光纖通信論文

1、 光纖通信論文 課程:光纖通信原理 院系：信息工程學(xué)院 專業(yè)：電子信息工程 學(xué)號(hào)： 姓名： 班級(jí)： 指導(dǎo)老師：多模光纖的彎曲損耗摘 要：隨著光通訊、光網(wǎng)絡(luò)、光傳感技術(shù)的發(fā)展，光纖已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于上述系統(tǒng)作為信息載體和敏感元件。多模光纖以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、芯徑大、耦合效率高，損耗、色散較大而被廣泛應(yīng)用于小型局域網(wǎng)，局域網(wǎng)的鋪設(shè)線路上往往彎曲較多。因此，研究彎曲對(duì)多模光纖所傳輸信號(hào)的衰減對(duì)于合理構(gòu)建和鋪設(shè)局域網(wǎng)是十分必要的。為此，我們實(shí)驗(yàn)研究了62.5微米芯徑多模石英光纖在相同圈數(shù)不同彎曲半徑和相同彎曲半徑不同圈數(shù)情況下的彎曲損耗，得到了如下結(jié)論：（1）多模光纖彎曲時(shí)有一個(gè)4.5厘米到5厘米的臨界值。（

2、2）當(dāng)彎曲半徑大于臨界值時(shí)，彎曲不對(duì)損耗產(chǎn)生影響，當(dāng)彎曲半徑小于臨界值時(shí)，彎曲半徑越小則損耗越大；（3）當(dāng)彎曲圈數(shù)到一定程度時(shí)，彎曲圈數(shù)不影響損耗。關(guān)鍵詞：彎曲損耗；彎曲半徑 一、光纖傳輸特性1、光纖的宏彎損耗、微彎損耗和彎曲過(guò)渡損耗1.1光纖的宏彎損耗 宏彎損耗是由光纖實(shí)際應(yīng)用中必須的曲折等引起的宏觀彎曲導(dǎo)致的損耗。對(duì)宏彎損耗進(jìn)行理論分析比較困難，在這里我用通過(guò)討論模的傳輸損耗來(lái)計(jì)算。如下圖：圖1-1彎曲損耗理論模型設(shè)：1、波導(dǎo)沿y方向（垂直于紙面方向）無(wú)限延伸；2、E只有y分量，只有r分量和分量(TE模)；3、半徑R很大，場(chǎng)分布近似與平板波導(dǎo)一樣；5、由于輻射所損耗的滿足弱導(dǎo)條件；4、彎曲

3、功率不影響功率分布。 滿足波動(dòng)方程，在直角坐標(biāo)系下求出其場(chǎng)解。對(duì)于波導(dǎo)芯區(qū)外側(cè)（r1>r2）有： （1-2）式中:a為芯區(qū)半徑； U和W為歸一化橫向傳播常數(shù)； 為真空中的磁導(dǎo)率； 為相移常數(shù)； （1-3）其中P為導(dǎo)模功率。 對(duì)于波導(dǎo)彎曲時(shí)，導(dǎo)模功率有泄漏。光纖處于彎曲狀態(tài)時(shí)，其傳導(dǎo)模式的場(chǎng)分布如下圖：圖1-4傳導(dǎo)模式的場(chǎng)分布圖從能量的角度，光纖彎曲損耗源于延伸到包層中的消失場(chǎng)的尾部的輻射。當(dāng)這個(gè)模式在光纖內(nèi)傳播時(shí)，其纖芯內(nèi)和包層中的場(chǎng)分布應(yīng)該作為一發(fā)整體沿光纖的軸線向前運(yùn)動(dòng)，即：原來(lái)這部分場(chǎng)與纖芯中的場(chǎng)一起傳輸，共同攜帶能量。由于光纖是彎曲的，則在遠(yuǎn)離曲率中心一側(cè)的場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)比靠近曲

4、率中心一側(cè)的場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度快。假設(shè)光纖在軸線處，場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度為該導(dǎo)模在直光纖情形下的傳播速度，這一傳播速度比平面波在纖芯介質(zhì)中的傳播速度大，因?yàn)槔w芯內(nèi)模式傳播速度為模式場(chǎng)的相速度，而相速度是可以大于同一介質(zhì)中的光速。但要比包層介質(zhì)中的平面波傳播速度小。在橫向隨著到曲率中心的距離的增加，模式場(chǎng)的傳播速度也要增加，所以在包層中存在著一個(gè)到光纖軸線的某一臨界距離，在這一距離處模式場(chǎng)的傳播速度就等于平面波在包層介質(zhì)中的傳播速度。這里所說(shuō)的模式場(chǎng)是指能夠在這個(gè)臨界距離以遠(yuǎn)的包層區(qū)域中的場(chǎng)分布能隨模式場(chǎng)的其余部分沿光纖軸線一齊向前傳播，即其運(yùn)動(dòng)速度必須大于包層中的光速，也就是說(shuō)，位于曲率中心遠(yuǎn)側(cè)的消失場(chǎng)尾部

5、必須以較大的速度才能與纖芯中的場(chǎng)一同前進(jìn)，這是不可能的。如果光纖彎曲時(shí)，曲率半徑在大于臨界值RC時(shí)，則光纖彎曲引起的損耗很小；通?？梢院雎裕鴱澢霃叫∮谂R界半徑時(shí)，附加損耗按指數(shù)規(guī)律迅速增加。所以確定臨界值對(duì)于光纖的研究，設(shè)計(jì)和應(yīng)用都很重要。下面是多模光纖的彎曲損耗公式： （1-5）式中a為纖芯半徑；R為光纖彎曲的曲率半徑。由上式可得到臨界半徑RC的表達(dá)式： （1-6）下圖給出了多模光纖彎曲損耗隨彎曲半徑R的變化關(guān)系：圖 1-7模光纖彎曲損耗隨彎曲半徑R的變化圖 單模光纖彎曲損耗的計(jì)算公式： （1-8） （1-9） （1-10）1.2 光纖的微彎損耗 微彎損耗產(chǎn)生的原因是光纖在制造過(guò)程中或應(yīng)

6、用過(guò)程中由于應(yīng)變等原因引起的光纖微變所致，這種微變是隨機(jī)的。 從原理上講，微彎損耗也是由于彎曲引起導(dǎo)模功率的橫向泄漏，理論分析表明，單模光纖微彎損耗，主要影響于模場(chǎng)半徑，改變了光纖的相對(duì)折射率差和纖軸，并引起畸變。為了計(jì)算微彎損耗，必須知道光纖軸的畸變大小，對(duì)于階躍型光纖，微彎損耗可由以下公式近似計(jì)算： (dB/km ) （1-11） 其中，W1和W2稱為輔助模場(chǎng)半徑，近似為： （1-12） （1-13） 這里，1.5<V<2.5 。設(shè)為彎曲譜函數(shù)，近似表示為： （1-14） 公式中：是光纖纖軸橫向偏移的均方根值； LC為自相關(guān)長(zhǎng)度；上式表明，模場(chǎng)半徑的微小變化將引起彎曲損耗的明顯

7、變化。1.3 光纖的過(guò)渡彎曲損耗彎曲過(guò)渡損耗是光纖由直到彎曲的突變中產(chǎn)生的損耗。彎曲過(guò)渡損耗的機(jī)理是由于光纖由直突然變“彎曲”或各段波導(dǎo)不一致，引起模場(chǎng)的不匹配，導(dǎo)致導(dǎo)模之間的相互耦合，并損失能量。這種機(jī)理可用等效折射率的概念來(lái)解釋。以單模光纖為例，如圖所示，若光纖彎曲半徑R遠(yuǎn)大于芯徑a，則彎曲光纖中的場(chǎng)可以看成某一等效折射率分布下直光纖的場(chǎng)，在折射率分布為n (r)的直弱導(dǎo)光纖中，基模場(chǎng)解為： 圖 1-15 光纖過(guò)渡彎曲圖當(dāng)光纖產(chǎn)生彎曲時(shí)，場(chǎng)分布將產(chǎn)生一個(gè)與有關(guān)的相移。設(shè)彎曲光纖的場(chǎng)為則有： （1-16）將上式代入得： （1-17） 其中定義為等效折射率： （1-18） 上式表明，沿曲率半徑

8、正方向隨r增加而增加，這就導(dǎo)致場(chǎng)分布向曲率半徑正方向偏移，其結(jié)果是導(dǎo)模向漏模轉(zhuǎn)化，引起功率泄漏，造成過(guò)渡損耗。而且，隨著彎曲方向的改變，損耗沿Z方向變化曲線將出現(xiàn)震蕩11。二、多模光纖彎曲損耗的實(shí)驗(yàn)研究 本章主要是用實(shí)驗(yàn)的方法研究彎曲對(duì)光纖的傳輸損耗的影響。2.1實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)圖及儀器設(shè)備。 圖2-1 彎曲損耗試驗(yàn)裝置圖 上圖是測(cè)試彎曲對(duì)光纖傳輸損耗的實(shí)驗(yàn)裝置圖是He-Ne激光器 透鏡 五維支架 多模光纖 光功率計(jì)。本實(shí)驗(yàn)使用的光纖是石英多模光纖，纖芯直徑62.5微米,包層直徑125微米,數(shù)字孔徑為0.2631，在850nm時(shí)衰減為2.805dB/km;在1300nm時(shí)為0.653dB

9、/km；He-Ne激光器為633nm激光器；光功率記為OPT-1A型，由北京方式科技有限公司提供，最大量程為200毫瓦，最小分辨率為0.01微瓦。實(shí)驗(yàn)操作 1、首先將氦氖激光器、透鏡、五維支架調(diào)節(jié)到共軸。當(dāng)看到激光器的光斑能通過(guò)五維支架的中心孔和透鏡的中心并在五維支架上反射的光斑能與通過(guò)透鏡的光斑重合時(shí)，說(shuō)明它們?nèi)咭呀?jīng)同軸。2、調(diào)節(jié)透鏡和五維支架的距離，找到最佳耦合距離。3、取一段120米長(zhǎng)的多模光纖，將其端口涂縛層去掉并用乙醚將端口清洗干凈，這樣可以包層雜散光的干擾和增加耦合效果。4、將光纖安裝在五維支架上，對(duì)五維支架進(jìn)行粗條，同時(shí)目視觀察透過(guò)光纖后的光強(qiáng)大小，當(dāng)感覺(jué)到光最強(qiáng)時(shí)用光功率記探

10、測(cè)，此時(shí)細(xì)調(diào)五維支架一直調(diào)到光功率記顯示最大的光功率為止并記錄此時(shí)的光功率，此時(shí)說(shuō)明已達(dá)到最佳耦合效果。5、將光纖彎曲5厘米的一圈、二圈、一直到十圈并記錄每次的光功率，然后將光纖彎曲成4.5厘米、3.5厘米、直到1厘米重復(fù)上面的實(shí)驗(yàn)。2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 表 2-2彎曲半徑、彎曲圈數(shù)與輸出功率的關(guān)系半徑圈數(shù)0123456789105.0cm功率(w)24.924.924.924.924.924.924.924.924.924.924.94.5cm功率(w)24.924.624.624.624.524.524.524.524.524.524.54.0cm功率(w)24.923.523.0.22.

11、922.722.622.622.522.422.422.43.5cm功率(w)24.922.922.622.522 522.422.322.322.222.222.23.0cm功率(w)24.922.622.422.422.322.222.222.122.122.122.12.5cm功率(w)24.922.522.222.122.122.021.921.821.821.721.72.0cm功率(w)24.922.422.121.921.821.821.721.621.521.421.41.5cm功率(w)24.922.221.821.721.521.321.221.221.221.020.91

12、.0cm功率(w)24.921.020.720.419.819.719.519.419.219.219.1上面是彎曲半徑分別是5.0厘米、4.5厘米、4.0厘米、3.5厘米、直到1.0厘米時(shí)所彎圈數(shù)與所測(cè)功率的關(guān)系表格和函數(shù)圖（函數(shù)圖是用Origin6.0繪制，橫軸代表圈數(shù)，縱軸代表功率大?。?圖 2-3彎曲半徑、彎曲圈數(shù)與輸出功率的關(guān)系實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)論：從上述的數(shù)據(jù)表格和分析圖可以看出光纖的輸出功率隨著彎曲圈數(shù)的增加而減小，但是圈數(shù)的增加與功率的減小并不是成線性的。我們從函數(shù)圖上看到當(dāng)開(kāi)始彎曲第一圈時(shí)，功率減少得很快，第二圈時(shí)次之，到最后我們可以看到曲線越來(lái)越趨于平坦，說(shuō)明當(dāng)光纖彎曲到一定的

13、圈數(shù)時(shí)對(duì)損耗越來(lái)越影響小，但彎曲半徑大于4.5厘米以后我們發(fā)現(xiàn)彎曲對(duì)光纖的損耗很小了，在彎曲半徑為5.0厘米時(shí)彎曲不對(duì)損耗產(chǎn)生影響，而彎曲半徑小于1厘米時(shí)彎曲損耗急劇增加，說(shuō)明損耗在這里有個(gè)躍變（光纖的機(jī)械特性，不能再?gòu)澢氯ィ?。下面?lái)看彎曲半徑對(duì)光纖輸出功率的影響。在這里取彎曲三圈、二圈和一圈時(shí)的輸出功率與彎曲半徑的關(guān)系，見(jiàn)下表和函數(shù)圖（X軸代表彎曲半徑；Y軸代表輸出功率）。表2-4彎曲一圈時(shí)彎曲半徑與輸出功率關(guān)系半徑(厘米)1.01.52.02.53.03.54.04.55.0功 率(微瓦)21.022.222.422.522.622.923.524.624.9 圖 2-5彎曲一圈時(shí)彎曲半

14、徑與輸出功率關(guān)系表 2-6彎曲二圈時(shí)彎曲半徑與輸出功率關(guān)系半徑(厘米)1.01.52.02.53.03.54.04.55.0功 率(微瓦)20.721.822.122.222.422.623.024.624.9圖2-7彎曲二圈時(shí)彎曲半徑與輸出功率關(guān)系表2-8 彎曲三圈時(shí)彎曲半徑與輸出功率關(guān)系半徑(厘米)1.01.52.02.53.03.54.04.55.0功 率(微瓦)20.421.721.922.122.422.522.924.624.9圖 2-9彎曲三圈時(shí)彎曲半徑與輸出功率關(guān)系圖 2-10彎曲一、二、三圈時(shí)彎曲半徑與輸出功率的關(guān)系從上圖可以看出，在相同的彎曲圈數(shù)時(shí)彎曲半徑越大則輸出功率越大

15、，衰減越小。當(dāng)彎曲半徑在4厘米左右時(shí)彎曲損耗躍變減小。結(jié)論：可以看出彎曲半徑的臨界值在5.0厘米到4.5厘米之間,且在4厘米左右有個(gè)躍變。當(dāng)曲率半徑在大于臨界值RC時(shí)，則光纖彎曲引起的損耗很??；通?？梢院雎?，而彎曲半徑小于臨界半徑時(shí)，附加損耗迅速增加。當(dāng)彎曲半徑小到某個(gè)值時(shí)彎曲損耗突然躍變?cè)龃?。光纖的彎曲圈數(shù)越多則傳輸損耗越大，且它們之間并不成線性的增加，當(dāng)圈數(shù)增加到一定程度時(shí)，彎曲圈數(shù)幾乎不對(duì)損耗影響（在此實(shí)驗(yàn)條件下）而在相同彎曲圈數(shù)下，彎曲半徑越小則彎曲損耗越大?，F(xiàn)象簡(jiǎn)釋：由于本實(shí)驗(yàn)使用的是多模光纖，在激光傳輸時(shí)存在著很多模式，彎曲時(shí)有部分導(dǎo)模由于彎曲變成泄漏模式或輻射模式從而損失很多功率

16、。彎曲半徑越小則模式損失越多，則損耗就越大。但相同的彎曲半徑下如果彎曲圈數(shù)不斷增加，則可以泄漏的高階模會(huì)泄漏完畢，彎曲損耗將不再增加。當(dāng)彎曲半徑大到一定程度時(shí)，彎曲不對(duì)損耗產(chǎn)生影響，說(shuō)明彎曲的程度并沒(méi)有達(dá)到將導(dǎo)模泄漏的程度。即導(dǎo)模沒(méi)有變成泄漏模；但彎曲半徑小到一定值時(shí)，不但變成泄露模式的導(dǎo)模增加，而且還將由于應(yīng)力改變光纖的特性，使得光纖的各種參數(shù)發(fā)生改變，損耗也將快速的增加。三、結(jié)束語(yǔ) 自從低損耗光纖問(wèn)世以來(lái)，光纖的發(fā)展極為迅速，尤其是光纖應(yīng)用于通信領(lǐng)域，極大了滿足人們對(duì)于信息的大容量、高速率的要求。信息社會(huì)中光纖通信的飛速發(fā)展也更極大地推動(dòng)了光纖技術(shù)的發(fā)展。光纖技術(shù)自出現(xiàn)以來(lái)在理論及技術(shù)上實(shí)

17、現(xiàn)了幾次突破，使得光纖技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)出越來(lái)越美好的前景。實(shí)際應(yīng)用中，光纖需要彎曲成一定形狀制備各種光纖器件，光纖彎曲損耗是很重要的特性參量，在光纖的架設(shè)施工中，彎曲是不可避免的，研究彎曲損耗對(duì)降低施工時(shí)的彎曲損耗也有很有現(xiàn)實(shí)意義。不但如此，研究并了解不同光纖的傳輸特性將有利于我們合理選材、合理布局，為構(gòu)建最合乎需要、性能最佳的光通訊、光網(wǎng)絡(luò)、光傳感系統(tǒng)提供依據(jù)。 本文設(shè)計(jì)試驗(yàn)，通過(guò)改變多模光纖的彎曲半徑和彎曲圈數(shù)，測(cè)試出多模光纖彎曲時(shí)在4.5到5.0厘米之間有一個(gè)臨界半徑，當(dāng)彎曲半徑大于臨界值時(shí)，彎曲不對(duì)損耗產(chǎn)生影響，當(dāng)小于臨界半徑時(shí)光纖彎曲半徑越小則損耗越大；而彎曲半徑小于等于1厘米時(shí)，光纖不能再?gòu)澢掖藭r(shí)損耗特別大；當(dāng)彎曲圈數(shù)到一定程度時(shí)，彎曲圈數(shù)不影響損耗。同時(shí)光纖通信以它的海量傳輸和高保真性等諸多的優(yōu)點(diǎn)，必將成為