航空计测技术
Aviation　Metrology　&　Measurement　Technology
1999年 第19卷 第3期 Vol.19 No.3 1999



光纤器件回波损耗测量系统分析
王梦勋
　　摘　要　介绍了各种光纤器件(光无源器件、有源器件、光纤集成器件等)回波损耗的测量原理和测量方法。提出了一些关键技术的解决方法和试验方案。对各种不确定因素进行了分析和试验验证，最终建立了一套光纤器件回波损耗测量装置。
　　关键词　光纤器件　回波损耗　测量方法　测量不确定度
Analysis of Return Loss Measurement System of Optical Fiber Device
Wang Mengxun
　　Abstract　The measuring principle and method of varies optical fiber devices (for example,the optical passive and active devices,optical fiber integrated device etc.) has proposed the methods of solving key measurement techniques;has analysed the varies infuluence factors of measurement uncertainty and propoced its verification methods.
　　Key words　Optical fiber device,Return loss,Measuring method,Measurement uncertainty
　　概述
　　高速光纤数字传输系统(如光纤通信、光纤局域网等)，模拟光纤图像传输系统(如光纤有线电视、光纤制导等)的应用已越来越广泛，并以十分迅猛的势头发展着。
　　由于线性特性等要求，在这些系统中必须采用窄线宽激光器(如DFB激光器)。激光器的线宽越窄，其调制特性和光谱特性越容易受到传输反射信号的影响。从而严重地影响上述高速数字或模拟光纤传输系统的性能。
　　即使是普通的FP激光器，其输出特性也会在不同程度上受到反射信号的影响；因此，各种光纤器件的反射特性测量就变得越来越重要和普遍。
　　为此，建立了一套测量光纤器件反射特性的光回波损耗标准测量装置
1　测量原理简述
　　测量原理如图1所示。

　　其测量原理为光源输出光PL进入3dB定向耦合器的臂1后，分别进入臂3和臂4，其中臂3接光纤匹配负载，臂4为测试端口。测试端口首先接反射系数经过定标的参考反射标准。在臂2由功率计测量反射功率P1；取下参考标准，接无反射光纤匹配负载，测量系统残余功率P2；取下匹配负载，接被测器件(如为双端口器件，则被测件输出端接光纤匹配负载)，测量反射功率P3。按(1)式计算被测件的反射系数。

其中，Rm为被测件的反射系数；Rr为参考标准的反射系数。
　　在纤维光学技术中,通常用回波损耗表示器件的反射特性。其定义式如(2)式所示

其中，RL——被测件的回波损耗；Pback——被测件的反射功率；Pin——被测件的输入功率。
　　因此，(1)式用回波损耗表示为

2　系统的稳定性、重复性及测量不确定度分析
　　为了减小系统的测量不确定度，重点解决了下面几个问题：
　　1)被测件的回波损耗是由依次测量的三个功率值计算确定的，由(1)式和(3)式可知，在测量过程中，如果光源的输出功率变化，将直接引入测量不确定度。
　　为此，选用HP81552 SM(1.31μm)、HP81553 SM(1.55μm)稳定光源作为测量光源。其稳定性为0.003dB／15min，从而其引入的测量不确定度可以忽略。
　　2)在测量参考反射标准的反射功率时，会有较强的光功率反射回激光源，这可能造成光源的输出特性(光谱特性和功率特性)变化和不稳定。
　　这可在光源的输出端接入光隔离器的方法解决。它有良好的反射隔离和很小的插入损耗，但价格十分昂贵。
　　为此，在光源输出端接入了一个光衰减器，其入端回波损耗为61.5dB(实测)，衰减值为7 dB。这样，即使在全反射参考反射标准的情况下，由于输入信号要两次经过光衰减器和光定向耦合器，反射回光源的信号也比其输出降低了20dB。
　　用图2试验系统对所用光源的反射敏感性进行了测试。


图2　光源反射敏感性测量试验框图
　　设置光衰减器的衰减量为60dB，由60dB改为7dB，再由7dB调回60dB,记录光功率计的示值变化量(均在60dB衰减值下记录)，实验证明该变化量小于0.1dB，取包含因子k＝2，此项不确定度分量为0.2dB。
　　3)光定向耦合器的偏振敏感性
　　实际在单模光纤中传输的光波存在着两个方向互相垂直的偏振态。光纤的任何移动均可引起光纤的机械应力状态变化，从而引起双折射变化现象，这又会引起两偏振态的相位差的变化，亦即引起光定向耦合器的输入(或输出端)光偏振状态的变化。该变化亦又会引起定向耦合器的耦合比的变化，而且这种变化是随机的。
　　为了降低定向耦合器的偏振敏感性，定做了1.31μm和1.55μm两个单窗口光定向耦合器，并对偏振敏感性提出了严格要求。
　　用图3系统进行了定向耦合器偏振敏感性测试。


图3　光定向耦合器偏振敏感性测量试验
　　调节偏振控制器，改变定向耦合器输入端的入射光的偏振方向，测量耦合器的耦合比。分别以耦合器的臂1、臂2、臂3、臂4为输入端，用同样的方法进行测量，测量结果表明该定向耦合器的偏振敏感性＜0.03dB。
　　由于定向耦合器的输入和输出端偏振状态变化均能影响其耦合比，且光源到光功率计要两次经过定向耦合器;因此,实测不确定度为0.12dB，取包含因子k＝2，此项不确定度分量为0.24dB。
　　4)光波相干效应
　　如果定向耦合器的输出端到被测件之间距离的两倍小于光源的相干长度，则到达光功率计的光波信号会产生相干调制，如：由于定向耦合器的方向性有限，从光源直接到达光功率计的信号和从被测件反射的信号将产生干涉。
　　任何光纤的移动均将引起这些光波信号偏振状态的变化，两偏振信号相位关系的变化，又将引起相干信号幅度的变化，亦即测量光功率的变化和不稳定。
　　在光定向耦合器的输出端与被测器件之间接入了9m光纤，则由定向耦合器的方向性到达光功率计的信号和由被测件反射到达光功率计的信号之间的光程差为18m，大于普通FP光源的相干长度，在很大程序上消除了相干影响。
　　限于测试条件，未对光源的线宽进行测量；而是对系统的相干影响按图4进行了试验分析。


图4　系统相干效应测量试验图
　　从干涉原理可知，当两干涉信号幅度相等偏振方向一致时，将产生最大干涉信号。先调整光衰减器使两干涉信号幅度相等(这是产生最大相干的功率比情况)，再反复调整偏振控制，观察光功率计示值。经过实测，光功率计的示值变化小于0.05dB，取包含因子k＝2，此项不确定度分量为0.1dB。
　　因此，在本系统中，此项不确定度已得到了有效的控制和消除。当然，如果要更换光源，则需要重新进行上述验证和分析。
　　5)光功率计的线性
　　本系统是通过测量参考反射标准和被测件的反射以及系统残余信号(到光功率计的)后，进行计算确定被测件回波损耗的。这些信号的幅度差可高达几十个dB，因此，光功率计的线性误差将直接引入测量不确定度。
　　采用HP8153A光纤万用表，其线性不确定度为0.015dB(k＝2)。
　　6)参考反射标准的反射系数定标不准
　　在本系统回波损耗测量过程中，被测件的回波损耗是以参考反射标准的反射信号为基准的。参考反射标准的定标误差将直接引入测量不确定度。
　　采用从美国HP公司引进的HP81000BR标准反射器，其不确定度为0.1dB(k＝2)。
　　7)光功率计的稳定性
　　如上所述，被测件的回波损耗是经过测量三个不同的光功率后计算求得的；因此，光功率计的稳定性将直接引入测量不确定度。
　　通过一个极稳定的LED光源对所用光功率计稳定性进行测量，实测结果其稳定性优于0.001 dB／h，取包含因子k＝2，此项不确定度分量为0.002dB。
　　8)光纤匹配负载
　　定向耦合器的第3臂匹配负载的反射损耗经3dB衰减后，直接进入光功率计，该信号将直接引入测量不确定度。
　　另外，测量系统残余信号时，测量臂接的匹配负载，其回波损耗也将直接引入测量不确定度。当被测件为两端口器件时，其输出端匹配负载的回波损耗也将直接引入测量不确定度。
　　为此，在直径为5mm的圆棒上,将光纤绕5圈的方法实现无反射负载。
　　测量其插入损耗为86dB，理论计算其回波损耗应为172dB。如此高的回波损耗无法测量，用图5测量定向耦合器方向性的方法进行测量，其结果等于该方向性信号，旁证负载未引入反射信号，此项影响可以忽略。


图5　匹配负载回波损耗影响测量试验框图
9)系统的残余信号
系统的残余信号在计算被测件的回波损耗时是被扣除的；但当被测件的回波损耗很大时，信号值将与系统的残余信号同量级，甚至小于系统的残余信号。由于系统的残余信号是微小信号，容易受系统噪声及各种环境条件的影响(如：偏振稳定性、光源稳定性、相干效应、定向耦合器的偏振敏感性等)，具有一定的随机性；因此，当测量高回波损耗器件时，此项因素将引入较大的测量不确定度。
　　通过试验的方法确定此项测量不确定度，其试验方法为：测量不同的回波损耗值，试验测量重复性。试验结果如表1。
表1　对于不同回波损耗值的测量重复性　dB
回波损耗测量平均值A类不确定度分量(k＝2)
20　　　　　　　　　　　　0.1
360.1
400.1
500.1
550.35

　
3　控制软件
　　为了提高测试工作效率，减少操作失误，编制了自动控制软件。软件用先进的WINDOWS编程，选择式汉字菜单操作，提示操作程序步骤，可自动处理数据，打印输出测量结果。
4　系统总体技术指标分析及验证
　　将各项因素用方和根法进行合成(取扩展因子k＝2)。由于考虑到未对系统进行溯源和校准，还可能存在未知的系统不确定度分量，给出的技术指标略低于合成测量不确定度。见表2。

表 2
dB

回波损耗测量平均值测量不确定度
200.42
300.42
400.42
500.42
550.55

　　由于没有其它的回波损耗测量标准，无法对其进行准确的验证。
　　用测量光纤菲涅尔反射回波损耗的方法进行了旁证,但由于光纤的有效折射率难以准确确定，光纤端面难以达到理想的平滑和与光纤纵向轴垂直；因此，其实际回波损耗难以与理论值一致。尽管如此，用我们的系统所进行的五次菲涅尔反射测量值与理论值之差都仍在我们系统的测量不确定度范围内。由此，可在一定程度上旁证系统所进行的回波损耗测量是可靠的。
5　结论
　　根据工作需要,建立了一套光回波损耗工作标准。对一些关键技术和引入不确定度因素进行了分析，提出了解决方案，并进行了试验验证。
　　该系统具有较高的测量准确度，可测最大回波损耗大于60dB。
作者简介：55岁　男　高级工程师
作者单位：王梦勋　(华东电子测量仪器研究所青岛分所,山东省青岛市,266555)
参考文献
　　1　叶德培.测量不确定度.北京:国防工业出版社,1996
　　2　Christian Hentschel Fiber Optics Handbook of HEW-
LET PACKARD March 1989
