光纖衰減及均勻性的輔助測試工具-科蘭

一.概述

通信光纖的衰減指標是評判光纖傳輸特性的最重要指標之一。它表示了光纖對光能的傳輸損耗，對光纖的質(zhì)量評定和在通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中起著十分重要的作用。隨著制造工藝的不斷進步，各主要光纖制造商所達到的衰減指標已經(jīng)逐漸接近理論極限，相互之間的差距也日益減小。一般認為，達到有競爭力的衰減指標對光纖制造商已經(jīng)不是一個困難的問題。但同時，在工程實踐中，光纖強度和光纖均勻性等問題，正日益為光纖、光纜廠商和運營商們所關(guān)注。

光纖傳輸特性的不均勻性表現(xiàn)為三種情況。一種是OTDR曲線有不連續(xù)點，即所謂“臺階”;第二種是從光纖兩端測得的OTDR衰減系數(shù)不相同，存在內(nèi)外端差。第三種是OTDR曲線雖然連續(xù)，但曲線存在波動;在光纖出廠測試時，第一種情況的測試和判定相對簡單，例如，當臺階值超過0.05dB時，通常作分段處理。第二種情況的測試和判定與第一種類似，當內(nèi)外兩端衰減系數(shù)差大于0.05dB/km時，即作端差超標處理。針對第三種情況，因算法繁復，計算量大，要進行完備的測試需要引入輔助測試工具，并制定相應(yīng)的評判標準。目前僅有部分廠家和客戶引用各自的內(nèi)定標準對此進行比較系統(tǒng)的檢驗和測試。

衰減均勻性反映了細分的衰減系數(shù)的變化情況。本文不對造成光纖衰減不均勻的原因進行論述，而只是關(guān)注衰減均勻性的測試和測試方法本身。但要說明的是，造成不均勻性的原因相當復雜。無論在制棒、拉絲、成纜，還是敷設(shè)、使用過程中，都可能對光纖的譜損耗曲線造成畸變。光纖折射率剖面參數(shù)和芯徑沿軸向的隨機波動，光纖的雜質(zhì)分布、殘余應(yīng)力、光纜結(jié)構(gòu)、材料老化、析氫、溫度和外力都可能導致衰減系數(shù)的漂移及不均勻性產(chǎn)生。不像光纖的其它一些指標，如與光纖結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的NA、色散、λc、MFD等，主要只與制棒和拉絲工藝相關(guān)。測試和保證光纖衰減系數(shù)及其均勻性的問題，涉及到從光纖制造到使用的各個環(huán)節(jié)和各個時段。因此，光纖衰減的均勻性問題不僅受到光纖廠家的關(guān)注，也同樣受到光纜廠家和運營商們的關(guān)注。作為光纖制造和使用的第一個環(huán)節(jié)，光纖廠有責任首先對光纖的不均勻性進行研究、篩選和消除。

對于OTDR曲線的波動情況，在國家標準 (如GB/T9771.1-2000) 中沒有明確規(guī)定。同時GB/T15972.4-1998《光纖總規(guī)范*傳輸特性和光學特性實驗方法》中也稱，“用雙向平均的后向散射曲線描述和確定衰減均勻性的方法尚在考慮之中”。在郵電標準中，對部分光纜所使用光纖的描述中要求，對于任意500米光纖，其實測衰減值與全長上平均500米的衰減值之差的最壞值不大于0.05dB。國內(nèi)一些標書中，對光纖傳輸特性均勻性的要求與此類似。對于光纖衰減的內(nèi)外端差，在行業(yè)標準“YD/T629.2-93光纖傳輸衰耗變化的監(jiān)測方法后向散射監(jiān)測法”中規(guī)定，如果有必要，應(yīng)從兩端進行測試時，最終結(jié)果應(yīng)是兩端測試結(jié)果的平均值。

光纖廠的發(fā)運盤長較長，如25.2Km或50.4Km，而光纜的發(fā)運盤長通常要小于該長度，如2km。對光纜廠來說，光纖廠提供的光纖衰減值不能保證每個發(fā)運段的成纜纖的衰減值，甚至可能出現(xiàn)很大的偏差，導致不能交付。其可能原因，一是光纖本身的不均勻，二是儀器尾纖與被測光纖的MFD不匹配所導致的測試偏差。

如前所述，由于缺乏明確的標準、測試方法和條件，加之測試本身的不易操作性，使得光纖衰減的均勻性問題長期存在，成為下一工序質(zhì)量控制的隱患之一。一些主要光纖供應(yīng)商們?yōu)闇p少或消除這一隱患，開發(fā)了一些適用的工具，并設(shè)置各自的內(nèi)控標準，對出廠光纖進行篩選。一些光纜廠和運營商也加強了對該問題的關(guān)注和監(jiān)測。

二.測量基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸

OTDR利用瑞利散射和菲涅耳反射效應(yīng)測量光纖的衰減、長度等參數(shù)。它通過發(fā)送一個光脈沖到光纖，利用光纖存在的后向散射特性測量光纖內(nèi)部一系列點上的傳輸衰耗，從而在顯示屏幕上形成長度與信號強度的一條特征曲線或軌跡。光脈沖的寬度和周期取決于光纖的長度和需要測試的精度。

光纖特征曲線可進行現(xiàn)場分析，或打印出來，或保存到磁盤上，或利用儀器提供的傳輸端口傳到計算機上以供分析。一個訓練有素的操作人員可以準確確定光纖端口、區(qū)域和接頭衰減以及整段光纖衰減系數(shù)。目前許多新型OTDR設(shè)備大都提供了自動分析原始曲線數(shù)據(jù)的功能，因此減少了對操作人員的技能要求。

OTDR還提供了在整段光纖中對特定長度段的測量功能。將光標A和B分設(shè)在待測試段的兩端，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，即可獲得該段光纖的衰減值。如果要獲得整段光纖中“任意段”衰減的變化情況，需按上述方法逐段測試。對一盤25.2km光纖，以1km為單位細分，則將獲得25個點的數(shù)據(jù)?？紤]到內(nèi)外端和不同的工作窗口，需要測試100個點的數(shù)據(jù)。我們曾經(jīng)做過測試，由熟練人員測試光纖雙波長、內(nèi)外端的4個平均衰減值，耗時約20分鐘。此外測試數(shù)據(jù)的保存、傳輸、繁復的儀器面板操作、測試單位長度的變化等等因素，效率和正確性都難于保證?？梢哉J為，用人工方法進行大量的衰減均勻性測試分析和記錄是不現(xiàn)實的。

通常OTDR為數(shù)據(jù)傳輸提供了GPIB和RS-232接口。GPIB(通用接口總線)也叫HP-IB，最初是由HP公司提出，于1975年被采納為IEEE-488標準。其數(shù)據(jù)傳輸受三根信號線的制約，為“三線掛鉤”應(yīng)答方式的異步數(shù)據(jù)傳輸。該總線由8根雙向數(shù)據(jù)線DIO1~DIO8，3根信號交換線DAN、NRFD、NDAC，5根通用控制線ATN、IFC、SRQ、REN、EOZ以及8根地線(其中一根為機殼地線)共24根線組成?？偩€上可連接的儀器、設(shè)備多達15個。連于總線上的設(shè)備統(tǒng)稱為器件，向總線發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備稱為“講者”，從總線上接收數(shù)據(jù)的設(shè)備稱為“聽者”，控制總線的設(shè)備稱為“控者”。在GPIB的數(shù)據(jù)傳輸過程中，三根信號交換線，其中DAV數(shù)據(jù)線上數(shù)據(jù)有效由講者(即源方)使用，NRFD(未準備好接收數(shù)據(jù))和NDAC(未收到數(shù)據(jù))由聽者(即受方)使用，因聽者在數(shù)據(jù)傳輸中使用了兩根應(yīng)答線，所以可方便地實現(xiàn)廣播式傳輸，即一對多傳輸。其傳輸過程如下：

DAV=0，表示數(shù)據(jù)線上沒有數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)尚未有效。講者必須在所有聽者均已準備好接收數(shù)據(jù)的情況下，即NRFD=0，才會令DAV=1。聽者在得知數(shù)據(jù)有效，即DAV=1時，一方面將NRFD恢復為1，以準備下一個數(shù)據(jù)的傳送，另一方面在數(shù)據(jù)接收完畢以后，立即以NDAC=0來告知講者。講者撤消原數(shù)據(jù)，即令DAV=0，聽者在講者撤消數(shù)據(jù)以后，以NDAC=1來應(yīng)答，結(jié)束一次數(shù)據(jù)傳輸。若還有數(shù)要傳送，則講者換上新數(shù)，重復上述過程。

在此測量系統(tǒng)的微機中，我們使用了一塊GPIB控制卡來適配OTDR所提供的GPIB接口，并與其進行控制通信。

從GPIB這種三線掛鉤方式的數(shù)據(jù)傳送過程可以看出，它是一種雙向全互鎖的異步傳輸過程，其特定不但保證了自動適應(yīng)不同傳輸速率的設(shè)備，更保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽窟M行。由于是8位數(shù)據(jù)并行傳輸，因此其傳輸速度較高，這些特點使GPIB在工業(yè)應(yīng)用中優(yōu)于其它接口形式的數(shù)據(jù)傳輸。

三.測試結(jié)果

利用本輔助工具，可以對OTDR進行面板上的幾乎全部操作。所有的參數(shù)均可通過計算機方便地設(shè)置并顯示，而且一臺計算機可以同時控制多臺儀器進行操作和測試。一些參數(shù)，如光纖編號，可以利用條碼輸入，提高了效率和可靠性。

要指出的是，在某些文獻中，對光纖衰減的均勻性分析較多地使用“兩點法”計算和分析，我們認為在工程應(yīng)用中，選用最小二乘法似更合適，以較好地消除噪聲的影響。但為了方便對比，也提供了兩種方法的選項。

四.結(jié)論

光纖的傳輸特性均勻性問題是目前業(yè)內(nèi)關(guān)注較多的問題，它涉及到從光纖制造到使用的各個環(huán)節(jié)和時段，是光纖、光纜廠商和運營商共同關(guān)注的問題之一。由于標準和計算方法不夠明確，以及測試本身的不易操作性，為了向用戶提供適當?shù)?a target="_blank">產(chǎn)品，部分光纖廠商使用自定方法和標準進行測試和判斷。本文介紹的輔助測試工具具有快捷、實用、準確，所測數(shù)據(jù)容易追溯和共享，利用了計算機系統(tǒng)良好的可擴充性。使用近兩年來，被證明無論對光纖品質(zhì)分析和規(guī)?；a(chǎn)都具有重要作用。

審核編輯黃宇