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1、单模光纤的连接损耗计算宋金声摘要在单模光纤接头和一些单模光纤无源器件中,都涉及连接损耗的计算。本文根据单模光纤传输理论,介绍了由于直径失配、横向错位和角度倾斜产生的连接损耗,并给出有关计算曲线,提出这些变量的控制范围。一、引言随着单模光纤在通信及传感系统中的广泛应用,单模光纤连接的损耗计算已成为固定接头、活动连接器及光开关等光无源器件的设计基础之一。在一个光纤通信系统中,常常有许多固定接头,所用光纤的各种参数不可能完全匹配,连接时的对中质量不可能完美无缺,为了估计整个系统的损耗,必须可靠地计算每个接头的损耗。在活动连接器的设计中,具体结构和规格虽多种多样,但为了降低连接器的损耗,必须精确了解各
2、种连接参数对 损耗的影响。在移动光纤式光开关中,插入损耗实质上也是光纤连接损耗。在接头式光衰减器 中,实质上是利用并加大这种损耗进行衰减。至于其它一些光纤无源器件,最终也要将经过处理的信号传输给输出光纤,所以祸合效率的计算也与连接损耗计算有关。单模光纤连接损耗计算与多模光纤连接损耗计算完全不同。多模光纤连接损耗是基于功率分布的假设如均匀分布、稳态分布或高斯分布进行计算的,而单模光纤连接损耗则是基于横向电场的分布而计算的。二、基本概 念折射率分布单模光纤的折射率分布形式很多,为计算方便,可参照多模光纤的折射率分布,假设 二、。卜乙合习“。式中为单模光纤中心的折射率,二一玲。为包层折射率,为径 向
3、坐标,为纤芯半径,为折射率分布参数,可为一。当二时,一一乞犷卜,乞“,卜一“犷即抛物型分布。当二二时,九玲、”。即突变型分布。归一化频率由波动方程求解横向电场时,我们引入归一化频率这一 烤水参量。兀艺侧刁入式中入为传输光波的波长,对于已知的光纤,由于、。、刁均为已知,所以对于某一波长入而言,归一化频率是确定的值。单模光纤必须满足的条件,式中。二。母显然,当二时,。,当时,。传输效率与连接损耗设”为连接处传输效率,则损耗部分为一”,连接损耗的分贝数二一叼一一在本文的计算中,均求出。值,并以脚注、和分 别表示由于输出光纤与输入光 纤之间的直径失配、横向错位和角度倾斜而 引起 的损耗。在计算一种因素
4、的影响时,假设不存在其它 因素的影 响。三、直径失配时的损耗单模光纤直径失配 时的连接损耗计算比较简单,可直接 由印模光纤的激励求得几。圣一。全。委,且一式中。和。分别为输入光纤和输出光纤的高斯束的宽度系数。对突变型光纤,。十对抛物型光纤,。一令“俨由式可见,在单模光纤连接时,只要直径失配,不管是输入光纤芯径 大还是输出光纤芯径大,都会产生损耗,这与多模光纤连接损耗是不 同的。在多模光纤 中,输入光纤芯径小于输出光纤芯径,损耗则小,反之则大。单模光纤直径失径时的损耗特征还可从图中看 出。此图表示连接损耗与,的关系,时损耗增大,姚,时损耗也增大。还可看出,损耗与输入光纤的归 一化频 率,有关。四
5、、横向错位时的损耗设光纤输入光纤 的横 向电场为乙。哎心一一巧份几 飞七卜 ,才夕声了小口,。子。半,丈,试二之车光纤输出光纤的横向 电场为烈叮卜吸 拓动叹叼了一一必。件。誉一以斗图了刀乙季了名之夕 沁直径失配损耗护、一一丈山月根据它们的相关性,可以求出其传输效率必功么必必艺为 了求出式,首先根据图求出了了了反反 众众众肉肉肉肉,和。设两根单模光纤之间的横向错位为,则重迭部分中点相应于光纤和光纤的径向坐标,和分别为一号一“二”,了泞一一。一丫不磅了扁碗厂式中为点至号一处 的 距离, 为与,仇之 间的夹角。图横向错位然后计算式的分子必价。件犷。、。牛,。牛。粤“式中二立。片犷。件一犷“。令。件犷
6、“二鬓。牛。粤“一一。令犷。斗犷“二。哗。伴一犷“气气叭产补一冗一一一一凡凡二。件。誉犷“式中生二合“、不必万不丽葫了。,丈气叹一口训乞一口再计算式的分母,。,。,。矛,八,叻“叻“又炙亩孟】当横 向错位时,可将伽展开成台劳级数乍”“,引二。告捌。二。卿 显然,。时,”。,器。一。通过计算,可求出全边 ,呈一一者望泣、 。孟箫“根据弱导波的特征方程、。简化式,可 得口叩,一。,二丁足,一土一万尺 或一“ 全旦、一一。一艺砂亦可写成,“言【协断立气舌 少又言式中二,一 李丁粤理戮为横向错位损耗系数。一“一,“以,川件洲“。凡与归一化频率的关系可 由俨“导 出,如图所示。时的损耗不 仅与有关,而且
7、还 与值有关。例如,对突变型单模光纤,咋,入二一卜,则由此可见,横 向错位林,乙乡 百,万侧刁入一户一由图查得,当横 向错位卜时,则,、“、“注,一竺一二一注一,“一“、币一一”一、一一一“从 试 一一二乏助礴时。五、角度倾斜时的损耗设光纤输入光纤的横向电场为,、 、。凡一日,丝,、。一,。、,一一尸,一一砂光纤输出光纤 的横 向电场为图与犷的关系,、。 已空一口。了擎、,。一,。、尸 、一叻式中、,、为光纤和光纤的圆柱坐标,日是,模的传播常数。设两根单模光纤之间的角度倾斜为,如图所示,则可以用相似于横向错位损耗的求法进行推导,日本电电公社电气通信所土屋治彦等的推导结果为。一凡 兰丫一、侧刁小
8、二,。 式中。二止一共二一誉一】一全于李华兰车一一为角度倾斜损耗系数。与归一化频率的关系也可由俨护之导出,如图所示。由此可见,角度倾斜时的损耗不仅与 有关,而且还与值有关。例如,对突变型单模光纤,协,刁石,二,入协则念众卜一一一”、图角度倾斜图与犷的关系一一介杠了乙入由图查得当角度倾斜时,即弧度时,则。凡一、一又气些些二鱿、二。 。认刁了夕,一一六、与多模光纤连接损耗的比较表是在同样的纤芯半径差时,单模光纤连接损耗与多模光纤连接损耗的比较。多模光纤连接损耗采用光功率稳态分布条件一的损耗公式一“一,令表直径失配时的比较一。, ,一一。防防。】匕二 公公公。竺三竺立一。听听。一。模模模一一。一一一
9、一一, ,。 厂厂,石一。吓。由表 可见,在一协时,无论是单模光纤还是多模光纤,连接损耗的增 加 都比较平缓,单模光纤连接损耗还略小于多模光纤的连接损耗。但在一几协时,单模光纤连接损耗将会激增,如图所示而多模光纤连接损耗仍是缓慢地增加。表是在同样的横向错位时,单模光纤连接 损耗与多模光纤连接损耗的比较。多模光纤连接损耗采用光功率稳态分布条件下的损耗公式二“一”一器由表可见,在。协时,无论是单模光纤还是多模光纤,连接损耗的增加都比较平缓,单模光纤连接损耗还略小于多模光纤的连接损耗。但在卜时,单模 光纤连接损耗将会激增,而多模光纤连接损耗仍缓慢地增加。汾表横向错位时的比较 三巫二习闰二二二二,兰兰
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11、八。筋。瓜二尸兀了兀二 ,。七。多模。生。一八一占一一口一八讨一八 一一一一由表可见,在增加时,无论是多模光纤还是单模光纤,连接 损耗都随护而逐渐增加但单模光纤的连接损耗要比多模光纤的连接损耗大得多。七、结语在直径失配、横向错位及角度倾斜时,单模光纤连接损耗不仅与这些变量有关,而且与归一化频率值有关,但与光的传输方向无关,单模光纤的直径失配和横向错位与多模光纤相比都存在一个临界点。当这些变量小于临界点时,连接损耗变化平缓,可以小于多模光纤的连接 损耗,但当这些变量大于临界点时,连接损耗会激剧增加,且远大于多模光纤 的连接损耗。基于上述现象,在制造单模光纤连接器或涉及单模光纤连接损耗时,应使。一
12、,妙。,这对于单模光纸来说,要求并不算苛刻对横向错位应控制在。件以 内对 角度倾斜,则须格外重视,因为它对连接损耗的影响比起多模光纤来要严重得多,通常应使角度倾斜。 。两根单模光纤之 间的端面间隙不仅由于菲涅耳反射会引起损耗对两个界面来说共约舀一而 且由于干涉现象也会引起损耗 例如,当间隙为光减波 长 的时,损耗 可 达,这又是 一个比较复杂的计算问题,拟作专题研究。制造单模光纤连接器 时,采用 同盘光纤,横向错位和角度倾斜控 制在上述范围以内,再将插针端面抛米成微凸形状,使两根光纤 的端面直接接触,即制成所谓型连接器,可以消除端面间隙产生的损耗,使单模光纤连接器的损耗降至二左右。主要 参考文
13、 献仁“单一壬 一、光了了,用习卒夕 夕, ,电气通信 研 究 所 研究实用 化 报 告,丁,肠。印”光了子,不夕夕接续技术, ,电气通信 研 究 所实用 化报告,吕,、厂肠,仁”。一且, ,习,生全七, 且一切”七。,刀 , ,主年,一匕 、录石八卫, ,了,双节挤出螺杆西德五公司为了满足挤出过程中容量更大、磨损更小的要,开发出一种新的螺杆技术,即与混料头、。二配用的双节螺杆。这种螺杆在其进料段和后面区段内具有不同的节距,与挤出机筒中高次的开槽进料段实现最佳配 用。因此,这种组合结构的螺杆与普通螺杆相比具有若干优点挤出机筒的服力低,因而减小了充满原料的螺杆的启动扭矩,在低的螺杆转速下实现高的
14、比挤出率 提高了熔化能力并改善了熔体均匀性螺杆和机筒的磨损相当小。组合有的两段螺杆适用于目前已经使用的挤出生产线。、是一种含有定子和转子的高效动态混料头,可以组装进挤出机筒或者用法兰安置在挤出机筒上。在挤出料到达机筒末端之前不必掺入添加剂,这就避免了采用彩色母料时机筒易受磨损的问题。确保了熔体的最佳均匀性。即使挤出机筒里材料配方不一致,也还能实现高度混合,并使所用原料的添加剂和等级的范围明显扩大,从而当原料等级和添加剂改变时,也不必更换螺杆。曹译自,用于局域网的光纤一铜导体复合缆美国。公司的三 型 电缆是为局域网应用而设计的光纤一铜导体复合缆。这种复合缆包含一根光纤和个或者个无屏蔽的扭绞线对。光纤有单模和 多模二种,包括规定的林光纤。无屏蔽的扭绞线对满足美国国际 商用机器公司成缆系统对音频传输的要求。这些复合缆满足了年美国国家电气标准对铜 导体和光纤的要求,保险商实验室已把它们编入目录。译自,一一
