光纤衰减及均匀性的辅助测试工具-科兰

一.概述

通信光纤的衰减指标是评判光纤传输特性的最重要指标之一。它表示了光纤对光能的传输损耗，对光纤的质量评定和在通信系统和网络设计中起着十分重要的作用。随着制造工艺的不断进步，各主要光纤制造商所达到的衰减指标已经逐渐接近理论极限，相互之间的差距也日益减小。一般认为，达到有竞争力的衰减指标对光纤制造商已经不是一个困难的问题。但同时，在工程实践中，光纤强度和光纤均匀性等问题，正日益为光纤、光缆厂商和运营商们所关注。

光纤传输特性的不均匀性表现为三种情况。一种是OTDR曲线有不连续点，即所谓“台阶”;第二种是从光纤两端测得的OTDR衰减系数不相同，存在内外端差。第三种是OTDR曲线虽然连续，但曲线存在波动;在光纤出厂测试时，第一种情况的测试和判定相对简单，例如，当台阶值超过0.05dB时，通常作分段处理。第二种情况的测试和判定与第一种类似，当内外两端衰减系数差大于0.05dB/km时，即作端差超标处理。针对第三种情况，因算法繁复，计算量大，要进行完备的测试需要引入辅助测试工具，并制定相应的评判标准。目前仅有部分厂家和客户引用各自的内定标准对此进行比较系统的检验和测试。

衰减均匀性反映了细分的衰减系数的变化情况。本文不对造成光纤衰减不均匀的原因进行论述，而只是关注衰减均匀性的测试和测试方法本身。但要说明的是，造成不均匀性的原因相当复杂。无论在制棒、拉丝、成缆，还是敷设、使用过程中，都可能对光纤的谱损耗曲线造成畸变。光纤折射率剖面参数和芯径沿轴向的随机波动，光纤的杂质分布、残余应力、光缆结构、材料老化、析氢、温度和外力都可能导致衰减系数的漂移及不均匀性产生。不像光纤的其它一些指标，如与光纤结构密切相关的NA、色散、λc、MFD等，主要只与制棒和拉丝工艺相关。测试和保证光纤衰减系数及其均匀性的问题，涉及到从光纤制造到使用的各个环节和各个时段。因此，光纤衰减的均匀性问题不仅受到光纤厂家的关注，也同样受到光缆厂家和运营商们的关注。作为光纤制造和使用的第一个环节，光纤厂有责任首先对光纤的不均匀性进行研究、筛选和消除。

对于OTDR曲线的波动情况，在国家标准 (如GB/T9771.1-2000) 中没有明确规定。同时GB/T15972.4-1998《光纤总规范*传输特性和光学特性实验方法》中也称，“用双向平均的后向散射曲线描述和确定衰减均匀性的方法尚在考虑之中”。在邮电标准中，对部分光缆所使用光纤的描述中要求，对于任意500米光纤，其实测衰减值与全长上平均500米的衰减值之差的最坏值不大于0.05dB。国内一些标书中，对光纤传输特性均匀性的要求与此类似。对于光纤衰减的内外端差，在行业标准“YD/T629.2-93光纤传输衰耗变化的监测方法后向散射监测法”中规定，如果有必要，应从两端进行测试时，最终结果应是两端测试结果的平均值。

光纤厂的发运盘长较长，如25.2Km或50.4Km，而光缆的发运盘长通常要小于该长度，如2km。对光缆厂来说，光纤厂提供的光纤衰减值不能保证每个发运段的成缆纤的衰减值，甚至可能出现很大的偏差，导致不能交付。其可能原因，一是光纤本身的不均匀，二是仪器尾纤与被测光纤的MFD不匹配所导致的测试偏差。

如前所述，由于缺乏明确的标准、测试方法和条件，加之测试本身的不易操作性，使得光纤衰减的均匀性问题长期存在，成为下一工序质量控制的隐患之一。一些主要光纤供应商们为减少或消除这一隐患，开发了一些适用的工具，并设置各自的内控标准，对出厂光纤进行筛选。一些光缆厂和运营商也加强了对该问题的关注和监测。

二.测量基础和数据传输

OTDR利用瑞利散射和菲涅耳反射效应测量光纤的衰减、长度等参数。它通过发送一个光脉冲到光纤，利用光纤存在的后向散射特性测量光纤内部一系列点上的传输衰耗，从而在显示屏幕上形成长度与信号强度的一条特征曲线或轨迹。光脉冲的宽度和周期取决于光纤的长度和需要测试的精度。

光纤特征曲线可进行现场分析，或打印出来，或保存到磁盘上，或利用仪器提供的传输端口传到计算机上以供分析。一个训练有素的操作人员可以准确确定光纤端口、区域和接头衰减以及整段光纤衰减系数。目前许多新型OTDR设备大都提供了自动分析原始曲线数据的功能，因此减少了对操作人员的技能要求。

OTDR还提供了在整段光纤中对特定长度段的测量功能。将光标A和B分设在待测试段的两端，设置相关参数，即可获得该段光纤的衰减值。如果要获得整段光纤中“任意段”衰减的变化情况，需按上述方法逐段测试。对一盘25.2km光纤，以1km为单位细分，则将获得25个点的数据。考虑到内外端和不同的工作窗口，需要测试100个点的数据。我们曾经做过测试，由熟练人员测试光纤双波长、内外端的4个平均衰减值，耗时约20分钟。此外测试数据的保存、传输、繁复的仪器面板操作、测试单位长度的变化等等因素，效率和正确性都难于保证。可以认为，用人工方法进行大量的衰减均匀性测试分析和记录是不现实的。

通常OTDR为数据传输提供了GPIB和RS-232接口。GPIB(通用接口总线)也叫HP-IB，最初是由HP公司提出，于1975年被采纳为IEEE-488标准。其数据传输受三根信号线的制约，为“三线挂钩”应答方式的异步数据传输。该总线由8根双向数据线DIO1~DIO8，3根信号交换线DAN、NRFD、NDAC，5根通用控制线ATN、IFC、SRQ、REN、EOZ以及8根地线(其中一根为机壳地线)共24根线组成。总线上可连接的仪器、设备多达15个。连于总线上的设备统称为器件，向总线发送数据的设备称为“讲者”，从总线上接收数据的设备称为“听者”，控制总线的设备称为“控者”。在GPIB的数据传输过程中，三根信号交换线，其中DAV数据线上数据有效由讲者(即源方)使用，NRFD(未准备好接收数据)和NDAC(未收到数据)由听者(即受方)使用，因听者在数据传输中使用了两根应答线，所以可方便地实现广播式传输，即一对多传输。其传输过程如下：

DAV=0，表示数据线上没有数据或数据尚未有效。讲者必须在所有听者均已准备好接收数据的情况下，即NRFD=0，才会令DAV=1。听者在得知数据有效，即DAV=1时，一方面将NRFD恢复为1，以准备下一个数据的传送，另一方面在数据接收完毕以后，立即以NDAC=0来告知讲者。讲者撤消原数据，即令DAV=0，听者在讲者撤消数据以后，以NDAC=1来应答，结束一次数据传输。若还有数要传送，则讲者换上新数，重复上述过程。

在此测量系统的微机中，我们使用了一块GPIB控制卡来适配OTDR所提供的GPIB接口，并与其进行控制通信。

从GPIB这种三线挂钩方式的数据传送过程可以看出，它是一种双向全互锁的异步传输过程，其特定不但保证了自动适应不同传输速率的设备，更保证了数据传输的可靠进行。由于是8位数据并行传输，因此其传输速度较高，这些特点使GPIB在工业应用中优于其它接口形式的数据传输。

三.测试结果

利用本辅助工具，可以对OTDR进行面板上的几乎全部操作。所有的参数均可通过计算机方便地设置并显示，而且一台计算机可以同时控制多台仪器进行操作和测试。一些参数，如光纤编号，可以利用条码输入，提高了效率和可靠性。

要指出的是，在某些文献中，对光纤衰减的均匀性分析较多地使用“两点法”计算和分析，我们认为在工程应用中，选用最小二乘法似更合适，以较好地消除噪声的影响。但为了方便对比，也提供了两种方法的选项。

四.结论

光纤的传输特性均匀性问题是目前业内关注较多的问题，它涉及到从光纤制造到使用的各个环节和时段，是光纤、光缆厂商和运营商共同关注的问题之一。由于标准和计算方法不够明确，以及测试本身的不易操作性，为了向用户提供适当的产品，部分光纤厂商使用自定方法和标准进行测试和判断。本文介绍的辅助测试工具具有快捷、实用、准确，所测数据容易追溯和共享，利用了计算机系统良好的可扩充性。使用近两年来，被证明无论对光纤品质分析和规模化生产都具有重要作用。

审核编辑黄宇