《光纤光学教学课件》第十二讲.ppt

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1、2/12/20232/12/2023 HUST 2012光纤的模场半径、截止波长及其特征参数的测量2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012 多模光纤色散多模光纤色散（适用于局域网）（适用于局域网）单模光纤色散单模光纤色散（适用于骨干网）（适用于骨干网）材料色散：频率材料色散：频率变化引起折射率变变化引起折射率变化而导致化而导致变化；变化；波导色散：频率波导色散：频率变化引起波导径向变化引起波导径向参量参量U和和W的变化，从而导致的变化，从而导致变化变化这种色散与光频率有关，这种色散与光频率有关，即与光的颜色有关，合即与光的颜色有关，合称之为称之为色度色散色度色

2、散。这种色散并不是这种色散并不是由频率不同引起，由频率不同引起，称之为称之为单色弥散单色弥散2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012(1)G.651(1)G.651光纤：光纤：工作波长工作波长850nm850nm；多模；损耗：；多模；损耗：3dB/km3dB/km(2)G.652(2)G.652光纤：光纤：NDSFNDSF，常规单模光纤，零色散波长，常规单模光纤，零色散波长1310nm1310nm；最低损耗窗口最低损耗窗口1550 nm1550 nm(3)G.653(3)G.653光纤：光纤：DSFDSF，零色散波长，零色散波长1550nm 1550nm；最低

3、损耗窗口；最低损耗窗口 1550 nm 1550 nm(4)G.655(4)G.655光纤：光纤：NZDSFNZDSF，LucentLucent：零色散波长：零色散波长1530nm1530nm；Corning Corning：1570nm1570nm(5)G.656(5)G.656光纤：光纤：DFFDFF，在较大的范围内保持相近的色散值，在较大的范围内保持相近的色散值(6)(6)大有效面积光纤：大有效面积光纤：LEAFLEAF，降低非线性效应的影响降低非线性效应的影响(7)(7)色散补偿光纤：色散补偿光纤：DCFDCF，色散系数与传输光纤极性相反，色散系数与传输光纤极性相反(8)(8)全波光纤

4、：全波光纤：消除消除OHOH的吸收损耗的吸收损耗2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012色散与脉冲宽度的关系：色散与脉冲宽度的关系：正、负色散均导致脉冲展宽；但利用正、负色散可补偿光正、负色散均导致脉冲展宽；但利用正、负色散可补偿光脉冲的展宽。脉冲的展宽。色散与光纤传输带宽的关系：单模光纤、色散与光纤传输带宽的关系：单模光纤、GIOF多模、多模、SIOF多模。多模。2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012五、单模光纤的模场半径1.问题的提出（不用光纤芯径而用模场直径）在单模光纤中，单一模式的光并不完全由纤芯承载并局限在纤芯内传

5、播；而在单模光纤中，单一模式的光并不完全由纤芯承载并局限在纤芯内传播；而有相当部分的能量（约有相当部分的能量（约2020）在包层中传输。）在包层中传输。在计算损耗等参量时，用在计算损耗等参量时，用模场半径模场半径作为描述单模光纤光能量传输集中程度的作为描述单模光纤光能量传输集中程度的参量。参量。2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 20122.模场半径（1 1）定义：）定义：根据根据CCITTCCITT规定，单模光纤输出光斑的光场若近似为高斯分布：规定，单模光纤输出光斑的光场若近似为高斯分布：其中，W0 为模场半径，即为 1/e2 光场强度的半径，即在W0处，光功率

6、为中心的1/e2。模场半径与工作波长有关，波长越短，模场半径越小。对于阶跃型单模光纤，纤芯直径和模场半径的典型值分别为8.3m和9.3m。2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 20123.模场半径的实验定义值模模场场半半径径是是单单模模光光纤纤的的一一个个极极为为重重要要的的参参数数。可可估估算算单单模模光光纤纤的连接损耗、弯曲损耗以及微弯损耗和光纤的色散值的连接损耗、弯曲损耗以及微弯损耗和光纤的色散值。单单模模光光纤纤的的模模场场半半径径不不仅仅因因测测量量方方法法的的不不同同而而异异,而而且且还还受受模模场半径定义的影响。场半径定义的影响。已已提提出出多多种种模

7、模场场半半径径的的定定义义,应应用用较较广广泛泛的的有有:(1):(1)功功率率传传输输函函数数定定义义模模场场半半径径wT;(2);(2)最最大大激激发发效效率率定定义义模模场场半半径径w;(3)近近场场二二 阶矩定义模场半径阶矩定义模场半径wrms;(4)远场二阶矩定义模场半径远场二阶矩定义模场半径wL。2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012(1)功率传输函数定义模场半径wT2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 20122/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012(2)最大激发效率定义模场半径W当

8、以场分布为g(r)的光源激发单模光纤时,激发效率(耦合效率)以及不重叠度可分别表示为:f(r)是光纤的近场分布;G(q)和F(q)分别是光源和光纤的远场分布;qsin/0 定义g(r)为高斯分布函数:2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012(3)模场半径的其它定义2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012(4)模场半径定义的比较当光纤折射率分布接近平方律分布或归一化频率当光纤折射率分布接近平方律分布或归一化频率V V值值较大时，几种定义求得的模场半径比较一致；当较大时，几种定义求得的模场半径比较一致；当V V值值较小或折射率分布

9、差异较大时，几种模场半径可能会较小或折射率分布差异较大时，几种模场半径可能会相差相差10102020。2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012六、单模光纤的截止波长1.1.定义定义:使最临近基模的高阶模LP11截止的波长c 为单模光纤的“截止波长”。当 c时，可以保证光纤工作于单模状态。2.截止波长c 与 LP11模截止时的归一化频率 有关3.理论与实验有一定的误差，且与光纤的弯曲程度有关。光纤越长，截止波长越短。ITU-T规定以2m 长光纤作为标准c是个定义参数，测量参数，又称“有效截止波长”。4.截止波长与模场半径有关利用这个关系可进行光纤截止波长测量。导

10、模截止导模截止 VS 单模光纤的截止波长单模光纤的截止波长2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012光纤的物理化学特性石英光纤的弯曲半径石英光纤的弯曲半径:R=50d+40d2;R2.65.4 mm(50100m mm芯径芯径)耐热性能耐热性能:石英材料石英材料400500;涂敷层涂敷层:60 耐电压性能耐电压性能:能承受几十千伏至几十万伏的高压能承受几十千伏至几十万伏的高压 耐水性能耐水性能:石英光纤会由于吸潮而受到侵蚀石英光纤会由于吸潮而受到侵蚀,从而降低机从而降低机械性能、增加传输损耗械性能、增加传输损耗 耐酸碱性能耐酸碱性能:几乎所有的玻璃在氟酸中都会溶

11、解几乎所有的玻璃在氟酸中都会溶解 期望寿命期望寿命:在常规环境下在常规环境下,当使用应力为当使用应力为125MPa时时,预期预期的使用寿命将可达的使用寿命将可达10年以上。年以上。2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012七、光纤参数测量技术光纤损耗折射率分布带宽(色散与基带频率响应)数值孔径模场直径截止波长。2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012ITU-T 建议的测试方法 表2.71 参 数 RTM ATM 衰减系数 切断法 插入损耗法;背向散射法 折射率分布 折射近场法 近场法 基带响应 时域法;频域法 色散系数 相移法;

12、脉冲时延法 数值孔径 折射近场法 远场法 模场直径 (无)传输场法;横向偏移法 截止波长 传导功率法 模场直径与波长关系法 RTM:基准测试方法 ATM:替代测试方法 2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012注入条件与稳态分布2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012扰模器、滤模器和包层模剥除器 包层模剥离器2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 20121、损耗的测量破坏性测试破坏性测试2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 20122/12/20232/12/20232/1

13、2/2023 HUST 20122/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 20122/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 20122/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012OTDR的作用测量光纤的总损耗单位长度光纤的损耗光纤的连接损耗光纤连接器的回波损耗光纤的长度光纤的宏观/微弯曲光纤的缺陷和断点的位置2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 20122/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 20122/12/20232/12/20232/12/2023 HUST

14、2012OTDR的性能测量的光纤长度：OTDR能测量的最长距离的反射点；OTDR的空间分辨率：能分辨空间两点的最短距离；OTDR的测量精度：与设置的光纤折射率有关；OTDR的测量盲区（一般为20m）：前端面的饱和以及模式不稳定。2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 20122/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 20122.折射率分布的测量n 根据光纤折射光(辐射模)功率与折射率n(r)成正比而建立起来的测试方法。测量方法:利用透镜将光束会聚成很小的光点入射光纤端面,入射最大角max由输入光栏控制,max远大于光纤数值孔径角,以在光纤中激励

15、起导模、漏模和辐射模;将光纤的一端浸入折射率匹配液盒之中,可使部分漏模与辐射模逸出光纤,形成一个空心光锥;利用一个遮光盘挡住漏模光,同时限定“min,由探测器接收辐射模功率P(r)(1)(1)折射率近场法折射率近场法2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012折射率近场方法简单直接，折射率近场方法简单直接，对单模和多模光纤都适用对单模和多模光纤都适用!空间分辨率优于空间分辨率优于250nm，测试误差测试误差 2时，Ka 1，因此 因此可以通过测量 P()来确定数值孔径，称为有效数值孔径：e是P()下降到中心最大值的5%时对应的 角 2/12/20232/12/20

16、232/12/2023 HUST 20122/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 20124.带宽的测量2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 20125.色散的测量2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 20122/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 20126.模场半径的测量2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 20127.截止波长的测量2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 20122/12/20232/12/20232/12/20

17、23 HUST 20122/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 20122/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 20121.一光纤长一光纤长220公里，已知光纤损耗为公里，已知光纤损耗为0.3dB/km，当当输出光功率为输出光功率为2.5 2.5 m mW时，输入光功率为多少？时，输入光功率为多少？2.光纤的损耗能否降为零？为什么？光纤的损耗能否降为零？为什么？3.已知一光纤对于已知一光纤对于1310nm波长是单模传输，当传输波长是单模传输，当传输 850nm波长和波长和1550nm波长的光波时，其色散特性有波长的光波时，其色散特性有何不同？对于光纤通信会产生什么影响？何不同？对于光纤通信会产生什么影响？思考题2/12/2023