会由由于于被被测测光光纤纤长长度度不不同同而而使使输输出出光光功功率率不不同同，从从而而产产生生测测量量误误差差；当当测测量量光光纤纤的的色色散散时时，则则采采用用满满注注入入方方式式，因因为为色色散散的的测测量量是是由
41、由光光脉脉冲冲通通过过光光纤纤传传输输后后脉脉冲冲时时间间的的展展宽宽来来确确定定的的，如如果果采采用用限限制制注注入入，会会使使功功率率在在不不同同模模式式上上的的分分布布产产生生较较大大变变化化，致致使使光光脉脉冲冲的的展展宽宽程程度度不不同同，测测量量结结果果就不准确就不准确第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量第四章第四章 思考题思考题1、从物理概念来看，色散、脉冲展宽、光纤带、从物理概念来看，色散、脉冲展宽、光纤带宽三者之间的关系是什么宽三者之间的关系是什么?2、在测量光纤的损耗和色散时，光注入方式上、在测量光纤的损耗和色散时，光注入方式上有什么不
42、同，为什么？有什么不同，为什么？3、试比较测量光纤色散的时域法和频域法。、试比较测量光纤色散的时域法和频域法。第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量通通常常感感兴兴趣趣的的波波长长范范围围是是1.21.6m mm，这这里里选选用用了了两两个个In GaAsPInP发发光光二二极极管管其其峰峰值值波波长长分分别别为为1.33m mm和和1.47m mm，谱谱线线半半宽宽DlDl均均为为0.1m mm左左右右。用用两两个个发发光光二二极极管管就就可可覆覆盖盖1.271.37m mm，1.41.57m mm的的波波长长范范围围，满满足足了了1.3m mm和和1.5
43、5m mm两两个个最感兴趣的波长范围。最感兴趣的波长范围。发光二极管（发光二极管（LED）返回返回第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量调调制制频频率率为为30 30 MHzMHz。如如果果采采用用侧侧面面发发光光二二极极管管。正正弦弦调调制制信信号号频频率率f f可可达达9090100MHz100MHz则则更更有有利利于于提提高高分分辨辨率率。温温度度变变化化可可能能引引起起发发光二极管调制信号的光二极管调制信号的相位变化因此，要将发相位变化因此，要将发光二极管放在恒温槽中。光二极管放在恒温槽中。信号发生器信号发生器返回返回第第第第四四四四章章章章 光纤光
44、纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量单色仪工作原理单色仪工作原理棱镜式单色仪光学系统图F-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-三棱镜返回返回第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量相位法相位法第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量相位法相位法返回返回第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量l l l l1 1t(lt(lt(lt(l1 1)时延差测量示意时延差测量示意参考参考参考参考脉冲脉冲脉冲脉冲第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散
45、测量色散测量色散测量l l l l2 2t(lt(lt(lt(l2 2)时延差测量示意时延差测量示意参考参考参考参考脉冲脉冲脉冲脉冲第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量l l l l3 3t(lt(lt(lt(l3 3)时延差测量示意时延差测量示意返回返回参考参考参考参考脉冲脉冲脉冲脉冲第第第第四四四四章章章章 光纤光纤光纤光纤色散测量色散测量色散测量色散测量喇喇 曼曼 效效 应当当光光照照射射到到物物质质上上时时会会发发生生非非弹弹性性散散射射，散散射射光光中中除除有有与与激激发发光光波波长长相相同同的的弹弹性性成成分分（瑞瑞利利散散射射）外外，还还有有比比激激发发光光波波长长长长的的和和短短的的成成分分，后后一一现现象象统统称称为为喇喇曼曼效效应应。由由分分子子振振动动、固固体体中中的的光光学学声声子子等等元元激激发发与与激激发发光光相相互互作作用用产产生生的的非非弹弹性性散散射射称称为为喇喇曼曼散散射射，一一般般把把瑞瑞利利散散射射和和喇喇曼曼散散射射合合起起来来所所形形成成的的光光谱谱称称为为喇喇曼曼光光谱谱。由由于于喇喇曼曼散散射射非非常常弱弱，所所以以一一直直到到19281928年年才才被被印印度度物物理理学学家家喇喇曼曼等等所发现。所发现。