光纖基本特性及測(cè)試全

1、光纖基本特性及測(cè)試全 光纖基本特性及測(cè)試全 7.17.1光纖的傳輸損耗光纖的傳輸損耗 7.27.2光纖的損耗的測(cè)量光纖的損耗的測(cè)量 7.47.4光纖脈沖展寬的測(cè)量光纖脈沖展寬的測(cè)量 7.37.3光纖的色散和脈沖展寬光纖的色散和脈沖展寬 7.57.5光纖的偏振和雙折射光纖的偏振和雙折射 7.67.6光纖的拍長(zhǎng)和偏振模色散測(cè)量光纖的拍長(zhǎng)和偏振模色散測(cè)量 前言前言 光纖基本特性及測(cè)試全 光纖的基本特性光纖的基本特性 光纖幾何參數(shù)： 1.纖芯、包層直徑、不園度、偏芯率纖芯、包層直徑、不園度、偏芯率 2.數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑 3.折射率分布折射率分布 光纖物理參數(shù)： 1.損耗損耗 2.色散色散 3.偏振、雙

2、折射偏振、雙折射 光纖基本特性及測(cè)試全 光學(xué)幾何參量測(cè)量光學(xué)幾何參量測(cè)量: 1.數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑: 2.折射率分布折射率分布: (一一)反射法反射法: P消除雜散光消除雜散光 0 . .sin m N An 光纖基本特性及測(cè)試全 nN t t:樣品厚度。樣品厚度。N:干涉條文數(shù)。干涉條文數(shù)。 0 ( )n rnN t 2 1 4 nR n R ( (二二) )干涉法干涉法: : 光纖基本特性及測(cè)試全 光纖的損耗和色散是寬帶通信傳輸介質(zhì)的光纖的損耗和色散是寬帶通信傳輸介質(zhì)的 兩個(gè)十分重要的特征參量。兩個(gè)十分重要的特征參量。 損耗損耗:限制傳輸距離。限制傳輸距離。 色散色散:限制傳輸帶寬、中繼距離

3、。限制傳輸帶寬、中繼距離。 偏振、雙折射偏振、雙折射:對(duì)于光纖在寬帶通信、傳對(duì)于光纖在寬帶通信、傳 感技術(shù)上的應(yīng)用，以及光纖中非線性的研究具感技術(shù)上的應(yīng)用，以及光纖中非線性的研究具 有重要的意義。有重要的意義。 光纖基本特性及測(cè)試全 (1)材料的吸收損耗，包括纖芯和包層的物質(zhì)吸收材料的吸收損耗，包括纖芯和包層的物質(zhì)吸收 (2)材料材料(或物質(zhì)或物質(zhì))散射，也包括纖芯和包層。散射，也包括纖芯和包層。 (3)波導(dǎo)散射，即交界面隨機(jī)的畸變或粗糙所產(chǎn)生的散射。波導(dǎo)散射，即交界面隨機(jī)的畸變或粗糙所產(chǎn)生的散射。 (4)波導(dǎo)彎曲所產(chǎn)生的輻射損耗。波導(dǎo)彎曲所產(chǎn)生的輻射損耗。 (5)外套損耗。外套損耗。 7.1

4、 7.1 光纖的傳輸損耗光纖的傳輸損耗 產(chǎn)生損耗的原因主要是產(chǎn)生損耗的原因主要是: 下面將逐項(xiàng)介紹下面將逐項(xiàng)介紹 光纖基本特性及測(cè)試全 O H 加 熱 過(guò) 程 原 子 缺 陷 吸 收 強(qiáng) 烈 輻 射 過(guò) 渡 族 金 屬 離 子 吸 收 損 耗雜 質(zhì) 離 子 的 吸 收 離 子 紫 外 吸 收 本 征 吸 收 紅 外 吸 收 損 耗 折 射 率 分 布 不 均 勻 制 作 缺 陷芯 -涂 層 界 面 不 理 想 氣 泡 、 條 文 、 結(jié) 石 散 射 損 耗 瑞 利 散 射 本 征 散 射 及 其 他布 里 淵 散 射 喇 曼 散 射 光纖基本特性及測(cè)試全 7.1.1 7.1.1 材料的吸收損耗

5、材料的吸收損耗 材料吸收所產(chǎn)生的損耗是重要的損耗。早期的水平是材料吸收所產(chǎn)生的損耗是重要的損耗。早期的水平是 10004000dB/km ，發(fā)現(xiàn)幾乎所有的損耗都是來(lái)源于材料吸，發(fā)現(xiàn)幾乎所有的損耗都是來(lái)源于材料吸 收。材料吸收又有多種原因收。材料吸收又有多種原因: 吸收吸收 物質(zhì)本征吸收物質(zhì)本征吸收 過(guò)渡族金屬離子吸收過(guò)渡族金屬離子吸收 OH-離子吸收離子吸收 原子缺陷吸收原子缺陷吸收 由原子躍遷由原子躍遷(電子吸帶電子吸帶)所所 產(chǎn)生產(chǎn)生:紅外紅外8-12um,紫外紫外 拖尾拖尾0.7-1.1um 鐵鐵,鉆鉆,銅銅,鉻等吸收峰和吸收帶鉻等吸收峰和吸收帶 也隨它們的價(jià)狀態(tài)不同而不同也隨它們的價(jià)狀

6、態(tài)不同而不同 在熔融石英玻璃里在熔融石英玻璃里OH-的吸收的吸收 帶在帶在0.72,0.95,1.4um. 0.51.0m范圍里范圍里 由于加熱過(guò)程由于加熱過(guò)程:4價(jià)價(jià)Ti-3價(jià)價(jià) 由于強(qiáng)烈的輻射，玻璃材料會(huì)受激而由于強(qiáng)烈的輻射，玻璃材料會(huì)受激而 產(chǎn)生原子的缺陷，產(chǎn)生損耗產(chǎn)生原子的缺陷，產(chǎn)生損耗 光纖基本特性及測(cè)試全 7.1.2 7.1.2 物質(zhì)的散射損耗物質(zhì)的散射損耗 物質(zhì)內(nèi)部的散射，會(huì)減小傳輸功率，產(chǎn)生損耗。物質(zhì)內(nèi)部的散射，會(huì)減小傳輸功率，產(chǎn)生損耗。 本征散射：（物質(zhì)散射中最重要的）它是使波導(dǎo)衰減不能本征散射：（物質(zhì)散射中最重要的）它是使波導(dǎo)衰減不能 太小的基本限制之一。太小的基本限制之一

7、。 非線性散射：物質(zhì)在強(qiáng)場(chǎng)作用下，也會(huì)誘發(fā)出對(duì)入射波的非線性散射：物質(zhì)在強(qiáng)場(chǎng)作用下，也會(huì)誘發(fā)出對(duì)入射波的 散射。散射。(拉曼散射、布里淵散射拉曼散射、布里淵散射) 瑞利散射：密度不均勻或者內(nèi)應(yīng)力不均勻就引起折射率不均瑞利散射：密度不均勻或者內(nèi)應(yīng)力不均勻就引起折射率不均 勻，從而產(chǎn)生散射。這種不均勻度與波長(zhǎng)相比是小尺寸的。勻，從而產(chǎn)生散射。這種不均勻度與波長(zhǎng)相比是小尺寸的。 瑞利散射與波長(zhǎng)瑞利散射與波長(zhǎng)的四次方成反比。計(jì)算公式的四次方成反比。計(jì)算公式: 2 2 4 8 (1) 3 atco nkT at co （7.1.17.1.1） 這里這里 代表衰減系數(shù)，代表衰減系數(shù)， 代表可壓縮度，每單位

8、力所產(chǎn)生代表可壓縮度，每單位力所產(chǎn)生 的體積壓縮；的體積壓縮；k是波爾茲曼常數(shù)；是波爾茲曼常數(shù)；T是躍遷溫度是躍遷溫度(K)；n是折是折 射率射率 光纖基本特性及測(cè)試全 濃度起伏的均方值濃度起伏的均方值 摻雜不均勻引起的散射：也屬于物質(zhì)的本征散射。摻雜不均勻引起的散射：也屬于物質(zhì)的本征散射。 濃度的不均勻性的散射濃度的不均勻性的散射:所用的玻璃中有些含有幾種氧化所用的玻璃中有些含有幾種氧化 物，以改變折射率。而氧化物濃度的不均勻性或起伏，也會(huì)物，以改變折射率。而氧化物濃度的不均勻性或起伏，也會(huì) 引起散射，產(chǎn)生損耗。引起散射，產(chǎn)生損耗。 衰減的計(jì)算公式為衰減的計(jì)算公式為: （7.1.27.1.2

9、） 有起伏的體積有起伏的體積 一般而言，折射率的起伏是未知的，所以因之而產(chǎn)生的損耗一般而言，折射率的起伏是未知的，所以因之而產(chǎn)生的損耗 (或散射或散射)是不能計(jì)算的。反過(guò)來(lái)，倒是可以利用散射損耗去是不能計(jì)算的。反過(guò)來(lái)，倒是可以利用散射損耗去 得出折射率的起伏。得出折射率的起伏。 對(duì)于典型的高硅玻璃，濃度不均勻的散射損耗約占總散射對(duì)于典型的高硅玻璃，濃度不均勻的散射損耗約占總散射 損耗的損耗的25%。 光纖基本特性及測(cè)試全 7.1.3 7.1.3 波導(dǎo)散射損耗波導(dǎo)散射損耗 1.由于拉制纖維時(shí)的不良性，造成纖維尺寸沿軸線起伏，如由于拉制纖維時(shí)的不良性，造成纖維尺寸沿軸線起伏，如 粗細(xì)不勻，截面形狀

10、變化等，這種不均勻性同樣將引起光的粗細(xì)不勻，截面形狀變化等，這種不均勻性同樣將引起光的 散射。另外，纖芯和包層界面的不光滑、污染等，也將造成散射。另外，纖芯和包層界面的不光滑、污染等，也將造成 嚴(yán)重的散射損耗。嚴(yán)重的散射損耗。 2.模式變換而產(chǎn)生了附加的損耗，這種附加的損耗就是波模式變換而產(chǎn)生了附加的損耗，這種附加的損耗就是波 導(dǎo)散射損耗。導(dǎo)散射損耗。 很多人曾經(jīng)推導(dǎo)了薄膜波導(dǎo)和圓柱波導(dǎo)的這種模式耦合效應(yīng)，很多人曾經(jīng)推導(dǎo)了薄膜波導(dǎo)和圓柱波導(dǎo)的這種模式耦合效應(yīng)， 并舉例作了計(jì)算。例如對(duì)薄膜波導(dǎo)，如果厚度為并舉例作了計(jì)算。例如對(duì)薄膜波導(dǎo)，如果厚度為5m，折射，折射 率差率差=1%，交界面的偏離均方

11、根值為，交界面的偏離均方根值為0.9nm，每千，每千 米將產(chǎn)生米將產(chǎn)生10dB的輻射損耗的輻射損耗 光纖基本特性及測(cè)試全 式中式中 為彎曲產(chǎn)生的衰減系數(shù)為彎曲產(chǎn)生的衰減系數(shù)C1， C2是常數(shù)，與曲率半徑無(wú)關(guān)。衰減與是常數(shù)，與曲率半徑無(wú)關(guān)。衰減與 曲率半徑曲率半徑R的關(guān)系表現(xiàn)在指數(shù)函里。的關(guān)系表現(xiàn)在指數(shù)函里。 途中途中xR+xr的區(qū)域?yàn)殛幱皡^(qū)，代表的區(qū)域?yàn)殛幱皡^(qū)，代表 相速超過(guò)光速，成為輻射的區(qū)域。相速超過(guò)光速，成為輻射的區(qū)域。 r 圖圖7.1.1 7.1.1 彎曲波導(dǎo)彎曲波導(dǎo) 12 exp() r CC R （7.1.37.1.3） 光纖基本特性及測(cè)試全 仍以薄膜波導(dǎo)為例，假設(shè)厚度為仍以薄膜波

12、導(dǎo)為例，假設(shè)厚度為1.18m，波，波 長(zhǎng)為長(zhǎng)為0.63m，折射率之差，折射率之差0.001時(shí)時(shí)(它用作單它用作單 模傳輸，第二個(gè)模式在厚度模傳輸，第二個(gè)模式在厚度41.18m時(shí)產(chǎn)時(shí)產(chǎn) 生生)，xr16，C1為為104，C2為為100；在；在 R=18cm時(shí)，衰減為時(shí)，衰減為8.68dB/m。如果。如果R增大增大 一倍，則衰減將減一倍，則衰減將減exp(200)1/6.5107， 使使 完全可以忽略。完全可以忽略。 上面舉的是薄膜波導(dǎo)的例子，不是光纖的，上面舉的是薄膜波導(dǎo)的例子，不是光纖的， 而只是把它定性地解釋為光纖的彎曲。對(duì)于光而只是把它定性地解釋為光纖的彎曲。對(duì)于光 纖，一般認(rèn)為曲率半徑超

13、過(guò)纖，一般認(rèn)為曲率半徑超過(guò)10cm，彎曲損耗，彎曲損耗 可以忽略。可以忽略。大于大于0.001，容許的曲率半徑可，容許的曲率半徑可 以減小，甚至可以小到以減小，甚至可以小到1cm。 r 光纖基本特性及測(cè)試全 7.1.5 7.1.5 外套損耗外套損耗 串話串話:纖芯里的波導(dǎo)和輻射波的電磁場(chǎng)都要進(jìn)入到包纖芯里的波導(dǎo)和輻射波的電磁場(chǎng)都要進(jìn)入到包 層。在包層外圈，電磁場(chǎng)并沒(méi)有消失，還要伸展到層。在包層外圈，電磁場(chǎng)并沒(méi)有消失，還要伸展到 外面去，這就要與臨近的光纖耦合。外面去，這就要與臨近的光纖耦合。 為了避免串話，包層外面需要再套一層衰減大的為了避免串話，包層外面需要再套一層衰減大的 套子，把進(jìn)入套子

14、的電磁場(chǎng)消滅掉。套子，把進(jìn)入套子的電磁場(chǎng)消滅掉。 這樣，物質(zhì)吸收損耗就有三部分，即纖芯里、這樣，物質(zhì)吸收損耗就有三部分，即纖芯里、 包層里和外套里的損耗，它們各不相等。對(duì)每一個(gè)包層里和外套里的損耗，它們各不相等。對(duì)每一個(gè) 模式又不相同，這是由于功率分配不同的緣故。模式又不相同，這是由于功率分配不同的緣故。 光纖基本特性及測(cè)試全 在前面仍然考慮包層是無(wú)窮的，功率一分為二，一部分在纖芯在前面仍然考慮包層是無(wú)窮的，功率一分為二，一部分在纖芯 里傳輸，另一部分在包層里傳輸。雖然實(shí)際上并非如此，但一般里傳輸，另一部分在包層里傳輸。雖然實(shí)際上并非如此，但一般 在包層的邊緣上電磁場(chǎng)已衰減到很小，所以這個(gè)近似

15、還是可以的。在包層的邊緣上電磁場(chǎng)已衰減到很小，所以這個(gè)近似還是可以的。 1 comn P 2 mn cldm P 如果某一模式如果某一模式(m，n)纖芯的衰減系數(shù)為纖芯的衰減系數(shù)為 ，包層的，包層的 為為 ，則對(duì)于均勻波導(dǎo)，由它們兩者引起的總衰減系數(shù)，則對(duì)于均勻波導(dǎo)，由它們兩者引起的總衰減系數(shù) 為為 : （7.1.47.1.4） 式中式中 ， ， 為某模式為某模式(m，n)在在 纖芯、包層中和總的功率流。纖芯、包層中和總的功率流。 tmn P 光纖基本特性及測(cè)試全 圖圖7.1.2 7.1.2 光纖損耗與波長(zhǎng)的關(guān)系光纖損耗與波長(zhǎng)的關(guān)系 圖圖7.1.27.1.2 示出光纖損耗與波長(zhǎng)的關(guān)系。其損耗已

16、接近理論極限，示出光纖損耗與波長(zhǎng)的關(guān)系。其損耗已接近理論極限， 即使標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜在即使標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜在2.5MHz時(shí)，損耗約為時(shí)，損耗約為3.8dB/km。由此。由此 可見(jiàn)，光纖的損耗是相當(dāng)?shù)偷?，這就相應(yīng)地延長(zhǎng)了中繼可見(jiàn)，光纖的損耗是相當(dāng)?shù)偷?，這就相應(yīng)地延長(zhǎng)了中繼 距離。距離。 光纖基本特性及測(cè)試全 （7.2.17.2.1） 10 0 1 10 log I LI 0 I 7.2 7.2 光纖損耗的測(cè)量光纖損耗的測(cè)量 當(dāng)光束通過(guò)一定長(zhǎng)度的光纖后，光束的能量就會(huì)衰減。損耗當(dāng)光束通過(guò)一定長(zhǎng)度的光纖后，光束的能量就會(huì)衰減。損耗 這個(gè)量就表示光纖對(duì)光能的衰減能力，常用這個(gè)量就表示光纖對(duì)光能的衰減能力，常用

17、dB為單位，它定為單位，它定 義為義為: 式中式中I和和 分別為光纖的輸出和輸入光通量，所取的光纖長(zhǎng)度分別為光纖的輸出和輸入光通量，所取的光纖長(zhǎng)度 通常為通常為1km。由于。由于I 因而因而 為負(fù)值。負(fù)號(hào)的含義就是衰為負(fù)值。負(fù)號(hào)的含義就是衰 減減(如果是正值，那含義就是增益如果是正值，那含義就是增益)。顯然，對(duì)于一根一定長(zhǎng)度。顯然，對(duì)于一根一定長(zhǎng)度 的光纖，只要正確測(cè)量出它的輸出和輸入的光通量，就可以計(jì)的光纖，只要正確測(cè)量出它的輸出和輸入的光通量，就可以計(jì) 算出它的損耗來(lái)。同時(shí)由損耗的機(jī)理可知，損耗是光波長(zhǎng)的函算出它的損耗來(lái)。同時(shí)由損耗的機(jī)理可知，損耗是光波長(zhǎng)的函 數(shù)，對(duì)不同的入射光波，光纖的

18、損耗是不一樣的。數(shù)，對(duì)不同的入射光波，光纖的損耗是不一樣的。 0 I 光纖基本特性及測(cè)試全 圖圖7.2.1 7.2.1 截去法測(cè)量原理示意圖截去法測(cè)量原理示意圖 7.2.1 7.2.1 直接比較法直接比較法 截去法截去法:利用測(cè)量裝置直接測(cè)量光纖輸出和輸入的光通量，這利用測(cè)量裝置直接測(cè)量光纖輸出和輸入的光通量，這 就是直接比較法。圖就是直接比較法。圖7.2.17.2.1是這種測(cè)量方法的原理示意圖。是這種測(cè)量方法的原理示意圖。 測(cè)量過(guò)程中，先測(cè)量通過(guò)長(zhǎng)度為測(cè)量過(guò)程中，先測(cè)量通過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖后的光通量，設(shè)為的光纖后的光通量，設(shè)為 I= I， 為光纖端面的影響系數(shù)。然后在入射端附近把光為光纖端面的

19、影響系數(shù)。然后在入射端附近把光 纖截?cái)?，只留下極小一段長(zhǎng)為纖截?cái)?，只留下極小一段長(zhǎng)為l的短纖維，再用同樣手段測(cè)出的短纖維，再用同樣手段測(cè)出 它的光通量，設(shè)為它的光通量，設(shè)為 = 。 0 I 0 I 光纖基本特性及測(cè)試全 用這種方法測(cè)量損耗，還要把光纖的出射端和接收光能的硅用這種方法測(cè)量損耗，還要把光纖的出射端和接收光能的硅 光電池放在折射率匹配液中，以減少端面損耗，提高測(cè)量精光電池放在折射率匹配液中，以減少端面損耗，提高測(cè)量精 度度 圖圖7.2.2 7.2.2 雙接收器比較法示意圖雙接收器比較法示意圖 00 11 10lglg II LILI 這樣做的目的是使光纖入射端面所處的條件不改變。必須

20、注意，這樣做的目的是使光纖入射端面所處的條件不改變。必須注意， 我們這里假定我們這里假定lL。這種方法測(cè)出的數(shù)據(jù)即為損耗。這種方法測(cè)出的數(shù)據(jù)即為損耗: （7.2.27.2.2） 直接比較法直接比較法:是用圖是用圖7.2.2所示的裝置所示的裝置 SPSP必須為中性分?jǐn)?shù)必須為中性分?jǐn)?shù) 器，因?yàn)橐话愕亩嗥?，因?yàn)橐话愕亩?模分束器只對(duì)某一模分束器只對(duì)某一 波長(zhǎng)某一角度的入波長(zhǎng)某一角度的入 射光起作用射光起作用 光纖基本特性及測(cè)試全 A I B I 1 10lg A B It LIR R和和t分別為分束器的反射光量和透射光量分別為分束器的反射光量和透射光量(R+t=100%)，并，并 且且R和和t不隨波

21、長(zhǎng)而改變。如果接收器不隨波長(zhǎng)而改變。如果接收器A和和B所接收到的光通量分所接收到的光通量分 別為別為 和和 ，則光纖的損耗為，則光纖的損耗為: 這兩種直接比較法都可以用單色儀來(lái)改變?nèi)肷涔獾牟ㄩL(zhǎng)，因此這兩種直接比較法都可以用單色儀來(lái)改變?nèi)肷涔獾牟ㄩL(zhǎng)，因此 就可以測(cè)出各種波長(zhǎng)時(shí)光纖的損耗值。用直接比較方法測(cè)出的就可以測(cè)出各種波長(zhǎng)時(shí)光纖的損耗值。用直接比較方法測(cè)出的 損耗，其中包括了光源和光纖的耦合損耗在內(nèi)。損耗，其中包括了光源和光纖的耦合損耗在內(nèi)。 （7.2.37.2.3） 光纖基本特性及測(cè)試全 1光源；2光纖注入系統(tǒng)；3待測(cè)光纖； 4光纖探測(cè)器 2 1 10 P P Log L 截?cái)喾y(cè)量聚合物

22、光纖損耗原理截?cái)喾y(cè)量聚合物光纖損耗原理 聚合物光纖損耗測(cè)量系統(tǒng)聚合物光纖損耗測(cè)量系統(tǒng) 650nm波長(zhǎng)聚合物光纖損耗測(cè)量； CCD聚合物光纖譜損測(cè)量?jī)x； 光纖基本特性及測(cè)試全 7.2.2 7.2.2 背向散射法背向散射法 在光纖中不可避免地存在著由于折射率或物質(zhì)不均在光纖中不可避免地存在著由于折射率或物質(zhì)不均 勻而產(chǎn)生的瑞利散射。瑞利散射光的特點(diǎn)是散射光勻而產(chǎn)生的瑞利散射。瑞利散射光的特點(diǎn)是散射光 波長(zhǎng)與入射光波長(zhǎng)相同，散射光功率與該點(diǎn)入射功波長(zhǎng)與入射光波長(zhǎng)相同，散射光功率與該點(diǎn)入射功 率成正比率成正比 背向散射法背向散射法:如果入射端注入一個(gè)大功率窄脈沖信如果入射端注入一個(gè)大功率窄脈沖信 號(hào)

23、。設(shè)法有效地接收這一背向散射信號(hào)，則可以號(hào)。設(shè)法有效地接收這一背向散射信號(hào)，則可以 從中得到光纖的衰減系數(shù)。從中得到光纖的衰減系數(shù)。 光纖基本特性及測(cè)試全 圖圖7.2.3 7.2.3 光時(shí)域反射計(jì)部分結(jié)構(gòu)示意圖光時(shí)域反射計(jì)部分結(jié)構(gòu)示意圖 1 1激光器；激光器；2 2光闌；光闌；3 3匹配液盒；匹配液盒；4 4待測(cè)光纖；待測(cè)光纖； 5 5短光纖；短光纖；6 6監(jiān)測(cè)器；監(jiān)測(cè)器；7 7放大器；放大器；8 8數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 用背向散射法測(cè)量光纖衰減的儀器稱為光時(shí)域反射計(jì)用背向散射法測(cè)量光纖衰減的儀器稱為光時(shí)域反射計(jì)(又稱又稱 OTDR)。圖。圖7.2.3是是OTDR的光發(fā)射和檢測(cè)部分示意圖的

24、光發(fā)射和檢測(cè)部分示意圖 光纖基本特性及測(cè)試全 （7.2.47.2.4） ( ,)110 ( , )lg 2( ,) A RAB pz L zzpz 被測(cè)光纖由兩根光纖被測(cè)光纖由兩根光纖 焊接而成，中間的凸焊接而成，中間的凸 起顯示了接頭處的反起顯示了接頭處的反 射，而曲線尾部的凸射，而曲線尾部的凸 起則顯示了光纖末端起則顯示了光纖末端 處的反射。處的反射。 由由(7.2.3)式盒圖式盒圖7.7可以看出可以看出AB段光纖的衰減系數(shù)為段光纖的衰減系數(shù)為: 光纖基本特性及測(cè)試全 圖中為對(duì)數(shù)坐標(biāo)，即圖中為對(duì)數(shù)坐標(biāo)，即Ps(A)=10log10p(,zA) ，Ps(B)=10log10p(,zR)，zR

25、-zA=L，所以，所以: 圖中曲線的斜率即為衰減系數(shù)圖中曲線的斜率即為衰減系數(shù) 。圖中兩段光。圖中兩段光 纖的斜率說(shuō)明他們具有不同的衰減系數(shù)。由于纖的斜率說(shuō)明他們具有不同的衰減系數(shù)。由于 被檢測(cè)的信號(hào)從注入后正向傳輸?shù)缴⑸浜蟊诚虮粰z測(cè)的信號(hào)從注入后正向傳輸?shù)缴⑸浜蟊诚?傳輸，兩次通過(guò)傳輸，兩次通過(guò)AB段光纖，所以光纖長(zhǎng)度采段光纖，所以光纖長(zhǎng)度采 用用2L。曲線橫坐標(biāo)的長(zhǎng)度是通過(guò)時(shí)間坐標(biāo)換。曲線橫坐標(biāo)的長(zhǎng)度是通過(guò)時(shí)間坐標(biāo)換 1 ( , )( )( ) 2 ss LP AP B L （7.2.57.2.5） 光纖基本特性及測(cè)試全 算來(lái)標(biāo)度的。已知光在真空中的速度算來(lái)標(biāo)度的。已知光在真空中的速度 c

26、=3108m/s，光纖折射率為，光纖折射率為n()，光脈沖，光脈沖 在光纖中從在光纖中從A點(diǎn)傳播到點(diǎn)傳播到B點(diǎn)再由點(diǎn)再由B點(diǎn)傳播到點(diǎn)傳播到A點(diǎn)點(diǎn) ，時(shí)間間隔為，時(shí)間間隔為t，那么，那么A、B間的長(zhǎng)度為間的長(zhǎng)度為 L=ct/2n()。利用。利用OTDR的背向散射曲線的分的背向散射曲線的分 析，很容易確定光纖中的缺陷、斷裂點(diǎn)、接頭析，很容易確定光纖中的缺陷、斷裂點(diǎn)、接頭 的位置，并能測(cè)量光纖的長(zhǎng)度。的位置，并能測(cè)量光纖的長(zhǎng)度。 背向散射法背向散射法: OTDR優(yōu)奌優(yōu)奌:只需在光纖的一端測(cè)試，方法只需在光纖的一端測(cè)試，方法 又十分簡(jiǎn)單，很適合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，特別是可用來(lái)測(cè)又十分簡(jiǎn)單，很適合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，特別是

27、可用來(lái)測(cè) 光纖長(zhǎng)度及確定故障點(diǎn)位置。光纖長(zhǎng)度及確定故障點(diǎn)位置。 光纖基本特性及測(cè)試全 OTDR缺點(diǎn)缺點(diǎn): 無(wú)法控制背向散射光模式分布；無(wú)法控制背向散射光模式分布； 對(duì)光纖的非均勻性很敏感。對(duì)光纖的非均勻性很敏感。 補(bǔ)充補(bǔ)充:光纖的參數(shù)有許多測(cè)量方法，下頁(yè)的表光纖的參數(shù)有許多測(cè)量方法，下頁(yè)的表 是是CCITT建議的測(cè)試方法。建議的測(cè)試方法。CCITT是是 Consultative Committee of International Telegraph and Telephone的縮寫，中文譯的縮寫，中文譯 名是國(guó)際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)。名是國(guó)際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)。 光纖基本特性及測(cè)試全 (2)多

28、模色散多模色散( )。它是由于傳輸?shù)母髂Ｖg的群速度。它是由于傳輸?shù)母髂Ｖg的群速度 不同所引起的色散，這種色散僅出現(xiàn)在多模光纖中，又稱不同所引起的色散，這種色散僅出現(xiàn)在多模光纖中，又稱 模式間色散。模式間色散。 在光纖中，色散有如下幾種在光纖中，色散有如下幾種: (1)材料色散材料色散( )。這就是材料本身的折射率隨頻率而變，。這就是材料本身的折射率隨頻率而變， 于是，不同頻率的光波傳輸?shù)娜核俣炔煌捎谶@個(gè)原因所產(chǎn)生于是，不同頻率的光波傳輸?shù)娜核俣炔煌?，由于這個(gè)原因所產(chǎn)生 的色散叫做材料色散。這種色散在單模中占主要地位。的色散叫做材料色散。這種色散在單模中占主要地位。 7.3 7.3 光纖

29、的色散和脈沖展寬光纖的色散和脈沖展寬 損耗和色散是光通信傳輸介質(zhì)的兩個(gè)重要的特性參量。要實(shí)損耗和色散是光通信傳輸介質(zhì)的兩個(gè)重要的特性參量。要實(shí) 現(xiàn)長(zhǎng)距離光通信，光纖必須同時(shí)具有低的損耗和小的色散?，F(xiàn)長(zhǎng)距離光通信，光纖必須同時(shí)具有低的損耗和小的色散。 因?yàn)樯⑾拗屏私?jīng)過(guò)光纖傳輸?shù)墓庑盘?hào)的調(diào)制光譜寬度，所因?yàn)樯⑾拗屏私?jīng)過(guò)光纖傳輸?shù)墓庑盘?hào)的調(diào)制光譜寬度，所 以，可以利用術(shù)語(yǔ)以，可以利用術(shù)語(yǔ)“光纖帶寬光纖帶寬”(或稱帶寬或稱帶寬)來(lái)表述光纖的色來(lái)表述光纖的色 散性質(zhì)。散性質(zhì)。 m 光纖基本特性及測(cè)試全 在一般情況下，在一般情況下， 對(duì)于單模傳輸對(duì)于單模傳輸( 波型波型)，材料色散一般說(shuō)占主導(dǎo)地位，材

30、料色散一般說(shuō)占主導(dǎo)地位， 波導(dǎo)色散對(duì)它的影響很小。由于存在色差，在光纖中傳輸?shù)牟▽?dǎo)色散對(duì)它的影響很小。由于存在色差，在光纖中傳輸?shù)?光譜的不同部分有不同速度，這也可以引起脈沖的展寬。光譜的不同部分有不同速度，這也可以引起脈沖的展寬。 mnp (3)波導(dǎo)色散波導(dǎo)色散( )。它是模式本身的色散。即對(duì)于光纖某一。它是模式本身的色散。即對(duì)于光纖某一 個(gè)模式本身，在不同頻率下，相位傳播常數(shù)個(gè)模式本身，在不同頻率下，相位傳播常數(shù)mn不同，群速不不同，群速不 同，引起色散，又稱模內(nèi)色散。同，引起色散，又稱模內(nèi)色散。 (4)偏振模色散偏振模色散( )。單模。單模HEnx和和HEny正交，光纖軸的正交，光纖軸的

31、 不對(duì)稱性所引起的色散。不對(duì)稱性所引起的色散。 p 11 HE 光纖基本特性及測(cè)試全 單模光纖的材料色散、波導(dǎo)色散和總色散圖。單模光纖的材料色散、波導(dǎo)色散和總色散圖。 在多模光纖中，一般說(shuō)模式間色散占主導(dǎo)地位。如果把模式間在多模光纖中，一般說(shuō)模式間色散占主導(dǎo)地位。如果把模式間 色散平衡掉，則剩下的是材料和波導(dǎo)色散，情況與單模傳輸相色散平衡掉，則剩下的是材料和波導(dǎo)色散，情況與單模傳輸相 似，不同的是這里的波導(dǎo)色散是多模的波導(dǎo)色散似，不同的是這里的波導(dǎo)色散是多模的波導(dǎo)色散 光纖基本特性及測(cè)試全 （7.3.17.3.1） nm 當(dāng)光纖工作波長(zhǎng)為當(dāng)光纖工作波長(zhǎng)為0.85m時(shí)，對(duì)于單模傳輸，材料色時(shí)，對(duì)

32、于單模傳輸，材料色 散要比波導(dǎo)色散大一兩個(gè)量級(jí)；對(duì)于多模傳輸，則材料色散散要比波導(dǎo)色散大一兩個(gè)量級(jí)；對(duì)于多模傳輸，則材料色散 與波導(dǎo)色散大致相當(dāng)。與波導(dǎo)色散大致相當(dāng)。 g Ld L vd 設(shè)信號(hào)在光纖中傳輸，經(jīng)過(guò)設(shè)信號(hào)在光纖中傳輸，經(jīng)過(guò)L長(zhǎng)度所需的時(shí)間為長(zhǎng)度所需的時(shí)間為: 由于上述各種色散的存在延時(shí)會(huì)加大?？偟臅r(shí)延增量由于上述各種色散的存在延時(shí)會(huì)加大。總的時(shí)延增量 為為: （7.3.27.3.2） 在單模光纖波導(dǎo)中，光脈沖群時(shí)延差為在單模光纖波導(dǎo)中，光脈沖群時(shí)延差為: gn （7.3.37.3.3） n 光纖基本特性及測(cè)試全 11 1 () () n d n kdndLL Lnk dcdkcd

33、k 在一般情況下只考慮材料色散而忽略波導(dǎo)色散的影響。這時(shí)，在一般情況下只考慮材料色散而忽略波導(dǎo)色散的影響。這時(shí)， 傳播常數(shù)為傳播常數(shù)為= k，代入式，代入式(7.3.1)中中 1 n （7.3.47.3.4） 及及 2 k c 2 2 dkd 1 1 () n dnL n cd （7.3.57.3.5） 考慮到材料色散的延時(shí)考慮到材料色散的延時(shí) 隨波長(zhǎng)隨波長(zhǎng)而變化，對(duì)上式求導(dǎo)則而變化，對(duì)上式求導(dǎo)則 得得: n 2 1 2 () n dd nL dcd （7.3.67.3.6） 光纖基本特性及測(cè)試全 2 1 2 () n d nL cd 1/ g B 如果光脈沖得光譜寬度為如果光脈沖得光譜寬度為

34、，則材料色散引起的群時(shí)延差為，則材料色散引起的群時(shí)延差為: （7.3.77.3.7） 中心波長(zhǎng)中心波長(zhǎng) 材料色散特材料色散特 性決定性決定 由于由于( )值通常很小，加之激光的單色性好，因值通常很小，加之激光的單色性好，因 此，單模光纖波導(dǎo)的傳輸帶寬此，單模光纖波導(dǎo)的傳輸帶寬 可達(dá)每千米千兆可達(dá)每千米千兆 赫量級(jí)。赫量級(jí)。 在多模光纖波導(dǎo)中，入射的光脈沖的能量是許多傳輸模式之間分在多模光纖波導(dǎo)中，入射的光脈沖的能量是許多傳輸模式之間分 配的。每一模式以各自的速度傳播，因此，它們到達(dá)終端的時(shí)間配的。每一模式以各自的速度傳播，因此，它們到達(dá)終端的時(shí)間 先后不同，一個(gè)窄的脈沖在輸出端變成了彌散的脈沖

35、，使合成的先后不同，一個(gè)窄的脈沖在輸出端變成了彌散的脈沖，使合成的 輸出脈沖寬度展寬。輸出脈沖寬度展寬。 2 1 2 d n d 我們從射線光學(xué)出發(fā)來(lái)估算我們從射線光學(xué)出發(fā)來(lái)估算 的大小的大小 m 光纖基本特性及測(cè)試全 圖圖7.3.1中假定光纖長(zhǎng)度為中假定光纖長(zhǎng)度為L(zhǎng)，其中光線沿軸線傳播，其時(shí)間，其中光線沿軸線傳播，其時(shí)間 延遲最短，即延遲最短，即 ，式中，式中c為真空中光速，為真空中光速， 是纖芯是纖芯 折射率。光線剛好滿足全反射條件，延遲時(shí)間最長(zhǎng)，即折射率。光線剛好滿足全反射條件，延遲時(shí)間最長(zhǎng)，即: 11 /tLnc 1 n 1 2 c o s c L n t c （7.3.87.3.8）

36、 圖圖7.3.1 7.3.1 多模光纖波導(dǎo)中的脈沖展寬多模光纖波導(dǎo)中的脈沖展寬 光纖基本特性及測(cè)試全 式中式中 ，n2是包層折射率，所以是包層折射率，所以 光線光線和和到達(dá)終端的延時(shí)差為到達(dá)終端的延時(shí)差為: 在在n1n2的條件下，利用相對(duì)折射率差的條件下，利用相對(duì)折射率差，上，上 式可簡(jiǎn)化為式可簡(jiǎn)化為 ，因?yàn)?，因?yàn)?由多模色散決定的帶寬為由多模色散決定的帶寬為: 21 cos/ c nn 1 1 2 (1) m nL n cn 1 / m Lnc 1 . .2N AnA 1 2 21 (. .) m m nc B LN A （7.3.97.3.9） （7.3.107.3.10） 光纖基本特性及

37、測(cè)試全 12 ()1 m L nn cV 該式說(shuō)明，多模光纖波導(dǎo)的傳輸帶寬反比于數(shù)值孔徑的平方該式說(shuō)明，多模光纖波導(dǎo)的傳輸帶寬反比于數(shù)值孔徑的平方 和傳輸距離，取和傳輸距離，取 =1.5，=0.01，L=1km， B20MHz/km，延時(shí)差為，延時(shí)差為50ns/km。 以上分析是用子午光線進(jìn)行的，沒(méi)有考慮偏射線，偏射線比較麻煩，以上分析是用子午光線進(jìn)行的，沒(méi)有考慮偏射線，偏射線比較麻煩， 所以上述的分析是近似的。根據(jù)嚴(yán)格的模式理論，在所以上述的分析是近似的。根據(jù)嚴(yán)格的模式理論，在 的條件的條件 下，多模群延時(shí)差可表示為下，多模群延時(shí)差可表示為: （7.3.117.3.11） 歸一化頻率參量歸一

38、化頻率參量 對(duì)于多模光纖，波導(dǎo)越長(zhǎng)，時(shí)延越長(zhǎng)，可傳輸帶寬越窄，如果對(duì)于多模光纖，波導(dǎo)越長(zhǎng)，時(shí)延越長(zhǎng)，可傳輸帶寬越窄，如果 用階躍折射率波導(dǎo)傳輸多模，則通信容量??；若采用梯度折射用階躍折射率波導(dǎo)傳輸多模，則通信容量??；若采用梯度折射 率波導(dǎo)可以改善這種情況。率波導(dǎo)可以改善這種情況。 1 n 12 nn 光纖基本特性及測(cè)試全 2 2 ( )(0)(1)n rnr a 當(dāng)纖芯折射率呈拋物線型變化，即當(dāng)纖芯折射率呈拋物線型變化，即: （7.3.127.3.12） 這里這里n(0)為芯軸折射率，為芯軸折射率，a是纖芯半徑，是纖芯半徑，是折射率的變化率。是折射率的變化率。 對(duì)于這種光纖，由于對(duì)于這種光纖，

39、由于 各種透射角的光線均各種透射角的光線均 有可能同時(shí)到達(dá)空間有可能同時(shí)到達(dá)空間 周期的整數(shù)倍的點(diǎn)處，周期的整數(shù)倍的點(diǎn)處， 故信號(hào)傳輸?shù)娜簳r(shí)延故信號(hào)傳輸?shù)娜簳r(shí)延 差很小，傳輸帶寬就差很小，傳輸帶寬就 很寬。這是自聚焦光很寬。這是自聚焦光 纖波導(dǎo)最大的優(yōu)點(diǎn)。纖波導(dǎo)最大的優(yōu)點(diǎn)。 光纖基本特性及測(cè)試全 經(jīng)理論分析指出，在自聚焦光纖中，最長(zhǎng)經(jīng)理論分析指出，在自聚焦光纖中，最長(zhǎng) 和最短光程之間每單位長(zhǎng)度的群時(shí)延差為和最短光程之間每單位長(zhǎng)度的群時(shí)延差為: 若取若取 =1.5，=1%，則，則 0.75ns/km 這相當(dāng)于大約這相當(dāng)于大約0.7GHz/km的帶寬，可見(jiàn)它比的帶寬，可見(jiàn)它比 多模階躍型光纖的帶寬

40、大得多。多模階躍型光纖的帶寬大得多。 3 2 1 1 2 (1) 1 (1 3 ) m n c m （7.3.137.3.13） 1 n 光纖基本特性及測(cè)試全 7.4 7.4 光纖脈沖展寬的測(cè)量光纖脈沖展寬的測(cè)量 不同入射角傳播的光線不同入射角傳播的光線 光纖中光纖中不同的光波模式不同的光波模式 夾角小的低夾角小的低 階模傳播得快階模傳播得快 夾角大的高階夾角大的高階 模就傳播得慢模就傳播得慢 與光纖與光纖 軸的夾軸的夾 角角 入射角不同的光線入射角不同的光線 到達(dá)光纖出射端面到達(dá)光纖出射端面 的時(shí)間就有先后的時(shí)間就有先后 光波模間的時(shí)光波模間的時(shí) 間延遲間延遲 傳播的時(shí)間延傳播的時(shí)間延 遲輸

41、出的光脈沖遲輸出的光脈沖 就被展寬就被展寬 色散色散 色散引起的脈沖展寬，限制了光纖傳輸?shù)男畔⑷萘?。可?jiàn)，光脈沖的展寬是色散引起的脈沖展寬，限制了光纖傳輸?shù)男畔⑷萘??？梢?jiàn)，光脈沖的展寬是 光纖的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)它的測(cè)量是十分必要的光纖的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)它的測(cè)量是十分必要的 光纖基本特性及測(cè)試全 設(shè)光纖的入射脈沖為設(shè)光纖的入射脈沖為x(t)，出射脈沖為，出射脈沖為 y(t)，脈沖響應(yīng)為，脈沖響應(yīng)為h(t)，則根據(jù)數(shù)學(xué)關(guān)系，它，則根據(jù)數(shù)學(xué)關(guān)系，它 們響應(yīng)的傅立葉變換為們響應(yīng)的傅立葉變換為: 1 ( )( ) 2 1 ( )( ) 2 j t j t Xx t edt x tXed 7.4.1 7.

42、4.1 測(cè)量原理測(cè)量原理 (7.4.1)(7.4.1) 光纖基本特性及測(cè)試全 0 ( )( )( )() ( ) t y th tx th txd 同時(shí)，同時(shí)，x(t)，y(t)，h(t)之間還有下面的線性卷積關(guān)系之間還有下面的線性卷積關(guān)系: 1 ( )( ) 2 1 ( )( ) 2 j t j t Hh t edt h tHed (7.4.3)(7.4.3) (7.4.2)(7.4.2) (7.4.4)(7.4.4) 光纖基本特性及測(cè)試全 00 ( ) ( )( ) ( ) tt j tj t Y h tHeded X (7.4.6)(7.4.6) 0 0 0 ( ) ( ) t j t

43、t j t t j t y t edt ed x t edt 將上式兩邊取傅立葉變換將上式兩邊取傅立葉變換 (7.4.5)(7.4.5) 將式將式(7.4.5)代入式代入式(7.4.3)，則可得到脈沖響應(yīng)，則可得到脈沖響應(yīng)h(t)為為: 脈沖響應(yīng)脈沖響應(yīng)h(t)和頻率特性的關(guān)系也可以用傅立葉變換的公和頻率特性的關(guān)系也可以用傅立葉變換的公 式得到式得到 光纖基本特性及測(cè)試全 (7.4.7)(7.4.7) 2 () 4 0 1 ( )( )e 2 t j t Hh t edt c f 設(shè)脈沖響應(yīng)設(shè)脈沖響應(yīng)h(t)是常見(jiàn)的高斯分布是常見(jiàn)的高斯分布: (7.4.9)(7.4.9) c f 作傅立葉變換

44、有：作傅立葉變換有： 特征頻率特征頻率 是表示當(dāng)是表示當(dāng)H()降低為原值的一半，降低為原值的一半，(即降低即降低 3dB)的頻率，利用的頻率，利用 ，式，式(7. 4.84.8)可寫為可寫為: 2 ( )exp () ln2 2 c H f 光纖基本特性及測(cè)試全 同時(shí)，設(shè)入射脈沖同時(shí)，設(shè)入射脈沖x(t)和出射脈沖和出射脈沖y(t)也是高斯分布，即也是高斯分布，即: 2 0 22 ( )exp () tt y t 出 2 2 ( )exp () t x t 入 (7.4.12)(7.4.12) (7.4.11)(7.4.11) c f (7.4.10)(7.4.10) 所以如果能夠測(cè)出光截止頻率

45、所以如果能夠測(cè)出光截止頻率 ，就可以得到脈沖響應(yīng)寬，就可以得到脈沖響應(yīng)寬 度度 ，從而求得脈沖響應(yīng)，從而求得脈沖響應(yīng)h(t)。反之，測(cè)出。反之，測(cè)出h(t)，也同樣，也同樣 得到得到 和和fc的數(shù)值的數(shù)值 光纖基本特性及測(cè)試全 0 t (7.4.14)(7.4.14) 考慮脈沖的平均傳播時(shí)間考慮脈沖的平均傳播時(shí)間 222 入出 將上述各式代入卷積關(guān)系式將上述各式代入卷積關(guān)系式(7.4.4)，可求得，可求得: 這個(gè)式子在分離多模色散和其他色散的測(cè)量中很有用處。這個(gè)式子在分離多模色散和其他色散的測(cè)量中很有用處。 (7.4.13)(7.4.13) 光纖基本特性及測(cè)試全 7.4.2 7.4.2 脈沖比

46、較法脈沖比較法 由式由式(7.4.6)可知，只要求得入射光脈沖可知，只要求得入射光脈沖x(t)和出射光脈沖和出射光脈沖 y(t)，就可得到光纖的脈沖響應(yīng)，就可得到光纖的脈沖響應(yīng)h(t)。 下圖是用脈沖比較法測(cè)量脈沖展寬的實(shí)驗(yàn)裝置原理圖下圖是用脈沖比較法測(cè)量脈沖展寬的實(shí)驗(yàn)裝置原理圖 圖圖7.4.17.4.1脈沖比較法測(cè)量脈沖展寬的實(shí)驗(yàn)裝置原理圖脈沖比較法測(cè)量脈沖展寬的實(shí)驗(yàn)裝置原理圖 光纖基本特性及測(cè)試全 此外，和脈沖比較法測(cè)量相似，還有一種調(diào)制測(cè)量方法。此外，和脈沖比較法測(cè)量相似，還有一種調(diào)制測(cè)量方法。 它是利用改變光源的調(diào)制頻率而測(cè)量出相對(duì)應(yīng)的頻率響應(yīng)，它是利用改變光源的調(diào)制頻率而測(cè)量出相對(duì)應(yīng)

47、的頻率響應(yīng)， 由此求出脈沖響應(yīng)。由此求出脈沖響應(yīng)。 光源采用半導(dǎo)體激光器，檢波是用雪崩二極管，然后用同步示光源采用半導(dǎo)體激光器，檢波是用雪崩二極管，然后用同步示 波器接收并比較光脈沖信號(hào)波器接收并比較光脈沖信號(hào)(見(jiàn)圖見(jiàn)圖7.4.2)，根據(jù)波形求出，根據(jù)波形求出x(t) 和和y(t)，最后由傅立葉變換求得脈沖響應(yīng)函數(shù)，最后由傅立葉變換求得脈沖響應(yīng)函數(shù)h(t)。 圖圖7.4.2 7.4.2 輸入、輸出脈沖波形輸入、輸出脈沖波形 光纖基本特性及測(cè)試全 二、時(shí)域法二、時(shí)域法 時(shí)域法是比較輸入，輸出脈沖寬度以求光纖的帶寬，在滿時(shí)域法是比較輸入，輸出脈沖寬度以求光纖的帶寬，在滿 足注入條件時(shí)，光源輸出窄脈

48、沖足注入條件時(shí)，光源輸出窄脈沖(與待測(cè)的展寬相比極窄與待測(cè)的展寬相比極窄)注入注入 被測(cè)光纖。在光纖輸出端測(cè)量輸出脈沖被測(cè)光纖。在光纖輸出端測(cè)量輸出脈沖y(t)，然后在距離輸入，然后在距離輸入 端約端約2m處剪斷光纖，在剪斷處檢測(cè)輸入脈沖處剪斷光纖，在剪斷處檢測(cè)輸入脈沖x(t)。 圖圖7.4.67.4.6頻域法方法原理圖頻域法方法原理圖 光纖基本特性及測(cè)試全 ( )1 10lg()10lg10lg3 ( )2 c Y HdB X 實(shí)際光纖的基帶響應(yīng)呈高斯型，通常定義半幅值點(diǎn)對(duì)應(yīng)實(shí)際光纖的基帶響應(yīng)呈高斯型，通常定義半幅值點(diǎn)對(duì)應(yīng) 頻率為光截止頻率頻率為光截止頻率 。結(jié)合式（。結(jié)合式（7.4.57.

49、4.5）得到）得到: (7.4.23)(7.4.23) (7.4.24)(7.4.24) 所以所以 稱為光纖的稱為光纖的-3dB光帶寬光帶寬(或?qū)τ诠夤β视没驅(qū)τ诠夤β视胐B表示，表示， 稱稱 -6dB電子帶寬電子帶寬)。 用用FFT由計(jì)算機(jī)計(jì)算，并繪出由計(jì)算機(jī)計(jì)算，并繪出H()的的dB曲線，進(jìn)一步確曲線，進(jìn)一步確 定帶寬實(shí)測(cè)光纖帶寬定帶寬實(shí)測(cè)光纖帶寬 = 。事實(shí)上，長(zhǎng)度為。事實(shí)上，長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖基帶的光纖基帶 響應(yīng)包括?；兒蜕⒕C合影響響應(yīng)包括?；兒蜕⒕C合影響: 1 22 2 TLMLCL BBB 模畸變帶寬?；儙?色散帶寬色散帶寬 c f c f c f TL B 光纖基本特性及

50、測(cè)試全 7.4.3 7.4.3 多模色散分離測(cè)量多模色散分離測(cè)量 上述的測(cè)量都是對(duì)全色散引起的展寬進(jìn)行的，為了從全色散上述的測(cè)量都是對(duì)全色散引起的展寬進(jìn)行的，為了從全色散 中分離出多模色散、波導(dǎo)色散和材料色散，可以用一種雙束中分離出多模色散、波導(dǎo)色散和材料色散，可以用一種雙束 激光器來(lái)測(cè)量激光器來(lái)測(cè)量. 如圖如圖7.4.3所示。兩個(gè)激光器所發(fā)出的不同波長(zhǎng)的激光，所示。兩個(gè)激光器所發(fā)出的不同波長(zhǎng)的激光， 經(jīng)過(guò)半透反射鏡合成后，入射到光纖中去，然后用同步示波經(jīng)過(guò)半透反射鏡合成后，入射到光纖中去，然后用同步示波 器來(lái)檢測(cè)。器來(lái)檢測(cè)。 圖圖7.4.3 7.4.3 多模色模分離測(cè)量原理圖多模色模分離測(cè)量

51、原理圖 光纖基本特性及測(cè)試全 2 (7.4.16)(7.4.16) 波導(dǎo)色散脈沖展寬波導(dǎo)色散脈沖展寬 1 由于我們假設(shè)所有的光脈沖按時(shí)間分布均為高斯型，所以有由于我們假設(shè)所有的光脈沖按時(shí)間分布均為高斯型，所以有: (7.4.15)(7.4.15) 材料色散脈沖展寬材料色散脈沖展寬 從式從式(7.4.15)(7.4.15)和和(7.4.16)(7.4.16)，就可以求得多模色散寬度就可以求得多模色散寬度: 2222 t m入出 (7.4.17)(7.4.17) 光纖基本特性及測(cè)試全 21 ttt 1 t 2 t 圖圖7.4.3是用這種方法測(cè)量在示波器上所得脈沖波形的示意是用這種方法測(cè)量在示波器上

52、所得脈沖波形的示意 圖。圖。 是兩個(gè)發(fā)射脈沖中心的時(shí)間間隔，是兩個(gè)發(fā)射脈沖中心的時(shí)間間隔， 是接收脈沖中心是接收脈沖中心 的時(shí)間間隔，由于波長(zhǎng)的時(shí)間間隔，由于波長(zhǎng) 和和 的兩個(gè)脈沖中心的傳輸時(shí)間的兩個(gè)脈沖中心的傳輸時(shí)間 差差t為為: 圖圖7.4.4 7.4.4 發(fā)射和接收的雙脈沖波形示意圖發(fā)射和接收的雙脈沖波形示意圖 由此可以計(jì)算出多模色散寬度。由此可以計(jì)算出多模色散寬度。 1 2 (7.4.18)(7.4.18) 光纖基本特性及測(cè)試全 一、頻域法一、頻域法 圖圖7.4.57.4.5頻域法方法原理圖頻域法方法原理圖 頻域法式用頻率連續(xù)可調(diào)頻域法式用頻率連續(xù)可調(diào) 的正弦調(diào)制光源。在滿足注入的正弦

53、調(diào)制光源。在滿足注入 條件下，注入被測(cè)光纖，經(jīng)光條件下，注入被測(cè)光纖，經(jīng)光 纖傳輸后在終端測(cè)出光頻域函纖傳輸后在終端測(cè)出光頻域函 數(shù)數(shù)Y()，然后在距注入端，然后在距注入端 2m處剪斷光纖，在剪斷處測(cè)處剪斷光纖，在剪斷處測(cè) 輸入光頻域函數(shù)輸入光頻域函數(shù)X()，由此，由此 求出基帶頻響求出基帶頻響 H()=Y()/X()。 光纖基本特性及測(cè)試全 根據(jù)基帶頻響的幅頻特性就根據(jù)基帶頻響的幅頻特性就 可確定被測(cè)光纖的帶寬可確定被測(cè)光纖的帶寬 ， xy函數(shù)記錄儀給出基帶頻響的函數(shù)記錄儀給出基帶頻響的 幅頻特性曲線，曲線的幅頻特性曲線，曲線的- 6dB(電子帶寬電子帶寬)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率 即為測(cè)得

54、的光纖帶寬即為測(cè)得的光纖帶寬 值。值。 頻率計(jì)用來(lái)校準(zhǔn)掃描頻率和記頻率計(jì)用來(lái)校準(zhǔn)掃描頻率和記 錄儀掃頻曲線錄儀掃頻曲線x軸進(jìn)行定標(biāo)。軸進(jìn)行定標(biāo)。 切斷法測(cè)光纖帶寬是一種破壞性的測(cè)試方法，但由于它測(cè)試切斷法測(cè)光纖帶寬是一種破壞性的測(cè)試方法，但由于它測(cè)試 法精確可靠，法精確可靠，CCITT建議作為一種基準(zhǔn)測(cè)試方法。建議作為一種基準(zhǔn)測(cè)試方法。 TL B TL B 光纖基本特性及測(cè)試全 色散測(cè)量按光強(qiáng)調(diào)制的波形來(lái)分有相移法色散測(cè)量按光強(qiáng)調(diào)制的波形來(lái)分有相移法(正弦信號(hào)調(diào)正弦信號(hào)調(diào) 制制)和脈沖時(shí)延法和脈沖時(shí)延法(脈沖調(diào)制脈沖調(diào)制)兩類，也有人稱為頻域法和時(shí)域兩類，也有人稱為頻域法和時(shí)域 法。法。 相移

55、法相移法:通過(guò)測(cè)量不同波長(zhǎng)下同一正弦信號(hào)的相移得出群通過(guò)測(cè)量不同波長(zhǎng)下同一正弦信號(hào)的相移得出群 時(shí)延與波長(zhǎng)的關(guān)系，進(jìn)而算出色散系數(shù)。時(shí)延與波長(zhǎng)的關(guān)系，進(jìn)而算出色散系數(shù)。 設(shè)波長(zhǎng)為設(shè)波長(zhǎng)為的光相對(duì)于波長(zhǎng)為的光相對(duì)于波長(zhǎng)為 的光傳播的時(shí)延為的光傳播的時(shí)延為t，則從，則從 光纖出射端接收到兩種光的調(diào)制波形相位差為光纖出射端接收到兩種光的調(diào)制波形相位差為: 0 ( )2ft (7.4.19)(7.4.19) 光源調(diào)制頻率光源調(diào)制頻率 每公里的平均時(shí)延差每公里的平均時(shí)延差 可由下式給出可由下式給出: / t L ( ) 2fL (7.4.20)(7.4.20) 光纖基本特性及測(cè)試全 () ii 4224

56、 ABCDE 其中其中A、B、C、D、E為為 待測(cè)常數(shù)，由擬合計(jì)待測(cè)常數(shù)，由擬合計(jì) 算確定算確定 ( ) ( ) 而色散系數(shù)而色散系數(shù) (單位單位ps/kmnm): 式中式中L為光纖長(zhǎng)度，顯然，對(duì)相同的為光纖長(zhǎng)度，顯然，對(duì)相同的 提高提高f可降低可降低 的最小可測(cè)值，有利于提高測(cè)量精度；但是的最小可測(cè)值，有利于提高測(cè)量精度；但是f的提高要受到發(fā)的提高要受到發(fā) 光二極管最高調(diào)制頻率的限制，通常光二極管最高調(diào)制頻率的限制，通常f100MHz。 只要測(cè)出不同波長(zhǎng)只要測(cè)出不同波長(zhǎng) 下的下的 ，計(jì)算出，計(jì)算出 ，再利，再利 用下式用下式: i () ii (7.4.21)(7.4.21) 擬合這些數(shù)據(jù)得

57、出擬合這些數(shù)據(jù)得出 曲線曲線 533 ( )4224 d BCDE d (7.4.22)(7.4.22) 式中波長(zhǎng)以式中波長(zhǎng)以nm為單位；時(shí)間以為單位；時(shí)間以ps為單位。為單位。 光纖基本特性及測(cè)試全 圖為用一組圖為用一組LED做光源的測(cè)量系統(tǒng)，做光源的測(cè)量系統(tǒng)，LED由頻率由頻率f30MHz的的 正弦信號(hào)調(diào)制，寬光譜得調(diào)制光直接經(jīng)尾纖耦合進(jìn)待測(cè)單模光纖。正弦信號(hào)調(diào)制，寬光譜得調(diào)制光直接經(jīng)尾纖耦合進(jìn)待測(cè)單模光纖。 出射光由單色儀分出出射光由單色儀分出 6nm ，中心波長(zhǎng)為，中心波長(zhǎng)為 的單色光，的單色光， 再經(jīng)透鏡會(huì)聚到探測(cè)器得光敏面，然后經(jīng)放大器送至矢量電壓表，再經(jīng)透鏡會(huì)聚到探測(cè)器得光敏面，

58、然后經(jīng)放大器送至矢量電壓表， 利用式利用式(7.4.21)擬合這些數(shù)據(jù)得出擬合這些數(shù)據(jù)得出 曲線。由式（曲線。由式（7.4.22） 得到得到 曲線，通過(guò)曲線，通過(guò) 曲線還能確定零色散波長(zhǎng)曲線還能確定零色散波長(zhǎng) 光纖基本特性及測(cè)試全 （1） （2） 相對(duì)時(shí)延相對(duì)時(shí)延 色散系數(shù)色散系數(shù) 下圖（下圖（1）為）為1360nm波長(zhǎng)得單模光纖所測(cè)到相對(duì)時(shí)延與波長(zhǎng)波長(zhǎng)得單模光纖所測(cè)到相對(duì)時(shí)延與波長(zhǎng) 關(guān)系擬合曲線；圖（關(guān)系擬合曲線；圖（2）表示相應(yīng)色散系數(shù)與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線。）表示相應(yīng)色散系數(shù)與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線。 從圖中可以看到零色散波長(zhǎng)從圖中可以看到零色散波長(zhǎng) 1.31um， 當(dāng)當(dāng) 在在1.251.35um范圍

59、內(nèi)，色散系數(shù)為范圍內(nèi)，色散系數(shù)為 0 5/psKmnm 0 波長(zhǎng)波長(zhǎng) 光纖基本特性及測(cè)試全 被測(cè)參數(shù)被測(cè)參數(shù)基準(zhǔn)測(cè)試方法基準(zhǔn)測(cè)試方法替代測(cè)試方法替代測(cè)試方法 衰減系數(shù)衰減系數(shù)切斷法切斷法 插入損耗法、背向插入損耗法、背向 散射法散射法 基帶響應(yīng)基帶響應(yīng)時(shí)域法、頻域法時(shí)域法、頻域法 總色散系數(shù)總色散系數(shù)相移法、脈沖時(shí)延法相移法、脈沖時(shí)延法 截止波長(zhǎng)截止波長(zhǎng)傳導(dǎo)功率法傳導(dǎo)功率法 模場(chǎng)直徑與波長(zhǎng)關(guān)模場(chǎng)直徑與波長(zhǎng)關(guān) 系法系法 折射率分布折射率分布折射近場(chǎng)法折射近場(chǎng)法近場(chǎng)法近場(chǎng)法 最大理論數(shù)值孔徑最大理論數(shù)值孔徑折射近場(chǎng)法折射近場(chǎng)法近場(chǎng)法近場(chǎng)法 幾何尺寸幾何尺寸折射近場(chǎng)法折射近場(chǎng)法近場(chǎng)法近場(chǎng)法 模場(chǎng)直徑

60、模場(chǎng)直徑 傳輸場(chǎng)法、橫向偏傳輸場(chǎng)法、橫向偏 移法移法 光纖基本特性及測(cè)試全 理想的單模光纖模式是線偏振的，它的兩個(gè)基模理想的單模光纖模式是線偏振的，它的兩個(gè)基模HE11(x)和和 HE11(y)是相互垂直的線偏振模。它們的傳播常數(shù)相等，故是相互垂直的線偏振模。它們的傳播常數(shù)相等，故 彼此簡(jiǎn)并彼此簡(jiǎn)并(=0)。在傳播過(guò)程中，保持彼此相位相同，。在傳播過(guò)程中，保持彼此相位相同， 保持線偏振態(tài)不變。實(shí)際上，一方面由于光纖本身的不完保持線偏振態(tài)不變。實(shí)際上，一方面由于光纖本身的不完 善性，另一方面由于外場(chǎng)微擾的作用，造成芯徑橢圓度或善性，另一方面由于外場(chǎng)微擾的作用，造成芯徑橢圓度或 纖芯折射率變化。上