多模光纤数值孔径测试仪的研制

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第一章 绪论
1
绪论
§1.1 光纤发展史
光纤的发明，引起了通信技术的一场革命，是构成 21 世纪即将到来的信息社
会的一大要素。
§1.1.1 世界光纤通信发展史
1933 年出生在中国上海的英籍华人高锟，发表论文《光频介质纤维表面波导》，
提出用石英玻璃纤维（光纤）传送光信号来进行通信，可实现长距离、大容量通
信。
于 1970 年损失为 20db/km 的光纤研制出来了。康宁公司花费 3000 万美元，
得到 30 米光纤样品，认为非常值得。这一突破，引起整个通信界的震动，世界发
达国家开始投入巨大力量研究光纤通信。1976 年，美国贝尔实验室在亚特兰大到
华盛顿间建立了世界第一条实用化的光纤通信线路，速率为 45Mb/s，采用的是多
模光纤，光源用的是发光管 LED，波长是 0.85 微米的红外光[1，2]。在上世纪 70 年
代末，大容量的单模光纤和长寿命的半导体激光器研制成功。光纤通信系统开始
显示出长距离、大容量无比的优越性。
按理论计算：就光纤通信常用波长 1.3 微米和 1.55 微米波长窗口的容量至少
有 25000GHz。自然会想到采用多波长的波分复用技术 WDM（Wavelength Division
Multiplex）。1996 年 WDM 技术取得突破，贝尔实验室发展了 WDM 技术，美国 MCI
公司在 1997 年开通了商用的 WDM 线路。光纤通信系统的速率从单波长的 2.5Gb/s
和 10Gb/s 爆炸性地发展到多波长的 Tb/s(1Tb/s=1000Gb/s)传输。当今实验室光系
统速率已达 10Tb/s，几乎是用之不尽的，所以它的前景辉煌[3]。
§1.1.2 中国光纤通信发展史
1973 年，世界光纤通信尚未实用。邮电部武汉邮电科学研究院（当时是武汉
邮电学院）就开始研究光纤通信。由于武汉邮电科学研究院采用了石英光纤、半
导体激光器和编码制式通信机正确的技术路线，使我国在发展光纤通信技术上少
走了不少弯路，从而使我国光纤通信在高新技术中与发达国家有较小的差距。
我国研究开发光纤通信正处于十年动乱时期，处于封闭状态。国外技术基本
无法借鉴，纯属自己摸索，一切都要自己搞，包括光纤，光电子器件和光纤通信
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系统。就研制光纤来说，原料提纯、熔炼车床、拉丝机，还包括光纤的测试
仪表和接续工具也全都要自己开发，困难极大。武汉邮电科学研究院，考虑到保
证光纤通信最终能为经济建设所用，开展了全面研究，除研制光纤外，还开展光
电子器件和光纤通信系统的研制，使我国至今具有了完整的光纤通信产业。
1978 年改革开放后，光纤通信的研发工作大大加快。上海、北京、武汉和桂
林都研制出光纤通信试验系统。1982 年邮电部重点科研工程“八二工程”在武汉
开通。该工程被称为实用化工程，要求一切是商用产品而不是试验品，要符合国
际 CCITT 标准，要由设计院设计、工人施工，而不是科技人员施工。从此中国的
光纤通信进入实用阶段。
在 20 世纪 80 年代中期，数字光纤通信的速率已达到 144Mb/s，可传送 1980
路电话，超过同轴电缆载波。于是，光纤通信作为主流被大量采用，在传输干线
上全面取代电缆。经过国家“六五”、“七五”、“八五”和“九五”计划，中国已
建成“八纵八横”干线网，连通全国各省区市。
现在，中国已敷设光缆总长约 250 万公里。光纤通信已成为中国通信的主要
手段。在国家科技部、计委、经委的安排下，1999 年中国生产的 8×2.5Gb/sWDM
系统首次在青岛至大连开通，随之沈阳至大连的 32×2.5Gb/sWDM 光纤通信系统开
通。2005 年 3.2Tbps 超大容量的光纤通信系统在上海至杭州开通，是至今世界容
量最大的实用线路[4]。
中国已建立了一定规模的光纤通信产业。中国生产的光纤光缆、半导体光电
子器件和光纤通信系统能供国内建设，并有少量出口。
§1.2 课题的来源及意义
光纤通信是现代通信技术中最为重要的技术之一，信息高速公路就是由光导
纤维缆铺设而成的。所谓光纤通信，即是用光导纤维制成光缆，代替传统的金属
制的电缆，用程序控制的数字交换代替传统的机电交换，用数字通信替代模拟通
信。
光纤通信作为技术革命中的新兴技术，虽然问世不过几十年，却已经得到迅
速发展，目前已进入大规模推广应用时期。光纤的种类很多，目前通信用光纤主
要是石英玻璃光纤。
根据其特性的不同，它可以分为多模光纤和单模光纤两种。当光纤的芯径较
大时，在光纤的数值孔径角内，可允许光波以多个特定角射入光纤端面，并在光
纤中传播，此时可说光纤中有多个模式，能传输多个模式的光纤就称为多模光纤。
当光纤的芯径很小时，只允许与光轴一致的光纤通过，此时光纤中只有一个基模，
第一章 绪论
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这种只允许传输一个基模的光纤叫做单模光纤。与多模光纤相比，单模光纤传输
性能好，信号衰减小，传输频带宽，因而传输能量大，但由于其纤芯很小，给制
造，连接和信号耦合带来一定困难。但随着光纤网络的普及，多模光纤的作用越
来越明显，其原因是多模光纤的特性正好满足了网络光纤的要求。相对于长途干
线，光纤网络的特点是：传输速率相对较低；传输距离相对较短；节点多，接头
多，弯路多；连接器，耦合器用量大；规模小，单位光纤长度使用光源个数多。
另外，世界光纤通信技术逐步转向纵深发展，并行光互联元件的实用化也大大推
动短程多模光缆市场的快速增长，从而使多模光纤的市场份额持续上升[5]。
光纤光缆在国内以至世界的需求量都是很大的，确保光纤光缆的质量至关重
要，光纤基本参数的测试是对光纤光缆质量的保证。
多模光纤的特性参数：
① 衰耗系数② 光纤的色散与带宽③ 数值孔径 NA④ 归一化频率。
其中数值孔径（NA）是多模光纤生产和测试过程中的一个主要参数之一，是
衡量光纤维接受光能本领的标尺。精确测量光纤维的数值孔径, 不但对分析器件
与光纤维之间的耦合效率特别有用, 而且对光纤维的连接技术也是必不可少的。
目前,国内市场能见到的国外生产的光纤测试设备以美国和日本的产品为主,
其共同特点是价格昂贵,每套价格均在十几万甚至几十万以上 。国内光纤测试设
备生产厂家不多,其产品所应用的技术相对都比较落后，测试精度都比较低，在这
种国情下开展新技术的研究工作是必须的。
§1.3 国内外研究现状
光纤通信技术的不断发展, 促进了光纤测试新技术的研发和原有技术的拓展
以及相应国际标准的制定; 而光纤测试技术的发展反过来又有力地支撑光纤通信
技术的不断推进。以下试就近年来光纤测试技术的新发展作简略归纳。
1 波长相关测试技术
光纤通信波分复用(WDM /DWDM ) 技术的发展和应用, 使相关的光纤有源和无
源器件的光谱特性测试成为一大技术特征。它是以连续波(CW ) 或具有一定波长
间隔的分立谱线的光源结合具有一定波长分辨率的分光元件进行连续扫描检测,
以功率谱的形式给出结果。
目前已可采用相当成熟的各档次仪器进行这项测试。测试仪器主要分两大类:
1) 光谱分析仪(OSA) , 其波长范围主要是 1 250～ 1 650nm , 覆盖当前整个通信
波段, 甚至波长达到 980 nm 左右(可用于对 EDFA (掺铒光纤放大器) 泵浦源进行
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光谱分析) , 波长分辨率和精度分别在几十皮米量级, 目前高端 O SA 可达 10 pm;
2) 波长计, 由于波长计中采用比 O SA 光栅更高一筹的光干涉仪, 因此具有较 O
SA 高一个量级的波长精度, 波长精度甚至可达 0.3 pm , 波长分辨率典型值达 40
pm , 波长范围与 OSA 相当或超过 OSA , 可达 900～ 1 680nm[6]。
2 偏振模色散(PMD) 测试技术
一般认为光信号传输速率达到 10 Gb/s , 传输距离 100 km 以上, 光纤 PMD 对
传输性能的影响将不可忽略。实际光纤的几何非对称性以及外部因素,如应力、扰
动等, 都会导致一定的 PMD。为此近年来人们对 PMD 和 PMD 的测试进行了深入的
研究, 并卓有成效地研发了相应的测试技术。
基于对 PMD 的产生机理和表现形式的理论分析和表征, ITU-T 和 IEC (国际电
工委员会) 给出了 PMD 的定义和相关的标准测试方法, 国际上一些仪器开发商纷
纷据此开发了一系列 PMD 测试仪器。
理论研究成熟并由 ITU-T 和 IEC 规定的 PMD 测试方法有: 斯托克斯(Stokes)
参数测定法(根据数据分析方法的不同可分为琼斯(Jones) 矩阵本征分析法和邦
(Poincare) 球法; 偏振态法; 干涉法; 固定分析器法(又称波长扫描法) , 根据
数据分析方法的不同可分为极值记数法和傅里叶(Fourier) 变换分析法。目前商
用仪器大多采用的是 Stokes 参数测定法和干涉法, 它们在测量精度和测试速度
方面各有侧重, Stokes 参数测定法具有较高的测量精度和较全面的信息, 而干涉
法的测试速度较快[7]。
3 光纤非线性测试技术
光纤通信 WDM/DWDM 技术的应用, 无中继距离的延伸, 光纤中传输的光信号
功率的增加, 直接导致光信号与光纤之间的非线性相互作用, 从而引发诸如四波
混频(FWM ) 等对系统传输性能具有不利影响的非线性效应, 因此对非线性进行定
量描述和评估十分重要。
近年来国际上纷纷开展此项研究,包括较先前的对间接描述和评估非线性的
光纤有效面积的研究, 并在此基础上形成了若干 ITU-T 建议书和 IEC 技术报告,
给出了光纤有效面积 Aeff 和非线性系数 n2/Aeff 的定义和相应的测量方法。
国内专业人士据此也开展了该研究工作; 国外仪器开发商已推出 Aeff 测试仪
器。Aeff 的测试方法有远场扫描法(FFS)，可变孔径法(VA ) 和近场扫描法(N FS) ,
由于 Aeff 的定义是从近场出发的, 所以前两种方法都是将实测的远场功率分布经
积分变换得到近场分布后, 按定义计算 Aeff 的值。这些方法涉及的装置均同于众
所 周 知 的模 场 直 径(MFD ) 测 量 装 置。 根 据 Aeff 的 定 义 , 当 场 分布 为 高 斯
(Gaussian ) 型或近似 Gaussian 型时, 以 M FD 的信息评估 Aeff 具有较高的精
第一章 绪论
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度[8]。
4 光纤测试涉及的新型光源
上述光谱特性分析、PMD 测量等均基于一些具有特殊要求的光源。近年来研
发的这类新型光源大致可分为两大类: 1) 窄谱的波长可调谐光源; 2) 宽谱光源。
它们为光纤测试提供了强大的技术支持, 使很多新方法能得以实现。目前可调谐
激光器具有 100nm 的波长调谐范围, 覆盖 C+ L 通信波段; 调谐分辨率可达 1～
10 pm; 波长精度±10 pm; 波长的时间稳定性可达几个皮米每小时; 单线半最大
值全宽
FWHM
< 15 pm; 60 dB 边模抑制比(SSR )。宽谱光源目前主要是 A SE (放
大的自发辐射) 光源。它是一种不加振荡和选频条件的光泵有源光纤(掺杂各种稀
土元素的特种光纤) 所产生的光辐射。其最主要的特点是在一个特定的宽谱内具
有很高的谱密度( spectral density) , 这样就可能在窄谱线进行高信噪比的测
量。谱密度目前可大于- 8 dBm/ nm , 甚至大于- 4 dBm/nm; 谱密度稳定性优于 0.
01 dB; 谱密度平坦度不超过 3. 5 dB; 谱宽可覆盖 C+ L 波段[9]。
§1.4 本测试系统的实施方案
研究多模光纤数值孔径的测试方法，能对其进行准确，快速，且智能化的测
试，能满足生产和科研的需要，该测试系统包括以下几部分：
1 多模光纤模式的全激发装置设计
多模光纤传输的模有数千种，不同的模具有不同的传输功率分布，因此对多
模光纤数值孔径的测试必须在保证多模光纤模式被完全激发的情况下进行。本文
将采取满注入法。在满注入法装置中，光源发出的光经毛玻璃发散后，再经过透
镜聚焦从而满足了满注入的必须条件。
2 光纤定位装置设计
光纤定位装置必须满足两个要求。其一：必须保证试样光纤的输出端面与光
检测器的旋转轴重合、试样光纤输出端面中心与光检测器表面中心轴线重合。因
为光纤的直径非常小，完全靠机加工肯定不能满足测试要求，对此将采取多平面
基准的方法，并运用图象采集系统确保了试样光纤输出端的定位。其二：必须保
证光检测器在扫描的过程中，其单步角度足够小，并在扫描过程中精确的定位。
在此我们采用步进电机的 16 细分技术。
3 数据信号的采集与处理
在光电探测器的选择上，采用 CCD 图像传感器，将光强的信息以数字图像的
形式保存下来，易于存储和处理，携带信息量大。
多模光纤数值孔径测试仪的研制
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光源经过光学系统及空气的传播，光探测器接收到的信号必定非常小，并且
还必须有效地分辨出最大信号，以确保测试数据的准确性。对此，本文将采取如
下措施：采用通讯用 LED 作光源，然后电调制光源，精确控制其发光频率；采用
锁相放大器放大信号，电调制频率即为锁相频率，从而使光信号的放大与处理得
到了很好的解决。而对于信号的读取，则采用多机通讯原理。
利用下位机直接采样，然后再将信号值由下位机通过串行口传输传入上位机
进行数据处理。
4 软件系统设计
在单片机就和上位机之间采用串口通讯技术，在上位机上采用基于 VC6.0 的
开发软件，在软件运行中，需要同时进行图象处理，串口通讯，数据运算，程序
控制等，在此基础上利用数据库等技术，并在各线程内部采用多种数学处理方式。
第二章 光纤传输理论
7
第二章 光纤传输理论
§2.1 光纤简介
光纤（Optical Fiber），光导纤维的简称，是由纤芯，包层，涂覆层与护套构成，
是一种多层介质结构的对称柱体光学纤维，它的基本结构如图2-1所示。
图2 -1 光纤的基本结构
圆柱形光纤便于生产制造，也便于使用，理论分析也比较简单，虽然也有人
提出采用三角形纤芯的光纤，但并未在市场上流通，只是用于科研[10]。
纤芯由高度透明的介质材料（如石英玻璃等）经过严格的工艺制成，是光波
的传播媒体，光波在光纤中以全反射的方式传播；包层是折射率稍低于纤芯折射
率的介质材料，它一方面与纤芯一起构成光波导，另一方面也保护纤 壁不受污染
和损坏；套层一般由高损耗的柔软材料（如塑料，橡胶等）制成，起着增强机械
性能，保护光纤的作用，同时也阻止光功率串入邻近光纤线路，抑制串扰[11-15]。
改变纤芯结构，可以得到图2-2所示的两类常用光纤。情况一，纤芯折射率是
均匀的，在纤芯与包层的界面有一个折射率突（或阶跃），此类光纤称为阶跃折射
率光纤。情况二，纤芯折射率作为从光纤中心向外的径向距离的函数而渐变，这
类光纤称为梯度折射率光纤。
无论是阶跃型还是梯度型折射率光纤，均可分为单模光纤和多模光纤两类。
正如它们的名称所示，单模光纤只允许按一个模式传播，而多模光纤则可以包含
数以百计的模式。与单模光纤比较，多模光纤有如下几个优点：使用较大的多模
光纤纤芯半径，可以很容易将光功率注入光纤并且易于将相同的光纤连接到一起；
可以使用发光二极管（LED）作为光源并将其光功率注入光纤。而单模光纤一般
必须使用半导体激光器激励。尽管LED的输出光功率比半导体激光器小，但它制
造简单，成本低廉，不需要复杂的外围电路，而且寿命也长于半导体激光器，因
此LED在一些特定的应用领域则更有效果[16]。
摘要：

第一章绪论1绪论§1.1光纤发展史光纤的发明，引起了通信技术的一场革命，是构成21世纪即将到来的信息社会的一大要素。§1.1.1世界光纤通信发展史1933年出生在中国上海的英籍华人高锟，发表论文《光频介质纤维表面波导》，提出用石英玻璃纤维（光纤）传送光信号来进行通信，可实现长距离、大容量通信。于1970年损失为20db/km的光纤研制出来了。康宁公司花费3000万美元，得到30米光纤样品，认为非常值得。这一突破，引起整个通信界的震动，世界发达国家开始投入巨大力量研究光纤通信。1976年，美国贝尔实验室在亚特兰大到华盛顿间建立了世界第一条实用化的光纤通信线路，速率为45Mb/s，采用的是多模光纤...

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