光电子实验讲义word版

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1、1 / 80 实验一实验一 单模光纤的色散和损耗特性的测量单模光纤的色散和损耗特性的测量 1966 年，英籍华裔科学家高锟（C. K. Kao）和其合作者霍克哈姆（C. A. Hockham） 发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤（Optical Fiber）进行信息传输的可 能性和技术途径，奠定了现代光纤通信的基础。1976 年美国亚特兰大进行了光纤通信现场 实验，标志着光纤通信从基础研究发展到商业应用的新阶段。此后，光纤通信技术不断创 新：光纤从多模发展到单模，工作波长从 0.85m 发展到 1.31m 和 1.55m，传输速率 从几十 Mb/s 发展到现在的几十 Gb/s。另外

2、一方面，随着技术的进步和大规模产业的形成， 光纤价格不断下降，应用范围日益扩大：从初期的市话局间中继到长途干线进一步延伸到 用户接入网，从数字电话到有线电视（CATV） ，从单一类型信息的传输到多钟业务的传输。 目前光纤已经成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统已经日渐成为许多国家信息基 础设施的支柱。 光信号经光纤传输后要产生损耗和畸变（失真） ，因而使得输出信号和输入信号不同。 对于脉冲信号，不仅幅度要减小，而且波形要展宽。产生信号畸变的主要原因就是光纤中 存在色散和损耗。色散限制系统的传输容量，损耗则限制系统的传输距离。本实验讨论光 纤的色散和损耗特性并对单模光纤的色散和损耗进行测试。

3、 实验目的实验目的 1.理解光纤色散的概念； 2.理解光纤损耗的概念； 3.了解并掌握相移法测量单模光纤色散的方法； 4.了解并掌握插入法测量光纤损耗这一常用方法。 5.通过本实验，对光纤通信有一定的了解。 实验仪器实验仪器 三波长光纤光源（1313、1535、1555nm ） ，光纤色散测试仪，光功率计，融锥型 WDM 波分复用器，法兰盘，光纤跳线，待测光纤等。 实验原理实验原理 一、光纤的色散一、光纤的色散 1 1色散概述色散概述 色散（Dispersion）是光纤最重要的传输特性之一。色散是在光纤中传输的光信号由 于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。色散一般包括模式色散、材

4、料色 散和波导色散。模式色散又称模间色散，只存在于多模光纤中，它是由于不同模式的时间 2 / 80 延迟不同而产生的，每一种模式到达光纤终端的时间先后不同，造成了脉冲的展宽，从而 出现色散现象，它取决于光纤的折射率分布，并和光纤的材料折射率的波长特性有关；材 料色散是由于光纤的折射率随波长而改变，以及模式内部不同波长成分的光（因为实际光 源的非单色性） ，其时间延迟不同而产生，这种色散取决于光纤材料折射率的波长特性和光 源的谱线宽度；波导色散又称结构色散，它是由于光纤的波导结构参数与波长有关而产生 的色散，它取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差。 色散对光纤传输系统的影响，在时域和频域的表

5、示方法不同。如果信号是模拟调制的， 色散限制带宽（Bandwidth） ；如果信号是数字脉冲，色散产生脉冲展宽（Pulse broadening） 。色散一般用 3dB 光带宽（即为半高峰处的带宽）或者脉冲展宽 来表示。 用脉冲展宽表示时，光纤色散 可以写为： （1-1） 2/1222 )( wmn （1）式中 、分别为模式色散、材料色散和波导色散所引起的脉冲展宽的均 n m w 方根值。 2 2多模光纤的色散多模光纤的色散 由多模光纤折射率分布的普遍公式，假设每个传输模式具有相同的功率，经过计算， 可以得到长度为 L 的多模光纤的脉冲展宽为： （1-2） 2/122 )( 模内模间 （2）式

6、中为模式色散产生的脉冲展宽。 模间 对于突变型多模光纤： ； （1-3） c LN g 32 )( 1 模间 对于渐变型多模光纤： ， （1-4） c LN g 34 )2( 2 1 模间 可见渐变型多模光纤的脉冲展宽比突变型多模光纤减小 /2 倍。上面式中，(n1- n2) /n1为相对折射率差， c 为光速， g 为折射率分布指数， 1 11 dn Nn d d d N n 1 1 2 （2）式中为模内色散产生的脉冲展宽，对于一般的多模光纤，主要为材料色散，可 模内 以简化为： （1-5） 2 1 2 2 d nd c L 模内 （5）式中， 为光源功率谱的谱线宽度。 3 3单模光纤的色散

7、单模光纤的色散 模内色散系数：理想圆对称单模光纤的色散（实际上光纤并非理想的圆对称，因此要 考虑偏振模色散，这里我们只讨论理想圆对称情况） ，由于不存在模畸变（只有一个基模， 不存在高阶模，忽略偏振态的改变） ，传导光脉冲的展宽完全是由波导色散和材料色散决定， 人们常把这种基模的一个模内的色散定义为模内色散，有时为了和其他色散进行区分，也 称色度色散(Chromatic Dispersion)，表明是和光的“色彩” （波长）有关。常简称为色散， 它是时间延迟随波长变化的结果。模内色散系数的定义是：单位光源光谱宽度、单位光纤 长度所对应的光脉冲的展宽（延时差）ps/(nmkm)： km)ps/(

8、nm )( d d 对所有类型的单模光纤，该系数是可以根据测定不同波长的光通过一定长度的光纤的相对 时差（延时）来确定的。 偏振模色散：在理想完善的单模光纤中，单模光纤只能传输一种基模的光。基模实际 上是由两个偏振方向相互正交的模场 HE11x 和 HE11y 简并组成。但实际的单模光纤不可避免 存在一定的缺陷，如纤芯不圆度、微弯力、内部残余应力等，HE11x 和 HE11y 存在相位差， 则合成光场是一个方向和瞬时幅度随时间变化的非线性偏振，就会产生双折射现象，即 x 和 y 方向的折射率不同。因传播速度不等，模场的偏振方向将沿光纤的传播方向随机变化， 从而会在光纤的输出端产生偏振模色散（P

9、olarization-Mode Dispersion，即 PMD）或双 折射色散。在高速光纤通信系统（如 10Gbit/s 和 40Gbit/s 甚至更高）中，光纤的 PMD 对 整个通信系统性能的影响不能被忽视。生产单模光纤的各种技术中，PCVD 工艺生产出的单 模光纤具有较低的偏振模色散。 二、光纤的损耗光纤的损耗 1 1 损耗概述损耗概述 由于损耗（Loss，有时候又称为衰减）的存在，在光纤中传输的光信号，不管是模拟 信号还是数字脉冲信号，其幅度都要减小。光纤的损耗在很大程度上决定了光纤通信系统 的传输距离。上世纪六十年代，光纤损耗超过 1000dB/km， 1970 年光纤研制出现突

10、破，美国康宁（Corning）公司在当年研制的光纤损耗降低到 约 20dB/km，因而，由于光纤和半导体激光器的技术进步，使得 1970 年成为光纤通信发展 的一个重要里程碑。1979 年，光纤损耗又降到 0.2dB/km (在 1550 nm 处)，低损耗光纤的 问世导致了光纤通信技术领域的革命，开创了光纤通信的时代。目前，正在开展研究并蓬 勃发展的光纤通信新技术有超大容量的波分复用光纤通信和超长距离的光孤子通信系统等。 在最一般的情况下，光纤内传输的光功率P P随传输距离 z 的变化，可以用下式表示： P dz dP 上式中，a是损耗系数。假设长度为L L（km）的光纤，输入光功率为P P

11、i，根据上式输出光功 率应为： )exp( 0 LPp i 习惯上a的单位用 dB/km，很容易得知损耗系数为： （dB/km） 0 lg 10 P P L i 2 2光纤损耗的机理光纤损耗的机理 图 1 即为单模光纤的损耗谱示意图。光纤的损耗主要由材料的吸收损耗以及散射损耗 组成，各部分具体描述如下： （1）材料的吸收 第二第二传输传输窗口窗口 第一第一传输传输窗口窗口 1.30 0 1.55 0 0.85 紫外吸收紫外吸收 红红外吸收外吸收 瑞利散射瑞利散射 0. 2 2. 5 损损耗耗 (dB/km) 波波 长长/m (nm) OH离子吸收峰离子吸收峰 图图1-1 单单模光模光纤纤的的损

12、损耗耗谱线谱线，示出各种，示出各种损损耗机理耗机理 第三第三传输传输窗口窗口 损损耗耗约为约为 0.2dB/km 主要由 SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生。由 SiO2材料电子跃迁引起 的吸收带发生在紫外（UV）区（） ，由分子振动引起的吸收带发生在红外（IR）m4 . 0 区（） ，由于 SiO2是非晶块状材料，两种吸收带从不同方向伸展到可见光区。由m7 SiO2材料产生的固有吸收很小，在 0.81.3m 波段，小于 0.1dB/km，在 1.31.6m 波段， 小于 0.03dB/km。光纤中的杂质主要有过渡金属离子（例如 Fe2、Co2和 Cu2等）以及氢 氧根离子（OH

13、） ，这些杂质是早期实现低损耗光纤的障碍。由于技术的进步，目前过渡金 属离子含量已经降低到其影响可以忽略的程度。由氢氧根离子产生的吸收峰出现在 0.95m、1.24m 和 1.39m 波长处，其中以 1.39m 波长处吸收峰的影响最为严重。正 是由于光纤通信波段内这一系列吸收峰的存在，使得峰之间的低损耗区构成了光纤通信的 三个传输窗口。目前氢氧根离子的含量已经降低到 109以下，从而 1.39m 波长处的吸收 峰损耗也降低到 0.5dB/km 以下。这种减低吸收峰的光纤被称为全波光纤（AllWavelength Fiber） 。 （2）散射损耗 光纤的散射损耗主要由材料微观密度不均匀性引起的瑞

14、利（Rayleigh）散射和由光纤结构 缺陷（如气泡）引起的散射产生的。结构缺陷散射产生的损耗与波长无关。瑞利散射损耗 aR与波长四次方成反比，可用经验公式表示为，瑞利散射系数 A 取决于纤芯与 4 /AaR 包层折射率差 。当 分别为 0.2%和 0.5%时，A 分别为 0.86 和 1.02。瑞利散射是一种 基本损耗机理，它是由于光纤在制造过程中沉积到熔石英中的随机密度变化引起折射率本 身的起伏，从而导致光向各个方向散射所产生。瑞利散射损耗对光纤来说是其本身固有的， 因而它确定了光纤损耗的最终极限。例如在 1.55m 波段，光纤瑞利散射引起的损耗最低 理论极限约为 1.149 dB/km。

15、 )()()( 4 UVIRCWB A 上式中，A 为瑞利散射系数，B 为结构缺陷散射产生的损耗，CW、IR和 UV分别)()()( 为杂质吸收、红外吸收和紫外吸收产生的损耗。 然而，实际使用中的光纤损耗还不得不考虑辐射损耗（又称弯曲损耗） ，包括两类：一 是弯曲半径远大于光纤直径，二是光纤成缆时轴向产生的随机性微弯。定性解释：导模的 部分能量在光纤包层中（消失场拖尾）于纤芯中的场一起传输。当发生弯曲时，离中心较 远的消失场尾部须以较大的速度行进，以便与纤芯中的场一同前进，由于这是不可能的， 因此这部分场将辐射出去而损耗掉。 光源 波长选择器 光检测器 鉴 相 器 信号发生器 信号处理 信号通

16、道 时延发生器 待测光纤 包层模滤出器器 图 1-2. 相移法测量单模光纤色散的实验原理示意 图 三、单模光纤色散三、单模光纤色散的测量测量 单模光纤色散的测量方法很多，例如相移法（频域法） 、脉冲法（时域法） 、干涉法等 等，这里我们仅介绍由 ITUT（国际电信联盟电信标准化机构）和 IEC（国际电工委员 会）等国际标准组织推荐的“相位移方法” （PHASE-SHIFT METHOD） 。根据国际标准 ITU 和 IEC 等的规定，测量单位光纤长度乘波长的群延时数据，宜用 Sellmeier 三项表达式来拟 合。 相移法实验原理如图 2 所示。系统由光源、波长选择器、信号发生器、包层模滤出器、 光探测器、时延发生器、鉴相器以及信号处理部分等组成，测量时波长选择器选择波长 1，2N，并且选择信号发生器调制