全新无干扰在线光纤识别法

               Gang He，EXFO研发部高级光学研究员
               Daniel Gariépy，EXFO研发部光学研究员
               Francis Audet，EXFO光业务部高级产品经理
               Gregory W. Schinn，EXFO研发部首席技术官

在识别在线光纤或暗光纤时，最渴望获得的或者说最缺乏的功能之一是以无干扰的方式表示在线光纤中信号的特征或检测其信号；即不用断开光纤链路的任何部分，也不会因为增加插损而导致误码。

本文介绍 EXFO 全新无干扰在线光纤识别方法的原则。

传统的夹持式设备

传统夹持式设备不需要断开光路， 可以广泛配合光纤或光缆使用以 a) 检测是否存在信号（负载信号光纤检测）；b) 确定信号传播的方向；c) 粗略测量内置光功率，以及 d) 通过检测光信号上添加的低频音确定未标记的电缆。

夹持式设备主要采用一种固定弯曲结构引起宏弯曲（即弯曲半径比光纤直径大得多），这样，一小部分传播光会透过包层逸出 [1, 2, 3, 4]。相对于光纤芯中的总光量，这部分传播光称作插入损耗 (IL) 或弯曲损耗。由于大部分缓冲和护套材料对于电信应用中使用的近红外波长部分透明，因此可检测到部分光逸出。 

这种固定弯曲方法的不足之处是宏弯曲引起的 IL 过分依赖波长，例如在传播光的波长为 1310 nm 或 1550 nm 时，就无法最优化所引起的 IL 和灵敏度。一般来讲，会对弯曲半径进行选择，以使在 1310 nm 的损失微乎其微（例如 0.2 dB），并且在 1550 nm 的损失不算太高（例如 2 dB 到 3 dB）。在 1625 nm 时，损失几乎始终无法接受。但是，即便对于相同的波长和护套类型，指定的 IL 会由于光纤类型（例如 G.652、G.655 等）而存在很大差异，造成无法接受的信号中断风险。 

全新的夹持式设计 – 探索通用宏弯曲行为

我们最近开发了[5,6]一种用于光纤夹持式设备的全新方法，它所引起的插入损耗 (IL)非常小,且本质上独立于波长、光纤类型或护套和缓冲材料的。
此方法基于迄今都很难探究的所有单模光纤所共有的特性。即代表 IL 相对于宏弯曲半径 R（即 d(IL)/dR）的 IL 变化率曲线，在作为 IL 的函数制作图表时，任何单模光纤类型和波长本质上是相同的。

图 1 概念地显示了用于确认此行为的测量设置。


                   图 1. 夹持式原则示意图。

一根光纤（或光缆）固定在恰当的夹持装置中，并且控制光纤（或光缆）从 180 度的角度（即没有弯曲或 R = ∞）弯曲到大约 120 度，或直到 IL 超出限制。（注意，在实践当中，测量弯曲角度通常比测量弯曲半径更方便，尽管它们在有效交互长度保持近似恒定时直接相关。）加载到光纤中的光功率 (Pin)，以及通过宏弯曲到达光纤末端的光功率（这一距离通常较短，以便忽略固有光纤衰减）(Pout)，采用标准功率表来进行测量，作为宏弯曲角度的函数。此插入损耗定义为 IL (dB) = -10 log (Pout/Pin)。

图 2 显示了对于各种光纤和光缆类型并且在不同的波长，IL 与角度的函数曲线。观察表明，对于给定的 IL（例如 0.7 dB），所有曲线的斜率近似恒定。尽管根据光纤类型或其他类似因素，曲线中存在部分发散现象，但它们仍然表现出显著的类似相关性。（没有显示的是在 1610 nm 采集的数据，也表现出类似行为。）
 

图 2. IL (dB) 与各种光纤类型、护套和缓冲类型以及 1311 nm 和 1550 nm 波长的宏弯曲角度的对比。（抑制包层单模光纤 (DCSMF)；色散位移光纤 (DSF)。）此插入损耗通过直接测量作为角度函数的 Pout 和 Pin 来确定。

 
图 3. 导数 dPe/d? 与 IL 的对比。IL 通过使用检测器 D1 测量逸出功率 (对于图 2 中的每个数据点) 来确定，并针对直接测量的 IL 来绘图。

夹持式方法的主要原则之一是避免测量 Pin 和 Pout，因为这些参数在实际测量状况中通常无法使用。只有从光纤芯逸出的光 (Pe) 或其一小部分可用于测量。 

IL 和从光纤芯逸出的功率 Pe 之间存在良好的既定关系，而 Pe = Pin – Pout 获得。Pe 和 Pin 以 dBm 单位表示，IL 以 dB 表示，
Pe = EF + Pin
其中
EF = 10*log (1-10(-IL/10))。

通过测量作为宏弯曲角度函数的 Pe，可绘制 dPesub>/d? 相对于 IL 的图表并获得一系列曲线，如图 3 所示。这些曲线对应于图 2 中拟合数据的导数（w.r.t. 弯曲角度），代表在 1310 nm 和 1550 nm 都有不同光纤类型和护套类型的选定光纤。这些曲线对于不同的光纤、护套和电缆类型十分近似，这就是全新夹持式设计中探究的一种通用行为。例如，要维护 0.7 ± 0.2 dB（稍高于非标准光纤）的恒定 IL，可设置相应的宏弯曲角度，例如 dPe/d? = 0.9 dB/deg。

图 4 说明了近期发布的基于此原则的 EXFO 产品的光机械元件[7]。一种由线性促动器驱动的弯曲机制将宏弯曲应用到护套或电缆光纤（未显示）。由一种夹持机制将光纤保持在相对于两个检测器（每个分别检测东西方向的传播）最佳的位置。

设备固有重复性指标在检测期间测定：九个原型单位至少夹持五次，G.652 光纤的每个方向均采用四种不同的护套类型，在 1550 nm 一共测量 379 次。对于总体平均损耗 0.53 dB 而言，引起的 IL 偏差的标准偏差为 0.08。 

 
                                                图 4. 夹持设备使用此方法进行光机械夹持。

光纤识别应用

无干扰夹持设备最适合光纤识别应用。例如在许多中心办公室，整栋建筑中到处都是光缆（通常直径为 1.6 mm 和 3 mm），通常杂乱无章，并且光纤标签不充分。

第一种情况，用户希望识别给定暗光纤的另一端，包括低频音（例如 270 Hz）调制光源的测试源会首先加载到上行端。因此，在相信会找到光缆下游端的另一个建筑部分，无干扰夹持设备可顺序检测所有相邻光缆，直到检测到声音并由此确定该光缆。因为任何光纤里的任何波长所引入的插损非常小，所以携带重要信息流的线路不会受到任何干扰。

第二种情况，希望识别并标记例如携带 20 条不同信息流的光缆中的每一根，不能断开上行端，因为它通常携带着重要的信息流。此外，使用特别改装的夹持设备或其他机械调制器在光缆的上行端应用非常低频率（例如 11 Hz）的不同宏弯曲，这样可以在同一光缆的下行端光学检测到非常低频率的 IL 调制，约为 0.2 dB[8]。此时，夹持设备接收器和宏弯调制发送器没有分别为线路带来大的 IL 非常重要，因为，施加给链路的总 IL 将是两个单独 IL 值的总和。EXFO 最近已经推出了这种无干扰方式低频率调制[9]的夹持设备。


 
LFD-300/TG-300 FiberFinder—负载信号光纤识别仪/音频发生器

本文描述的全新非入侵式夹持方法为无法外中断实时信息流的中心办公室等环境中的光纤测量提供多种可行的方法。其中最特别的一种是夹持设备在光纤识别应用中可用作下行检测器，而低损耗的宏弯调制发送器用于上行调制器。

参考文献
[1] Campbell, B.D. 等，Signal coupler for buffered optical fibers（带缓冲器光纤的信号耦合器），美国专利 4,586,783，1986 年 5 月 6 日发行。
[2] James, S.M.，Non-intrusive optical fibre identification using a high-efficiency macrobending `clip-on‘ optical component（采用高效宏弯曲夹持光学元件的无干扰光纤识别），Elec. Lett. 24，1221-22 (1988)。
[3] Cox, Larry R.，Fiber identifier（光纤识别仪），欧洲专利 EP 0639762B1，1995 年 2 月 22 日发行。
[4] So, Vincent C. 等，Test instrument for an optical fiber（光纤测试仪器），美国专利 4,671,653，1987 年 6 月 9 日发行。
[5] Gariépy, D. 和 G. He，Method and apparatus for extracting light from an optical waveguide（从光波导提取光的方法和设备），PCT 专利应用 WO/2006/092051，2006 年 9 月 8 日出版。
[6] Chen, H.、D. Gariepy、G. He、J. Theberge 和 G.W. Schinn，Technical Digest（技术摘要）：SOFM2006，Boulder，CO，2006 年 9 月 19 – 20 日 (NIST Special Publication 1055)；pp.26-29。
[7] EXFO 夹持设备，型号 LFD-250 和 LFD-300。
[8] Frigo, N. 等，Method, apparatus and system for minimally intrusive fiber identification（干扰最少的光纤识别方法、设备和系统），PCT 专利应用 WO/2005/020478，2005 年 3 月 3 日出版。
[9] EXFO FiberFinder™ 发送器型号 TG-300，配合相应的接收器型号 LFD-300 使用。