昌伟 Tu changwei
成都中住光纤有限公司
Chendu SEI Optical Fiber Co.,Ltd
摘要：
现代光纤通信中单模光纤已经作为的光传输主要媒介，由光纤的传输理论可知，把包层和芯层边界代入波动方程求解，可得LP11模截止时光纤只有单模即LP01模传输，对应的波长叫作截止波长。在通信链路中系统波长必须大于截止波长。国际电信联盟技术委员会ITU-T根据不同的测试条件和环境规定了截止波长测试方法和替代方法及相应标准，本文主要针对用光谱传输功率法进行截止波长测试及影响测试截止波长的原因进行阐述。
关键词：单模光纤、截止波长、光谱传输功率法
Abstract: A Singlemode fiber is a primary optic transmission medium in modern Fiber-optic communication. With the fiber transmission theory，we solve wave equations according to fiber’s core-cladding boundary and know that fiber transmits only by Singlemode(LP01 mode) if the higher mode(LP11 mode) is cut-off. That wavelength is defined as cut-off wavelength. The system ‘s operating wavelength must be greater than the fiber cut-off wavelength in transmission-lank. The International Telecommunication Union Standardization Sector(ITU-T) rule the cut-off wavelength measuring method ,the substitution method and the corresponding standard by the deferent measuring factor and condition. This article describe the optic spectral transmitted power technique which measure the cut-off wavelength and the influent factor.
Key words: a Singlemode fiber, cut-off wavelength, an optic spectral transmitted power technique
一. 截止波长的物理概念和定义
根据光纤中光传输的标量波动方程求解可知，单模光纤LP11模的截止波长为：
1-1
对于阶跃型光纤，Vc=2.40483。由上式得到的截止波长，其与光纤芯层直径和折射率n1有关,另外还和光纤的指数相对折射率有关系，大多数文献上称之为理论截止波长，记作λct。在工程应用中λct意义不大。一般中只在理论研究中有一定价值。
人们通常所说的截止波长是指测试截止波长，通过实践表明测试截止波长与所测光纤的长度和所处的状态有关(如弯曲和受到应力作用等)。为了使测试截止波长在工程应用中有实际意义，如在光纤生产中控制光纤拉丝张力，制造光缆和敷设光缆时控制其在工作波长有效单模传输等。国际电信联盟标准化部门在ITU-T G.650(2000/10)中将实际测量的截止波长分为三类并制定相应标准，根据测试条件和测试式样不同分为：光缆截止波长、光纤截止波长和跳线光缆截止波长。
1.光缆截止波长λcc，光缆截止波长是在预先将22m光缆平直安放，剥去被测光缆端护套等保护层，两端各裸露出1m长的预涂覆光纤，并在两端裸露光纤各打一个40mm的小圈条件下测的成缆截止波长。实践证明，工作波长经过22m成缆光纤后，LP11模不能继续传播。因此，光缆截止波长是确保光缆中光纤单模工作最为直接有效的参数。
2.光纤截止波长λc，因为其测试容易，也是工程应用中最多的截止波长。光纤截止波长是指光纤在保持一个140mm松绕大圈其它部分平直、长度为2m光纤的条件下测的光纤截止波长。
3.跳线光缆截止波长λcj，跳线光缆波长是指跳线光缆包含一个76mm松套小圈、长度为2m条件测得的截止波长。由于跳线光缆实际应用中可能长度很短，所以ITU-T专门对跳线缆和普通光缆规定了不同的测试条件和标准。
如上所述，λcc、λc、λcj是由于光纤种类、光缆结构和试验条件不同而得到的，但不管怎样的定义，对于λcc、λc和λcj就是规定的条件下LP11模截止对应的波长。在实际应用中虽然这三种对应关系不易确定，但对不同光纤和光缆结构、及试验条件，应确保在最短工作波长、两点连续的最短光缆段长处于单模传输是非常重要的，现在很多光纤光缆厂家都引用光缆截止波长为标准，实践表明其对应光纤截止波长可延长到1290nm甚至到1330nm。为了降低光纤模式噪音和色散对光纤系统的影响，规定λcc即最短光缆段长的截止波长小于系统波长即：λcc<λs是非常有必要的。
通常对于同一类型的光纤λcc、λc、λcj一般有如下关系：
λc>λcj>λcc
ITU-T(2000/10)中对G652、G653、G654、G655不同类型光纤对应截止波长作了规定，同时GB/T9771-2000中也对几种不同类型的光纤的截止波长作了规定。下面列出目前应用最广的两种光纤对应标准：
G652光纤λcc≤1260mm, λc≤1250mm, λcj≤1250mm
G655光纤λcc≤1480mm, λc≤1470mm, λcj≤1480mm
二. 光纤截止波长的测试
(1)测试原理
光纤截止波长的测试在ITU-T G650(2000)中规定了传输功率法作为基准测试方法，而作为替代方法未成缆光纤截止波长测试法在实际工程中很少应用，目前商用仪器也是采用传输功率法作为测试原理，在光纤光缆等厂家中大量应用。
我们知道单模光纤中除了固有的吸收和散射损耗外，还有因外界作用使光纤产生的附加损耗，如：光纤芯包缺陷、纵向不均匀性、光纤微(宏)弯等。这些附加损耗在单模光纤截止波长处产生的衰减很大，从前面的截止波长定义可知，在理论截止波长以下波段，高阶模LP11模传输，而在其后高阶模截止，对应波长只有基模存在，所以在接近截止波长时光纤功率急剧衰减。传输功率法的测量原理就是在规定的实验条件下，通过测试被测的一短段光纤随波长变化传输功率与参考的传输功率之比来确定截止波长。
在实际应用中我们取2m长度的被测光纤作试样，用综合测试装置把传输功率谱和参考传输功率谱相比较，确定光纤的截止波长，根据ITU G650(2000)中规定了两种得到参考传输功率谱，这里取打一小圈所得光功率谱作为参考传输功率谱。
(2)试验装置
传输功率法测量单模光纤的试验装置，如下图所示。这个试验装置主要成分有：光源、包层模剥除器、光探测器等。
光源：选用的光源FWHM谱宽不超过10nm。在完成整个测量过程中，光源的位置、光强和波长应稳定不变，并能够在足够宽的波长范围内工作。调制：为改善接收器处的信噪比，通常采取调制光源方法，如果采取这个办法，光探测器应与光源调制频率同步信号处理系统连接探测，系统应基本是线性的。注入条件与系统：应用的条件是均匀地激励LP01和LP11模，例如：稳定的注入方法是用稳定的大光斑、大数值孔径的注入光学系统。包层模剥除器：包层模剥除器：其是一个确保包层模转换为辐射模的器件，因此，它从光纤中剥除包层模，应确定不能影响LP01模。光探测器：选用一个合适的光探测器，以求截断来自光纤的所有辐射，光探测器的光谱响应与光源的光谱特性相一致，光探测器应具有良好的表面均匀性和线性灵敏度。
(3)截止波长测试
本测试装置选用光纤光缆厂家采用较多的PK2220作为测试手段，其光源稳定，接收器的信噪比较高，测试重复性较好，能满足ITU-T G650(2000/10)截止波长对测试装置要求。
选取一根2m单模光纤作为测试试样。用光纤剥线钳和切割刀把带有夹具光纤两端面切得平整，有条件的情况下可以测试一下端面角，要求端面角小于1.0然后进行下一步工作。选取单模光纤截止波长测试菜单，我们选取用打小圈作为参考信号的测试方法。把2m光纤放在装置的输入输出端，调节端面校准装置，使光纤端面清晰即可，把2m光纤打一280mm的大圈，注意应保持光纤松驰不应受到任何外部应力和比280mm小的自然弯曲。这样就可以进行试样光纤光功率谱P1(λ)测试，测试结果暂时保存在一数组CUTRUNDAT中。当试样光纤光功率谱测试完毕时，检查光纤的端面是否保持不变，如保持完好，把试样光纤打一60mm的小圈，这时就可以测试光纤参考功率谱P2(λ)，测试装置根据如下公式拟合衰减谱：
2-1 这是含有高阶模即LP11模试样光纤衰功率谱P1(λ)和参考的传输功率P2(λ)得到的衰减谱损耗，测试截止波长就定义为其损耗
下降到0.1dB时所对应的
，拟合曲线如下图所示：
由图二可见，在转变区，高阶模功率随波长增大而降低，在光纤截止波长附近，衰减急剧下降，在之后各波长可以认为基本上只有LP01模传输，在图b中测试光纤衰功率谱P1(λ)在截止波长后有少量LP11模残余功率。
三. 影响测试截止波长的因素
光纤测试截止波长是在规定的试验条件下得到的，在各工程应用中由于种种原因可能不会完全按照规定试验条件进行测试。前面已经提出光纤长度和光纤所处的状态对光纤截止波长测试有很大影响，下面通过实验总结各个因素对测试截止波长影响程度，可作为各光纤光缆厂家参考：
(1) 长度对测试截止波长的影响
分别取1.5m、2.0m、3.0m试样其它试验条件满足ITU G650(2000/10)规定测试条件，得如下数据：
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测试次数
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1.5m样品
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2.0m样品
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3.0m样品
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备注
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1
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1212.87
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1242.65
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1226.29
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测试所用仪器为PK2220且选择某光纤厂家同一盘光纤外端取样，测试值单位为nm。
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2
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1219.85
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1240.16
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1239.22
|
|
3
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1219.41
|
1238.02
|
1248.32
|
|
4
|
1217.43
|
1246.31
|
1238.32
|
|
5
|
1216.15
|
1242.78
|
1244.84
|
|
平均值
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1217.142
|
1241.984
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1239.398
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标准偏差
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2.82
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3.12
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8.40
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我们正常测试时用28cm大圈，由于仪器操作台问题，把光纤圈放大操作可能性很少，故只讨论放小的情况。从图四进行分析，当圈放到20cm时，光纤截止波长测试平均值和标准偏差变化较小，对测试数据影响不大;当圈放到14cm时，测试重复性较好但截止波长测试数据急剧减小，对测试结果非常不利。所以在操作人员进行测试时，当遇到光纤测试样品不够时，或在操作台有自然小圈时一定要展开再进行测试。
(3) 外部应力对测试截止波长的影响
在光纤拉制过程中，我们所得到的光纤芯并非是理想的圆，而是有一定的椭圆度，加上光纤受到挤压、涂层损伤、弯曲或扭转等因素，可能使光纤受到不对称的横向应力。这些应力的存在可能对测试截止波长产生影响，这里讨论一下光纤受到微弯带来不对称横应力作用下光纤测试截止波长变化情况：
下图为不受应力、1kg、3kg微弯及光纤表面受不规则应力情况下对应测试截止波长光谱损耗图：
数据分析：从图六、七光纤损耗谱看来，光纤受到微弯侧应力情况其峰值有很大变化，随着所受应力增加峰值最高dB降低越多，说明LP11高阶模在较短波长时所传输光功率比没有受应力比较，急剧下降，同时光纤测试截止波长大大减小，测试结果比较三者标准偏差变化不大。图八是由于单模光纤包层受到不规则横向应力，在测试光纤衰功率谱P1(λ)时有部分长波长有LP11高阶模残余功率存在，但在进行参考功率谱P2(λ)测试时LP11模对宏弯小圈很敏感，泄漏出去，因而从谱损耗来看有多峰现象产生。
光纤受到应力测试截止波长变小，理论上我们所得测试截止波长较小越能保证光纤在系统工作波长单模传输，但工程应用中比如光缆敷设时我们会尽量不让光纤受到外部应力，让光纤处于松驰状态，否则可能对光纤衰减、PMD带来不利影响。所以光纤光缆厂家在测试光纤截止波长时要求光纤在松驰的状态下进行，这样才能保证我们得到的更能满足光缆截止波长的要求。
四.结束语
本文对光纤几种不同截止波长定义进行了较为系统的描述，同时引用了ITU-T G650(2000/10)给出了不同定义截止波长的相应标准。在实际应用中不同工程引用与自己相适应的标准，对于光纤制造厂家可引用光缆截止波长但要规定最大和最小光纤测试截止波长。传输功率法是光纤截止波长的基准测试方法，其测试原理和测试装置及对测试环境的要求在文中进行了阐述。文中通过对ITU G652单模光纤进行实验，从光纤长度、宏弯和光纤受到不规则应力三方面总结了对光纤测试截止波长的不同程度影响。
参考文献：1. 赵梓森 等编著. 光纤通信工程，人民邮电邮版社，