CN100595547C - 确定光纤截止波长的方法以及适于该方法的装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种测定光纤截止波长的方法和装置。本发明的第一方面提供一种确定光纤截止波长的方法，该方法提供一种稳定的测量，该测量基本上不依赖于精确的光纤形态。

Description

确定光纤截止波长的方法以及适于该方法的装置

技术领域

本发明涉及一种确定光纤截止波长的方法。本发明还涉及一种用于实现上述方法的装置。

背景技术

欧洲专利申请0172328涉及一种测量光纤截止波长的标准方法和装置，该方法应用了扫描光谱，特别是在三种不同波动条件下的扫描光谱，如上述欧洲申请的图3中所示，这样的扫描光谱特别应用在具有不同弯曲光纤形态处的大量不同波长处。

在Unger C.等人的论文“用MAC值表征光纤弯曲灵敏度特性”(Characterzation ofthe bending sensitivity of fibers by the MAC value)，光纤通信，107(1994)，361-364，Elsevier，指出了MAC值，即模场直径与截止波长之间的比值是表征所谓的阶跃折射率光纤弯曲灵敏度的量度。

美国专利5,130,535披露了一种确定光纤长度方向上弯曲损耗的方法和装置，将光能量射入到光纤的一端，由沿光纤长度一个方向上的不同距离处的光能量的函数来测量反向散射功率，然后在光纤的另一端完成同样的测量。接下来，对两个信号进行数学计算，给出一个与模场直径相关的量，其中用代数式表明的量的变化表示出光纤长度方向上弯曲损耗的变化。

美国专利6,456,370披露了一种用光时域反射仪(OTDR)或反向散射装置测量光纤截止波长的方法，该方法是基于对弯曲前光纤和测试下光纤之间熔接损耗的测量。但没有提供关于该熔接损耗和截止波长之间关系的详细信息。另外，所述美国专利使用了两次OTDR熔接损耗测量，这两次测量总是合为一体并在同一方向上完成。并且，该专利也没有提供关于使光纤弯曲的装置的进一步信息。

玻璃纤维的各种特性在含有玻璃纤维的光通信***的设计中扮演着重要的角色。因此，架设的距离很大程度上由玻璃光纤的衰减和色散特性决定。另外，模场直径和截止波长对单模光纤来说也是很重要的参数。模场直径是测量的玻璃光纤中光信号横截面的大小。对于由一连串几个光纤链路组成的网络来说，应尽可能选择具有同一模场直径的单模光纤，因为不同光纤连接中产生的其它方面的衰减损耗将会很大。

截止波长是玻璃光纤在单模范围内的波长量度。光纤中的固有制导只能对一个模式传导，即基模，它是光纤良好带宽特性的基础。在波长低于截止波长的情况中，通过光纤的光学制导也可对其它模式传导，即对“高阶模”传导。然而，具有不同传播速度的所述模导致了具有较大信号失真的“多模”性状，从而不能获得所期望的通信特性。

因此，对于单模玻璃光缆的制造和运输，保证每根光纤的截止波长低于标明的最大值是非常重要的。如果该值太低会产生负面影响，如纤维的光弯曲情况中基模的过度衰减，尤其是在实际布线中发生的弯曲。所有的这些结果，在打算供玻璃光缆产业使用的玻璃纤维的制造中，测量截止波长是主要项目。用于该目的的国际标准测量方法的中心要点是在截止波长周围一系列波长上完成光谱测量，以及该纤维具有标准尺寸，其弯曲形态模拟标准光缆中的形态。上述两个要点是该测量相对耗时并对纤维的正确形态灵敏，其结果是在制造中该测量还稍稍有些不精确。另外，还需要只能用于该目的的相对昂贵的装置。

发明内容

本发明的第一个方面是提供一种确定光纤截止波长的方法，该方法提供一种稳定测量，该测量基本上与光纤的精确形态无关。

本发明的另一方面是提供一种确定光纤截止波长的方法，该方法利用易于再现的光纤弯曲而能够快速测量。

本发明的另一方面是提供一种确定光纤截止波长的装置，其中由弯曲装置组成，该弯曲装置使光纤稳定且可再现的弯曲。

根据本发明，确定光纤截止波长的方法，其特征在于该方法包括下述步骤：

i)提供一光谱测量装置，

ii)利用光谱测量装置在特定波长完成对光纤的光谱测量，

iii)使光纤弯曲，

iv)利用光谱测量设备在特定波长对上述弯曲的光纤完成光谱测量，

v)在步骤ii)和iv)获得的测量结果的基础上确定弯曲衰减，

vi)在预先设定的互相关系基础上，通过使光纤的截止波长与光纤的弯曲衰减和模场直径关联，从而使截止波长与弯曲衰减和模场直径产生联系。

步骤vi)中提到的该预先设定的关联尤其包括一系列子步vii)至xi)，即：

vii)确定光纤的模场直径，

viii)在所述特定波长处测量光纤的衰减，

ix)使光纤弯曲并在所述特定波长处测量衰减，

x)通过在截止波长周围一系列波长处完成光谱衰减测量来确定截止波长，其中该光纤具有特定弯曲形态，

xi)通过对制造出的具有光纤分布特征的多根光纤重复步骤vii)和viii)，使弯曲衰减和模场直径与截止波长相关。

具体实施方式

本发明基于作为波长函数的高阶模衰减的观察，作为本发明截止波长测量的基础，虽然具有一定的波长位移，但产生与作为波长函数的基模衰减几乎相等的衰减。所述后者的波长位移值主要由单模光纤纤芯的折射率改变的类型以及由模场直径值决定。其结果是该测量可在基模具有良好波导的波长范围内进行，最终导致对精确光纤形态的依赖大大降低从而具有更稳定的测量。

本发明的基本原理是，基于在预先确定的弯曲装置中已被变形的玻璃光纤的工作波长范围一个或多个波长处基模衰减的测量，然后从大量光纤预先确定的关系使测量到的衰减与截止波长相联系。如果只在有限数量的波长处完成衰减测量，一种更简单的方法，可进行所谓反向散射的测量。用于该目的的装置也可用于光纤制造中的多种其它应用，所以本发明还大大节省了成本。因此，根据本发明的方法其特征在于只要在一个波长处一次测量就足以确定截止波长。

因此，所述特定波长优选位于该截止波长周围波长范围外。

用于截止波长标准测量方法的设备也可用作本发明的实施例中。在测量的标准方法中，进行两次光谱测量，即：

-第一次测量，其中不使用波形滤波器，但其中具有变化波长的信号通过要被测量的光纤直接传输至探测器。在这种情况下，该要被测量的光纤具有前述的形态，例如半径为14cm的恒定曲率；

-第二次测量，其中由波形滤波器衰减高阶模。由于与高阶模相反，基模在截止波长附近的波长区域内几乎不衰减，后者为在相关标准中定义的光纤弯曲度。

从两个测量曲线之间的差异获得图表，并从图表中由相关标准中所述方法确定截止波长。

其结果极大的依赖于精确的光纤形态，因为截止波长周围波长范围中的高阶模的衰减极大地受到任何弯曲形式的影响。

由光纤的“MAC”值确定的单模光纤基模的弯曲衰减是非常高的，即，模场直径(在固定波长处定义，通常为1550nm)和截止波长的系数。根据本发明的方法，通过对限定形式的弯曲测量弯曲衰减，如果模场直径已知，则可确定出截止波长。

在准备中，预先对多个光纤绘制出在固定波长(如1625nm)处和定义弯曲形式时测量到的衰减A(用dB表示)对每根光纤MAC值的图表，共同表征制造出的光学分布特性。用回归曲线估量出相关的近似值之后，就获得了下述弯曲衰减对截止波长的关系：

logA＝c₁+(c₂)*(MAC)(1)

其中常数c₁和c₂可被确定。

在第一个实施例中，用于本发明截止波长测量的装置与标准方法中的相同。区别仅在于本实施例的测量不发生在截止波长周围的波长范围中，而是发生在与确定常数c₁和c₂所在的波长相同的波长上。在本实施例中还完成两种测量，即，一种利用弯曲装置而一种不使用所述装置。在两种测量中模式滤波器都处于工作状态。

在获得的测量结果中，从等式中获得截止波长λ_co之后，可确定1625nm处的衰减速B：

λ_co＝(c₂.w_o)/(logB-c₁)(2)

其中w_o是预先测定的模场直径值。因为在工作波长区域获得的测量结果已知，该结果几乎不依赖光纤的精确形态，在精确性方面有十分积极的作用。

代替该第一实施例中使用的1625nm的波长范围，也可选择其它波长，如1550nm。当然，在这种情况中，必须重新确定常数c₁和c₂的值。

在本发明的附加实施例中，光谱测量设备优选替代反向散射装置。

在本发明使用弯曲装置的实施例中，不采用光谱测量设备用于衰减测量，而是采用反向散射测量装置(OTDR)。这是一种“雷达”测量，其中一短(时间上)光脉冲被耦合至光纤中。由于瑞利散射，光学信号在光纤中任意位置在所有方向上发射。一些信号在发射机方向上传播并被方向耦合器和灵敏探测器截取。以这种方式获得变化的(时间上)信号，从中可得到光纤的许多特性。因此，在光纤完全均匀的情况下，在光轴方向上看去，绘制在对数标度上的测量曲线是完全线性的。在这种连接中，曲线的斜率是玻璃纤维衰减的量度。在光纤局部衰减的情况中，例如光纤骤然扭曲，可能在曲线中产生跳跃，从中可确定导致的衰减。使用光纤对光纤耦合的方法，使将被测量的光纤与所谓“运载光纤(launch fiber)”耦合，该运载光纤被连接到反向散射装置上并且用于所有将被测量的光纤。

根据本发明的第二实施例，完成两种测量，即，一种使用定义的弯曲装置而一种不使用该装置。以与第一实施例相同的方式确定截止波长后，可从差异中获得弯曲衰减。

进行测量的波长由并入反向散射装置中的激光器的波长确定。所述波长可以例如为1625nm，或是1550nm。另外，反向散射装置中可有几个可转接部件，每个部件包括使用不同波长的激光器。

为了防止与运载光纤的耦合对局部弯曲损耗有影响，必须在距离耦合位置一定光纤距离L的一点上产生弯曲。所述的距离L可从几米至几公里。在前面的情况中，由于反向散射装置的极限分辨率，在测出的反向散射曲线中两个衰减跳跃连在一起，如果距离L为几公里，例如在将被测量的光纤的另一端引入衰减时，会有其它的优点，即由于运载光纤和将被测量的光纤的连接处的反射，在接收到的被散射信号中将不再有任何反射峰的摄动。

本方法附加实施例在附属的权利要求中限定。

多种弯曲装置的实例可用于上述实施例中，其中连接是重要的，然而，测量到的弯曲损耗值位于使用的测量装置的“动态范围”内，并且引入的弯曲是稳定且可再现的。

弯曲的一个特殊形式是在弯曲部光轴的变形与使用的模式滤波器中的变形相同。作为例子，该装置可以用于向光纤中引入许多微小扭曲，通过在两行圆销钉中放置光纤并朝向彼此移动所述行固定的限定距离，由此在光轴中产生一定的蛇行线。

这种弯曲方式可用在与测量标准方法中使用的设备相同的测量设备中，利用同样操作完成确定截止波长的方法。结果，弯曲损耗和截止波长之间的关系，特征在于例如在制造加工的赶制过程中，利用适当的折射率剖面图，用简单的方法可测定参数c₁和c₂的值。

本发明还涉及用于确定附属的权利要求中限定的光纤截止波长的装置。

Claims (6)

1、一种用于确定光纤截止波长的方法，该方法包括下述步骤：

i)提供一光谱测量装置；

ii)利用光谱测量装置在特定波长完成对光纤的光谱测量；

iii)使光纤弯曲；

iv)利用光谱测量设备在特定波长对上述弯曲的光纤完成光谱测量；

v)在步骤ii)和iv)获得的测量结果的基础上确定弯曲衰减；

vi)在预先设定的相互关系基础上，通过使光纤的截止波长与光纤的弯曲衰减和模场直径关联，从而使截止波长与弯曲衰减和模场直径产生联系；

其中，步骤vi)中的所述预先设定的相互关系包括一系列子步vii)至xi)，即：

vii)确定光纤的模场直径；

viii)在所述特定波长处测量光纤的衰减；

ix)使光纤弯曲并在所述特定波长处测量衰减；

x)通过在截止波长周围一系列波长处完成光谱衰减测量来确定截止波长，其中该光纤具有特定弯曲形态；

xi)通过对制造出的具有光纤分布特征的多根光纤重复步骤vii)和viii)，使弯曲衰减和模场直径与截止波长相关。

2、根据权利要求1的方法，其特征在于该特定波长位于该截止波长周围波长范围外。

3、根据权利要求1的方法，其特征在于所述光谱测量设备采用反向散射装置。

4、根据权利要求3的方法，其特征在于根据步骤iii)使被测量光纤弯曲是发生在与某一位置相距L的点处，所述位置为被测量光纤与反向散射装置内的光纤连接之处，所述L能从几米至几公里变化。

5、根据权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于以这样的方式完成光纤的弯曲：在这样弯曲中光纤轴的变形相应于在高阶模衰减装置中光纤的变形，该装置位于光谱测量装置或反向散射装置和用于使被测量光纤弯曲的装置之间的光路中。

6、一种用于测量光纤截止波长的设备，包括：

用于使光纤产生至少一个弯曲的装置；

适于对光纤完成光谱测量的光谱测量装置，通过所述测量装置，从光纤弯曲前后的光谱测量可测得弯曲衰减；以及

用于使截止波长与弯曲衰减和模场直径相联系的装置，

其中，一种用于使光纤产生弯曲的设备被使用于所述用于测量光纤截止波长的设备中，所述用于使光纤产生弯曲的设备包括：

使光纤产生至少一个弯曲的所述装置；

在至少两行垂直销钉之间引导光纤的装置；以及

使所述垂直销钉行朝向彼此移动的装置，以获得光纤上的指定弯曲。