《光纤的基本特性及测试1讲义》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光纤的基本特性及测试1讲义（17页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第 七 章 光纤的基本特性及测试,内容提要,7.1光纤的传输损耗,7.2光纤的损耗的测量,7.4光纤脉冲展宽的测量,7.3光纤的色散和脉冲展宽,7.5光纤的偏振和双折射,7.6光纤的拍长和偏振模色散测量,前言,前言,光纤的基本特性,光纤几何参数： 1.纤芯、包层直径、不园度、偏芯率 2.数值孔径 3.折射率分布,光纤物理参数： 1.损耗 2.色散 3.偏振、双折射,光学几何参量测量: 1.数值孔径: 2.折射率分布: (一)反射法: P消除杂散光,(二)干涉法:,t:样品厚度。N:干涉条文数。,光纤的损耗和色散是宽带通信传输介质的 两个十分重要的特征参量。 损耗:限制传输距离。 色散:限制传输
2、带宽、中继距离。 偏振、双折射:对于光纤在宽带通信、传 感技术上的应用，以及光纤中非线性的研究具 有重要的意义。,7.1 光纤的传输损耗,产生损耗的原因主要是:,(1)材料的吸收损耗，包括纤芯和包层的物质吸收 (2)材料(或物质)散射，也包括纤芯和包层。 (3)波导散射，即交界面随机的畸变或粗糙所产生的散射。 (4)波导弯曲所产生的辐射损耗。 (5)外套损耗。,下面将逐项介绍,7.1.1 材料的吸收损耗,材料吸收所产生的损耗是重要的损耗。早期的水平是10004000dB/km ，发现几乎所有的损耗都是来源于材料吸收。材料吸收又有多种原因:,吸收,物质本征吸收,过渡族金属离子吸收,OH-离子吸收
3、,原子缺陷吸收,由原子跃迁(电子吸带)所产生:红外8-12um,紫外拖尾0.7-1.1um,铁,钻,铜,铬等吸收峰和吸收带也随它们的价状态不同而不同,在熔融石英玻璃里OH-的吸收带在0.72,0.95,1.4um. 0.51.0m范围里,由于加热过程:4价Ti-3价 由于强烈的辐射，玻璃材料会受激而产生原子的缺陷，产生损耗,7.1.2 物质的散射损耗,物质内部的散射，会减小传输功率，产生损耗。 本征散射：（物质散射中最重要的）它是使波导衰减不能太小的基本限制之一。 非线性散射：物质在强场作用下，也会诱发出对入射波的散射。(拉曼散射、布里渊散射),瑞利散射：密度不均匀或者内应力不均匀就引起折射率
4、不均匀，从而产生散射。这种不均匀度与波长相比是小尺寸的。瑞利散射与波长的四次方成反比。计算公式:,（7.1.1）,这里 代表衰减系数， 代表可压缩度，每单位力所产生的体积压缩；k是波尔兹曼常数；T是跃迁温度(K)；n是折射率,掺杂不均匀引起的散射：也属于物质的本征散射。 浓度的不均匀性的散射:所用的玻璃中有些含有几种氧化物，以改变折射率。而氧化物浓度的不均匀性或起伏，也会引起散射，产生损耗。 衰减的计算公式为:,（7.1.2）,浓度起伏的均方值,有起伏的体积,一般而言，折射率的起伏是未知的，所以因之而产生的损耗(或散射)是不能计算的。反过来，倒是可以利用散射损耗去得出折射率的起伏。,对于典型的
5、高硅玻璃，浓度不均匀的散射损耗约占总散射 损耗的25%。,7.1.3 波导散射损耗,1.由于拉制纤维时的不良性，造成纤维尺寸沿轴线起伏，如粗细不匀，截面形状变化等，这种不均匀性同样将引起光的散射。另外，纤芯和包层界面的不光滑、污染等，也将造成严重的散射损耗。,2.模式变换而产生了附加的损耗，这种附加的损耗就是波 导散射损耗。,很多人曾经推导了薄膜波导和圆柱波导的这种模式耦合效应，并举例作了计算。例如对薄膜波导，如果厚度为5m，折射率差=1%，交界面的偏离均方根值为0.9nm，每千 米将产生10dB的辐射损耗,7.1.4 光纤弯曲产生的辐射,光纤弯曲是一个复杂的理论问题，电磁波在弯曲部分传输时，
6、越靠外面的速度越大(即越小)，到一定地点，相速等于所在物质里的光速。衰减系数 。,图7.1.1 弯曲波导,（7.1.3）,式中 为弯曲产生的衰减系数C1，C2是常数，与曲率半径无关。衰减与曲率半径R的关系表现在指数函里。途中xR+xr的区域为阴影区，代表相速超过光速，成为辐射的区域。,仍以薄膜波导为例，假设厚度为1.18m，波长为0.63m，折射率之差0.001时(它用作单模传输，第二个模式在厚度41.18m时产生)，xr16，C1为104，C2为100；在R=18cm时，衰减为8.68dB/m。如果R增大一倍，则衰减将减exp(200)1/6.5107，使 完全可以忽略。 上面举的是薄膜波导
7、的例子，不是光纤的，而只是把它定性地解释为光纤的弯曲。对于光纤，一般认为曲率半径超过10cm，弯曲损耗可以忽略。大于0.001，容许的曲率半径可以减小，甚至可以小到1cm。,7.1.5 外套损耗,串话:纤芯里的波导和辐射波的电磁场都要进入到包层。在包层外圈，电磁场并没有消失，还要伸展到外面去，这就要与临近的光纤耦合。,为了避免串话，包层外面需要再套一层衰减大的套子，把进入套子的电磁场消灭掉。 这样，物质吸收损耗就有三部分，即纤芯里、包层里和外套里的损耗，它们各不相等。对每一个模式又不相同，这是由于功率分配不同的缘故。,如果某一模式(m，n)纤芯的衰减系数为 ，包层的为 ，则对于均匀波导，由它们两者引起的总衰减系数 为 :,（7.1.4）,式中 ， ， 为某模式(m，n)在 纤芯、包层中和总的功率流。,在前面仍然考虑包层是无穷的，功率一分为二，一部分在纤芯 里传输，另一部分在包层里传输。虽然实际上并非如此，但一般 在包层的边缘上电磁场已衰减到很小，所以这个近似还是可以的。,图7.1.2 光纤损耗与波长的关系,图7.1.2 示出光纤损耗与波长的关系。其损耗已接近理论极限，即使标准同轴电缆在2.5MHz时，损耗约为3.8dB/km。由此可见，光纤的损耗是相当低的，这就相应地延长了中继 距离。,
