深度解析光纤测试仪器
2015-02-05 来源：eechina
一．常用光纤测试表有：光功率计、稳定光源、光万用表、光时域反射仪(OTDR)和光故障定位仪。
光功率计
用于测量绝对光功率或通过一段光纤的光功率相对损耗。在光纤系统中，测量光功率是最基本的。非常像电子学中的万用表，在光纤测量中，光功率计是重负荷常用表，光纤技术人员应该人手一个。通过测量发射端机或光网络的绝对功率，一台光功率计就能够评价光端设备的性能。用光功率计与稳定光源组合使用，则能够测量连接损耗、检验连续性，并帮助评估光纤链路传输质量。
稳定光源
对光系统发射已知功率和波长的光。稳定光源与光功率计结合在一起，可以测量光纤系统的光损耗。对现成的光纤系统，通常也可把系统的发射端机当作稳定光源。如果端机无法工作或没有端机，则需要单独的稳定光源。稳定光源的波长应与系统端机的波长尽可能一致。在系统安装完毕后，经常需要测量端到端损耗，以便确定连接损耗是否满足设计要求，如：测量连接器、接续点的损耗以及光纤本体损耗。
光万用表
用来测量光纤链路的光功率损耗。有以下两种光万用表：
1、由独立的光功率计和稳定光源组成。
2、光功率计和稳定光源结合为一体的集成测试系统。
在短距离局域网(LAN)中，端点距离在步行或谈话之内，技术人员可在任意一端成功地使用经济性组合光万用表，一端使用稳定光源另一端使用光功率计。对长途网络系统，技术人员应该在每端装备完整的组合或集成光万用表。
当选择仪表时，温度或许是最严格的标准。现场便携式设备应在-18℃(无湿度控制)至50℃(95%湿度)
光时域反射仪(OTDR)及故障定位仪
(Fault Locator): 表现为光纤损耗与距离的函数。借助于OTDR，技术人员能够看到整个系统轮廓，识别并测量光纤的跨度、接续点和连接头。在诊断光纤故障的仪表中，OTDR是最经典的，也是最昂贵的仪表。与光功率计和光万用表的两端测试不同，OTDR仅通过光纤的一端就可测得光纤损耗。OTDR轨迹线给出系统衰减值的位置和大小，如：任何连接器、接续点、光纤异形、或光纤断点的位置及其损耗大小。
OTDR可被用于以下三个方面：
1、在敷设前了解光缆的特性(长度和衰减)。
2、得到一段光纤的信号轨迹线波形。
3、在问题增加和连接状况每况愈下时，定位严重故障点。
故障定位仪(Fault Locator)是OTDR的一个特殊版本，故障定位仪可以自动发现光纤故障所在，而不需OTDR的复杂操作步骤，其价格也只是OTDR的几分之一。
二．选择光纤测试仪表，一般需考虑以下四个方面的因素：即确定你的系统参数、工作环境、比较性能要素、仪表的维护
确定你的系统参数
工作波长(nm)三个主要的传输窗口为850nm，1300nm 及 1550nm。
光源种类(LED或激光)：在短距离应用中，由于经济实用的原因，大多数低速局域网LAN(100Mbs使用激光光源长距离传输信号。
光纤种类(单模/多模)以及芯/涂覆层直径(um)：标准单模光纤(SM)为9/125um，尽管某些其它特殊单模光纤应该仔细辨认。典型的多模光纤(MM)包括50/125、 62.5/125、100/140 和 200/230 um。
连接器种类：国内常见的连接器包括：FC-PC，FC-APC，SC-PC，SC-APC，ST等。最新的连接器则有：LC，MU，MT-RJ等
可能的最大链路损耗。
损耗估算/系统的容限。
明确你的工作环境
对用户/购买者来讲，选择一台野外现场用仪表，温度标准或许是最严格的。通常，野外现场测量必须在严峻的环境中使用，推荐现场便携式仪表的工作温度应该从-18℃~50℃，同时储运温度为-40~+60℃(95%RH)。实验室的仪器仅需在较窄的控制范围5~50℃工作。
不像实验室仪表能够采用交流供电，现场便携式仪表对仪表电源通常要求较为苛刻，否则会影响工作效率。另外，仪器的电源供电问题还经常是引起仪器故障或损坏的一个重要诱因。因此，用户应该考虑和权衡如下因素：
1、内装电池的位置应便于用户更换。
2、新电池或满充电池的最少工作时间要达到10小时(一个工作日)。然而电池工作寿命的目标值应在40~50小时(一周)以上，以确保技术人员和仪器的最佳工作效率。
3、使用电池的型号越普通越好，如通用9V或1.5V五号干电池等，因为这些通用电池非常容易就地找到或购得。
4、普通干电池优于可充电电池(如：铅-酸、镍镉电池)，因为充电电池大多存在“记忆”问题、包装不标准、不容易买到、环保问题等。
以前，要找到符合上述所有四个标准的便携式测试仪器几乎是不可能的。现在，采用最现代CMOS电路制造技术的艺术化光功率计，仅用一般五号干电池(随处可得)，即可工作100小时以上。另外一些实验室型号提供双电源(AC和内部电池)以增加其适应性。
如同手提电话一样，光纤测试仪表同样具有众多的外观包装形式。低于1.5公斤的手持式表一般没有许多虚饰，只提供基本功能和性能;半便携式仪表(大于1.5公斤)通常具备更复杂的或扩展的功能;实验室仪器是专为控制实验室/生产场合设计的，具备AC供电。
比较性能要素：这里是选择步骤的第三步，包括每种光测试设备的详细分析。
光功率计
对于任何光纤传输系统的生产制造、安装、运行和维护，光功率测量是必不可少的。在光纤领域，没有光功率计，任何工程、实验室、生产车间或电话维护设施都无法工作。例如：光功率计可用于测量激光光源和LED光源的输出功率;用于确认光纤链路的损耗估算;其中最重要的是，它是测试光学元器件(光纤、连接器、接续子、衰减器等)的性能指标的关键仪器。
针对用户的具体应用，要选择适合的光功率计，应该关注以下各点：
1、选择最优的探头类型和接口类型
2、评价校准精度和制造校准程序，与你的光纤和接头要求范围相匹配。
3、确定这些型号与你的测量范围分辨率相一致。
4、具备直接插入损耗测量的 dB功能。
几乎在光功率计所有性能中，光探头是最应仔细选择的部件。光探头是一个固态光电二极管，它从光纤网络中接收耦合光，并将之转换为电信号。可以使用专用的连接器接口(仅适用一种连接类型)输入到探头，或用通用接口UCI(使用螺扣连接)适配器。UCI能接受绝大多数工业标准连接器。基于选定波长的校准因子，光功率计电路将探头输出信号转换，把光功率读数以dBm方式显示(绝对dB等于1 mW, 0dBm=1mW)在屏幕上。图一是一个光功率计的方块图。
选择光功率计最重要的标准是使光探头类型与预期的工作波长范围相匹配。下表汇总了基本的选择。值得一提的是，在进行测量时，InGaAs在三个传输窗口都有上佳表现，与锗相比InGaAs具有在所有三个窗口更为平坦的频谱特性，在1550nm窗口有更高的测量精度，同时具有优越的温度稳定性和低噪声特性。
光功率测量是任何光纤传输系统的制造、安装、运行和维护中必不可少的部分。
下一个因素与校准精度息息相关。功率计是与你应用相一致的方式校准的吗?即：光纤和连接器的性能标准与你的系统要求相一致。应分析是什么原因导致用不同的连接适配器测量值不确定?充分考虑其它的潜在误差因素是很重要的，虽然NIST(美国国家标准技术研究所)建立了美国标准，但是来自不同生产厂家相似的光源、光探头类型、连接器的频谱是不确定的。
第三个步骤是确定符合你测量范围需求的光功率计型号。以dBm为单位表示，测量范围(量程)是全面的参数，包括确定输入信号的最小/最大范围(这样光功率计可以保证所有精度，线性度(BELLCORE 确定为+0.8dB)和分辨率(通常0.1 dB or 0.01 dB)是否满足应用要求。
光功率计的最重要选择标准是光探头类型与预期的工作范围相匹配。
第四，大多数光功率计具备dB 功能(相对功率)，直接读取光损耗在测量中非常实用。低成本的光功率计通常不提供此功能。没有dB功能，技术人员必须记下单独的参考值和测量值，然后计算其差值。所以dB功能给使用者以相对损耗测量，因而提高生产率，减少人工计算错误。
现在，用户对光功率计具有的基本特性和功能的选择已经减少，但是，部分用户要考虑特殊需求包括：计算机采集数据纪录、外部接口等。
稳定光源
在测量损耗过程中，稳定光源(SLS)发射已知功率和波长的光进入光系统。对特定波长光源(SLS)校准的光功率计/光探头，从光纤网络中接收光，将之转换为电信号。为确保损耗测量精度，尽可能使光源仿真所用传输设备特性：
1、波长相同，并采用相同的光源类型(LED，激光)。
2、在测量期间，输出功率和频谱的稳定性(时间和温度稳定性)。
3、提供相同的连接接口，并采用同类型光纤。
4、输出功率大小满足最坏情况下系统损耗的测量。
当传输系统需要单独稳定光源时，光源的最优选择应模拟系统光端机的特性和测量需求。选择光源应考虑如下方面：
激光管 (LD) 来自LD发射的光，波长带宽窄，几乎是单色光，即单波长。与LED相比，通过其光谱波段(小于5nm)的激光不是连续的，在中心波长的两边，还发射几个较低峰植的波长。与LED光源相比，虽然激光光源提供更大功率，但价格高于LED。激光管常用于损耗超过10dB的长途单模系统。应尽量避免用激光光源测量多模光纤。
发光二极管(LED)：
LED具有比LD 更宽的光谱，通常范围为50~200nm。另外，LED光是非干涉光，因而输出功率更加稳定。LED光源比LD光源要便宜的多，但对最坏情况损耗测量显得功率不足。LED光源典型应用在短距离网络和多模光纤的局域网LAN中。LED可以用于激光光源单模系统进行精确损耗测量，但前提条件是要求其输出足够功率。
光万用表
将光功率计和稳定光源组合在一起被称为光万用表。光万用表 用来测量光纤链路的光功率损耗。这些仪表可以是两个单独的仪表，也可以是单一的集成单元。总之，两类光万用表具有相同的测量精度。所不同的通常是成本和性能。集成光万用表通常功能成熟、具有各种性能但价格较高。
从技术的角度来评价各种光万用表配置，基本的光功率计和稳定光源标准仍然适用。注意选择正确的光源种类、工作波长、光功率计探头以及动态范围。
光时域反射仪和故障定位仪
OTDR是最经典的光纤仪器装备，它提供测试时相关光纤最多的信息。OTDR本身是一维的闭环光学雷达，测量仅需光纤的一个端头。发射高强度、窄的光脉冲进入光纤，同时高速光探头纪录返回信号。此仪器给出有关光链路的可视化解释。在OTDR曲线上反映出接续点、连接器和故障点的位置以及损耗大小。
OTDR评价过程与光万用表有许多相似点。事实上， OTDR 可以被认为是一个非常专业的测试仪表组合：由一个稳定高速脉冲源和一个高速光探头组成。OTDR的选择过程可关注下列属性：
1、确认工作波长，光纤类型和连接器接口。
2、预期连接损耗和需要扫描的范围。
3、空间分辨率。
故障定位仪大多是手持式仪器，适用于多模和单模光纤系统。利用 OTDR (光时域反射仪 ) 技术，用于对光纤故障的点定位，测试距离大多在20公里以内。仪器直接以数字显示至故障点的距离。适用于：广域网(WAN)、20 km范围的通讯系统、 光纤到路边(FTTC)、单模和多模光纤光缆的安装和维护、以及军用系统。在单模及多模光缆系统中，要定位带故障的连接头、坏的接续点，故障定位仪是一种优异的工具。故障定位仪操作简单，只需单键操作，可探测多达7个多重事件。
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光功率计
用于测量绝对光功率或通过一段光纤的光功率相对损耗。在光纤系统中，测量光功率是最基本的。非常像电子学中的万用表，在光纤测量中，光功率计是重负荷常用表，光纤技术人员应该人手一个。通过测量发射端机或光网络的绝对功率，一台光功率计就能够评价光端设备的性能。用光功率计与稳定光源组合使用，则能够测量连接损耗、检验连续性，并帮助评估光纤链路传输质量。
稳定光源
对光系统发射已知功率和波长的光。稳定光源与光功率计结合在一起，可以测量光纤系统的光损耗。对现成的光纤系统，通常也可把系统的发射端机当作稳定光源。如果端机无法工作或没有端机，则需要单独的稳定光源。稳定光源的波长应与系统端机的波长尽可能一致。在系统安装完毕后，经常需要测量端到端损耗，以便确定连接损耗是否满足设计要求，如：测量连接器、接续点的损耗以及光纤本体损耗。
光万用表
用来测量光纤链路的光功率损耗。有以下两种光万用表：
1、由独立的光功率计和稳定光源组成。
2、光功率计和稳定光源结合为一体的集成测试系统。
在短距离局域网(LAN)中，端点距离在步行或谈话之内，技术人员可在任意一端成功地使用经济性组合光万用表，一端使用稳定光源另一端使用光功率计。对长途网络系统，技术人员应该在每端装备完整的组合或集成光万用表。
当选择仪表时，温度或许是最严格的标准。现场便携式设备应在-18℃(无湿度控制)至50℃(95%湿度)
光时域反射仪(OTDR)及故障定位仪
(Fault Locator): 表现为光纤损耗与距离的函数。借助于OTDR，技术人员能够看到整个系统轮廓，识别并测量光纤的跨度、接续点和连接头。在诊断光纤故障的仪表中，OTDR是最经典的，也是最昂贵的仪表。与光功率计和光万用表的两端测试不同，OTDR仅通过光纤的一端就可测得光纤损耗。OTDR轨迹线给出系统衰减值的位置和大小，如：任何连接器、接续点、光纤异形、或光纤断点的位置及其损耗大小。
OTDR可被用于以下三个方面：
1、在敷设前了解光缆的特性(长度和衰减)。
2、得到一段光纤的信号轨迹线波形。
3、在问题增加和连接状况每况愈下时，定位严重故障点。
故障定位仪(Fault Locator)是OTDR的一个特殊版本，故障定位仪可以自动发现光纤故障所在，而不需OTDR的复杂操作步骤，其价格也只是OTDR的几分之一。
二．选择光纤测试仪表，一般需考虑以下四个方面的因素：即确定你的系统参数、工作环境、比较性能要素、仪表的维护
确定你的系统参数
工作波长(nm)三个主要的传输窗口为850nm，1300nm 及 1550nm。
光源种类(LED或激光)：在短距离应用中，由于经济实用的原因，大多数低速局域网LAN(100Mbs使用激光光源长距离传输信号。
光纤种类(单模/多模)以及芯/涂覆层直径(um)：标准单模光纤(SM)为9/125um，尽管某些其它特殊单模光纤应该仔细辨认。典型的多模光纤(MM)包括50/125、 62.5/125、100/140 和 200/230 um。
连接器种类：国内常见的连接器包括：FC-PC，FC-APC，SC-PC，SC-APC，ST等。最新的连接器则有：LC，MU，MT-RJ等
可能的最大链路损耗。
损耗估算/系统的容限。
明确你的工作环境
对用户/购买者来讲，选择一台野外现场用仪表，温度标准或许是最严格的。通常，野外现场测量必须在严峻的环境中使用，推荐现场便携式仪表的工作温度应该从-18℃~50℃，同时储运温度为-40~+60℃(95%RH)。实验室的仪器仅需在较窄的控制范围5~50℃工作。
不像实验室仪表能够采用交流供电，现场便携式仪表对仪表电源通常要求较为苛刻，否则会影响工作效率。另外，仪器的电源供电问题还经常是引起仪器故障或损坏的一个重要诱因。因此，用户应该考虑和权衡如下因素：
1、内装电池的位置应便于用户更换。
2、新电池或满充电池的最少工作时间要达到10小时(一个工作日)。然而电池工作寿命的目标值应在40~50小时(一周)以上，以确保技术人员和仪器的最佳工作效率。
3、使用电池的型号越普通越好，如通用9V或1.5V五号干电池等，因为这些通用电池非常容易就地找到或购得。
4、普通干电池优于可充电电池(如：铅-酸、镍镉电池)，因为充电电池大多存在“记忆”问题、包装不标准、不容易买到、环保问题等。
以前，要找到符合上述所有四个标准的便携式测试仪器几乎是不可能的。现在，采用最现代CMOS电路制造技术的艺术化光功率计，仅用一般五号干电池(随处可得)，即可工作100小时以上。另外一些实验室型号提供双电源(AC和内部电池)以增加其适应性。
如同手提电话一样，光纤测试仪表同样具有众多的外观包装形式。低于1.5公斤的手持式表一般没有许多虚饰，只提供基本功能和性能;半便携式仪表(大于1.5公斤)通常具备更复杂的或扩展的功能;实验室仪器是专为控制实验室/生产场合设计的，具备AC供电。
比较性能要素：这里是选择步骤的第三步，包括每种光测试设备的详细分析。
光功率计
对于任何光纤传输系统的生产制造、安装、运行和维护，光功率测量是必不可少的。在光纤领域，没有光功率计，任何工程、实验室、生产车间或电话维护设施都无法工作。例如：光功率计可用于测量激光光源和LED光源的输出功率;用于确认光纤链路的损耗估算;其中最重要的是，它是测试光学元器件(光纤、连接器、接续子、衰减器等)的性能指标的关键仪器。
针对用户的具体应用，要选择适合的光功率计，应该关注以下各点：
1、选择最优的探头类型和接口类型
2、评价校准精度和制造校准程序，与你的光纤和接头要求范围相匹配。
3、确定这些型号与你的测量范围分辨率相一致。
4、具备直接插入损耗测量的 dB功能。
几乎在光功率计所有性能中，光探头是最应仔细选择的部件。光探头是一个固态光电二极管，它从光纤网络中接收耦合光，并将之转换为电信号。可以使用专用的连接器接口(仅适用一种连接类型)输入到探头，或用通用接口UCI(使用螺扣连接)适配器。UCI能接受绝大多数工业标准连接器。基于选定波长的校准因子，光功率计电路将探头输出信号转换，把光功率读数以dBm方式显示(绝对dB等于1 mW, 0dBm=1mW)在屏幕上。图一是一个光功率计的方块图。
选择光功率计最重要的标准是使光探头类型与预期的工作波长范围相匹配。下表汇总了基本的选择。值得一提的是，在进行测量时，InGaAs在三个传输窗口都有上佳表现，与锗相比InGaAs具有在所有三个窗口更为平坦的频谱特性，在1550nm窗口有更高的测量精度，同时具有优越的温度稳定性和低噪声特性。
光功率测量是任何光纤传输系统的制造、安装、运行和维护中必不可少的部分。
下一个因素与校准精度息息相关。功率计是与你应用相一致的方式校准的吗?即：光纤和连接器的性能标准与你的系统要求相一致。应分析是什么原因导致用不同的连接适配器测量值不确定?充分考虑其它的潜在误差因素是很重要的，虽然NIST(美国国家标准技术研究所)建立了美国标准，但是来自不同生产厂家相似的光源、光探头类型、连接器的频谱是不确定的。
第三个步骤是确定符合你测量范围需求的光功率计型号。以dBm为单位表示，测量范围(量程)是全面的参数，包括确定输入信号的最小/最大范围(这样光功率计可以保证所有精度，线性度(BELLCORE 确定为+0.8dB)和分辨率(通常0.1 dB or 0.01 dB)是否满足应用要求。
光功率计的最重要选择标准是光探头类型与预期的工作范围相匹配。
第四，大多数光功率计具备dB 功能(相对功率)，直接读取光损耗在测量中非常实用。低成本的光功率计通常不提供此功能。没有dB功能，技术人员必须记下单独的参考值和测量值，然后计算其差值。所以dB功能给使用者以相对损耗测量，因而提高生产率，减少人工计算错误。
现在，用户对光功率计具有的基本特性和功能的选择已经减少，但是，部分用户要考虑特殊需求包括：计算机采集数据纪录、外部接口等。
稳定光源
在测量损耗过程中，稳定光源(SLS)发射已知功率和波长的光进入光系统。对特定波长光源(SLS)校准的光功率计/光探头，从光纤网络中接收光，将之转换为电信号。为确保损耗测量精度，尽可能使光源仿真所用传输设备特性：
1、波长相同，并采用相同的光源类型(LED，激光)。
2、在测量期间，输出功率和频谱的稳定性(时间和温度稳定性)。
3、提供相同的连接接口，并采用同类型光纤。
4、输出功率大小满足最坏情况下系统损耗的测量。
当传输系统需要单独稳定光源时，光源的最优选择应模拟系统光端机的特性和测量需求。选择光源应考虑如下方面：
激光管 (LD) 来自LD发射的光，波长带宽窄，几乎是单色光，即单波长。与LED相比，通过其光谱波段(小于5nm)的激光不是连续的，在中心波长的两边，还发射几个较低峰植的波长。与LED光源相比，虽然激光光源提供更大功率，但价格高于LED。激光管常用于损耗超过10dB的长途单模系统。应尽量避免用激光光源测量多模光纤。
发光二极管(LED)：
LED具有比LD 更宽的光谱，通常范围为50~200nm。另外，LED光是非干涉光，因而输出功率更加稳定。LED光源比LD光源要便宜的多，但对最坏情况损耗测量显得功率不足。LED光源典型应用在短距离网络和多模光纤的局域网LAN中。LED可以用于激光光源单模系统进行精确损耗测量，但前提条件是要求其输出足够功率。
光万用表
将光功率计和稳定光源组合在一起被称为光万用表。光万用表 用来测量光纤链路的光功率损耗。这些仪表可以是两个单独的仪表，也可以是单一的集成单元。总之，两类光万用表具有相同的测量精度。所不同的通常是成本和性能。集成光万用表通常功能成熟、具有各种性能但价格较高。
从技术的角度来评价各种光万用表配置，基本的光功率计和稳定光源标准仍然适用。注意选择正确的光源种类、工作波长、光功率计探头以及动态范围。
光时域反射仪和故障定位仪
OTDR是最经典的光纤仪器装备，它提供测试时相关光纤最多的信息。OTDR本身是一维的闭环光学雷达，测量仅需光纤的一个端头。发射高强度、窄的光脉冲进入光纤，同时高速光探头纪录返回信号。此仪器给出有关光链路的可视化解释。在OTDR曲线上反映出接续点、连接器和故障点的位置以及损耗大小。
OTDR评价过程与光万用表有许多相似点。事实上， OTDR 可以被认为是一个非常专业的测试仪表组合：由一个稳定高速脉冲源和一个高速光探头组成。OTDR的选择过程可关注下列属性：
1、确认工作波长，光纤类型和连接器接口。
2、预期连接损耗和需要扫描的范围。
3、空间分辨率。
故障定位仪大多是手持式仪器，适用于多模和单模光纤系统。利用 OTDR (光时域反射仪 ) 技术，用于对光纤故障的点定位，测试距离大多在20公里以内。仪器直接以数字显示至故障点的距离。适用于：广域网(WAN)、20 km范围的通讯系统、 光纤到路边(FTTC)、单模和多模光纤光缆的安装和维护、以及军用系统。在单模及多模光缆系统中，要定位带故障的连接头、坏的接续点，故障定位仪是一种优异的工具。故障定位仪操作简单，只需单键操作，可探测多达7个多重事件。
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