GB T 18311.6-2001 纤维光学互连器件和无源器件 基本试验和测量程序 第3-6部分;检查和测量 回波损耗.pdf

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1、前言本标准等同采用 纤维光学互连器件和无源器件 基本试验和测量程序第 部分检查和测量 回波损耗 制定纤维光学互连器件和无源器件在光纤通信和非通信应用中占有重要地位 已在国际和国内市场上形成规模生产和商品化产品并成为新崛起的高技术产业随着光纤通信技术领域内新技术新材料新产品的不断涌现和发展相应产品试验和测量技术也有较快的进展 为使产品试验和测量程序在国际上进一步协调一致使产品试验和测量结果得到统一公认 迄今为止已制定并颁布 系列试验和测量程序标准达 余项从而将极大促进产品贸易往来 我国该类产品试验和测量程序基础标准与国际标准等同能方便简化产品的检验和验收 适应产品国际贸易技术和经济交流日益增长的

2、需要本标准是隶属于 纤维光学互连器件和无源器件 基本试验和测量程序第 部分总则和导则 的系列方法之一本标准由中华人民共和国信息产业部提出本标准由信息产业部电子工业标准化研究所归口本标准起草单位 上海传输线研究所本标准起草人陈国庆 王锐臻 王毅前言国际电工委员会是由各国家电工委员会 国家委员会组成的世界性标准化组织的目的是促进电工电子领域标准化问题的国际合作 为此目的 除其他活动外 发布国际标准国际标准的制定由技术委员会承担 对所涉及内容关切的任何 国家委员会均可参加国际标准的制定工作 与 有联系的任何国际 政府和非官方组织也可以参加国际标准的制定 与国际标准化组织 根据两组织间协商的条件保持密

3、切的合作关系在技术问题上的正式决议和协议是由对这些问题特别关切的国家委员会参加的技术委员会制定的对所涉及的问题尽可能地代表了国际上的一致意见这些决议或协议以标准 技术报告或导则的形式发布 以推荐的形式供国际上使用并在此意义上对各国家委员会认可为促进国际上的统一各 国家委员会有责任使其国家和地区标准尽可能采用 标准标准与相应国家或地区标准之间的任何差异应在国家或地区标准中指明国际电工委员会没有规定表示认可标志的任何程序 如果声称某设备符合 某一标准对此概不负责应注意这种可能性即本国际标准的某些组成部分可能涉及专利权内容 不负有对任何或所有这样的专利权作出认同的责任国际标准 由 纤维光学 纤维光学

4、互连器件和无源器件 制定本标准文本依据下列文件表决报告对于批准本标准进行表决的全部资料可在上述表格给出的表决报告中查阅在总标题 纤维光学互连器件和无源器件 基本试验和测量程序 下由下列部分组成第 部分总则和导则第 部分试验第 部分检查和测量中华人民共和国国家标准纤维光学互连器件和无源器件基本试验和测量程序第 部分 检查和测量回波损耗国家质量技术监督局 批准 实施总则范围和目的本标准规定了被试纤维光学器件回波损耗测量程序通过采用低光学相干干涉方法以微米级的空间分辨率和高动态范围测量单模光器件的反射分布通过采用光频域反射方法 以厘米级的空间分辨率和高动态范围测量单模光器件的回波损耗引用标准下列标准

5、所包含的条文通过在本标准中引用而构成本标准的条文 本标准出版时所示版本均为有效 所有标准都会被修订使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性纤维光学互连器件和无源器件 基本试验和测量程序第部分总则和导则概述测量回波损耗规定四种方法采用分路器 的测量采用 的测量是基准方法采用光时域反射仪 的测量采用低光学相干反射仪 的测量本附加的程序规定以小于 的空间分辨率和大于 的动态范围测量单模光器件的反射分布 反射分布定义为在单模光器件各个端面和或连接点上反射点分布 当一个特定点上反射为时 在该点上的回波损耗由 给定 本程序通过检测由反射光和基准光之间光干涉产生的差拍信号功率来测量一个点上的反射

6、当对具有分散反射点的器件进行分析时如果它们之间的间隔大于测量系统的空间分辨率 则可识别和定位每一个反射点 本方法被称为低光学相干反射技术采用光频域反射仪 的测量本附加的程序规定了采用光频域反射仪 测量单模光器件的回波损耗本技术主要优点之一就是具有在空间上从不需要的反射中 例如被试器件上所有连接器或未端接端口分辨出要求的反射 而无任何肓区 而且 方法是高可靠的 装置简单无需维护 附录 中给出了采用四种不同方法检测的回波损耗的比较技术的测量概念叙述如下 经强度调制的光源信号注入到被试器件 注入到被试器件上的光信号为式中 射频调制在给定波长下的光载波信号被试器件等同地影响调制包络和载波信号的幅度并且

7、这两种信号延迟相同对被试器件的输出得到下列关系式式中 被试器件传递函数的幅度为 的相位变化 通过测量调制包络确定被试器件的影响装置和符号被试器件被试器件的两个光学端口以尾纤或连接器端接 将带有尾纤的基准插头和基准转接器 要求时加到具有连接器端接的端口上 以形成带尾纤的完整的连接器组件 应按 的规定端接所有不使用的端口采用分路器的测量下列是采用分路器进行的回波损耗测量中使用的装置和器件分路器的分光比应是稳定的它对偏振应是不敏感的 方向性应比最大被测回波损耗至少高检测器 和检测器包括光检测器 相连的电子系统和与光纤相连接的装置 光连接可为光连接器插座 尾纤或裸光纤转接器检测器是线性的 但因为所有的

8、测量是差分的所以进行绝对校准是不必要的 测量期间应采取衰减的方法消除来自 的反射功率在进行测量时将检测器分离和重接 应保持两次测量的耦合效率应在详细规范中规定下列特性在光源波长下的最大灵敏度线性度稳定性光学连接的类型光源 和光源包括光辐射源 相连的驱动电子系统激励单元以及光纤连接器或尾纤 如图 所示可采用第二个光源 进行校准 采用第二个光源 时其中心波长和谱宽应与 相同除非另有规定注入条件应按 附录应在详细规范中规定下列特性输出功率功率稳定性中心波长谱宽临时接点为将被试器件接入测量环路所制作的接点 临时接点可以是连接器 接头真空吸盘或微调装置的损耗应保持稳定并应具有比最大被测回波损耗大至少 的

9、回波损耗当该回波损耗大于 为保证规定的测量准确度建议采用熔接式接头端接标以 的光纤端接应具有高回波损耗 建议采用三种类型的端接有角度的光纤端在光纤端施加折射率匹配材料增加光纤衰减如采用芯轴卷绕当采用增加衰减作为端接的方法时 这种端接可施加在器件之间 例如 图 中 的测量可以通过在图 中的 和被试器件之间施加衰减来进行光纤端接应具有比最大被测回波损耗大至少 的回波损耗当该回波损耗大于 时 为保证规定的测量准确度 建议采用 光纤衰减 端接采用 的测量下列是以 进行回波损耗测量所采用的装置和器件光纤段 和测量中所包括的光纤段和含有临时接点的光纤段光时域反射仪应在详细规范中规定 的下列特性中心波长谱宽

10、脉冲宽度在 接收器输入端可采用衰减器 以便将光功率降低至使 接收器不发生饱和的水平见 准确度考虑临时接点见 和计算机对用于数据采集系统的计算机接口特性可能有要求 方法采用低光学相干反射技术 的测量装置包括光源光源为具有光纤输出端口的宽带连续波光源分路器将光功率从输入端口分到信号端口和基准端口并将光功率从这些端口耦合进入输出端口光延迟线线性地改变基准光的时延通常的 由用以产生平行光束的平行光管 和安装在一个平移台上的反射体 组成光检测器应将检测器连接到分路器输出端应采用具有足够动态范围的检测器 将检测器的光电流送入数据处理单元接口接口把测量系统和被测器件 连接起来数据处理单元数据处理单元收集并处

11、理来自检测器的数据并控制基准光的光延迟对如图 所示的装置的规定仅说明该方法的原理注 实际的测量系统需作各种改进 例如使测量与回波信号的偏振态无关采用光频域反射仪 的测量采用 的试验装置示于图对于回波损耗的测量以光作为载波的微波信号经 的分路器 传送至被试器件后向反射信号由 分出到达光电二极管 接收器对光信号进行解调 恢复射频信号 从而该解调的信号通过网络分析仪与初始信号从已知的反射中获取 进行幅度和相位比较 通过富里埃 反变换计算该振动矢量数据的时域表示 本技术使来自光路的反射信号具有一个几厘米或小于几厘米的空间分辨率 见附录为了防止因光反馈而引起系统性能的降低建议在光源前部采用光隔离器射频网

12、络分析仪射频网络分析仪是能够对反射功率强度和相位进行测量的矢量网络分析仪 应根据测量准确度要求 见 的注将射频频率漂移减至最小光部件 光源 和检测器规定波长的光源和光检测器带有适当相连的驱动电子装置以及分别与网络分析仪和光纤连接的装置 测量装置的动态范围应比被测的最小回波损耗 至少大 系统动态范围定义为按在时域测得的最大信号即 和底部噪声之上 信号之差下列因素会导致可能的误差和影响测量的不确定性 见 的注激光波长随温度的漂移在检测器线性区的回波损耗范围偏振敏感性光放大器 供选择为了提升发射的光功率和增大装置的动态范围可在光源后加用作放大级的光放大器隔离器 供选择光隔离器可置于光源前部 若尚未加

13、装时 以限制可能降低光源性能的反射功率分路器分路器 分光比为 并且对于偏振变化不敏感 的方向性可能影响测量准确度 应适当加以规定见 的注临时接点制作接头 将 连接到分路器上 的实例为连接器 接头或微调架 的损耗应是稳定的插入损耗值最好优于 和 间隔应大于测量分辨率计算机为对振动矢量进行富里埃 反变换 需要计算机若网络分析仪中不包括计算机时注 测量的总不确定度为上述所有不确定性因子的总和 根据由详细规范规定的测量计算的总不确定度可近似估算每一个不确定因子程序采用分路器的回波损耗测量采用分路器的回波损耗测量装置如图 所示图 采用分路器的回波损耗测量装置测得的功率 值采用线性单位如图 中采用上述参数

14、的回波损耗为的归一化值式中 基准功率测量环路初始反射功率归一化值 见式系统常数 见在公式 中 和 是以 进行了归一化的 对 进行归一化所采用的 值是图 所示的测量值 对 进行归一化所采用的 值是图 中的测量值 这允许在不同时间并在这些测量之间光源功率发生漂移的情况下进行 和 的测量分路器测量的定义公式 的回波损耗是从 观察的 和 之间的总回波损耗分路器环路的定义图 中的环路是可用于以分路器测量回波损耗的环路中具有代表性的但不是唯一的 测得的值应满足下列两个条件应正比于来自被试器件的反射功率 加上除被试器件外的测量环路初始反射功率 见图 和图应正比于入射至被试器件的功率 见图式中 分路器传输系数

15、 见图分路器分光比 见图系数常数求值提供系统常数 求值的两个方法方法用端接 代替 并接光源 测出 不关闭 在 处截断光纤接检测器 并测出图 分路器传输系数测量装置如图 所示接检测器 并测出 和系统常数为如果采用检测器校准程序则所用的三个检测器校准差异会消除图 分路器分光比测量装置方法在本方法中 系统常数以具有已知回波损耗 的端接头作为基准以具有已知回波损耗的光纤端接头替换图 中的被试器件测定 见公式测定 见公式取代公式 中的 和 并求值系统反射功率系统反射功率 通过测量来确定 测量中来自被试器件的反射功率已被去除 这可以用具有高回波损耗的端接替代被试器件或如采用芯轴卷绕方法在被试器件和 之间的

16、光纤上施加大的衰减来完成 具有高回波损耗端接的采用如图 所示图 高回波损耗端接的采用的归一化值准确度考虑下列因素在回波损耗测量中是可能的误差源临时接点 和 由这些接点损耗的差异引起的误差是其损耗差的两倍系统反射功率 系统反射功率 是从环路中的反射源而不是被试器件到达 的功率 见图误差对于回波损耗的影响是 的函数 是以分贝表示的 和 之差大时 相对大的 误差对于回波损耗的影响是可忽略的 例如 从 变化 至时 误差仅产生 的回波损耗误差当 与 相差不大或小于 时本方法的准确度就降低了但 小时即使 误差小影响也是显著的 例如使 从 变化 至 时误差产生 的回波损耗误差采用分路器测量回波损耗的环路设计

17、应尽可能将 降至最低 图 所示的环路中反射功率源为分路器端接耦合器右边的光纤 耦合器右边光纤长度差异会改变 值临时接点检测器采用 的回波损耗测量测量环路以 测量回波损耗的环路如图 所示图 采用 测量回波损耗的装置大多数 都要求有一个光纤段 以在 和被测物之间提供一个间距 光纤段 和提供了 所要求的空间 以分辨被试器件回波损耗的测量信号 点 和 间的光纤应具有相同的后向散射信号 见公式在被试器件以连接器端接的情况下 连接器是被试器件的组成部分 它们处于 和 之间 在临时接点 和 处于 和 之间时由一路 测得的这些接点损耗绝对值小于 见为了达到这些要求可能有必要利用几种不同光纤组合 与被测器件尾纤

18、的后向散射特性相匹配 以取得低 值测量测量的单个点处反射就是该点处的反射率 存在多个反射点并且它们之间具有足够距离的情况下 测量的是各个点的反射率 存在多个间隔很近的反射点的情况下 测量的是这些反射点总和的有效反射率测量程序在一个点处产生反射的典型响应曲线如图 所示图 在一个反射点处的典型响应曲线式中 显示在 显示屏上的回波损耗脉冲高度常数它包括光纤瑞利 后向散射和 脉冲宽度大多数 在回波信号显示前已除以 在本式中 屏上显示的脉冲幅值乘以 以弥补已进行的除法运算在 值大的情况下 式 可被简化 对大于约 的 值 经简化的公式是反射率的一个很好的近似系统常数以下方法 和方法 是对系统常数求值的两个

19、方法方法 具有已知回波损耗的端接采用经端接 回波损耗 已知的光纤测量 替代公式 或公式 中的 和 值并确定值方法利用以下关系式可对常数 求值式中 后向散射脉冲的功率 数值取决于 所采用的时标在所采用时标中的 脉冲宽度在大多数单模光纤的情况下可采用下列的近似在 波长下在 波长下上述 值对应于毫微秒 时标可按下式对 求值式中 长度 的光纤段的回波损耗光纤衰减常数群速光纤长度式 中采用的时标采用本章中的测量程序和长度为 的光纤段作为被试器件求 值当 时式 变为对于 的单模光纤 该近似是有效的准确度考虑当 很小时测量 的准确度特别关键 例如 和 的测量差异就是 回波损耗差异测量高值回波损耗的能力取决于

20、采用窄脉冲 检测器对这些窄脉冲应能准确响应 脉冲宽度应是准确的注意对于窄光脉冲 检测器的响应带宽可能限制测量准确度 在这种情况下回波损耗应相对于基准后向反射元件进行校准某些 中的检测器在大 值时发生饱和 以致在测量小回波损耗时丧失准确度 这可以通过在 和被试器件之间加一个可变衰减器进行弥补 测量 时进行两次读数 第一次读数衰减器设在低衰减值 第二次读数衰减增加 直至脉冲顶部 见图 落到正好位于第一次读数脉冲前后向散射点的高度 衰减器的两次设定值之差就是 值应规定 的下列特性检测器处于线性状态的回波功率范围检测器对窄脉冲的响应脉宽准确度采用 的回波损耗测量回波损耗值 已知的反射体 经一段单模光纤

21、连接到信号端口 由于完全反射 的典型值为或在光纤端面反射时 为将长度大致等于标准单模光纤的另一根单模光纤连接 光纤延迟线到基准端口 图线性的改变光延迟 在通常的 情况下反射体以恒定速度平移输出的检测频率调到镜面平移时产生的差拍信号频率对 输出信号取样并作为光延迟函数贮存在数据处理单元 在通常的 情况下由反射体的位置得到光延迟 通过处理单元 计算数据峰值为连接到信号端口代替已知的反射体 如有必要改变接在基准端口的单模光纤以近似等于 的尾纤长度再进行 至 同样程序 完成本程序后测得 中所要求点处的信号峰值为采用这些值计算 回波损耗如下图 采用 的回波损耗测量装置采用 的回波损耗测量测量程序基本上由

22、两个步骤组成系统校准由替代法测量校准按相关规范规定通过测量具有已知反射的标准器件进行光测量校准 这种最便利的测量基准就是经切割的端面处于空气中的单模光纤的菲涅尔 反射测量采用经 连接的 替代该已知反射的标准件并通过在矢量网络分析仪上对反射信号和基准信号进行比较来测量 的回波损耗例如表 中记录了某些系统数据表 系统数据和动态范围光输出功率频率间隔 中频带宽平均信号校准采用这些数据 测得的系统动态范围约为为了增加系统的动态范围 建议在光发射器末端采用光放大器进行功率放大 见图 例如 通过采用具有 输出功率的掺铒光纤放大器达到的系统动态范围约为 这能够对角抛光端面处于空气中的连接器进行测量注 测量性

23、能取决于光源和矢量网络分析仪所采用的接收器 此外 系统动态范围和底噪声取决于校准顺序和所采用的信号处理特性如中频带宽 信号平均平滑处理等图 测量装置规定细节采用分路器的回波损耗测量分路器分光比方向性检测器在光源波长下的最大灵敏度线性度稳定性光连接类型光源输出功率功率稳定性中心波长谱宽临时接点最大衰减最大回波损耗端接端接类型最小回波损耗采用 的回波损耗测量如适用下列细节应在详细规范中规定中心波长谱宽脉冲宽度接收器输入端衰减器和每一段长度光纤类型采用 的回波损耗测量如适用下列细节应在详细规范中规定光源谱宽和输出功率分路器 的附加损耗和分光比波长依赖性光延迟通常 中的平台总平移量光检测器线性度测量系

24、统中采用的波导色散测量系统对偏振的不敏感性采用 的回波损耗测量矢量网络分析仪起始频率终止频率频率间隔时域变换富里埃 反变换供选择分路器分光比偏离 的值方向性光部件光源发射波长输出功率功率稳定性检测器接收灵敏度线性度稳定性光放大器 供选择饱和增益隔离器供选择回波损耗要求校准校准顺序标准反射测量程序回波损耗要求回波损耗准确度与本试验程序的差异附录标准的附录测量的响应分辨率和定位分辨率采用反 变换将由 在频域测得的数据变换到时域 因而距离可由 的折射率简单导出两种不同的分辨率可加考虑响应分辨率定位分辨率响应分辨率是在时域中分辨两个分离反射点的能力 两个反射点之间的响应分辨率取决于频率间隔和转换到时域

25、之前频域数据的过滤 窗频限制响应分辨率可由下列公式计算响应式中 窗频限制因子频率间隔因为频域响应限带产生时域响应过冲和瞬变 脉冲旁瓣 所以窗频限制是需要的 但窗频限制通过减小脉冲旁瓣牺牲分辨率来改善动态范围 因而 建议一个折衷方案 例如 在窗频限制因子为 的情况下 频率间隔大致产生 的空间分辨率 该频率间隔之半使分辨率降至定位分辨率为在时间上定位单个响应的能力 它取决于时间间隔和频域 时域数据点的数目范围式中 时间间隔数据点数目注意在时域中时间间隔是与频率间隔无关的附录提示的附录四种不同方法可检测的回波损耗的比较相关规范中应规定要采用的具体试验方法图 四种回波损耗测量方法的可检测回波损耗 分辨率和可测距离的比较本图仅作为资料性导则技术改进可能会使给出的值改变