多模光纖彎曲損耗

1、多模光纖的彎曲損耗實驗研究何國財（吉首大學物理科學與信息工程學院，湖南吉首416000）摘要：隨著光通訊、光網(wǎng)絡、光傳感技術(shù)的發(fā)展，光纖已經(jīng)被廣泛應用于上述系統(tǒng)作為信息載體和敏感元件。多模光纖以其結(jié)構(gòu)簡單、芯徑大、耦合效率高，損耗、色散較大而被廣泛應用于小型局域網(wǎng)，局域網(wǎng)的鋪設線路上往往彎曲較多。因此，研究彎曲對多模光纖所傳輸信號的衰減對于合理構(gòu)建和鋪設局域網(wǎng)是十分必要的。為此，我們實驗研究了62.5微米芯徑多模石英光纖在相同圈數(shù)不同彎曲半徑和相同彎曲半徑不同圈數(shù)情況下的彎曲損耗，得到了如下結(jié)論：（1）多模光纖彎曲時有一個4.5厘米到5厘米的臨界值。（2）當彎曲半徑大于臨界值時，彎曲不對損耗產(chǎn)

2、生影響，當彎曲半徑小于臨界值時，彎曲半徑越小則損耗越大；（3）當彎曲圈數(shù)到一定程度時，彎曲圈數(shù)不影響損耗。關(guān)鍵詞：多模光纖；彎曲損耗；彎曲半徑ExperimentalstudyaboutlossofMulti-moldsopticalfiberinducingbybendingHeGuocai（CollegeofPhysicsScienceandInformationEngineering,JishouUniversity,Jishou,Hunan416000）Abstract：Alongwithdevelopmentoftheopticalcommunication,theopticalne

3、twork,theopticalsensortechnology,theopticalfiberwidelyisalreadyappliedtotheabovesystemastheinformationcarrierandthesensitiveunit.Multi-moldsopticalfiberhasbeenappliedwidelyintheLANforitssimplestructure,bigcorediameter,highcouplingefficiency,highlywasteandbigdispersion.ThelineofLANalwayshasmanybendin

4、g,therefore,itisnecessarytoresearchthebendingwasteofthemulti-moldsopticalfiberforconstructingreasonablyandlayingdowntheLAN.Forthis，ithasbeenexperimentalstudythatthebendinglossof62.5-microns-cores-diametersmulti-moldssilicafiberhasthesamenumberofloopwithdifferentradiusandhasthesameradiuswithdifferent

5、numberofloop,obtainedthefollowingconclusion:（1）Themulti-moldsopticalfiberhaveamarginalwhenhascurving4.5centimetersto5centimeters.（2）Thewindingradiusisbiggerthanmarginal,itisnotinfluencelost.Thewindingradiusismoresmallthelostmorebigwhenthewindingradiussmallerthenmarginal.(3)Windingnumbercircletocerta

6、indegree,thewindingnumbercircledoesnotaffecttheloss.Keyword：Multi-moldsopticalfiber;windingwaste;windingradiusII目錄摘要I關(guān)鍵字IAbstractIKeywordsII1. 緒論11.1 引言11.2光纖的發(fā)展歷史、種類及用途21.3本論文工作的目的、意義和主要內(nèi)容82. 光纖傳輸理論82.1 光纖的模式理論82.2 光纖的光線理論113. 光纖傳輸特性163.1光纖的損耗、色散和非線性163.2 光纖的宏彎損耗、微彎損耗和彎曲過渡損耗194. 多模光纖彎曲損耗的實驗研究234.1

7、實驗裝置與實驗方法234.2 實驗結(jié)果與分析245. 結(jié)束語28參考文獻29致謝30多模光纖的彎曲損耗實驗研究緒論1緒論1.1 引言當今的信息時代是以兩大技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展為基礎，同時也是以這兩大技術(shù)為支撐的。其一是包括超大規(guī)模集成電路在內(nèi)的計算機技術(shù)，它使信息處理能力成百萬倍的提高;其二就是以半導體激光器、光纖和光電子器件為主力軍的通信和網(wǎng)絡技術(shù)，它使信息傳輸能力成百上萬倍地提高。1966年，英籍華人高錕博士（當時工作于英國標準電信研究所）深入研究了光在石英玻璃纖維中的嚴重損耗問題，發(fā)現(xiàn)了這種玻璃纖維引起光損耗的主要原因，突破了應用的瓶頸，奠定了光纖通信的基礎；在高錕理論的指導下，1970年美

8、國的康寧公司拉出了第一根損耗為20dB/km的光纖，日本也做出了超低損耗的光纖（損耗為0.2dB/km,波長為1.55pm）,展現(xiàn)出光纖通信技術(shù)發(fā)展的美好前景。1990年后推出的以電時分復用為基礎的單信道光波通信系統(tǒng)，將傳輸速率每五年提高九倍；二十世紀九十年代中期,由于摻鉺光纖放大器的實用化推動了波分復用技術(shù)的實用化,實現(xiàn)了Tbit/s量級的傳輸速率；近年來光交叉連接，光分插復用，光突發(fā)交換，光分組交換,無源光網(wǎng)絡等技術(shù)應運而生,并得到迅速的發(fā)展。進入新世紀以來,光通信行業(yè)擠掉了“泡沫”步入了健康高速發(fā)展的階段，但全光通信網(wǎng)絡是當前與未來發(fā)展的主要方向之一已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)共識，與光信號處理及智能光

9、交換相關(guān)的技術(shù)仍然保持著蓬勃的發(fā)展態(tài)勢，光電子集成，光纖傳感器及傳感系統(tǒng)等多種技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展，并在許多領(lǐng)域中得到了廣泛的應用2。光纖作為光通信和光傳感系統(tǒng)中的信息載體和敏感元件，得益于它的如下優(yōu)點：（1）它能夠海量的傳輸信息。光纖具有極寬頻帶是其各項優(yōu)點中最重要的優(yōu)點，它使得光纖可以傳送巨大的信息容量。目前光纖通信使用的光載波，頻率在1014Hz量級，而大量應用的微波載體，頻率為1010Hz量級。原則上講，前者的信息容量比后者大上萬倍。理論上講，光纖的帶寬可達40THz以上（按帶寬等于光頻的10%計），與之相反，微波（頻率4GHz）的帶寬僅為光波的十萬分之一，而金屬同軸電纜的帶寬則只有

10、60MHz。在信息需求量不斷迅速增長的現(xiàn)代社會，光纖通信系統(tǒng)所具有的潛在巨大容量無疑具有極其重要的價值?。?）保密性強。外界的干擾進不去，內(nèi)部的光能也能不能漏出來。用電磁感應的辦法來竊聽不再奏效。竊聽者必須對光纖做破壞性操作才有可能，但這樣的辦法很容易被終端發(fā)覺。這項優(yōu)點在軍事保密通信、銀行財會管理網(wǎng)絡及許多要求保密的應用中格外受到歡迎。（3）其制造原材料便宜，節(jié)約有色金屬。光纖的基本材料是二氧化硅，地球上的儲藏量可以認為取之不盡。而通信電纜是用銅做導線。銅在地球上的蘊藏量十分有限，資源顯得十分緊缺，價格很貴。相比之下光纖在經(jīng)濟效益方面占很大的優(yōu)勢。(4) 抗電磁干擾。石英材料是絕緣介質(zhì)，因此

11、雷電、工業(yè)電火花、電弧等都不會在光纖中產(chǎn)生感應電磁干擾。纖芯中除導模外的光場在包層的內(nèi)區(qū)就衰減至零。因此，即使有多根光纖在同一光纜中，它們彼此間亦不會有相互干擾。這對提高通信質(zhì)量很有幫助。(5) 傳輸損耗低。同軸電纜的損耗為5至10dB/km,而1.55微米波長的光纖損耗可以低到0.2dB/km。線路傳輸損耗低可大大增加中繼站的間距。利用光纖傳輸400Mb/s的數(shù)字信號，無中繼距離可達40km甚至120kM；而同軸電纜的無中繼距離僅為16km，且其導線損耗隨頻率上升，因而需要精密均衡。以無中繼傳輸距離同信息數(shù)據(jù)率的乘積作為評價指標，光纖比同軸電纜高出幾個數(shù)量級。(6) 光纖對外界的溫度、壓力等

12、變化特別敏感，因此可以利用這個特性制造高性能的傳感器。另外，石英光纖還有抗腐蝕，不會產(chǎn)生短路電火花等優(yōu)點。用光纖制成傳感器系統(tǒng)，用在化學試劑、石油天然氣、礦井等特殊環(huán)境中是十分有益的。光纖技術(shù)的歷史，如果以1970年第一根低損耗光纖出現(xiàn)算，僅僅十余年便形成頗具規(guī)模的產(chǎn)業(yè)。而本世紀初馬可尼等發(fā)明無線電，至40年代中期雷達用于戰(zhàn)場，微波技術(shù)趨于完備并廣泛用于通信、導航、電子戰(zhàn)等，前后經(jīng)歷了大約半個世紀。幾何光學從牛頓發(fā)明透鏡到廣泛應用則以百年計?；仡櫧倌陙砜茖W技術(shù)的發(fā)展，這種發(fā)展趨勢是很有啟發(fā)性的。1.2 光纖的發(fā)展歷史、種類及用途1.2.1光纖的發(fā)展歷史光纖的發(fā)展，大致可以分為三個階段：第一階

13、段，光纖的早期實驗室研究階段。1870年英國物理學家JoanTyndall驗證了光可以在一個彎曲的水流中傳播，證明了全內(nèi)反射現(xiàn)象的存在，為光纖的發(fā)明做好了理論上的準備。1880年著名的電話發(fā)明家貝爾提出“光電話”的想法，并做了先驅(qū)實驗。他用話音去調(diào)制通過膜孔的太陽光，以陽光做載體將話音傳到接收端。盡管貝爾的實驗僅僅達到200m距離，而且音質(zhì)很差，但所展示的概念確是當今光通信的基礎。20世紀早期，仍有不少科學家致力于光通信的研究可惜其間的進展不大，原因之一是缺乏理想的光源。另外，光在大氣中傳播必然會受到雨雪霧等各種天氣因素的嚴重干擾。技術(shù)的發(fā)展需要一種能導光的損耗小的透明介質(zhì)。1927年，英國的

14、貝爾德提出了利用光的全反射現(xiàn)象制成石英光纖，利用石英光纖來傳輸圖像。1951年設計出第一個光導纖維鏡，用于傳輸人體內(nèi)部器官圖像。1953年英國皇家科學技術(shù)學院的NarinderKapany開發(fā)出現(xiàn)在所用結(jié)構(gòu)的光纖并命名，正式宣布了光纖的誕生。第二階段，光纖研究的蓬勃發(fā)展和傳像應用階段1955年，美國的希斯喬威滋把高折射率的玻璃棒插在低折射率的玻璃管中，將他們放在高溫爐中拉制，得到了玻璃（芯）玻璃（涂層）的光纖，初步解決了光纖的漏光問題，為今天的光纖制造工藝奠定了基礎。1954年美國的考特尼普拉特提出用光纖制作熔融面板，作為電子管屏的想法。但由于工藝的原因，這個想法并沒有得到實現(xiàn)。1958年，卡

15、帕提提出了拉制復合光纖的新工藝。這種工藝制造的光纖單絲直徑很小，用這種小直徑光纖就可以得到具體有高分辨率的光學纖維面板。后來他們改進光纖制造工藝，在光纖上增加吸收套層，減少了雜散光的影響，提高了質(zhì)量，使纖維面板進入了實用化階段。1960 年，光纖束傳像研究得以突破，美國人解決了光纖排列工藝方面的問題，制造出了可彎曲，高分辨率的光纖傳像束，這種光纖傳像束在醫(yī)療儀器中得到廣泛的應用。1961 年研制出了紅外和紫外波段使用的光纖，并且用釹玻璃制造出了激光光纖。在這一階段，建立和完善了光纖理論，光纖的制造工藝有了很大的改進，光纖和光纖元件（光纖面板、光纖束）的質(zhì)量明顯改善。但由于認識和技術(shù)的局限性，光

16、纖的損耗相當大，高于1000dB/km。這使得光纖的應用僅僅局限于傳像。例如：利用光纖柔軟的特點制成的潛望鏡，內(nèi)窺鏡、用光纖制作的各種圖像變換器，像增曲西坐強器等。第三階段，光纖研究的高速發(fā)展和通信應用階段。1960年，美國人梅曼發(fā)明了紅寶石激光器。得到了第一臺相干振蕩光源，它的出現(xiàn)激起了世界范圍的光通信熱潮。1966年，英國標準電信研究所美籍華人高錕和霍克漢姆發(fā)表了具有重大歷史意義的論文。他們指出：光纖的高損耗不是光纖本身所引起的，而是由材料中所含雜質(zhì)引起的；如果降低材料雜質(zhì)的含量，就可以大大降低光纖的損耗。他們預言降低雜質(zhì)含量，改進光纖的制造工藝，可以將光纖的損耗降到20dB/km或更小。

17、他們還發(fā)現(xiàn)一些玻璃纖維在紅外光區(qū)的損耗較小。高琨等人的工作找到了光纖高損耗的主要原因，為光纖的通信應用鋪平了道路。世界上幾個實驗室對此進行了研究。1970年美國康寧公司研制出了階躍多模光纖。該光纖對630nm的波長的光，損耗小于20dB/km,這使光纖進行遠距離傳輸信息成為可能。這是光通信史上劃時代的事件。與此同時半導體激光器的研究也取得了突破性的進展，實現(xiàn)了GaAs半導體激光器室溫連續(xù)工作，該激光器的輸出波長為850nm，恰好與光纖的一個低損耗窗口波長一致。這一幸運的巧合，無疑加快了光通信發(fā)展的進程，因此1970年被認為是值得紀念的光纖通信元年1。1972年，隨著光纖原材料提純，制棒和拉絲技

18、術(shù)的提高，梯度折射率多模光纖的損耗降至4dB/km。1976年，美國芝加哥成功地進行了世界上第一個44.736Mbit/s傳輸110km的光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場實驗，使光纖通信進入實用化階段。進入實用階段以后，光纖通信的應用發(fā)展極為迅速，應用的光纖通信系統(tǒng)已經(jīng)多次更新?lián)Q代。20世紀70年代的光通信主要采用多模光纖，工作在短波長波段（850nm）,因其嚴重的色散和損耗，20世紀80年代以后逐漸被長波長（1310nm）單模光纖所替代。到了20世紀90年代初，通信容量擴大了50倍,達到了2.5Gbit/s。進入20世紀90年代以后，傳輸波長又從1310nm轉(zhuǎn)向更長的1550nm波長，實現(xiàn)光纖低損耗和零色

19、散的統(tǒng)一，并且開始使用光纖放大器，波分復用（WDM）技術(shù)等新技術(shù)。光通信容量和中繼距離繼續(xù)不斷增長。20世紀90年代末商用電時分復用TMD系統(tǒng)的速率已達10Gbit/s；而TDM40Gbit/s系統(tǒng)已進入實用化階段。由于受電子器件極限速率的限制，TMD的速率進一步提高將是十分困難的，而波分復用WDM技術(shù)的不斷發(fā)展，使其成為網(wǎng)絡升級、增加容量的最佳選擇方案。WDM試驗系統(tǒng)容量最高記錄一年中每隔幾個月就被刷新一次。到2001年3月，OFC2001年會上，日本NEC公司發(fā)布了當時世界最高記錄的WDM系統(tǒng)，該系統(tǒng)速率為10.92Tbit/s,傳輸距離達117km，該系統(tǒng)采用了分布拉曼放大、集中光纖放大

20、和極化復用技術(shù)，頻率利用率達0.8bit/s.Hz?，F(xiàn)在這個記錄估計已經(jīng)被遠遠超過。在這一階段，為適應各種特殊要求的新型單模光纖不斷問世，光纖廣泛應用于市內(nèi)電話中繼、長途通信干線、有線電視網(wǎng)主干線、互聯(lián)網(wǎng)主干連接，成為了通信線路的骨干，促進了光通信的發(fā)展。與此同時，由于光纖易受外界環(huán)境因素的影響，人們利用光纖的這一特性發(fā)明了各種形式的光纖傳感器。通過測量光纖中傳輸光波參數(shù)的變化，來測量導致光波參數(shù)變化的各種物理量的大小。近年來，光纖傳感技術(shù)發(fā)展非常迅速，成為了光纖應用的新領(lǐng)域。按照制造技術(shù)的演進，可將光纖的發(fā)展用圖（1-1）表示。色散怛夥丸纖非零色#位移光尢有效西積光纖T民常直狀光纖全渡光纖低

21、邑徽斜率尤纖邑徽補償光纖圖1-1光纖制造技術(shù)的演進縱觀光纖的發(fā)展歷史，人們?yōu)榱藵M足各種不同的應用需求而發(fā)明制造了各種不同的光纖，其結(jié)構(gòu)、材料、應用波段、傳輸特性等各不相同，我們將其簡述如下。1.2.2 光纖的種類及用途光纖的分類方法很多，既可以按照光纖截面折射率分布來分類，又可以按照光纖中傳輸模式數(shù)的多少、光纖使用的材料或傳輸?shù)墓ぷ鞑ㄩL來分類。(1) 按光纖組成材料一般可分為：石英系光纖 多組分玻璃光纖 全塑料光纖 氟化物光纖 硫硒化合物光纖 光子晶體光纖(2) 按工作波長可分為:短波長光纖(800900nm) 長波長光纖(13001600nm) 超長波長光纖(2000nm以上) 全波光纖(3

22、)按傳輸模式可分為:單模光纖多模光纖(4)按光纖橫截面的折射率分布可分為: 階躍光纖 漸變折射率光纖由于光纖分類多種多樣，各種分類相互交叉，各種光纖的傳輸特性還可根據(jù)用戶的需求而特殊制造，所以在這里我們只對上述光纖的一般特性和用途進行歸納1。(1)石英光纖。這種光纖的損耗低，工作波長在1.55微米時損耗可降到0.15dB/km,工作波長在0.85微米時，損耗為30dB/km.(2)多組分玻璃光纖。這種光纖由普通光學玻璃拉制而成，損耗也較低，如鈉硼硅酸鹽玻璃光纖，工作波長在0.63微米時，最低損耗為3.4dB/km。(3) 塑料光纖。這種光纖是用兩種以上的高分于材料共聚而成。它與石英光纖相比具有

23、重量輕、成本低、柔軟性好、加工方便等優(yōu)點，但損耗較大。工作波長0.63微米時達到100200dB/km?；诖嗽?，塑料光纖的應用有限。它們可以成捆地用在一些圖像傳輸和照明場合，在這些場合中，光無需遠距離傳輸，另外要求造價也較低。在通信系統(tǒng)中，塑料光纖僅能用在短途鏈路上，如辦公樓或汽車內(nèi)部。(4) 多模光纖?？捎蒙鲜鏊胁牧现谱?。多模光纖又可以分為階躍式和漸變式兩種。多模光纖可以說是第一種廣泛應用于實際的光纖，直到現(xiàn)在，它還發(fā)揮著不可替代的作用。它的纖芯直徑較粗(50或62.5pm)，數(shù)值孔徑較大，可傳多種模式的光。常用的多模光纖芯徑和涂敷層外徑規(guī)格為：50/125pm(歐洲標準)，62.5/

24、125pm(美國標準)。由于多模光纖的模式色散嚴重，現(xiàn)在發(fā)展的長距離通信網(wǎng)絡已不再使用。但是它價格便宜，相對于單模光纖容易耦合和安裝，將來光纖到戶時仍有很大的發(fā)展空間。（5）單模光纖?；緱l件是芯徑足夠小，光纖中傳輸模式只有一個。單模光纖以其損耗低、頻帶寬、容量大、成本低、易于擴容等優(yōu)點，成為一種理想的長距離通信介質(zhì)得到廣泛的應用。單模光纖傳輸信號的速度遠遠高于多模光纖，無中繼傳播距離大于幾千米。但復用技術(shù)也使光纖的色散和非線性效應更為顯著，為解決光纖的色散問題，研究人員相繼開發(fā)出了幾種折射率特殊分布的單模光纖：色散位移光纖（在單信道系統(tǒng)中運行良好，卻不適用于波分復用系統(tǒng)，現(xiàn)已不再生產(chǎn)），非零

25、色散位移光纖（規(guī)格和性能仍在發(fā)展中，潛在應用領(lǐng)域是城域網(wǎng)，傳輸距離很短，不需要光放大器），小色散斜率光纖（適用于密集波分復用系統(tǒng)），大有效面積光纖（使光功率在光纖截面上分布的有效面積最大，從而減小非線性效應），色散補償光纖（用于補償或抵消其它單模光纖中無法避免的色散）。（6）聚合物光纖。目前通信的主干線已實現(xiàn)了以石英單模光纖為基質(zhì)的通信,但是，在接入網(wǎng)和光纖入戶（FTTH）工程中，石英單模光纖卻遇到了較大的困難。由于石英單模光纖的纖芯很細（6-10ym）,光纖的耦合和互接都面臨技術(shù)困難，因為需要高精度的對準技術(shù)。因此對于距離短、接點多的接入網(wǎng)用戶是一個難題。而聚合物光纖（PolymerOpti

26、calfiber，POF）由于其芯徑大（0.2-1.5mm），故可以使用廉價而又簡單的注塑連接器，并且其韌性和可繞性均較好，數(shù)值孔徑大，可以使用廉價的激光源，在可見光區(qū)有低損耗的窗口，適用于接入網(wǎng)。聚合物光纖是目前FTTH工程中最有希望的傳輸介質(zhì)。聚合物光纖分為多模階躍型SI-POF和多模漸變型GI-POF兩大類，由于SI-POF存在嚴重的模式色散，傳輸帶寬與雙絞銅線相似，限制在5MHz以內(nèi)，即便在很短的通信距離內(nèi)也不能滿足FDDI、SDH、B-ISDN的通信標準要求，而GI-POF纖芯的折射率分布呈拋物線，因此模式色散大大降低，信號傳輸?shù)膸捲?00m內(nèi)可達2.5Gbps以上。近年來，GI-

27、POF已成為POF研究的主要方向。最近，N.Tanio從理論上預測了無定形全氟聚丁烯乙烯基醚在1300nm處的理論損耗極限為0.3dB/km，在500nm處的損耗可低至0.15dB/km，這完全可以和石英光纖的損耗相比擬。GGiorgio等人報道了100m全氟GI-POF的數(shù)據(jù)傳輸速率已達到11Gbps。因此，GI-POF有可能成為接入網(wǎng)，用戶網(wǎng)等的理想傳輸介質(zhì)。（7）氟化物光纖。能傳輸0.45pm波長范圍的光，通常簡稱為氟光纖。它們主要由四氟化鋯和二氟化鋇組成，同時加入了其它成份形成玻璃混合物。商用氟化物光纖的最低損耗在2.6pm處約為25dB/km，但實驗室已有損耗約為1dB/km的氟化物

28、光纖的報道。由于氟光纖具有一些比較可取的光學特性，因此能用在某些摻鉺光纖放大器中。（8）全波光纖。隨著人們對光纖帶寬需求的不斷擴大，通信業(yè)界一直在努力探求消除“水吸收峰”的途徑。全波光纖（All-WaveFiber）的生產(chǎn)制造技術(shù)，從本質(zhì)上來說，就是通過盡可能地消除OH離子的“水吸收峰”的一項專門的生產(chǎn)工藝技術(shù)，它使普通標準單模光纖在1383nm附近處的衰減峰，降到足夠低的程度。1998年，美國朗訊公司研制了一種新的光纖制造技術(shù)，它能消除光纖玻璃中的OH離子，從而使光纖損耗完全由玻璃的特性所控制，“水吸收峰”基本上被“壓平”了，從而使光纖在1280-1625nm的全部波長范圍內(nèi)都可以用于光通信

29、，由此，全波光纖制造技術(shù)的難題也逐漸得到了解決。到目前為止，已經(jīng)有許多廠家能夠生產(chǎn)通信用全波光纖，如朗訊公司的All-wave光纖、康寧公司的SMF-28e光纖、阿爾卡特的ESMF增強型單模光纖、以及藤倉公司的LWPfiber光纖等。全波光纖在城域網(wǎng)建設中將會大有作為。從網(wǎng)絡運營商的角度來考慮，有了全波光纖，就可以采用粗波分復用技術(shù)，取其信道間隔為20nm左右，這時仍可為網(wǎng)絡提供較大的帶寬，而與此同時，對濾波器和激光器性能要求卻大為降低，這就大大降低了網(wǎng)絡運營商的建設成本。全波光纖的出現(xiàn)使多種光通信業(yè)務有了更大的靈活性，由于有很寬的波帶可供通信之用，我們就可將全波光纖的波帶劃分成不同通信業(yè)務段

30、而分別使用?？梢灶A見，未來中小城市城域網(wǎng)的建設，將會大量采用這種全波光纖。(9) 光子晶體光纖。所謂光子晶體，實際上就是一種介質(zhì)在另一種介質(zhì)中周期排列組成的人造晶體，該排列周期為波長量級。光子晶體光纖(PhotonicCrystalfiber，PCF)是由ST.J.Russell等人于1992年提出的。對石英光纖來說，PCF的結(jié)構(gòu)特點是在其中間沿軸向均勻排列空氣孔，這樣從光纖端面看，就存在一個二維周期性的結(jié)構(gòu)，如果其中一個孔遭到破壞和缺失，則會出現(xiàn)缺陷，利用這個缺陷，光就能夠在其中傳播。這種PCF與普通單模光纖不同，由于它是由周期性排列空氣孔的單一石英材料構(gòu)成，所以有中空光纖(holeyfib

31、er)或微結(jié)構(gòu)光纖(micro-structuredfiber)之稱。PCF引人注目的一個特點是，結(jié)構(gòu)合理，具備在所有波長上都支持單模傳輸?shù)哪芰?，即所謂的“無休止單?！碧匦?endlesslysingle-mode)，這個特性已經(jīng)有了很好的理論解釋。這需要滿足空氣孔足夠小的條件，空氣孔徑與孔間距之比必須不大于0.2。空氣孔較大的PCF將會與普通光纖一樣，在短波長區(qū)會出現(xiàn)多?，F(xiàn)象。PCF的另一個特點是它具有奇異的色散和非線性特性，在光通信領(lǐng)域?qū)袕V泛的應用?，F(xiàn)在人們已經(jīng)在PCF中成功產(chǎn)生了850nm光孤子，預計將來波長還可以降低。PCF在未來超寬WDM的平坦色散補償中可能扮演重要角色。世界領(lǐng)先

32、的PCF產(chǎn)品商業(yè)化的公司丹麥CrystalFiberA/S最近推出了新的光子晶體光纖產(chǎn)品系列。一種是中空的“空氣波導光子能帶隙晶體光纖”(air-guidingPhotonicBandgapFiber)，此晶體光纖的纖芯是中空的，利用空氣作為波導，使光可以在特殊的能帶隙中傳輸。另外一種是“雙包層高數(shù)值孔徑摻鐿晶體光纖”(Double7多模光纖的彎曲損耗實驗研究光纖傳輸理論CladHighNAYbFiber），該光纖可以用在光纖激光器或光纖放大器中，另外由于該光纖具有光敏性，還可以在它上面刻寫光纖光柵?？梢钥闯觯饫w的發(fā)展歷史就是人們不斷地追求低損耗、低色散、高帶寬、高傳輸速率的歷史?？梢妭鬏斕?/p>

33、性對于光纖的重要性。1.3本論文工作的目的、意義和主要內(nèi)容隨著光通訊、光網(wǎng)絡、光傳感技術(shù)的發(fā)展，光纖已經(jīng)被廣泛應用于上述系統(tǒng)作為信息載體和敏感元件。不同的光纖對光能量和光信息的保真度是不同的。研究并了解不同光纖的傳輸特性將有利于我們合理選材、合理布局，為構(gòu)建最合乎需要、性能最佳的光通訊、光網(wǎng)絡、光傳感系統(tǒng)提供依據(jù)。多模光纖以其結(jié)構(gòu)簡單、芯徑大、耦合效率高、色散較大而被廣泛應用于小型局域網(wǎng)，局域網(wǎng)的鋪設線路上往往彎曲較多。因此，研究彎曲對多模光纖所傳輸信號的功率和色散的影響對于合理構(gòu)建和鋪設局域網(wǎng)是十分必要的。為此，我們實驗研究了62.5微米芯徑多模石英光纖在相同圈數(shù)不同彎曲半徑和相同彎曲半徑不

34、同圈數(shù)情況下的彎曲損耗和色散，得到了一些有意義的結(jié)論。2光纖傳輸理論光纖傳輸理論分為模式理論和光線理論。模式理論采用波動光學的方法，把光作為電磁波來處理，研究電磁波在光纖中的傳輸規(guī)律，得到光纖中的傳播模式、場結(jié)構(gòu)、傳輸常數(shù)及截止條件。光線理論采用幾何光學的方法可簡單直觀地得到光線在光纖中傳輸?shù)奈锢韴D像。光纖中傳播的模式可分為三類：傳導模：滿足全反射條件的那些模式。其光場分布特點是：在纖芯內(nèi)為駐波場或行波場，波場功率被限制在纖芯內(nèi)傳播。輻射模：不滿足全反射條件的模式，其電磁場不限于光纖芯區(qū)而可徑向輻射至無窮遠。輻射模在纖芯和包層之中均為行波場，光纖失去了對光波場功率的限制作用。漏泄模：以臨界角入

35、射的光線，在纖芯內(nèi)傳播時，光波場功率透過一定厚度的“隧道”泄漏到包層之中，在包層中沿傳播方向為衰減的行波場2.1光纖的模式理論描寫電磁場的麥克斯韋方程組為：V.D=pV.B二0VxE二SBdt2-1-1)VxH二J+SDSt16其中E是電場強度，D是電位移矢量，H是磁場強度，B是磁感應強度，p是電荷密度，J為電流密度。對于各向同性介質(zhì)，E、D、H、B滿足如下的物質(zhì)方程：D=eE/、(2-1-2)B=卩H式中8,卩為介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導率，一般是頻率的函數(shù)，即存在色散現(xiàn)象?，F(xiàn)在討論一種比較簡單的情況，即對于均勻、各向同性介質(zhì)，8，卩為常數(shù)，可以寫成：8=880r(2-1-3)0r式中8、8為真空

36、的介電常數(shù)和磁導率，8,卩為介質(zhì)的相對介電常數(shù)和相對磁導率。0rrr在介質(zhì)中既沒有空間電荷、也無電流的情況下，將式(2-1-22-1-3)代入式(2-1-1)于是得到：VxE=0VBVxE2-1-4)2-1-5)StVxB=0VxB-y8SE0r0rSt將(2-1-4)兩邊取旋度：Vx(VxE)-Vx(VE)-V2E-VxBSt將公式2-1-4,代入2-1-5，得E，B滿足的波動方程：V2-1色V2StE=02-1-6)V2-1竺V2StB=0式中2-1-7)1cv8卩nv是電磁波速，n為介質(zhì)中的折射率12。假設電磁場以角頻率®作簡諧振蕩，在光學中對應理想單色波情況。這一假設并不影響

37、問題的普遍性，因為任何復雜問題都可以視為簡諧振蕩的傅立葉分量的疊加。這時的波動方程就稱為亥姆霍茲(Helmholtz)方程。在無源空間，介質(zhì)是理想、均勻、各向同性而且電磁場是簡諧的條件下，可得到光在光波導中傳播應滿足的亥姆霍茲方程式：V2E+k2E二0V2H+k2H=0(2_1_8)其中k=k0n為折射率為n的介質(zhì)中的傳播常數(shù)(也叫波數(shù))。k0為真空中的波數(shù)。用波動理論研究光纖中的電磁波行為，通常有兩種解法： 矢量解法，是一種嚴格的傳統(tǒng)解法，求滿足邊界條件的波動方程的解。 標量解法，是將光纖中傳輸?shù)碾姶挪ń瓶闯墒桥c光纖軸線平行的，在此基礎上推導出階躍型光纖的場方程、特征方程并在此基礎上分析標

38、量模的特性。下面我們引用矢量解法的結(jié)果。矢量解法的理論計算分為三大步驟: 利用圓柱坐標系f(rg,z)中的亥姆霍茲方程求出Ez、Hz； 由Ez和Hz利用麥克斯韋方程組求出耳、Eq斗、； 利用Eq%在纖芯和包層交界處連續(xù)的特點，即在r=a處E=E佗、H=H佗求出導波特征方程。由此解得:AJ(Ur)ejm申-e-j伽-炭)(r<a)mCK(Wr)ejm申-e-j(®t-卩z).(r>a)mr(2-1-9)BJ(Ur)ejme-j伽-炭)(r<a)mDK(Wr)ejm申e-j(血-卩乙)(r>a)m其中，定義了U=也叫卩2,W=2k2n2n1和n2分別為纖芯和包層的

39、折射率。Jm(Ur)是m階第一類標準貝塞爾函數(shù)，Km(Wr)是m階第二類修正貝塞爾函數(shù)。常數(shù)A、B、C、D由邊界連續(xù)條件確定。由上式可知：當r足夠大，且U為實數(shù)即k2n2-02>0時，Jm(Ur)的漸進表達式為:01mJ(Ur)m(2-1-10)(兀cosUrI4表明此時纖芯內(nèi)是振蕩波。當r足夠大，且W為任意數(shù)時，Km(Wr)的漸進表達式為:2-1-11)由此可見：K(Wr)m兀Ue-Wr2Wr>0,則W為正實數(shù)，故包層內(nèi)是衰減波02-k2n2J<0,則W為虛數(shù)，故包層內(nèi)是振蕩波02=0,則W為0,是以上兩種情況的臨界狀態(tài)令V三W2+W2a=叭譏-役，稱為歸一化頻率。臨界狀態(tài)

40、時W=0=Wc,則V=Ua=Vc,稱為歸一化截止頻率。顯然：導波存在的條件為：V>Vc導波截止的臨界條件為：V=Vc由邊界條件得到的A、B、C、D滿足的四個奇次方程組成的方程組，僅當系數(shù)矩陣的行列式為零時，才有非奇異解。這個條件提供了確定傳播常數(shù)卩的本征方程,其形式為：(J'(u),K'(3)丫m-+m.uJ(u)3K(3)人mmn2m+n2m1uJ(u)2®K(®)丿mm(11二m2+、)n2n2+2-人u232丿其中.dJ(u),dK(3)J'(u)二m,K'(3)二m,u二Ua,3二Wamdumd3由此解得臨界狀態(tài)，即：W=0=W

41、時，u=Ua=fk2n2-02V由矢量解可得到如下結(jié)論：Cmnmn01mnC 、對應于每一階貝塞爾函數(shù)（m取某一確定整數(shù)），都存在多個解（以n=1,2,表示），記為®mn；每一個Pmn值對應于一個能在光纖中傳輸?shù)墓鈭龅哪Ｊ?；根?jù)不同的m與n的組合，光纖中將存在許多模式；m表示導波模式的場分量沿纖芯圓周方向出現(xiàn)最大值的個數(shù)，n表示沿徑向出現(xiàn)最大值的個數(shù)。 、HE模式在任何光纖中都存在（因為任何光纖都有V>0）,HEn模稱為基模。 、滿足0<V-2-4048條件的光纖，僅含基模，稱為單模光纖，此條件稱為單模工作條件。反之，V>2.4048條件的光纖，稱為多模光纖，此條件

42、稱為多模條件。 、纖芯越細，高階模數(shù)量越少，反之，高階模數(shù)量越多。 、工作波長越長，高階模數(shù)量越少，反之，高階模數(shù)量越多。 光纖端面臨界入射角越小，高階模數(shù)量越少，反之，高階模數(shù)量越多。2.2 光纖的光線理論以幾何光學為基礎的光線理論，一直是傳統(tǒng)光學儀器和元件設計的理論基礎。它在處理短波長情況的光傳播問題要比波動方程簡單得多。而且它并不局限于光傳播問題的范圍，它還可以描敘波動光學所描敘大部分現(xiàn)象，有簡單，直觀的優(yōu)點?，F(xiàn)在我們用光線光學來解釋以下突變折射率光纖的傳光原理。一般來說多模光纖的纖芯直徑在50um左右，纖芯材料的折射率大約1.51,光纖纖芯的光學長度約為光通信波長的75倍左右，所以用光

43、線分析處理多模光纖可得到滿意的結(jié)果。在光纖中有兩種光線，一種叫子午光線，它是一個平面內(nèi)彎曲進行的光線，并在一個周期內(nèi)與纖芯的中心軸相交兩次；另一類叫做斜光線，它是一種不通過光纖的中心軸且不在一個平面內(nèi)的光線，這類光線在光纖橫載面中的運動范圍是在芯子-包層邊界與焦散面之間，如下圖所示：圖2-1光線在光纖橫載面中的運動圖2-2斜光線的全反射條件下面我們來求斜光線的全反射條件。如圖2-2所示，設斜光線SX由X點入射后(入射角為00)，在Y、Z等點反射，由于SX是斜入射，光纖的軸線不包含在入射面之內(nèi)，所以光線的軌跡是一條空間折線。作YP和ZQ平行于軸線CC'，交光纖橫截面于P、Q兩點°

44、;ZXYP=e表示XY光線與軸線的夾角(稱為軸線角)，XYP平面和橫截面XPC垂直，其交線為XP，a=90o-0'表示XY與XP的夾角，卩表示XP與XC的夾角。由于a、卩所在平面相互垂直，根據(jù)立體幾何公式有：cos©=cosacosP(2-2-1)式中申表示XY與XC的夾角，即XY與光纖界面過X點的法線的夾角。將a=900-9'代入上式，可得：cos©=sin9'cosP(2-2-2)圖中X、P、Q各點在光纖橫截面上組成的折線，可以看成光線XYZ在橫截面上的投影。每曲折一次表示發(fā)生一次反射?？梢钥闯觯诠饩€傳播過程中卩角是不變的,軸線角也是不變的。所

45、以光線在光纖中傳輸在各反射點入射角申是不變的。在端面上，SX的入射角為，折射角為e，由折射定律可得：nsin0=nsin0'(2-2-3)001在光纖內(nèi)部，光線在纖芯和包層的界面上反射，入射角為申，發(fā)生全反射的條件是:sinQ>n/n由此可導出斜光線在光纖端面入射時的最大孔徑角e斜n2一n22-2-4)2-2-5)sin0=iy斜ncosp0定義斜光線的數(shù)值孔徑fn2一n2NA=nsin0=J_2斜0斜cosp由于cosp<1，所以斜光線的數(shù)值孔徑比子午線的要大。對于漸變折射率光纖在這里我們來研究它的光線方程。(1) 漸變折射率光纖中的光線方程漸變型光纖與階躍型光纖的區(qū)別在

46、于其纖芯的折射率不是常數(shù)，而是隨半徑的增加而遞減直到等于包層的折射率。理想情況下，漸變型光纖中各個子午面內(nèi)折射率分布的規(guī)律是一樣的。子午面內(nèi)平行于光纖軸線的線上各點折射率相等，稱為等折射率線。與均勻光纖一樣，漸變型光纖中同樣存在兩類光線：子午線和斜光線。分析斜光線在漸變型光纖中的傳輸規(guī)律非常復雜，因而這里只研究子午線的傳輸。作漸變折射率光纖中子午光線的軌跡圖(2-3)，圖2-3漸變折射率光纖中子午光線的軌跡圖因為平行于光纖軸線的線上各點折射率相等，取傳輸光線上任意一點P,由折射定律有：n(r)sinG=恒量(2-2-6)2-2-7)n(r)隨r的增加而減小，則當r增大時，折射角0增加，光沿著一

47、條彎曲的路徑傳輸，并且彎向折射率大的一方。路徑的曲率中心C位于折射率大的一方。根據(jù)曲率半徑的定義：R=dsd0式中ds表示P點光線向前傳輸?shù)幕≡L；d0是對應的切線ds在弧長上轉(zhuǎn)過的角度;dscos0=dr。由此可得:2-2-8)1cos9d02-2-11)Rdr將(2-2-8)兩邊微分，可得dnsin0+ncos0d0=0(2-2-9)(2-2-8)和(2-2-9)可導出1sin0dn(2-2-10)Rndr由于n(r)隨r的增加而減小，所以有：dn<0，(2-2-10)式可改寫為dr1sin0dnRndr從(2-2-11)式可知：0=0時，1/R三0，表明光線在光纖中沿垂直于等折射率

48、線方向傳輸時不會彎曲；當00時,lfR豐0，說明在漸變折射率光纖中傳輸光線要彎曲，始終彎向折射率較大的方向。如圖(2-2-3)午面ABCD中傳輸，光線軌跡具有某種周期性。在圖(2-2-3)中用申表示光線在某一點切線與光纖軸線的夾角，因而(2-2-6)式又可表示為：n(r)cos=恒量隨著r的增大,(p角越來越小。當9=0時，光線離軸的距離最大。下面以圖(2-2-3)中光線的路徑曲線為例，導出光在光纖中傳輸?shù)墓饩€方程。dr/dz表示路徑曲線在某一點切線的斜率，有如下關(guān)系：dr.(1(、=tan©=1(2-2-12)dz(cos29丿由(2-2-11)式可知：n(0)cos9=n(r)c

49、os92-2-13)式中n(0)和p0分別為r=0處的折射率和折射角。1i_n2(r)cos20n2(0)cos2e0n2(r)n2(0)cos20on2(0)cos2002-2-14)將(2-2-14)式代入(2-2-12)式，可得：dz_f"皿0o廿dr(2-2-15)n2(r)n2(0)cos2020當折射率分布函數(shù)n(r)已知時，由(2-2-15)式可以得到光線傳輸路徑的曲線方程。fn(0)cos0z_frf0十o切2(r)n2(0)cos2020dr2-2-16)(2)平方律折射率分布光纖中光線軌跡方程平方折射率分布函數(shù)為：(r2n(r)_n(0)12A-Ia丿2-2-17

50、)式中A_z_fr0n2(0)-n2(a)，&為纖芯半徑。將(2-2-17)式代入(2-2-16)式可得：2n2(0)n(0)cos0r,acos0fdracos0.rj2A0卡dr_0-J2(r)n2(0)cos202-v'2A0(a2sin200I0I2Adroarcsin<2Aasin002-2-18)光線軌跡是周期為2n的正弦曲線，有如下關(guān)系:五acos00z(九)_0z(九)_2n兀2兀acos00-<2A(n=0,1,2.)2-2-19)空間周期為z(X)0。光線軌跡的周期與入射角(或折射角)有關(guān)，不同入射角的光線在光纖中傳輸時有不同的空間周期，所以不同

51、入射角的光線在平方律折射率光纖中傳輸不能聚焦在一點。如果申0很小，cos901，周期,z久)_11這時光線軌跡周期與入射角無關(guān)，不同2-2-20)入射角的光線能聚焦在一點。三、雙曲正割折射率分布光纖中光線軌跡方程雙曲正割折射率分布函數(shù)為：n(r)=n(0)sech(ar)式中a為光纖纖芯的半徑。將(2-2-20)代入(2-2-16)式可得多模光纖的彎曲損耗實驗研究光纖傳輸特性兀sech2(ar)-cos2©-arcsin02sin©sech(ar)0dr.-'sech2(ar)-cos2©d_cosazsin©sech(ar)0sech2（ar）

52、1C0S2©0sin-az丿從（2-2-17）式可知，要得到周期為2n的余弦軌跡，則要求：az=2nn,z=2nn/a（n=0,l,2.）由（2-2-22）式可知，光纖中光線的軌跡具有空間周期性，周期為跡的周期與入射角無關(guān)。這說明：雙曲正割折射率分布的光纖具有自聚焦作用，不同入射角的光線在這種折射率分布的光纖中傳輸，可以聚焦于一點。光線能聚焦于一點的光纖稱為自聚焦光纖。雙曲正割折射率分布的光纖是自聚焦光纖，入射角很小的平方律折射率分布光纖也是自聚焦光纖。2-2-21)（2-2-22）z0=2n/a。光線軌3光纖傳輸特性3.1光纖的損耗、色散和非線性3.1.1光纖的損耗光纖傳光并不是完

53、全沒有損耗的,光纖的傳光損耗問題一直是研究光纖傳輸特性的最重要的內(nèi)容之一。本章主要對光纖損耗進行一些簡單的介紹。在光纖中損耗可以分為兩類：內(nèi)部損耗和外部損耗。內(nèi)部損耗是那些與給定的光纖材料相關(guān)而不能通過技術(shù)改造和生產(chǎn)方法的改革而改善的損耗；外部損耗是那些與制造，制纜和安裝方法相關(guān)的，也就是說在理論上可以是零的損耗。內(nèi)部損耗主要產(chǎn)生的主要原因是：1、在紫外和紅外區(qū)域內(nèi)的材料共振和瑞利散射。材料共振與電極化的虛數(shù)部分相聯(lián)系且可以解釋為：分子、原子、甚至單個的電子。當外界的光頻率與這些微粒之間的振動頻率一樣時將產(chǎn)生共振，此時將消耗很大一部分能量，使外部的光損耗很大。2、瑞利散射是由于光纖里的二氧化硅

54、分子之間的距離和位置的不規(guī)則性引起的散射損耗，它隨外界光波長的增加而減小。外部損耗主要包括0H-離子對光的吸收和彎曲損耗。0H-的吸收主要是由于在制造光纖中無法消除所造成的，這種吸收隨這通信光波長的增加而減小，但它不但不成線形的，3而且還存在吸收高峰和通信窗口。比如在945nm、1240nm、1380nm處吸收呈現(xiàn)波峰狀而在850nm、1310nm、1550nm處卻是通信窗口，下圖是在我們常用的兩個窗口附近的損耗圖。1550Window圖3-11310nm、1550nm兩個窗口附近的損耗103.1.2光纖的色散光纖的色散是光纖的一個重要的傳輸特性，也是制約光纖通信的一個主要問題。由于實際光源總

55、是具有一定的譜線寬度，不存在絕對的單色波。光脈沖信號是由多個波長或多個模式疊加而成的。光信號在光纖傳輸時，他們的群速不同，就會產(chǎn)生時延差，對模擬信號就會產(chǎn)生波形失真，對脈沖信號在接收端波形被展寬，這是一種延遲畸變。這種延遲畸變現(xiàn)象叫做色散。延遲畸變使接收端很難識別原來的信號,而產(chǎn)生誤碼。因此色散限制了光纖通信線路的最高信息傳輸速率，這也是人們必須研究色散的原因。光纖的色散大體有以下幾種：（1）模式色散又稱模間色散光纖的模式色散只存在于多模光纖中。每一種模式到達光纖終端的時間先后不同，造成了脈沖的展寬，從而出現(xiàn)色散現(xiàn)象。（2）材料色散含有不同波長的光脈沖通過光纖傳輸時，不同波長的電磁波會導致玻璃

56、折射率不相同，傳輸速度不同就會引起脈沖展寬，導致色散。（3）波導色散又稱結(jié)構(gòu)色散它是由光纖的幾何結(jié)構(gòu)決定的色散，其中光纖的橫截面積尺寸起主要作用。光在光纖中通過芯與包層界面時，受全反射作用，被限制在纖芯中傳播。但是，如果橫向尺寸沿光纖軸發(fā)生波動，除導致模式間的模式變換外，還有可能引起一少部分高頻率的光線進入包層，在包層中傳輸，而包層的折射率低、傳播速度大，這就會引起光脈沖展寬，從而導致色散。（4）偏振模色散（PMD）又稱光的雙折射單模光纖只能傳輸一種基模的光?；嶋H上是由兩個偏振方向相互正交的模場HEnx和HE11y所組成。若單模光纖存在著不圓度、微彎力、應力等，HEnx和HE11y存在相位差，則合成光場是一個方向和瞬時幅度隨時間變