光纖的基本特性及測(cè)試1

1、第第 七七 章章光纖的基本特性及測(cè)試光纖的基本特性及測(cè)試內(nèi)容提要內(nèi)容提要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)量前言前言前言前言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、雙折射偏振、雙折射

2、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. .sinmN An21()1nRn214nRnR ( (二二) )干涉法干涉法: :nNt 0( )n rnNt t:樣品厚度。樣品厚度。N:干涉條文數(shù)。干涉條文數(shù)。 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。限制傳輸帶寬、中繼距離。 偏振偏振、雙折射、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)

3、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。 7.1 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:(1)材料的材料的吸收損耗吸收損耗，包括纖芯和包層的物質(zhì)吸收，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))散射散射，也包括纖芯和包層。，也包括纖芯和包層。(3)波導(dǎo)波導(dǎo)散射散射，即交界面隨機(jī)的畸變或粗糙所產(chǎn)生的散射。，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)生的波導(dǎo)彎曲所產(chǎn)生的輻射損耗輻射損耗。(5)外套損耗外套損耗。下面將逐項(xiàng)介紹下面將逐項(xiàng)介紹O H加 熱 過 程原 子 缺 陷

4、吸 收強(qiáng) 烈 輻 射過 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7.1.1 7.1.1 材料的吸收損耗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源于材料吸，發(fā)現(xiàn)幾乎所有的損耗都是來源于材料吸收。材料吸收又有多種原因

5、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)本征吸收過渡族金屬離子吸收過渡族金屬離子吸收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程由于加熱過程: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

6、損耗而產(chǎn)生原子的缺陷，產(chǎn)生損耗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：（本征散射：（物質(zhì)散射中最重要的）它是物質(zhì)散射中最重要的）它是使波導(dǎo)衰減不能使波導(dǎo)衰減不能太小的基本限制之一太小的基本限制之一。非線性散射非線性散射：物質(zhì)在強(qiáng)場(chǎng)作用下，也會(huì)誘發(fā)出對(duì)入射波的：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)生散射勻，從而產(chǎn)生散射。這種

7、不均勻度與波長(zhǎng)相比是小尺寸的。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:2248(1)3atconkTatco（7.1.17.1.1）這里這里 代表代表衰減系數(shù)衰減系數(shù)， 代表代表可壓縮度可壓縮度，每單位力所產(chǎn)生，每單位力所產(chǎn)生的體積壓縮；的體積壓縮；k是是波爾茲曼常數(shù)波爾茲曼常數(shù)；T是是躍遷溫度躍遷溫度(K)；n是折是折射率射率322416()3atn dncVdc 摻雜不均勻引起的散射摻雜不均勻引起的散射：也屬于物質(zhì)的本征散射。：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

8、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）濃度起伏的均方值濃度起伏的均方值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。反過來，倒是可以利用散射損耗去是不能計(jì)算的。反過來，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，對(duì)于典型的高硅玻璃，濃度不均勻的散射濃度不均勻

9、的散射損耗約占總散射損耗約占總散射損耗的損耗的25%。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，截面形狀變化粗細(xì)不勻，截面形狀變化等，這種不均勻性同樣將引起光的等，這種不均勻性同樣將引起光的散射。另外，散射。另外，纖芯和包層界面的不光滑、污染纖芯和包層界面的不光滑、污染等，也將造成等，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，模式變換而產(chǎn)生了附加的損耗，這種附加的損耗就是波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

10、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 7.1.4 7.1.4 光纖彎曲產(chǎn)生的輻射光纖彎曲產(chǎn)生的輻射光纖彎曲是一個(gè)復(fù)雜的理論問題，電光纖彎曲是一個(gè)復(fù)雜的理論問題，電磁波在彎曲部分傳輸時(shí)，越靠外面的磁波在彎曲部分傳輸時(shí)，越靠外面的速度越大速度越大(即即越小越小)，到一定地點(diǎn)，到一定地點(diǎn)，相速等于所在物質(zhì)里的光速。相速等于所在物質(zhì)里的

11、光速。衰減系衰減系數(shù)數(shù) 。圖圖7.1.1 7.1.1 彎曲波導(dǎo)彎曲波導(dǎo)12exp()rCC R（7.1.37.1.3）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)，與曲率半徑無關(guān)。衰減與是常數(shù)，與曲率半徑無關(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)，代表相速超過光速，成為輻射的區(qū)域。相速超過光速，成為輻射的區(qū)域。r 仍以薄膜波導(dǎo)為例，假設(shè)厚度為仍以薄膜波導(dǎo)為例，假設(shè)厚度為1.18m，波長(zhǎng)為波長(zhǎng)為0.63m，折射率之差，折射率之差0.001時(shí)時(shí)(它用它用作單模傳輸，第二個(gè)模式在厚度作單模傳輸，

12、第二個(gè)模式在厚度41.18m時(shí)時(shí)產(chǎn)生產(chǎn)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)為曲率半徑超過纖，一般認(rèn)為曲率半徑超過10cm，彎曲損耗，彎曲損耗可以忽略?？梢院雎浴４笥诖笥?.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

13、至可以小到1cm。r7.1.5 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。層。在包層外圈，電磁場(chǎng)并沒有消失在包層外圈，電磁場(chǎng)并沒有消失，還要伸展到，還要伸展到外面去，這就要外面去，這就要與臨近的光纖耦合與臨近的光纖耦合。 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

14、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。12mn12comncldmmntmnPPP 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，則對(duì)于均勻波導(dǎo)，由它們兩者引起的總衰減系數(shù)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。在前面仍然考慮包層是無窮的，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，但一般一般在包層的邊緣上電磁場(chǎng)已衰減到很小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。，