《光纤光学教学课件》第十二讲

2020/4/30,光纤的模场半径、截止波长及其特征参数的测量,2020/4/30,2020/4/30,(1)G.651光纤：工作波长850nm；多模；损耗：3dB/km(2)G.652光纤：NDSF，常规单模光纤，零色散波长1310nm；最低损耗窗口1550nm(3)G.653光纤：DSF，零色散波长1550nm；最低损耗窗口1550nm(4)G.655光纤：NZDSF，Lucent：零色散波长1530nm；Corning：1570nm(5)G.656光纤：DFF，在较大的范围内保持相近的色散值(6)大有效面积光纤：LEAF，降低非线性效应的影响(7)色散补偿光纤：DCF，色散系数与传输光纤极性相反(8)全波光纤：消除OH的吸收损耗,2020/4/30,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、负色散可补偿光脉冲的展宽。,色散与光纤传输带宽的关系：单模光纤、GIOF多模、SIOF多模。,2020/4/30,五、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播；而有相当部分的能量（约20）在包层中传输。在计算损耗等参量时，用模场半径作为描述单模光纤光能量传输集中程度的参量。,2020/4/30,2.模场半径,（1）定义：根据CCITT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。,2020/4/30,3.模场半径的实验定义值,模场半径是单模光纤的一个极为重要的参数。可估算单模光纤的连接损耗、弯曲损耗以及微弯损耗和光纤的色散值。单模光纤的模场半径不仅因测量方法的不同而异,而且还受模场半径定义的影响。已提出多种模场半径的定义,应用较广泛的有:(1)功率传输函数定义模场半径wT;(2)最大激发效率定义模场半径w;(3)近场二阶矩定义模场半径wrms;(4)远场二阶矩定义模场半径wL。,2020/4/30,(1)功率传输函数定义模场半径wT,2020/4/30,2020/4/30,(2)最大激发效率定义模场半径W,当以场分布为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:,2020/4/30,(3)模场半径的其它定义,2020/4/30,(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V值较大时，几种定义求得的模场半径比较一致；当V值较小或折射率分布差异较大时，几种模场半径可能会相差1020。,2020/4/30,六、单模光纤的截止波长,1.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。,导模截止VS单模光纤的截止波长,2020/4/30,光纤的物理化学特性,石英光纤的弯曲半径:R=50d+40d2;R2.65.4mm(50100mm芯径)耐热性能:石英材料400500;涂敷层:60耐电压性能:能承受几十千伏至几十万伏的高压耐水性能:石英光纤会由于吸潮而受到侵蚀,从而降低机械性能、增加传输损耗耐酸碱性能:几乎所有的玻璃在氟酸中都会溶解期望寿命:在常规环境下,当使用应力为125MPa时,预期的使用寿命将可达10年以上。,2020/4/30,七、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。,2020/4/30,ITU-T建议的测试方法,表2.71参数RTMATM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;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,2020/4/30,注入条件与稳态分布,2020/4/30,扰模器、滤模器和包层模剥除器,包层模剥离器,2020/4/30,1、损耗的测量,破坏性测试,2020/4/30,2020/4/30,2020/4/30,2020/4/30,2020/4/30,OTDR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,2020/4/30,2020/4/30,2020/4/30,OTDR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。,2020/4/30,2020/4/30,2.折射率分布的测量,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)折射率近场法,2020/4/30,折射率近场方法简单直接，对单模和多模光纤都适用!空间分辨率优于250nm，测试误差2时，Ka1，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,2020/4/30,2020/4/30,4.带宽的测量,2020/4/30,5.色散的测量,2020/4/30,2020/4/30,6.模场半径的测量,2020/4/30,7.截止波长的测量,2020/4/30,2020/4/30,2020/4/30,2020/4/30