光纤损耗及参数的测量研究

苏宝玺，刘新芳，李银成，陈小君（闽南科技学院，福建 泉州 362332）

1 研究背景

近些年，光纤在通信、交通、电力和医疗等多个应用领域占据十分重要的地位。随着光纤到户技术快速而迅猛的发展，光纤接入的损耗问题显得尤为突出。要了解光纤在各个领域中的应用，以及光纤种类的选择，就需要对光纤的参数和它在应用中出现的损耗及弊端进行研究[1-2]。通过实验测量计算光纤的各类损耗，能够分析如何有效降低损耗值或者避免损耗的发生。本文的数据测量和分析方法，对光纤损耗参数计算和实际工程应用起到一定的借鉴作用。

2 光纤耦合效率

光纤耦合在光纤应用中有着重要的意义，在光纤传输和传感技术中，各部件的耦合是一个重要的环节[3]。当光纤本身的损耗降低后，提高光纤耦合效率，减小光纤耦合引起的损耗显得尤为重要[4]。在光纤传输和传感系统中，耦合损耗是一个重要的参数。本测量主要探究DSPL固体激光器光源通过40倍物镜与单模、多模光纤间的耦合问题。

光路按图1搭建，将各器件按照测试要求安置好，进行测量。

图1 光纤耦合测量图

由表1中数据可知：单模光纤的耦合效率低于多模光纤的耦合效率，与实际应用情况吻合。测量中采用9/125 μm单模光纤和62.5/125 μm多模光纤，单模光纤耦合效率平均值96.18%比多模光纤耦合效率平均值99.55%低。提高耦合效率需要设计稳定的光路，且需激光输出稳定、聚焦光斑小、光路不能偏移。注意对光纤端面处理完善，光纤端面不能出现断面的现象，使用前需清洁干净，否则耦合效率降低明显。

表1 单模和多模光纤耦合结果

3 光纤数值孔径

光纤的数值孔径（NA）表征的是光纤接收入射光线的能力，是反映光纤与光源、光探测器及其他光纤相互耦合效率的重要参数[5]。通过测量光纤出射光斑尺寸大小来计算出光纤出射角度，从而确定光纤的数值孔径。将功率计放置于圆斑的正中心，测量此时功率为P1，记录此时平移台千分丝杆的刻度R1；沿着直径方向移动功率计，P2为边缘功率，当P2=0.1P1时，记录此时千分丝杆的刻度R2；则圆斑的近似半径R=|R1-R2|。测得光纤输出端与屏的间距L=26.1 mm，利用公式NA=Sin[arctan[|R1-R2|/L]]即可计算数值孔径大小。

由表2、表3可知，多模光纤的数值孔径平均值显然比较大。从材料性质来比，多模光纤对入射光的接收能力比单模光纤大，说明数值孔径与接收光的能力成正比。因此，在使用过程时，如果数值孔径太大，会影响光纤的带宽，还会引起光纤模畸变大。

表2 单模光纤数值孔径

表3 多模光纤数值孔径

4 光纤连接损耗和传输损耗

在工程应用中，光纤连接遇到的主要问题是连接处存在的损耗，这里通过测量，计算光纤连接损耗的大小；通过测量5dB光衰减器，验证光纤衰减器功能，模拟实际工程光信号传输问题。采用输出功率为300mW的532nm绿光半导体激光器，连接9/125μm单模光纤。测出光纤耦合后的输出功率P1和经安装5dB光纤衰减器后衰减后的功率P2即可计算出损耗值。

由表4可知：耦合过程中光纤连接损耗衰减较低，说明耦合过程中连接损耗是人为可控制减少的一种误差[6]。接5dB衰减器后输出功率明显降低，损耗百分误差为11.7%。导致误差的主要因素是5dB的衰减器在连接口处产生的连接损耗较大。通过光衰减器可以降低某些器件输入端口的光功率，避免光接收机等光信号接收器件因功率太强而失真。

表4 连接损耗和衰减器输出功率

5 多模光纤插入损耗

5.1 FC-FC多模光跳线与ST-FC多模光跳线在1310nm波长处光纤插入损耗

在测试光纤插入损耗时，本测试采用850nm光发端机，以CCITT推荐的剪断法为测试方法，用小可变衰减器替代可调衰减的多模光纤[6]，用柱状扰模器形成平衡模分布，先测试A点光功率P0，再拆除光功率计，连接小可变衰减器，测试B点的输出光功率P1，测试框图如图2所示。损耗计算公式为:其中α（λ）表示在波长λ处的衰减系数[7]，波长λ为1310nm。P(0)指的是轴向距离Z=0处的光功率。P(ZL)指的是轴线距离Z=L处的光功率。

图2 光纤损耗测试框图

5.2 FC-FC多模光跳线在1310 nm波长处的衰减系数

通过插损法测出FC-FC在1310nm波长处未加小可变衰减器时的输出功率，再连接上小可变衰减器。

由表5可见1310nm波长处FC-FC的损耗系数的实验数据在1.32dB/km到1.63dB/km之间，平均值为1.465dB/km。

表5 FC-FC多模光跳线在1310 nm波长处的衰减系数

5.3 ST-FC多模光跳线在1310 nm波长处的衰减系数

通过插损法测出ST-FC在1310nm波长处未加小可变衰减器时的输出功率，再连接上小可变衰减器。

由表6可见该ST-FC多模光跳线在1310 nm波长的衰减系数在0.18dB/km到0.39dB/km之间，平均值为0.288dB/km。从上述两个测试看出，ST-FC多模光跳线比FC-FC多模光跳线的损耗系数要低得多。

表6 ST-FC多模光跳线在1310 nm波长处的实验数据

6 光纤弯曲损耗

弯曲损耗是光纤布线时最主要的可降低损耗之一[8-9]。

图3 单模光纤弯曲损耗测试实验图

通过光纤缠绕扰模器来模拟光纤弯曲形式，弯曲损耗计算公式为A=10lg（P1/P2），A是光纤弯曲损耗，P1为光纤未缠绕测量功率，P2为光纤缠绕后测量功率。图4、图5分别为扰模器的两种不同缠绕方法。

图4 弯曲半径R1缠绕方法

图5 弯曲半径R2缠绕方法

测试时分别在1310 nm和1550 nm两个波长上，测量单模光纤跳线未缠绕时输出的光功率P0，再根据图4、图5两种弯曲半径缠绕方法测光功率P1和P2，最后根据弯曲损耗计算公式求出相对损耗值。同理，多模光纤跳线也可用相同方法计算相对损耗值。

表7 两种缠绕方法弯曲损耗比较

由表7可知：同类型光纤，通过同样波长光信号时，图5弯曲半径大，图4弯曲半径小，图5的损耗比图4小。按照CCITT标准，在测试中采用减小弯曲半径来改变光纤的损耗。同样，对于同类型光纤，弯曲半径相同时，通过不同波长光信号，损耗程度也不一样。相比于多模光纤，单模光纤G.652[10]在表7中，1310nm的工作窗口，损耗比1550nm小得多。

7 总结

本文总结了光纤耦合效率、数值孔径的测量方法。研究连接损耗、弯曲损耗和插入损耗为主的各种损耗对光纤通信所造成的影响，指出了哪些是造成光纤通信损耗主要原因。提醒光纤布线时应当进行合理的设计以减小损耗，并且损耗是可以通过合理的布线方法减小的。对光纤通信的教学及减小光纤通信损耗有一定的借鉴意义。