苏宝玺，陈小君，吴荣琴

(福建师范大学闽南科技学院，福建泉州 362332)

基于光通信中光损耗的测量与研究

苏宝玺，陈小君，吴荣琴

(福建师范大学闽南科技学院，福建泉州 362332)

近年来，随着光通信的不断发展，光纤的应用范围也越来越广，如光纤光缆的传输、光纤传感器的应用、光电子器件等。光纤测试的重要指标之一便是光纤损耗，它对光纤的传输效率具有重要影响，可以减小损耗，提高传输效率。本文通过不同的测试方法对光纤进行损耗测试与研究，探讨如何降低光纤的损耗。

光纤损耗；测试方式；实验教学

1 光纤损耗的定义

任何传输介质都存在着损耗，光纤也一样。光纤损耗的定义为：光纤在每个单位长度上的衰减值大小，由于制作材料的缘故，光在传送时发生部分光波能量被吸收的现象，单位为dB/km。同样，当光纤与光纤相互连接时，由于连接处耦合得不完全，也会产生损耗，影响光的传输效率[1]。因此，研究光纤的损耗特性以降低光纤损耗具有实际意义。

2 几种光损耗的实验测量

想要了解光纤的损耗，就必须对光纤进行相关的损耗测量实验，本课题涉及的光纤损耗研究有光纤耦合、截断法测量、插入损耗、弯曲损耗[2]。在实验中所用光纤为单模(纤芯3.2μm)和多模(纤芯62.5μm)两种。

2.1 光纤耦合效率测量

2.1.1 耦合原理

采用532 nm固体激光器光源与光纤的耦合中光源所发出的光功率能在其内最大量的进行传输，耦合效率受光源辐射的空间分布、光源发光面积、光纤收光特性及传输特性等影响。凸透镜耦合方式如图1所示。

图1 凸透镜耦合方式

2.1.2 耦合的实验步骤

按照图2进行实验器材的连接，调节好位置，使其水平，然后再调节相关仪器上的各个旋钮进行测量。

1.激光器；2.物镜；3.五维调节系统；4.功率计图2 实验光路图

2.1.3 单模和多模光纤耦合效率测量结果

单模和多模光纤耦合效率测量结果如表1所示。

表1 单模和多模的光纤耦合效率测量结果

2.1.4 实验分析

在实际应用中，光纤与各接头之间的耦合效率非常关键。光纤与光纤之间、光纤与接收端之间、光源与光纤之间、无源器件与光纤之间的耦合都会对损耗有影响[3]。

在实验中，决定耦合效率的关键有：激光器输出稳定，且聚焦光斑要足够小才行[4]；光纤的纤芯半径和数值口径的大小同样会影响耦合效率，理想情况下纤芯的半径与数值口径的值越大，进入光纤中的光越强，耦合的效率也就越高，实验室中单模的纤芯为3.2μm，多模的纤芯达到了62.5μm，所以在实验测量中单模的光纤耦合效率比多模的耦合效率要低得多；还有就是人为因素，在实验时可能因人为原因导致光路发生一定角度的偏离，使耦合下降。数据结果中，单模效率只有91.96%，是相对比较低的，说明单模的损耗较多。

2.2 截断法测量光纤衰减及损耗

2.2.1 截断法的公式、定义及内容

打开532 nm激光器让光源输出稳定，按图3进行实验连接操作，在稳定条件下，测量出P1的值，然后保证光输入强度与之前相同，在距输入端1 m处剪断，测得此段光纤的输出光功率P2，将数据带入公式中计算出衰减系数，实验效果图如图4，实验测量结果如表2所示。

图3 截断法测量光纤传输损耗示意图

图4 截断法实验效果图

光纤长度(m)输出功率P1(mW)输出功率P2(mW)衰减系数(dB/km)1495299.040.55.8

2.2.2 实验分析

由衰减系数公式计算可知，衰减系数α=5.8 dB/km。由此可见，光纤损耗是限制通信性能的主要原因之一，是限制发送机和接收机之间的最大传输距离的主要原因[6]。由于本实验中使用的光纤是裸光纤(纤芯62.5μm)，利用熔接机和陶瓷头自制另外一端光纤头，缺少包层保护，光纤端面切割与灰尘物质使其损耗比较大。

2.3 插入损耗测试

2.3.1 插入损耗实验原理

把单模光纤跳线的两端分别接在实验箱1310 nm工作窗口处上和经过扰模器接到光功率计上，根据插入损耗实验原理(图5)，用光功率计测得功率为P0，用小可变衰减器测得P1。把测量值代入公式IL=10×lg(P0/P1),计算出插入损耗值。同理，多模光纤的测量与1550 nm窗口的接法相同。实验实际效果图见图6和图7。

图5 插入损耗实验原理图

图6 单模缠绕

图7 多模缠绕

2.3.2 数据处理及结果

1310 nm工作窗口插入损耗和1550 nm窗口插入损耗实验数据见表3和表4。

表3 1310 nm插入损耗计算

表4 1550 nm插入损耗计算

2.3.3 实验分析

插入损耗法作为光纤衰减测量的方法之一，会受耦合器件的效率影响，主要有内部因素和外部因素。内部因素是由两连接光纤之间存在的特性参数有差异引起的，光纤之间的结构参数失匹，光纤纤芯之间的对准有偏差等。外部因素主要指纤芯端面间隙引起的损耗、光纤的端面质量和端面所受的污染和光纤接续处折射率不连续等问题。此外，在插入前后不能得到完全相同的稳态功率分布，所得准确度比应用截断法低。由实验数据结果可知，在相同波段下，单模的损耗比多模的损耗要小，因为多模的纤芯半径和数值孔径比单模大得多，在相同条件下，多模的插入损耗会比单模大得多。一般而言，在不同光波段的情况下，1550 nm波长传输平均损耗是要比1310 nm的要小，但实验结果中，单模在1550 nm下的损耗较1310 nm的要多。由于光纤在缠绕后没能理平整，在换波段时，又一次的缠绕让光纤过于弯曲，损耗也比相同条件下要大些，再加上小可变衰减器有衰减的功能，在光纤对准连接时处理不当也会增加损耗。

2.4 弯曲损耗测试

2.4.1 弯曲损耗

按实验原理图(图8)搭建实验光路，用两米62.5/125 μm规格多模光纤分别连接1310 nm和1550 nm光波光源并分别按图9、图10方式缠绕光纤，单模光纤分别按图11、图12方式缠绕。对于G.652光纤，用半径为37.5 mm松绕100圈，在1550 nm波长测得的损耗增加应小于1 dB；对G.653光纤，要求增加的损耗小于0.5 dB。弯曲损耗可由公式A=10×lg(P1/P2)计算。

图8 弯曲损耗原理图

采用单模光纤和多模光纤分别针对1310窗口和1550窗口进行测试，依据CCITT标准[7]，光纤的弯曲损耗比较小，在实验中采用减小弯曲半径的办法提高实验效果的明显性。从表5和表6的实验数据得到两个结论：第一，光纤相同，光信号波长相同，光纤弯曲半径小的，其损耗大；第二，光纤相同，光纤弯曲半径相同，弯曲损耗会随着工作波长的增加而增多。

图9 多模光纤测试方式一

图10 多模光纤测试方式二

图11 单模光纤测试方式一

图12 单模光纤测试方式二

2.4.2 实验结果

实验数据见表5和表6。

表5 多模光纤弯曲损耗数据

表6 单模光纤弯曲数据

3 结语

不同的光纤损耗测量方法各有特点，如何降低光通信中光损耗是光纤研究的重要课题。本文分析了几种光损耗的测量方法以及如何降低这些损耗，希望对高校的实验教学有所帮助。

[1]崔宏.光纤损耗浅谈[J].价值工程,2013(6):78.

[2]杨文琴.信息光学实验[M].厦门:厦门大学出版社,2016.

[3]杨东,轩克辉.光纤损耗的测试[J].山东轻工业学院学报:自然科学版,2011(3):74-76.

[4]石红梅,张国圆,岳明道.光纤连接损耗特性分析[J].有线电视技术,2007(7):98-99.

[5]刘昆.光纤参数测试及其应用研究[D].天津:天津大学,2007.

[6]赵干.工程实践中的光纤损耗的研究[D].济南:山东大学,2010.

[7]薛梦驰.光纤弯曲损耗研究与测试[J].电信科学,2009(7):57-58.

MeasurementandResearchofOpticalLossinOpticalCommunication

SU Bao-xi, CHEN Xiao-jun, WU Rong-qin

(Minnan Science and Technology Institute,Fujian Normal University, Quanzhou Fujian 362332,China)

In recent years, with the development of optical communication, the scope of application of optical fiber is more and more widely, such as the transmission of optical fiber cable and the application of optical fiber sensors, optoelectronic devices and so on. One of the important indexes of optical fiber testing is the loss of the optical fiber, it has an important influence on the transmission efficiency of optical fiber loss, to improve the transmission efficiency. This research is mainly the loss of the fiber, through different testing methods to test and research on optical fiber loss, understand how to reduce fiber loss.

optical fiber loss; test methods; experimental teaching

O431.1

A

2095-7602(2017)12-0019-06

2017-06-21

福建师范大学闽南科技学院2016年院级实践教改项目“基于光通信中光损耗的测量与研究”(MKSJJG-2016-0028)。

苏宝玺(1983- )，男，实验师，从事光学实验室管理研究。