光纤的光学特性与机械特性分析及测量

本文将简要介绍光纤的测量方法，并阐述有关光纤衰减、色散、强度及可靠性的通用信息。需着重强调的是，几乎所有光纤的光学与机械特性均取决于其化学组成、制造工艺以及横向结构。如今光纤已广泛应用于商业领域，光纤制造商将光纤结构、化学组成与光学和机械特性之间的特定联系视为高度机密的商业信息。另一方面，大多数光纤测量方法现已确立了标准。因此，我们将重点关注光纤的通用特性及其相关评估技术。

一、衰减测量

（1）测量方法概述
测量光纤衰减主要有两种通用方法。在任何衰减测量方案中，都必须考虑光源与光纤的耦合问题，而破坏性评估能够较为简便地实现这一点。衰减测量的截断法需要：
将光耦合进一段较长的光纤。
使用大面积探测器测量光输出（以确保光纤 - 探测器耦合保持恒定）。
将光纤截断已知距离，并测量传输强度的变化。
对于单模光纤，若能有效去除包层模式，则可将光纤截断至相对较短的长度。“模式去除” 这一概念对于衰减和带宽测量均十分重要（因为接近或刚超过截止频率的模式虽可传播一定距离，但衰减极高）。若在测量中包含这些模式，将会得出异常高的衰减值。可通过缠绕在芯轴上或使用与测试光纤匹配良好且足够长的光纤段来有效去除损耗模式（见下图）。

（2）多模光纤的激励条件
对于多模光纤（无论是阶跃折射率型还是渐变折射率型），激励条件尤为关键。这是因为多模光纤的传播模式具有差异较大的损耗。若用于测量的激光聚焦在纤芯中心的一个小点上，最初可能会激发一组低阶模式。这组低阶模式损耗较低，在最初的 10 至 1000 米内会显示出异常低的衰减。随着传播距离增加，低阶模式逐渐散射为高阶模式，模式数量 “增多”。高阶模式损耗显著更高，因此平衡状态下的实际功率流是从低阶模式流向高阶模式并从光纤中散失。此过程如下图所示。显而易见，若设置激励条件使所有模式在输入时传输大致相同的功率，则前一百米的损耗将远高于平衡损耗。

在多模光纤中，低阶模式会将功率损失给高阶模式，而高阶模式则会散射到包层和其他有损耗模式中

（3）无损衰减测量方法

随着现代单模熔接、连接器和耦合器的发展，有时可通过确保连接器损耗远小于所测光纤长度的总损耗来进行无损衰减测量。采用此方法时，需注意连接器设计应避免光纤端面之间的干涉。连接器损耗测量也必须对发射条件进行类似控制。此外，在连接器之后放置足够长的光纤段（或短芯轴缠绕）以去除损耗模式十分重要。稍有偏差的连接器在模式去除之前通常会显示出极低的损耗。这是因为功率被耦合到虽仍可导光但具有高衰减的模式中。在评估光纤时，将此损耗正确归因于连接器而非后续光纤长度至关重要。
另一种无损评估衰减的方法是光时域反射仪（OTDR）。用窄激光脉冲激励光纤会产生来自光纤的连续背向散射信号。假设散射过程是线性且均匀的，背向散射光随时间的减少可绘制成往返衰减与距离的关系图。强度的突然降低通常表示熔接损耗，而窄峰通常表示反射。典型的 OTDR 信号如下图 所示。OTDR 对激励条件极为敏感 —— 未正确激励的光纤通常会表现出异常行为。因此，对所有衰减测量方法而言，控制发射条件均十分重要。

典型的 OTDR 信号。OTDR 可用于衰减测量、接头和连接器评估以及故障定位

（4）高回损连接器与 OTDR 的应用

光通信研发的一个主要主题是消除光网络中的有害反射。特别是，已开发出具有 30 至 40 dB 反射抑制的高回损连接器。OTDR 可用于评估网络连接中的反射并进行在线故障监测。

二、色散和带宽测量

（1）测量原理与方法
光纤常被称为 “多太赫兹带宽传输通道”。虽然按照通信标准，光纤的总衰减窗口极大，但在任何给定波长下，实际信息带宽均受各种色散源的限制。光纤带宽可在时域或频域进行测量。两种测量均假设光纤在其基带（强度）传输特性方面是线性的。在极高功率和短脉冲情况下，该假设不成立，但在大多数系统应用中仍具有实用性。
时域测量通过测量窄输入脉冲的时间展宽来进行。输出强度的傅里叶变换与输入强度的傅里叶变换之比可得出光纤的基带传输函数。若激光器和探测器是线性的，则此传输函数将激光器的驱动电流与接收器的光电流相关联，并将光纤简单视为有限带宽的线性传输通道。利用傅里叶变换可轻松从基带传输函数中提取相位。对于多模光纤中的模间脉冲展宽，此相位可能是频率的非线性函数，表明光脉冲存在失真和展宽。
扫频方法也用于光纤评估。检测输入激光的纯正弦调制，并比较其幅度（若有网络分析仪，还可比较相位）。原则上，这可得出与脉冲方法类似的传输函数。两种方法均依赖于激光器的线性度以进行准确估计，但由于扫频方法通常仅使用单一频率，因此可排除激光器非线性产生的谐波。两种方法的一致性需要可重复的激励条件，这对于多模光纤而言并非易事。

（2）多模与单模光纤的带宽规格
多模光纤通常的带宽规格采用 3 dB 带宽（对于固定长度）或长度 - 带宽乘积的形式。单模光纤通常仅根据测量的总色散进行规格说明。此色散可通过干涉法、时域法或频域法进行测量。
干涉测量法适用于短光纤长度，可详细、直接地比较测试光纤与具有适当延迟的参考臂之间的光相移。此方法如下图所示，利用了马赫 - 曾德尔干涉仪。

光纤色散的干涉测量

光纤色散的时间延迟测量

这需要一个可调谐光源，且该光源具有足够的相干性以容忍两臂之间的小路径差异。该方法的优点是能够测量极小的绝对延迟（一个光波长的偏移表示小于 10 fs 的时间延迟）。它通常限于较短的光纤长度；若在参考臂中使用光纤来平衡干涉仪，则必须较为准确地了解该光纤的特性。
若有多波长光源且光脉冲足够短，则可进行宽光谱范围的时域测量。可使用一系列间隔不同波长的脉冲二极管激光器、利用拉曼散射从单个光源产生多个波长，或使用可调谐锁模固态激光器。相邻波长之间的相对延迟可直接得出色散。此技术需要足够长的光纤以充分测量延迟，且光脉冲必须足够弱，以免因光纤非线性而产生额外的相移。
频域或相移测量试图测量色散对基带信号的影响。正弦调制信号会因传播延迟而经历相移；该相移可通过电子方式轻松测量。此技术使用经过滤波的宽带光源（如 LED）或连续波、可调谐固态光源来测量传播延迟随波长的变化。

三、光纤色散的移位与平坦化
20 世纪 80 年代初系统设计者面临的一个主要困境是在 1.3μm 的零色散和 1.55μm 的最低损耗之间进行选择。最低损耗是石英光纤化学组成的必然结果，材料色散亦是如此。然而，波导色散可通过合适的剖面设计加以影响。下图展示了一种已成功用于将色散最小值移至 1.55μm 的通用设计。

 (a)、(b) 梯度折射率多模光纤；(c) 阶跃折射率单模光纤；(d) 色散位移光纤的典型折射率分布

在光纤设计中添加多个芯层和包层可实现更复杂的色散补偿。色散平坦化光纤旨在在整个波长范围内实现极低的色散；通常关注的光谱区域为 1.3 至 1.6μm。这对于宽带波分复用（WDM）应用十分重要，因为在该应用中，光纤色散必须在宽光谱区域内尽可能均匀。

四、可靠性评估

（1）可靠性的重要性与影响因素
在通信应用中，光纤的可靠性至关重要 —— 长链路代表着大量投资，需要高可靠性。当然，总会存在不可预见的可靠性问题。例如，第一条跨大西洋链路的光缆设计就曾出现著名问题 —— 设计者未曾充分考虑大西洋鲨鱼对高纤维食物的需求。显然，鲨鱼被光缆材料的气味所吸引，迅速破坏了最初的光缆安装。
然而，光纤在实际应用中所经历的大多数应力可在实验室中进行模拟。可使用各种加速老化模型（通常以温度作为加速因素）来测试有源和无源组件的可靠性。在本部分，我们将回顾光纤本身的可靠性评估，并向感兴趣的读者推荐其他有关光缆设计的信息来源。
在广泛的应用中，光纤最重要的机械特性之一是抗拉强度。强度主要通过破坏性测试进行测量，即找出即将断裂前的最大负载。完整的可靠性信息需要了解最大负载、负载与应变之间的关系、完全封装光纤所经历的应变，以及最大可承受应变在长时间内的变化情况。最后，还必须确定有限弯曲光纤的应变及相关失效概率。

（2）抗拉强度与应变测量
抗拉强度通常会随着时间因材料疲劳而缓慢降低，但在某些情况下，在长时间保持相对较高强度后可能会迅速下降。前者通常与纯机械影响相关的疲劳有关，而后者通常表明玻璃基质受到化学损伤。
应变 ε 和拉伸载荷 F 通过光纤横截面和杨氏模量相关联：

其中， 和  分别表示光纤 - 护套组合的第 i 层的杨氏模量和横截面积。因此，若已知杨氏模量，则测量负载即可得出应变。
在负载或杨氏模量未知的情况下，直接测量光纤应变有时会有所帮助。例如，在护套、成缆和拉伸后，光纤不一定承受均匀负载；无论如何，负载都是一个难以测量的量。利用应变与光纤光学特性之间的关系，可通过光学测量推断光纤应变。这些技术已相当成功，甚至促使了用于机械系统的光纤应变计的开发。
应变的光学测量利用光通过有效折射率为 N_eff 的介质的传播时间。（为简化起见，我们假设单模传播。）由应变 ΔL/L 产生的长度变化 ΔL 将导致传播时间的变化：

对于大多数感兴趣的情况，有效折射率通常取为纤芯的值。Δτ/ΔL 的比值可计算得出（对于 Δ = 1% 的锗硅光纤，约为 3.83 ns/m），也可通过使用对照光纤和测量负载进行校准。需注意，此测量仅提供给定光纤长度的平均应变信息。
有三类用于测量 Δτ 的光电技术；这些技术与色散测量方法非常相似。单通光方法通常采用短脉冲激光源通过光纤，通过与参考信号（假定无抖动）比较来推断传输脉冲的延迟。如下图 所示。

用于光纤应变时域测量的单次通过技术

下图a 展示了一种多通光电方案，其中利用光纤作为延迟环路设置光电振荡器电路。光电振荡器的 Q 值决定了此次光延迟测量中的有效通数。最后，可使用全光电路，将测试光纤置于带有弱光耦合至激光器和探测器 / 信号处理器的光纤环路中（下图b）。这种 “环形谐振器” 结构也可在谐振器中设置光纤放大器，以形成下图a 所示多通光电方案的全光模拟。

应变测量的多通道技术。(a) 光电振荡器；(b) 光环谐振器

（3）疲劳与可靠性分布模型
若使用应变来获取有关光纤可靠性的信息，则有必要了解应变、负载和光纤失效之间的关系。疲劳，即光纤的延迟失效，似乎是光纤失效的主要模型。对此过程的一种实验评估是测量平均失效时间随光纤负载的变化，同时将温度、化学环境及许多其他因素作为控制参数。
由于实际失效时间仅代表性能分布的平均值，因此制造光纤的可靠性有时根据双参数威布尔分布进行规定：

其中，表示累积失效概率，参数定义见下表。

威布尔分布中使用的变量

威布尔指数m是长期光纤可靠性的主要描述符之一。下图展示了一系列与低、中、高 m 值的弯曲和抗拉强度测量相关的威布尔图。

上图：一系列威布尔图比较了威布尔指数 (m) 的 (a) 低值、(b) 中值和 (c) 高值的弯曲强度和拉伸强度；(d) 显示了典型的平均失效时间图。实际纤维通常会表现出斜率不连续性，表明主要失效机制发生了变化。 ; (d) 显示典型的平均失效时间图。实际纤维通常会表现出斜率不连续性，表明主要失效机制发生了变化。

（4）湿度对可靠性的影响
已表明对可靠性有强烈影响的一个因素是光纤环境的绝对湿度以及保护涂层将 SiO₂与 H₂O 影响隔离的能力。Inniss、Brownlow 和 Kurkjian 的近期综述指出了失效时间曲线中斜率突然变化（或 “拐点”）与 H₂O 含量之间的相关性 —— 液态和气态环境之间存在明显差异。
在出现此拐点之前，水分和应力共同作用导致光纤失效。对于具有拐点的光纤环境，即使在极低的光纤应力下也会存在相当短的平均失效时间，这表明化学作用而非机械应变是导致失效的原因。同一作者还研究了钠溶液对裸石英光纤强度和老化的影响。