毕业设计（论文）-多模光纤的弯曲损耗实验研究.doc

Ⅰ多模光纤的弯曲损耗实验研究XXX（吉首大学物理科学与信息工程学院，湖南吉首416000）摘要随着光通讯、光网络、光传感技术的发展，光纤已经被广泛应用于上述系统作为信息载体和敏感元件。多模光纤以其结构简单、芯径大、耦合效率高，损耗、色散较大而被广泛应用于小型局域网，局域网的铺设线路上往往弯曲较多。因此，研究弯曲对多模光纤所传输信号的衰减对于合理构建和铺设局域网是十分必要的。为此，我们实验研究了625微米芯径多模石英光纤在相同圈数不同弯曲半径和相同弯曲半径不同圈数情况下的弯曲损耗，得到了如下结论（1）多模光纤弯曲时有一个45厘米到5厘米的临界值。（2）当弯曲半径大于临界值时，弯曲不对损耗产生影响，当弯曲半径小于临界值时，弯曲半径越小则损耗越大；（3）当弯曲圈数到一定程度时，弯曲圈数不影响损耗。关键词多模光纤；弯曲损耗；弯曲半径EXPERIMENTALSTUDYABOUTLOSSOFMULTIMOLDSOPTICALFIBERINDUCINGBYBENDINGHEGUOCAICOLLEGEOFPHYSICSSCIENCEANDINFORMATIONENGINEERING,JISHOUUNIVERSITY,JISHOU,HUNAN416000ABSTRACTALONGWITHDEVELOPMENTOFTHEOPTICALCOMMUNICATION,THEOPTICALNETWORK,THEOPTICALSENSORTECHNOLOGY,THEOPTICALFIBERWIDELYISALREADYAPPLIEDTOTHEABOVESYSTEMASTHEINFORMATIONCARRIERANDTHESENSITIVEUNITMULTIMOLDSOPTICALFIBERHASBEENAPPLIEDWIDELYINTHELANFORITSSIMPLESTRUCTURE,BIGCOREDIAMETER,HIGHCOUPLINGEFFICIENCY,HIGHLYWASTEANDBIGDISPERSIONTHELINEOFLANALWAYSHASMANYBENDING,THEREFORE,ITISNECESSARYTORESEARCHTHEBENDINGWASTEOFTHEMULTIMOLDSOPTICALFIBERFORCONSTRUCTINGREASONABLYANDLAYINGDOWNTHELANFORTHIS，ITHASBEENEXPERIMENTALSTUDYTHATTHEBENDINGLOSSOF625MICRONSCORESDIAMETERSMULTIMOLDSSILICAFIBERHASTHESAMENUMBEROFLOOPWITHDIFFERENTRADIUSANDHASTHESAMERADIUSWITHDIFFERENTNUMBEROFLOOP,OBTAINEDTHEFOLLOWINGCONCLUSION1THEMULTIMOLDSOPTICALFIBERHAVEAMARGINALWHENHASCURVING45CENTIMETERSTO5CENTIMETERS2THEWINDINGRADIUSISBIGGERTHANMARGINAL,ITISNOTINFLUENCELOSTTHEWINDINGRADIUSISMORESMALLTHELOSTMOREBIGWHENTHEWINDINGRADIUSSMALLERTHENⅡMARGINAL3WINDINGNUMBERCIRCLETOCERTAINDEGREE,THEWINDINGNUMBERCIRCLEDOESNOTAFFECTTHELOSSKEYWORDMULTIMOLDSOPTICALFIBER；WINDINGWASTE；WINDINGRADIUS目录摘要Ⅰ关键字ⅠABSTRACTⅠKEYWORDSⅡ1绪论111引言112光纤的发展历史、种类及用途213本论文工作的目的、意义和主要内容82光纤传输理论821光纤的模式理论822光纤的光线理论113光纤传输特性1631光纤的损耗、色散和非线性1632光纤的宏弯损耗、微弯损耗和弯曲过渡损耗194多模光纤弯曲损耗的实验研究2341实验装置与实验方法2342实验结果与分析245结束语28参考文献29致谢30多模光纤的弯曲损耗实验研究绪论11绪论11引言当今的信息时代是以两大技术的出现与发展为基础，同时也是以这两大技术为支撑的。其一是包括超大规模集成电路在内的计算机技术，它使信息处理能力成百万倍的提高；其二就是以半导体激光器、光纤和光电子器件为主力军的通信和网络技术，它使信息传输能力成百上万倍地提高。1966年，英籍华人高锟博士当时工作于英国标准电信研究所深入研究了光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题，发现了这种玻璃纤维引起光损耗的主要原因，突破了应用的瓶颈，奠定了光纤通信的基础；在高锟理论的指导下，1970年美国的康宁公司拉出了第一根损耗为20DB/KM的光纤，日本也做出了超低损耗的光纤损耗为02DB/KM，波长为155ΜM，展现出光纤通信技术发展的美好前景。1990年后推出的以电时分复用为基础的单信道光波通信系统，将传输速率每五年提高九倍；二十世纪九十年代中期，由于掺铒光纤放大器的实用化推动了波分复用技术的实用化，实现了TBIT/S量级的传输速率；近年来光交叉连接，光分插复用，光突发交换，光分组交换，无源光网络等技术应运而生，并得到迅速的发展。进入新世纪以来，光通信行业挤掉了“泡沫”步入了健康高速发展的阶段，但全光通信网络是当前与未来发展的主要方向之一已经成为业内共识，与光信号处理及智能光交换相关的技术仍然保持着蓬勃的发展态势，光电子集成，光纤传感器及传感系统等多种技术也得到了迅速的发展，并在许多领域中得到了广泛的应用2。光纤作为光通信和光传感系统中的信息载体和敏感元件，得益于它的如下优点（1）它能够海量的传输信息。光纤具有极宽频带是其各项优点中最重要的优点，它使得光纤可以传送巨大的信息容量。目前光纤通信使用的光载波，频率在1014HZ量级，而大量应用的微波载体，频率为1010HZ量级。原则上讲，前者的信息容量比后者大上万倍。理论上讲，光纤的带宽可达40THZ以上按带宽等于光频的10％计，与之相反，微波频率4GHZ的带宽仅为光波的十万分之一，而金属同轴电缆的带宽则只有60MHZ。在信息需求量不断迅速增长的现代社会，光纤通信系统所具有的潜在巨大容量无疑具有极其重要的价值（2）保密性强。外界的干扰进不去，内部的光能也能不能漏出来。用电磁感应的办法来窃听不再奏效。窃听者必须对光纤做破坏性操作才有可能，但这样的办法很容易被终端发觉。这项优点在军事保密通信、银行财会管理网络及许多要求保密的应用中格外受到欢迎。（3）其制造原材料便宜，节约有色金属。光纤的基本材料是二氧化硅，地球上的储藏量可以认为取之不尽。而通信电缆是用铜做导线。铜在地球上的蕴藏量十分有限，多模光纤的弯曲损耗实验研究绪论2资源显得十分紧缺，价格很贵。相比之下光纤在经济效益方面占很大的优势。（4）抗电磁干扰。石英材料是绝缘介质，因此雷电、工业电火花、电弧等都不会在光纤中产生感应电磁干扰。纤芯中除导模外的光场在包层的内区就衰减至零。因此，即使有多根光纤在同一光缆中，它们彼此间亦不会有相互干扰。这对提高通信质量很有帮助。（5）传输损耗低。同轴电缆的损耗为5至10DB/KM，而155微米波长的光纤损耗可以低到02DB／KM。线路传输损耗低可大大增加中继站的间距。利用光纤传输400MB／S的数字信号，无中继距离可达40KM甚至120KM；而同轴电缆的无中继距离仅为16KM，且其导线损耗随频率上升，因而需要精密均衡。以无中继传输距离同信息数据率的乘积作为评价指标，光纤比同轴电缆高出几个数量级。（6）光纤对外界的温度、压力等变化特别敏感，因此可以利用这个特性制造高性能的传感器。另外，石英光纤还有抗腐蚀，不会产生短路电火花等优点。用光纤制成传感器系统，用在化学试剂、石油天然气、矿井等特殊环境中是十分有益的。光纤技术的历史，如果以1970年第一根低损耗光纤出现算，仅仅十余年便形成颇具规模的产业。而本世纪初马可尼等发明无线电，至40年代中期雷达用于战场，微波技术趋于完备并广泛用于通信、导航、电子战等，前后经历了大约半个世纪。几何光学从牛顿发明透镜到广泛应用则以百年计。回顾近百年来科学技术的发展，这种发展趋势是很有启发性的。12光纤的发展历史、种类及用途121光纤的发展历史光纤的发展，大致可以分为三个阶段第一阶段，光纤的早期实验室研究阶段。1870年英国物理学家JOANTYNDALL验证了光可以在一个弯曲的水流中传播，证明了全内反射现象的存在，为光纤的发明做好了理论上的准备。1880年著名的电话发明家贝尔提出“光电话”的想法，并做了先驱实验。他用话音去调制通过膜孔的太阳光，以阳光做载体将话音传到接收端。尽管贝尔的实验仅仅达到200M距离，而且音质很差，但所展示的概念确是当今光通信的基础。20世纪早期，仍有不少科学家致力于光通信的研究．可惜其间的进展不大，原因之一是缺乏理想的光源。另外，光在大气中传播必然会受到雨雪雾等各种天气因素的严重干扰。技术的发展需要一种能导光的损耗小的透明介质。1927年，英国的贝尔德提出了利用光的全反射现象制成石英光纤，利用石英光纤来传输图像。1951年设计出第一个光导纤维镜，用于传输人体内部器官图像。1953年英国皇家科学技术学院的NARINDERKAPANY开发出现在所用结构的光纤并命名，正式宣布了光纤的诞生。第二阶段，光纤研究的蓬勃发展和传像应用阶段多模光纤的弯曲损耗实验研究绪论31955年，美国的希斯乔威滋把高折射率的玻璃棒插在低折射率的玻璃管中，将他们放在高温炉中拉制，得到了玻璃（芯）玻璃（涂层）的光纤，初步解决了光纤的漏光问题，为今天的光纤制造工艺奠定了基础。1954年美国的考特尼普拉特提出用光纤制作熔融面板，作为电子管屏的想法。但由于工艺的原因，这个想法并没有得到实现。1958年，卡帕提提出了拉制复合光纤的新工艺。这种工艺制造的光纤单丝直径很小，用这种小直径光纤就可以得到具体有高分辨率的光学纤维面板。后来他们改进光纤制造工艺，在光纤上增加吸收套层，减少了杂散光的影响，提高了质量，使纤维面板进入了实用化阶段。1960年，光纤束传像研究得以突破，美国人解决了光纤排列工艺方面的问题，制造出了可弯曲，高分辨率的光纤传像束，这种光纤传像束在医疗仪器中得到广泛的应用。1961年研制出了红外和紫外波段使用的光纤，并且用钕玻璃制造出了激光光纤。在这一阶段，建立和完善了光纤理论，光纤的制造工艺有了很大的改进，光纤和光纤元件（光纤面板、光纤束）的质量明显改善。但由于认识和技术的局限性，光纤的损耗相当大，高于1000DB/KM。这使得光纤的应用仅仅局限于传像。例如利用光纤柔软的特点制成的潜望镜，内窥镜、用光纤制作的各种图像变换器，像增强器等。第三阶段，光纤研究的高速发展和通信应用阶段。1960年，美国人梅曼发明了红宝石激光器。得到了第一台相干振荡光源，它的出现激起了世界范围的光通信热潮。1966年，英国标准电信研究所美籍华人高锟和霍克汉姆发表了具有重大历史意义的论文。他们指出光纤的高损耗不是光纤本身所引起的，而是由材料中所含杂质引起的；如果降低材料杂质的含量，就可以大大降低光纤的损耗。他们预言降低杂质含量，改进光纤的制造工艺，可以将光纤的损耗降到20DB/KM或更小。他们还发现一些玻璃纤维在红外光区的损耗较小。高琨等人的工作找到了光纤高损耗的主要原因，为光纤的通信应用铺平了道路。世界上几个实验室对此进行了研究。1970年美国康宁公司研制出了阶跃多模光纤。该光纤对630NM的波长的光，损耗小于20DB/KM,这使光纤进行远距离传输信息成为可能。这是光通信史上划时代的事件。与此同时半导体激光器的研究也取得了突破性的进展，实现了GAAS半导体激光器室温连续工作，该激光器的输出波长为850NM，恰好与光纤的一个低损耗窗口波长一致。这一幸运的巧合，无疑加快了光通信发展的进程，因此1970年被认为是值得纪念的光纤通信元年1。1972年，随着光纤原材料提纯，制棒和拉丝技术的提高，梯度折射率多模光纤的损耗降至4DB/KM。1976年，美国芝加哥成功地进行了世界上第一个44736MBIT/S传输110KM的光纤通信系统的现场实验，使光纤通信进入实用化阶段。多模光纤的弯曲损耗实验研究绪论4进入实用阶段以后，光纤通信的应用发展极为迅速，应用的光纤通信系统已经多次更新换代。20世纪70年代的光通信主要采用多模光纤，工作在短波长波段（850NM），因其严重的色散和损耗，20世纪80年代以后逐渐被长波长（1310NM）单模光纤所替代。到了20世纪90年代初，通信容量扩大了50倍，达到了25GBIT/S。进入20世纪90年代以后，传输波长又从1310NM转向更长的1550NM波长，实现光纤低损耗和零色散的统一，并且开始使用光纤放大器，波分复用（WDM）技术等新技术。光通信容量和中继距离继续不断增长。20世纪90年代末商用电时分复用TMD系统的速率已达10GBIT/S；而TDM40GBIT/S系统已进入实用化阶段。由于受电子器件极限速率的限制，TMD的速率进一步提高将是十分困难的，而波分复用WDM技术的不断发展，使其成为网络升级、增加容量的最佳选择方案。WDM试验系统容量最高记录一年中每隔几个月就被刷新一次。到2001年3月，OFC2001年会上，日本NEC公司发布了当时世界最高记录的WDM系统，该系统速率为1092TBIT/S，传输距离达117KM，该系统采用了分布拉曼放大、集中光纤放大和极化复用技术，频率利用率达08BIT/SHZ。现在这个记录估计已经被远远超过。在这一阶段，为适应各种特殊要求的新型单模光纤不断问世，光纤广泛应用于市内电话中继、长途通信干线、有线电视网主干线、互联网主干连接，成为了通信线路的骨干，促进了光通信的发展。与此同时，由于光纤易受外界环境因素的影响，人们利用光纤的这一特性发明了各种形式的光纤传感器。通过测量光纤中传输光波参数的变化，来测量导致光波参数变化的各种物理量的大小。近年来，光纤传感技术发展非常迅速，成为了光纤应用的新领域。按照制造技术的演进，可将光纤的发展用图（11）表示。图11光纤制造技术的演进纵观光纤的发展历史，人们为了满足各种不同的应用需求而发明制造了各种不同的光纤，其结构、材料、应用波段、传输特性等各不相同，我们将其简述如下。