光纖彎曲輻射功率損耗檢測系統(tǒng)的設計

1光纖在線檢測技術光纖通信技術的快速發(fā)展增加了對光纖檢驗設備的需求。在施工、調(diào)試、檢測和維護中，需要許多高效、經(jīng)濟、操作簡單的光纖檢測設備。光纖對線器就是為了滿足市場需求而研制的光纖在線檢測工具,可在電信機房、各設備和光纖集線器之間等連接器的兩端,在不中斷正常通信的情況下,利用光纖對線器從眾多的光纖或光纜中檢測出同一根光纖。光纖對線器是基于光纖彎曲損耗效應,即光纖在彎曲時會將部分傳導模轉(zhuǎn)變成輻射模向外輻射,該輻射出的能量即為光纖彎曲損耗的能量,可通過高靈敏光器件檢測出該輻射損耗。如果人為地在同根光纖上再施加彎曲,會引起該根光纖的輻射強度的變化,這樣就可以將同一根光纖檢測出來。2光纖彎曲損耗檢測如圖1所示,光纖對線器由兩部分組成,主機和干擾夾持器。主機夾持于需要對線的光纖一端,檢測光纖的輻射損耗,干擾夾持器夾持在光纖的另一端,人為加入彎曲損耗,使主機檢測到由夾持器引起的光纖輻射損耗強度的變化,則夾持器和主機所夾持的光纖為同一根,這樣就可以在不中斷光纖通信的情況下將同一根光纖的兩端判別出來。光纖對線器設計要求主機和夾持器產(chǎn)生的光纖彎曲損耗不能影響光纖的正常通信,同時又要兼顧光電檢測器的靈敏度。為此需要根據(jù)光纖彎曲損耗原理選擇合適的光纖彎曲半徑和光電檢測器。2.1光纖第一、分類及光纖傳輸數(shù)量na的計算光纖中允許傳播的電磁場的基本形態(tài)稱為模式。根據(jù)模式能否在纖芯中傳導又可分為傳導模和輻射模。模式都有其本身的歸一化截止頻率,它表述了各模式的截止條件,歸一化截止頻率用VC表示。將實際光纖的歸一化頻率V與該模式的歸一化截止頻率VC相比較,若V大于或等于某一模式的VC,那么該模式就能在光纖中導行,否則該模式就截止。光纖的歸一化截止頻率V是一個直接與光的頻率成正比的無量綱的量,它決定于光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)(纖芯的半徑a,纖芯和包層的折射率n1和n2)、空間波數(shù)k=kon(k0=2π/λ)為平面波在自由空間的波數(shù),n為介質(zhì)的折射率)及光纖數(shù)值孔徑NA,其表達式為:光纖的數(shù)值孔徑NA是反映光纖集光性能的主要參數(shù)。NA越大,光纖集光能力越強。平直光纖的數(shù)值孔徑為:彎曲光纖的數(shù)值孔徑為:光纖的數(shù)值孔徑隨著光纖彎曲半徑的增加而減小。光纖中所能傳播的模式總數(shù)N為:式中:g為折射率分布指數(shù),Δ為相對折射率。因為光功率分布于各個模式之中,所以光纖的傳輸光功率損耗是與傳導模式數(shù)量有著密切聯(lián)系的。光纖彎曲后,光纖數(shù)值孔徑的減小,光纖中傳播的各個模式將發(fā)生相互作用,低次模在彎曲光纖中傳播時要轉(zhuǎn)換成高次模,而低次模具有較低的VC,高次模具有較高的VC;光纖歸一化頻率V減小將首先使高次模的導行條件被破壞,即高次模截止,從而使光纖中傳播模式總數(shù)減小,高次模式輻射到包層外面的空間中,造成光功率的損耗,產(chǎn)生了相應彎曲輻射損耗。2.2彎曲損耗系數(shù)光纖彎曲損耗用損耗系數(shù)α衡量。根據(jù)分析,光纖的彎曲半徑R和彎曲損耗系數(shù)αc關系如下:式中:其中,Δn是纖芯一包層的折射率差;u和W分別為徑向歸一化相位常數(shù)。式(5)表明光纖彎曲損耗隨著彎曲半徑減小而增大。2.3能量輻射的均勻性利用天線模型對光纖的彎曲輻射功率進行理論推導和仿真,即將光纖與其模式場作為一個不計厚度的載流天線,可得出彎曲光纖中等效電流是光纖。(軸)向電流偶極子的連續(xù)分布,z向偶極子的遠場輻射在偶極子成90°的方向上最強。彎曲光纖的場分布主要集中于光纖彎曲平面附近,在遠離彎曲平面處的電磁場幾乎為零。用光電檢測器檢測輻射損耗,在傳感器面積較小的情況下,其靈敏度隨著面積的增大而提高,當面積大于一定值后,檢測到的輻射損耗趨于恒定?？紤]光纖傳輸方向的不確定性,需要使用兩個光電檢測器,以確定光纖內(nèi)部光的傳輸方向。2.4波長波長的影響在以上的理論分析基礎上,通過以下實驗測量光纖的插入損耗與光纖彎曲半徑的關系。實驗示意圖如圖2所示,分別對不同線徑的光纖輸入不同波長的光信號,通過光功率計測量不同彎曲半徑時的插入功率損耗。在250的光纖中,波長1310nm和1550nm的光信號時測得一組數(shù)據(jù)如表1所示。該數(shù)據(jù)與理論分析結(jié)果基本接近。結(jié)合所選擇的光電檢測器,選擇光纖彎曲半徑為6.5～7.5mm,可以滿足系統(tǒng)要求。3用光纖線裝置設計光纖對線器由兩部分組成:測量光纖彎曲輻射強度變化的主機和產(chǎn)生彎曲輻射強度變化的干擾夾持器。3.1光電檢測系統(tǒng)主機設計主要包括機械結(jié)構(gòu)和電路兩方面。機械部分的功能主要是讓被測光纖產(chǎn)生所需的彎曲,增大光纖彎曲輻射強度;固定光電檢測器與彎曲光纖的檢測角度,使光電傳感器有較高的檢測靈敏度。電路部分主要是光電轉(zhuǎn)換、嵌入式系統(tǒng)和無線模塊。光電轉(zhuǎn)換電路通過光檢測器將入射光信號轉(zhuǎn)化為電流信號,以光子一電子的量子轉(zhuǎn)換形式完成光的檢測。在給定波長的光照射下,光電檢測器的輸出平均電流與入射光平均值之比稱為響應率或響應度,其單位為A/W或uA/uW。各種不同材料制成的光檢測器對各種波長的響應度不一樣,硅材料制成光檢測器適合于短波長光的檢測,而鍺和銦鎵砷(InGaAs)材料的光檢測器在長波長光的響應度好。目前,通信用的光波長多為1550nm和1330nm,系統(tǒng)采用兩個由InGaAsPIN光電二極管組成的面積為3×4mm2光電檢測器。光電檢測器實際平面夾角為169°。光纖對線器的使用采用手持方式,嵌入式系統(tǒng)作為對線器的核心,滿足體積小、處理速度快、響應時間短、功耗低的要求。圖3為主機的系統(tǒng)原理框圖,MCU采用PHILIPS公司的P87LPC764單片機。3.2腳qfn封裝光纖的兩端往往會相距較遠或在不同房間,對于單人操作而言,采用無線連接方式是必要的。無線模塊采用挪威NordicVLSI公司的單片射頻收發(fā)器nRF905,工作電壓為1.9～3.6V,32引腳QFN封裝(5×5mm),工作于433MHz工業(yè)頻道。nRF905片內(nèi)集成了電源管理、晶體振蕩器、低噪聲放大器、頻率合成器功率放大器等模塊,曼徹斯特編碼/解碼由片內(nèi)硬件完成,無需用戶對數(shù)據(jù)進行曼徹斯特編碼,不需外加聲表濾波器,ShockBurstTM工作模式,自動處理字頭和CRC(循環(huán)冗余碼校驗),使用SPI接口與微控制器通信,配置非常方便。此外,其功耗非常低,以-10dBm的輸出功率發(fā)射時電流只有11mA,工作于接收模式時的電流為12.5mA,接收靈敏度-100dbm。內(nèi)建空閑模式與關機模式,易于實現(xiàn)節(jié)能?？諘缣巶鬏斔俾蕿?00kbps,通訊距離大于500m。3.3主機的機械結(jié)構(gòu)干擾夾持器用于產(chǎn)生插入損耗,主要是機械結(jié)構(gòu)的設計,參考主機的機械結(jié)構(gòu),要求插入損耗不影響光纖的正常通信同時又能滿足主機檢測靈敏度的要求,結(jié)構(gòu)小巧、便于操作。若無線接收器固定在夾持器上,則需在夾持器上