光纤的基本特性及测试1

1、第第 七七 章章光纤的基本特性及测试光纤的基本特性及测试内容提要内容提要7.17.1光纤的传输损耗光纤的传输损耗7.27.2光纤的损耗的测量光纤的损耗的测量7.47.4光纤脉冲展宽的测量光纤脉冲展宽的测量7.37.3光纤的色散和脉冲展宽光纤的色散和脉冲展宽7.57.5光纤的偏振和双折射光纤的偏振和双折射7.67.6光纤的拍长和偏振模色散测量光纤的拍长和偏振模色散测量前言前言前言前言光纤的基本特性光纤的基本特性光纤几何参数：1.纤芯、包层直径、不园度、偏芯率纤芯、包层直径、不园度、偏芯率2.数值孔径数值孔径3.折射率分布折射率分布光纤物理参数：1.损耗损耗2.色散色散3.偏振、双折射偏振、双折射

2、光学几何参量测量光学几何参量测量:1.数值孔径数值孔径:2.折射率分布折射率分布:(一一)反射法反射法: P消除杂散光消除杂散光0. .sinmN An21()1nRn214nRnR ( (二二) )干涉法干涉法: :nNt 0( )n rnNt t:样品厚度。样品厚度。N:干涉条文数。干涉条文数。 光纤的损耗和色散是宽带通信传输介质的光纤的损耗和色散是宽带通信传输介质的两个十分重要的特征参量。两个十分重要的特征参量。 损耗损耗:限制传输距离。限制传输距离。 色散色散:限制传输带宽、中继距离。限制传输带宽、中继距离。 偏振偏振、双折射、双折射:对于光纤在宽带通信、传对于光纤在宽带通信、传感技术

3、上的应用，以及光纤中非线性的研究具感技术上的应用，以及光纤中非线性的研究具有重要的意义。有重要的意义。 7.1 7.1 光纤的传输损耗光纤的传输损耗产生损耗的原因主要是产生损耗的原因主要是:(1)材料的材料的吸收损耗吸收损耗，包括纤芯和包层的物质吸收，包括纤芯和包层的物质吸收(2)材料材料(或物质或物质)散射散射，也包括纤芯和包层。，也包括纤芯和包层。(3)波导波导散射散射，即交界面随机的畸变或粗糙所产生的散射。，即交界面随机的畸变或粗糙所产生的散射。(4)波导弯曲所产生的波导弯曲所产生的辐射损耗辐射损耗。(5)外套损耗外套损耗。下面将逐项介绍下面将逐项介绍O H加 热 过 程原 子 缺 陷

4、吸 收强 烈 辐 射过 渡 族 金 属 离 子吸 收 损 耗杂 质 离 子 的 吸 收离 子紫 外 吸 收本 征 吸 收红 外 吸 收损 耗折 射 率 分 布 不 均 匀制 作 缺 陷芯 -涂 层 界 面 不 理 想气 泡 、 条 文 、 结 石散 射 损 耗瑞 利 散 射本 征 散 射 及 其 他布 里 渊 散 射喇 曼 散 射7.1.1 7.1.1 材料的吸收损耗材料的吸收损耗材料吸收所产生的损耗是重要的损耗。早期的水平是材料吸收所产生的损耗是重要的损耗。早期的水平是10004000dB/km ，发现几乎所有的损耗都是来源于材料吸，发现几乎所有的损耗都是来源于材料吸收。材料吸收又有多种原因

5、收。材料吸收又有多种原因:吸收吸收物质本征吸收物质本征吸收过渡族金属离子吸收过渡族金属离子吸收OH-离子吸收离子吸收原子缺陷吸收原子缺陷吸收由原子跃迁由原子跃迁(电子吸带电子吸带)所所产生产生:红外红外8-12um,紫外紫外拖尾拖尾0.7-1.1um铁铁,钻钻,铜铜,铬等吸收峰和吸收带铬等吸收峰和吸收带也随它们的价状态不同而不同也随它们的价状态不同而不同在熔融石英玻璃里在熔融石英玻璃里OH-的吸收的吸收带在带在0.72,0.95,1.4um. 0.51.0m范围里范围里由于加热过程由于加热过程:4价价Ti-3价价由于强烈的辐射，玻璃材料会受激由于强烈的辐射，玻璃材料会受激而产生原子的缺陷，产生

6、损耗而产生原子的缺陷，产生损耗7.1.2 7.1.2 物质的散射损耗物质的散射损耗物质内部的散射，会减小传输功率，产生损耗。物质内部的散射，会减小传输功率，产生损耗。本征散射：（本征散射：（物质散射中最重要的）它是物质散射中最重要的）它是使波导衰减不能使波导衰减不能太小的基本限制之一太小的基本限制之一。非线性散射非线性散射：物质在强场作用下，也会诱发出对入射波的：物质在强场作用下，也会诱发出对入射波的散射。散射。(拉曼散射、布里渊散射拉曼散射、布里渊散射)瑞利散射瑞利散射：密度不均匀或者内应力不均匀就引起折射率不均密度不均匀或者内应力不均匀就引起折射率不均匀，从而产生散射匀，从而产生散射。这种

7、不均匀度与波长相比是小尺寸的。这种不均匀度与波长相比是小尺寸的。瑞利散射与波长瑞利散射与波长的四次方成反比。计算公式的四次方成反比。计算公式:2248(1)3atconkTatco（7.1.17.1.1）这里这里 代表代表衰减系数衰减系数， 代表代表可压缩度可压缩度，每单位力所产生，每单位力所产生的体积压缩；的体积压缩；k是是波尔兹曼常数波尔兹曼常数；T是是跃迁温度跃迁温度(K)；n是折是折射率射率322416()3atn dncVdc 掺杂不均匀引起的散射掺杂不均匀引起的散射：也属于物质的本征散射。：也属于物质的本征散射。 浓度的不均匀性的散射浓度的不均匀性的散射:所用的玻璃中有些含有几种氧

8、化所用的玻璃中有些含有几种氧化物，以改变折射率。而氧化物浓度的不均匀性或起伏，也会物，以改变折射率。而氧化物浓度的不均匀性或起伏，也会引起散射，产生损耗。引起散射，产生损耗。 衰减的计算公式为衰减的计算公式为:（7.1.27.1.2）浓度起伏的均方值浓度起伏的均方值有起伏的体积有起伏的体积一般而言，折射率的起伏是未知的，所以因之而产生的损耗一般而言，折射率的起伏是未知的，所以因之而产生的损耗(或散射或散射)是不能计算的。反过来，倒是可以利用散射损耗去是不能计算的。反过来，倒是可以利用散射损耗去得出折射率的起伏。得出折射率的起伏。对于典型的高硅玻璃，对于典型的高硅玻璃，浓度不均匀的散射浓度不均匀

9、的散射损耗约占总散射损耗约占总散射损耗的损耗的25%。7.1.3 7.1.3 波导散射损耗波导散射损耗1.由于拉制纤维时的不良性，造成纤维尺寸沿轴线起伏，如由于拉制纤维时的不良性，造成纤维尺寸沿轴线起伏，如粗细不匀，截面形状变化粗细不匀，截面形状变化等，这种不均匀性同样将引起光的等，这种不均匀性同样将引起光的散射。另外，散射。另外，纤芯和包层界面的不光滑、污染纤芯和包层界面的不光滑、污染等，也将造成等，也将造成严重的散射损耗。严重的散射损耗。2.模式变换而产生了附加的损耗，模式变换而产生了附加的损耗，这种附加的损耗就是波这种附加的损耗就是波导散射损耗。导散射损耗。很多人曾经推导了薄膜波导和圆柱

10、波导的这种模式耦合效应，很多人曾经推导了薄膜波导和圆柱波导的这种模式耦合效应，并举例作了计算。例如对薄膜波导，如果厚度为并举例作了计算。例如对薄膜波导，如果厚度为5m，折射，折射率差率差=1%，交界面的偏离均方根值为，交界面的偏离均方根值为0.9nm，每千，每千米将产生米将产生10dB的辐射损耗的辐射损耗 7.1.4 7.1.4 光纤弯曲产生的辐射光纤弯曲产生的辐射光纤弯曲是一个复杂的理论问题，电光纤弯曲是一个复杂的理论问题，电磁波在弯曲部分传输时，越靠外面的磁波在弯曲部分传输时，越靠外面的速度越大速度越大(即即越小越小)，到一定地点，到一定地点，相速等于所在物质里的光速。相速等于所在物质里的

11、光速。衰减系衰减系数数 。图图7.1.1 7.1.1 弯曲波导弯曲波导12exp()rCC R（7.1.37.1.3）式中式中 为弯曲产生的衰减系数为弯曲产生的衰减系数C1，C2是常数，与曲率半径无关。衰减与是常数，与曲率半径无关。衰减与曲率半径曲率半径R的关系表现在指数函里。的关系表现在指数函里。途中途中xR+xr的区域为阴影区，代表的区域为阴影区，代表相速超过光速，成为辐射的区域。相速超过光速，成为辐射的区域。r 仍以薄膜波导为例，假设厚度为仍以薄膜波导为例，假设厚度为1.18m，波长为波长为0.63m，折射率之差，折射率之差0.001时时(它用它用作单模传输，第二个模式在厚度作单模传输，

12、第二个模式在厚度41.18m时时产生产生)，xr16，C1为为104，C2为为100；在；在R=18cm时，衰减为时，衰减为8.68dB/m。如果。如果R增大增大一倍，则衰减将减一倍，则衰减将减exp(200)1/6.5107，使使 完全可以忽略。完全可以忽略。 上面举的是薄膜波导的例子，不是光纤的，上面举的是薄膜波导的例子，不是光纤的，而只是把它定性地解释为光纤的弯曲。对于光而只是把它定性地解释为光纤的弯曲。对于光纤，一般认为曲率半径超过纤，一般认为曲率半径超过10cm，弯曲损耗，弯曲损耗可以忽略。可以忽略。大于大于0.001，容许的曲率半径可，容许的曲率半径可以减小，甚至可以小到以减小，甚

13、至可以小到1cm。r7.1.5 7.1.5 外套损耗外套损耗串话串话:纤芯里的波导和辐射波的电磁场都要进入到包纤芯里的波导和辐射波的电磁场都要进入到包层。层。在包层外圈，电磁场并没有消失在包层外圈，电磁场并没有消失，还要伸展到，还要伸展到外面去，这就要外面去，这就要与临近的光纤耦合与临近的光纤耦合。 为了避免串话，包层外面需要再套一层衰减大的为了避免串话，包层外面需要再套一层衰减大的套子，把进入套子的电磁场消灭掉。套子，把进入套子的电磁场消灭掉。 这样，物质吸收损耗就有三部分，即纤芯里、这样，物质吸收损耗就有三部分，即纤芯里、包层里和外套里的损耗，它们各不相等。对每一个包层里和外套里的损耗，它

14、们各不相等。对每一个模式又不相同，这是由于功率分配不同的缘故。模式又不相同，这是由于功率分配不同的缘故。12mn12comncldmmntmnPPP 如果某一模式如果某一模式(m，n)纤芯的衰减系数为纤芯的衰减系数为 ，包层的，包层的为为 ，则对于均匀波导，由它们两者引起的，则对于均匀波导，由它们两者引起的总衰减系数总衰减系数 为为 :（7.1.47.1.4）式中式中 ， ， 为某模式为某模式(m，n)在在纤芯、包层中和总的功率流。纤芯、包层中和总的功率流。在前面仍然考虑包层是无穷的，功率一分为二，一部分在纤芯在前面仍然考虑包层是无穷的，功率一分为二，一部分在纤芯里传输，另一部分在包层里传输。虽然实际上并非如此，但里传输，另一部分在包层里传输。虽然实际上并非如此，但一般一般在包层的边缘上电磁场已衰减到很小在包层的边缘上电磁场已衰减到很小，所以这个近似还是可以的。，