GB/T 33779.3-2021 光纤特性测试导则 第3部分：有效面积(Aeff)

　　ICS 33 . 180 . 10 M 33

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 33779 . 3—2021

　　光纤特性测试导则

　　第 3 部分：有效面积(Aeff)

　　Guidanceforspecialcharacteristicofopticalfibre—

　　part3：Effectivearea(Aeff)

　　2021-04-30 发布 2021-08-01 实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　发

　　布

　　GB/T 33779 . 3—202 1

　　GB/T 33779 . 3—202 1

　　前 言

　　GB/T 33779《光纤特性测试导则》分为以下部分：

　　— 第 1 部分：衰减均匀性;

　　— 第 2 部分：OTDR后向散射曲线解析;

　　— 第 3 部分：有效面积(Aeff ) 。

　　本部分为 GB/T 33779 的第 3 部分。

　　本部分按照 GB/T 1 . 1—2009 给出的规则起草。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利。 本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。

　　本部分由中华人民共和国工业和信息化部提出。

　　本部分由全国通信标准化技术委员会(SAC/TC 485)归口 。

　　本部分起草单位：武汉烽火科技集团有限公司、中讯邮电咨询设计院有限公司、长飞光纤光缆股份有限公司、江苏省邮电规划设计院有限责任公司、中国信息通信研究院、江苏亨通光纤科技有限公司。

　　本部分主要起草人：刘骋、贺永涛、祁庆庆、李婧、杨红伟、刘泰、陈伟、王珩、喻煌。

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　　光纤特性测试导则

　　第 3 部分：有效面积(Aeff)

　　1 范围

　　GB/T 33779 的本部分规定了单模光纤有效面积(Aeff ) 的基准测试方法( RTM) 和替代测试方法，规定了测试装置、样品和样品制备、测试程序、计算方法和结果等。

　　本部分适用于 GB/T 9771(所有部分)中规定的 B类单模光纤。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件对于本文件的应用是必不可少的。 凡是注 日期的引用文件，仅注 日期的版本适用于本文件 。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GB/T 9771(所有部分) 通信用单模光纤

　　3 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　有效面积 effectivearea

　　Aeff

　　一个与光纤非线性紧密相关的参数，它会影响光纤系统的传输质量，特别是在长距离光放大系统中的传输质量，有效面积 Aeff 可以用式( 1 ) 定义：

　　A …………………………( 1 )

　　式中：

　　I(r)—光纤在半径 r 处基模的近场场强分布。

　　注 1 ：I(r)在整个光纤横截面上进行积分。

　　注 2 ：对于单模光纤，有效面积(Aeff ) 与模场直径( MFD) 之间的关系可参见附录 A。

　　3.2

　　非线性系数 non-linearcoefficient

　　对于特别强的光场，光纤的折射率与光纤中光的强度有关，表示为式(2) 。在高功率密度系统应用时，光纤非线性会导致系统性能劣化。 非线性系数定义为 n2/Aeff 。

　　n=n0 + n2 I …………………………( 2 )

　　式中：

　　n —折射率;

　　n0 —折射率的线性部分;

　　n2 —非线性折射率系数;

　　I —光纤内光强度。

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　　注：非线性系数是评估这种劣化的一个重要参数。

　　4 缩略语

　　下列缩略语适用于本文件。

　　DFFS：直接远场扫描(Direct Far-field Scan)

　　FFP：远场功率(Far-field Power)

　　FWHM：半幅全宽(Full Width at Half Maximum)

　　GBIP：通用接口总线(General-Purpose Interface Bus)

　　MFD：模场直径(Mode Field Diameter)

　　NA：数值孔径(Numerical Aperture)

　　NFP：近场功率(Near-field Power)

　　NFS：近场扫描(Near-field Scan)

　　RTM：基准测试方法(Reference Test Method)

　　VA：可变孔径(Variable Aperture)

　　WDM：波分复用(Wavelength Division Multiplexing)

　　5 测试方法

　　测试单模光纤的有效面积有三种方法：

　　— 方法 A：直接远场扫描法(RTM) ;

　　— 方法 B：远场可变孔径法;

　　— 方法 C：近场扫描法。

　　三种方法的要求分别见附录 B、附录 C 和附录 D,不同测试方法之间的数学变换关系如图 1 所示。

　　图 1 三种测试方法之间的数学变换关系

　　6 测试装置

　　6 . 1 概述

　　6 . 2~6 . 8 对测试装置的要求为有效面积的三种测试方法所共有，在附录 B、附录 C、附录 D 中还分别给出了对每一种测试方法的特定要求。

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　　6 . 2 光源

　　在完成测试过程的时间内，光源位置、强度和波长应保持稳定。 光源的光谱特性应选择消除多模传播，光源谱线的半幅全宽(FWHM)应不大于 10 nm。

　　6 . 3 调制

　　通常通过对光源的调制来提高接收器的信噪比。 如果采用这种方法，光检测器可连接到与光源调制频率同步的信号处理系统上。

　　6 . 4 光学注入系统

　　光学注入装置应足以激励基模，可采用尾纤或光学透镜系统来激励被测光纤，注意滤除掉高阶模，必要时可在光纤尾端打一个半径合适的圈或加入其它类型的滤模器来滤除高阶模。

　　6 . 5 包层模剥除器

　　为了从被测光纤中剥除包层模，应采用包层模剥除器。 大多数情况下，光纤涂层折射率等于或大于光纤包层折射率时，光纤涂层就可起到包层模剥除器的作用。

　　6 . 6 检测器

　　应采用合适的扫描检测器，检测器在接收光强范围内应是线性的。

　　6 . 7 放大器

　　应采用合适的放大器来增加信号电平。

　　6 . 8 数据采集

　　应使用一台计算机来执行仪表控制操作，以记录测试数据，并进行数据处理以获得最终结果。

　　7 样品

　　7 . 1 样品长度

　　样品应是长度为(2±0 . 2)m 的单模光纤。

　　对于部分 B6 类单模光纤，可在被测样品上打若干小半径的圈或者采用更长的样品长度(例如22 m)来滤除高阶模。

　　7 . 2 样品端面

　　样品的输入端面和输出端面应平整、光滑，输出端面与光纤轴应有良好的垂直度。

　　8 测试程序

　　8 . 1 设备校准

　　为了校准设备，应通过扫描一段已知的样品来测试光学放大装置的放大倍数，并记录这个放大倍数。

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　　8 . 2 测试细节

　　分别见附录 B、附录 C 和附录 D 中的方法。

　　9 计算方法

　　分别见附录 B、附录 C 和附录 D 中的方法。

　　10 结果

　　10 . 1 测试结果报告应包括下列内容：

　　— 测试名称;

　　— 样品识别号;

　　— 光源波长;

　　— 被测光纤类型;

　　— 测试结果;

　　— 环境温度和相对湿度;

　　— 测试日期和操作人员。

　　10 . 2 报告中也可包括下列内容：

　　— 所用测试方法;

　　— 光源类型和 FWHM谱宽;

　　— 仪器型号说明;

　　— 计算技术细节;

　　— 测试装置最近校准日期。

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　　附 录 A

　　(资料性附录)

　　单模光纤的有效面积与模场直径之间的关系

　　A.1 概述

　　本附录给出了几种常规单模光纤的有效面积(Aeff ) 与模场直径( MFD) 之间的关系。

　　A.2 Aeff与 MFD之间的关系

　　对于式(A. 1)中 I(r)，如果用高斯分布进行近似描述，得式(A. 1) :

　　I(r)=exp(- 2r2 /∞2 ) …………………………( A.1 )

　　式中：

　　∞—模场半径。

　　于是式(1)能被解析积分，得到式(A. 2) :

　　Aeff = π∞2 …………………………( A.2 )

　　对于 B1 . 1 或 B1 . 3 和 B1 . 2 阶跃型折射率光纤，当波长接近截止波长时，高斯近似是精确的。 但在远离截止波长的较长波长处，Aeff 不能从式( A. 2 ) 精确地估算。

　　此外，对于 B2 色散位移光纤，Aeff也不能从式( A. 2 ) 精确地估算。

　　一般情况下，Aeff 和 ∞ 之间的经验关系式为式(A. 3) :

　　Aeff =kπ∞2 …………………………( A.3 )

　　式中：

　　k—修正因子。

　　A.3 修正因子 k

　　采用可变孔径法测试模场直径(MFD),然后，利用汉克尔反变换，从输出光功率 P(r)的远场功率(FFP)计算出近场功率(NFP) 。 最后利用式(1)从 NFP 中计算得出 Aeff 。

　　修正因子 k 取决于波长和光纤参数，例如折射率剖面、MFD 和零色散波长。 图 A. 1 示出 B1 . 1 或B1.3 和 B2 光纤在 1 200 nm~1 600 nm 波长区内实测的 MFD 和 Aeff 与波长 λ 之间的关系。图 A.2 给出 B1 . 1 或 B1 . 3、B2 和 B1 . 2 光纤在这同样波长区内计算的和实测的 MFD、Aeff 和修正因子 k 与波长λ之间的关系。

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　　图 A.1 B1 . 1 或 B1 . 3 和 B2 光纤的 Aeff和 MFD 实测值与波长 λ 的关系

　　图 A.2 B1 . 1 或 B1 . 3、B2 和 B1 . 2 光纤的修正因子 k 计算的和实测值与波长λ 的关系

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　　B1 . 1 或 B1 . 3、B2 和 B1 . 2 单模光纤例子的修正因子 k 的范围见表 A. 1 。

　　表 A.1 基于图 A.2 中例子的 B1 . 1 或 B1 . 3、B2 和 B1 . 2 光纤的 Aeff和 MFD 的修正因子 k

　　对于为海底光缆和 WDM 系统应用而开发的其它光纤设计结构而言，Aeff 与 w 的关系可能不同，宜

　　采用式(1)来确定。图 A. 3 给出了 B2 光纤(DSF) 和 B4 光纤(NZ-DSF) 在 WDM 应用的 1 520 nm~ 1 580 nm 波长区内的 Aeff 和波长之间的关系。

　　图 A.3 B2 和 B4 光纤的 Aeff实测值与波长 λ 的关系

　　对于 B2 光纤而言，得到 k 的平均值和标准偏差为 0 . 953±0 . 005,对于 B4 光纤而言，得到 k 的平均值和标准偏差为 1.09±0.070。

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　　附 录 B

　　(规范性附录)

　　方法 A— 直接远场扫描法

　　B.1 概述

　　本附录规定了直接远场扫描(DFFS)法测试单模光纤 Aeff 的具体要求。

　　B.2 测试装置

　　B.2 . 1 测试装置框图

　　直接远场扫描法用测试装置示意图见图 B. 1 。

　　图 B.1 直接远场扫描(DFFS)的典型装置

　　B.2 . 2 扫描设备

　　采用对远场光强分布进行扫描的机械装置，光检测器光敏面和光纤输出端面的距离应大于 40wb/ λ(2w 是被测光纤的预期模场直径，b是光检测器的光敏面直径，λ 是波长)，或者它们之间的距离至少有 10 mm, 以保证光检测器光敏面在远场覆盖的角度不太大。

　　精确测试时要求测量仪表的最小动态范围应为 50 dB。 对 B1 . 1 、B1 . 3 光纤，相应的最大扫描半角应不小于 20°,对 B2 光纤，相应的最大扫描半角应不小于 25°。

　　如果对 B1 . 1 、B1 . 3 光纤，将上述数值分别限制在 30 dB、12 . 5°,对 B2 光纤，将上述数值分别限制在40 dB、20°时，确定模场直径时就可能导致大于 1%的相对误差。

　　对 B1 . 2 光纤，可参考 B1 . 1 、B1 . 3 光纤的要求。

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　　B.3 计算方法

　　B.3 . 1 叠合远场辐射功率数据

　　设 P(θi)作为下标 i 的角位置θi(rad) 函数的实测功率。 叠合的功率曲线 Pf (θi)见式(B. 1),其中0≤θi≤θmax 。

　　Pf

　　B.3 . 2 计算近场光强图

　　利用适当的数值积分方法来计算式(B. 1)的积分。 例如使用式(B. 2),采用其它积分方法时计算精度不得低于该方法。

　　I 2 ………………

　　式中：

　　△θ= θ1 - θ0 ;

　　J0 —零阶贝塞尔函数。

　　计算半径 rj 值从零到一个足够大数值范围的近场值，在这个最大半径上计算得到的光强小于最大

　　光强的 0 . 01% 。

　　B.3 . 3 计算积分项

　　利用适当的数值积分方法来计算式(B. 2)结果的积分。 例如使用式(B. 3) 和式(B. 4) 计算，采用其它积分方法时计算精度不得低于该方法。

　　T …………………………( B.3 )

　　m

　　B I2 rj△r …………………………( B.4 )

　　式中：

　　△r=r1 -r0 ;

　　m—实测位置的数目。

　　B.3 . 4 计算结果

　　根据有效面积 Aeff 的定义，可得到式( B. 5 ) :

　　A …………………………( B.5 )

　　测试远场功率(FFP)数据的一个例子参见图 B. 2 。

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　　图 B.2 测试 FFP数据的例子

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　　附 录 C

　　(规范性附录)

　　方法 B— 远场可变孔径法

　　C.1 概述

　　本附录规定了远场可变孔径(VA)法测试单模光纤 Aeff 的具体要求。

　　C.2 测试装置

　　C.2 . 1 测试装置框图

　　远场可变孔径法用测试装置示意图见图 C. 1 。

　　图 C.1 远场可变孔径法装置的典型装置

　　C.2 . 2 孔径装置

　　宜采用一台至少 12 个孔的机械装置，这些孔的半角数值孔径范围从 0 . 02~0 . 25(B2 光纤为 0 . 4) 。把透过孔的光收集起来，聚焦在检测器上。

　　聚光装置的 NA应足够大，不得影响测试结果。

　　C.2 . 3 输出远场可变孔径装置

　　应把一个包含不同尺寸的透光圆孔的装置(例如一个带孔的轮盘)放在距光纤端距离 D 的地方(D至少为 100w2 /λ),它用来改变从光纤输出场图收集到的光功率。 通常采用 12 个 ~20 个孔，并放在距离光纤端 20 mm~50 mm 的地方。 测试装置的最大数值孔径应不小于 0 . 4 。应采取措施使孔相对于场

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　　图对中，以减少对光纤的端面角的敏感性。

　　作为装置准备的一个环节，如图 C. 2 所示，要仔细测试和记录光纤输出端位置和圆孔平面之间的距离 D 和每个孔径的直径 xi。确定轮盘内的每个孔径所对的半角，并记录这些θi 值(依孔的尺寸增加的次序，i=1~n)，以供计算用。 这些值与测试波长无关。

　　图 C.2 孔径设备装置

　　C.3 计算方法

　　远场可变孔径(VA)法测试通过如图 C. 2 所示的一个给定孔径所对光纤处的远场角 θ 的归一化总功率f(θ) 。这些功率值等于归一化远场功率分布 F2 (θ) 的积分。 它用式(C. 1)表示。

　　θ

　　fF2 …………………………( C.1 )

　　透过孔径的归一化光功率和角 θ 的函数曲线见图 C. 3 。

　　图 C.3 实测的 VA数据曲线图

　　由式(C. 2)中给出的四次函数拟合到远场孔径数据：

　　f(θ) = Aθ4 + Bθ3 + Cθ2 + Dθ1 + E …………………………( C.2 )

　　有效面积 Aeff 由近场功率分布 I(r)计算得到，计算细节如下：

　　a) 对积分功率数据 f(θ)求导，得到远场功率分布 F2 (θ) :

　　F …………………………( C.3 )

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　　FFP分布曲线见图 C. 4 。

　　图 C.4 FFP分布曲线

　　b ) 利用式(C. 4)的汉克尔反变换，可以从远场光功率分布 F2 (θ)计算作为半径 r 的函数的近场光功率分布 I(r)。

　　I

　　近场分布 I(r)相对于 r 的曲线见图 C. 5 。

　　图 C.5 NFP分布曲线

　　c) 有效面积 Aeff 可以用近场分布 I(r)和式(C. 5)计算得到。

　　A

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　　附 录 D

　　(规范性附录)

　　方法 C—近场扫描法

　　D.1 概述

　　本附录规定了近场扫描(NFS)法测试单模光纤 Aeff 的具体要求。

　　D.2 测试装置

　　D.2 . 1 测试装置框图

　　近场扫描法用测试装置示意图见图 D. 1 。

　　图 D.1 近场扫描法的测试框图

　　D.2 . 2 扫描设备

　　采用对近场光强分布进行扫描的机械装置，光检测器光敏面和光纤输出端面的距离应大于 40wb/ λ(2w 是被测光纤的预期模场直径，b是光检测器的光敏面直径，λ 是波长)或者它们之间的距离至少有10 mm, 以保证光检测器光敏面在远场覆盖的角度不太大。

　　精确测试时要求测量仪器的最小动态范围应为 50 dB。 对 B1 . 1 、B1 . 3 光纤，最大扫描半角应不小于20°,对 B2 光纤，最大扫描半角应不小于 25°。

　　对 B1 . 1 、B1 . 3 光纤，将测量仪器的最小动态范围和最大扫描半角分别限制在 30 dB、12 . 5°;对 B2 光纤，将测量仪器的最小动态范围和最大扫描半角数值分别限制在 40 dB、20°时，确定模场直径时就可能导致大于 1%的相对误差。

　　对 B1 . 2 光纤，可参考 B1 . 1 、B1 . 3 光纤的要求。

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　　D.3 计算方法

　　D.3 . 1 计算形中心

　　对于一个给定的近场功率(NFP)横截面，在其最大范围内，以 r 定义位置值，I(ri)表示光强度，其形中心的定义如式(D. 1) :

　　r …………………………( D.1 )

　　D.3 . 2 叠合近场功率分布

　　在位置 rc 上下重新标注位置和光强，使其上面的位置具有大于零的下标值，下面的位置具有小于零的下标。 最大下标给定为 n。叠合近场功率见式(D. 2) :

　　If(ri)={I(ri)+I(r-i)｝/2 …………………………( D.2 )

　　D.3 . 3 计算积分项

　　利用适当的数值积分方法来对式(D. 2)的结果积分，例如采用式(D. 3)和式(D. 4)描述的方法。 当采用其它积分方法时，计算精度不得低于该方法。

　　T …………………………( D.3 )

　　m

　　B I2 rjΔr …………………………( D.4 )

　　式中：

　　Δr=r1 -r0 。

　　D.3 . 4 计算结果

　　根据有效面积 Aeff 的定义，可得到式( D. 5 ) :

　　A …………………………( D.5 )

　　计算的近场功率(NFP)的结果见图 C. 5 。