光纖參數(shù)對(duì)光通信的影響

1、光纖參數(shù)對(duì)光通信的影響光電信息科學(xué)系 光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)122662011055施少智指導(dǎo)教師 蘇寶璽 楊文琴【摘要】光纖通信技術(shù)的問世與發(fā)展給世界通信業(yè)帶來(lái)了革命性的變革。特別是經(jīng)歷近年的研究開發(fā)光纖、光纜、器件系統(tǒng)的品種不斷更新性能逐漸完善,已使光纖通信成為信息高速公路的傳輸平臺(tái)。為了滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)的需求，需對(duì)系統(tǒng)的傳偷性能進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)。本文介紹光纖的種類及發(fā)展史，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證光纖的衰減、色散、數(shù)值孔徑及連接錯(cuò)位對(duì)光通信的影響以及對(duì)其進(jìn)行改善，以這些信息作為指南，對(duì)于實(shí)施光纖通信設(shè)計(jì)的人員十分有用，同時(shí)，也有利于系統(tǒng)分析人員對(duì)系統(tǒng)的質(zhì)量及效果進(jìn)行預(yù)判。Abstract:With t

2、he advent of optical fiber communication technology to the world telecommunication industry has brought the revolutionary change。Especially in recent years, the research and development of optical fiber, optical cable, device varieties constantly updated performance of the system gradually perfect,

3、the optical fiber communication has also become the information superhighway transmission platform.In order to meet the requirements of modern communication system, need to steal transfer performance of system planning and design. This paper introduces the history of optical fiber, and expounds the

4、attenuation, dispersion of the fiber, the influence of the numerical aperture of optical communication.With this information as a guide, for the implementation of optical fiber communication design personnel is very useful, at the same time, also is helpful for the system analyst on the system of th

5、e quality and effect of anticipation.【關(guān)鍵詞】光纖通信系統(tǒng)；光纖參數(shù)；光纖損耗；光纖色散；光纖數(shù)值孔徑Key Word：Fiber Optical Communication System；parameters of optical fiber；fiber loss；opticalfiberdispersion目錄1光纖通信的概述31.1光纖通信的概述31.2 光纖通信技術(shù)的研究意義31.3 光纖通信發(fā)展史41.4光纖的分類52 光纖參數(shù)及其對(duì)光通信的影響62.1 光纖的衰減及衰減系數(shù)62.2 光纖的色散132.3 光纖的數(shù)值孔徑102.4 光纖連接錯(cuò)位對(duì)

6、光通信的影響183 光纖通信技術(shù)的應(yīng)用193.1 光纖通信技術(shù)在電力通信領(lǐng)域的應(yīng)用193.2 光纖通信技術(shù)在廣電行業(yè)的應(yīng)用203.3 光纖通信技術(shù)在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用204 結(jié)語(yǔ)21參考文獻(xiàn)22 1.光纖通信的概述1.1光纖通信的概述光纖通信是指以光波為載體，利用純度極高的玻璃拉制成極細(xì)的光導(dǎo)纖維，以光導(dǎo)纖 維作為傳輸?shù)拿浇椋缓笸ㄟ^光電變換，運(yùn)用光來(lái)傳輸信息的通信系統(tǒng)。光纖主要分為三個(gè) 部分，即內(nèi)芯、包層以及圖層。內(nèi)芯的直徑一般在幾微米到幾十微米之間，包層主要是指內(nèi) 芯外面的一層，其主要目的就是為了保護(hù)光纖 不受損害。在平常生活中見到的光線系統(tǒng)并不是單根的光纖，而是由許多光纖聚集在一起形 成的

7、光纜。光纖是由玻璃材料制成的電氣絕緣體，因此即使接地也不會(huì)發(fā)生回路的現(xiàn)象。光纖通信系統(tǒng)通常由電發(fā)射機(jī)、光發(fā)射機(jī)、光接收機(jī)、電接收機(jī)和由光纖構(gòu)成的光纜等組成。如圖1-1。光纖通信因其具有的大容量通信、遠(yuǎn)距離傳輸、信號(hào)串?dāng)_小、保密性能好、抗電磁干擾、傳輸質(zhì)量佳、尺寸小、重量輕、難于竊聽、光纜適應(yīng)性強(qiáng)、壽命長(zhǎng)，備受業(yè)內(nèi)人士青睞，發(fā)展非常迅速。目前光纖光纜已經(jīng)進(jìn)入了有線通信的各個(gè)領(lǐng)域，成為通信發(fā)展的主流。圖1-1 光纖通信系統(tǒng)基本組成圖1.2光纖通信技術(shù)的研究意義隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)信息的需求呈指數(shù)上升，全球數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量幾乎半年左右就翻一番。例如，IP網(wǎng)絡(luò)（Internet）從20世紀(jì)90年代開始進(jìn)入

8、一個(gè)大發(fā)展時(shí)代，其用戶數(shù)以165%的年增長(zhǎng)率在全球擴(kuò)展，到2014年上網(wǎng)用戶數(shù)已達(dá)30億左右，稱為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)的主要增長(zhǎng)因素。20世紀(jì)80年代光纖通信技術(shù)成熟并廣泛應(yīng)用，已經(jīng)和正在為信息的擴(kuò)容和IP網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展起著巨大的推動(dòng)作用，面對(duì)廣大用戶對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)容量提出更高的要求，即為了滿足數(shù)據(jù)通信大容量的需求，最佳的方案就是利用光纖給人們提供的約512THz巨大潛在帶寬資源，將信息進(jìn)行無(wú)阻賽的傳輸和交換，促使光纖通信的發(fā)展速度不僅超過了摩爾定律所限定的交換機(jī)和路由器的發(fā)展速度，而且超過了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)速度，而成為支撐通信業(yè)務(wù)量增加最重要的技術(shù)。伴隨中國(guó)城鎮(zhèn)化等宏觀經(jīng)濟(jì)政策調(diào)整，我國(guó)城鄉(xiāng)每年舊城改造和

9、新屋建設(shè)達(dá)到20多億平方米，至少可以容納 2000 萬(wàn)戶新居或數(shù)百萬(wàn)個(gè)企業(yè)，為光寬網(wǎng)建設(shè)提供了幾乎海量的外在條件。伴隨信息化社會(huì)的發(fā)展，人們隨時(shí)隨地辦公、生 活、學(xué)習(xí)、購(gòu)物、娛樂的內(nèi)在需求日益凸現(xiàn)，建設(shè)安全的全光信息網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)提升為國(guó)家戰(zhàn)略?？茖W(xué)技術(shù)水平提升使光纖通信技術(shù)提供的服務(wù)質(zhì)量能夠不斷的滿足人們的要求。電信光纖通信技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)優(yōu) 勢(shì)明顯，傳輸速度快、傳輸容量擴(kuò)大，并且在長(zhǎng)距離下實(shí)現(xiàn)信息容量提升、完善全光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在未來(lái)、光纖通信技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r下信息數(shù)據(jù)傳輸水平會(huì)在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)展下實(shí)現(xiàn)高速發(fā)展。光纖通信技術(shù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用意義。1.3光纖通信的發(fā)展史1.3.1光纖通信系統(tǒng)發(fā)展至今經(jīng)歷四代

10、升級(jí)1第一代通信系統(tǒng)：19661976年是開發(fā)期，實(shí)現(xiàn)了短波長(zhǎng)低速率多模光纖通信，波長(zhǎng)為850nm，速率為34Mbit/s或45Mbit/s，衰減為1.5dB/km，無(wú)中繼通信距離約10km。第二代通信系統(tǒng)：19761986年，以提高傳輸速率和增加傳輸距離為目標(biāo)。采用1310nm和1550nm波長(zhǎng)，單模光纖，速率為140565Mbit/s，衰減為0.85dB/km，無(wú)中繼通信距離為60km左右。第三代通信系統(tǒng)：19861996年，核心目標(biāo)是超大容量與超長(zhǎng)距離的傳輸。采用1550nm的長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器，單模光纖，衰減為0.4dB/km，無(wú)中繼通信距離為200km左右，速率可達(dá)2.510Gbit/s。

11、第四代光纖通信系統(tǒng)：前三代的傳輸系統(tǒng)主要特征是在一條光纖里傳輸一個(gè)波長(zhǎng)。隨著技術(shù)的發(fā)展，能夠多個(gè)波長(zhǎng)復(fù)用在一起傳輸，因此增加頻帶利用率的WDM技術(shù)很快得以運(yùn)用。所以，采用光放大器WDM傳輸系統(tǒng)形成了第四代光纖通信系統(tǒng)。1.3.2我國(guó)光通信的發(fā)展歷程1977年，中國(guó)第一根短波長(zhǎng)、階躍型光纖誕生。1981年，開發(fā)出光纖通信用長(zhǎng)波長(zhǎng)光器件。1985年，漢寧PDH40Mbit/s光纜通信系統(tǒng)第一個(gè)以光纖為主的干線傳輸網(wǎng)。1993年，第一套565Mb/s PDH設(shè)備誕生。1996年，第一套2.5GSDH設(shè)備誕生。1997年，第一套DWDM系統(tǒng)誕生。1999年，第一套10GSDH系統(tǒng)和32X2.5GDWD

12、M系統(tǒng)誕生。2000年，第一套32X10GDWDM系統(tǒng)誕生，在國(guó)內(nèi)首次開發(fā)出DXC、OADM設(shè)備。2001年，全球第一套互聯(lián)互通的全光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備誕生并開通實(shí)際工程。2002年，第一套1.6TDWDM系統(tǒng)誕生。2003年，第一套有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超長(zhǎng)距離光傳輸系統(tǒng)（ULH）誕生。2004年，第一套具有商用水平的WDM ULH 和EPON系統(tǒng)、第一個(gè)實(shí)質(zhì)性FTTH工程和第一個(gè)運(yùn)營(yíng)成功的國(guó)產(chǎn)FTTH工程誕生。2005年，中國(guó)第一個(gè)Tbps級(jí)DWDM（80X40G DWDM傳輸系統(tǒng)）誕生。2008年，中國(guó)成功研制出100G波分樣機(jī)，在40G下一代技術(shù)領(lǐng)域獲得突破性進(jìn)展。2009年，3G發(fā)牌帶來(lái)的中國(guó)通信業(yè)

13、投資熱，中國(guó)光通信工業(yè)走向全面景氣。2010年，中國(guó)光器件商在10G PON模塊研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化上取得重大進(jìn)展，部分已經(jīng)開始批量出貨。中國(guó)光纖通信經(jīng)過了多年艱苦發(fā)展，目前已成為世界第一大光纖需求國(guó)、制造國(guó)和預(yù)制棒進(jìn)口的國(guó)家。1.4光纖的分類1.4.1單模光纜單模光纖(Single Mode Fiber)：中心纖芯很細(xì)(芯徑一般為9或10m)，只能傳一種模式的光。因此，其模間色散很小，適用于遠(yuǎn)程通訊，但還存在著材料色散和波導(dǎo)色散，這樣單模光纖對(duì)光源的譜寬和穩(wěn)定性有較高的要求，即譜寬要窄，穩(wěn)定性要好。后來(lái)發(fā)現(xiàn)在1310nm波長(zhǎng)處，單模光纖的總色散為零。從光纖的損耗特性來(lái)看，1310nm正好是光纖的一個(gè)

14、低損耗窗口。這樣，1310nm波長(zhǎng)區(qū)就成了光纖通信的一個(gè)很理想的工作窗口，也是現(xiàn)在實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的主要工作波段。1310nm常規(guī)單模光纖的主要參數(shù)是由國(guó)際電信聯(lián)盟ITUT在G652建議中確定的，因此這種光纖又稱G652光纖。上面提到由于OH（水峰）的吸收作用，9001300nm和1340nm1520nm范圍內(nèi)都有損耗高峰，該現(xiàn)象稱為水峰。目前美國(guó)康普公司提供的TeraSPEEDTM零水峰單模光纜，正解決了此問題，TeraSPEED 系統(tǒng)通過消除了1400nm 水峰的影響因素, 從而為用戶提供了更廣泛的傳輸帶寬, 用戶可以自由使用從1260nm 到1620nm 的所有波段, 因此傳輸通道從以前

15、的240增加到400，性能比傳統(tǒng)單模光纖多50%的可用帶寬，為將來(lái)升級(jí)為100G帶寬的CWDM 粗波分復(fù)用技術(shù)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，TeraSPEED 解決方案為園區(qū)/城市級(jí)理想的主干光纖系統(tǒng)。同時(shí)，由于G.652.D 是單模光纖的最新的指標(biāo)，是所有G.652級(jí)別中指標(biāo)最嚴(yán)格的并且完全向下兼容的。如果，僅指明G.652意味著 G.652.A 的性能規(guī)范，這一點(diǎn)應(yīng)特別注意。TeraSPEED 光纖超過所有的指標(biāo)均滿足 G.652.A, .B, .C和.D 的性能規(guī)范，如下表：表1-2 各型號(hào)光纖各波長(zhǎng)的損耗而我們對(duì)于單模光纜的選型建議如下：A從傳輸距離的角度，如果希望今后支持萬(wàn)兆傳輸，而距離較遠(yuǎn)應(yīng)考

16、慮采用單模光纜。B從造價(jià)的角度，零水峰光纜提供比單模光纖多50%帶寬，而造價(jià)上又相差不多，事實(shí)上美國(guó)康普公司目前已經(jīng)不提供普通單模光纖，只提供零水峰光纖這樣的更高性能的產(chǎn)品給用戶。1.4.2多模光纜多模光纖(Multi Mode Fiber) 芯較粗(50或62.5m)，可傳多種模式的光。但其模間色散較大，這就限制了傳輸數(shù)字信號(hào)的頻率，而且隨距離的增加會(huì)更加嚴(yán)重。因此，多模光纖傳輸?shù)木嚯x就比較近，一般只有幾公里。如下表，為多模光纜的帶寬的比較：表1-3 最小模式帶寬提到萬(wàn)兆多模光纜，需要作些說明，光纖系統(tǒng)在傳輸光信號(hào)時(shí)，離不開光收發(fā)器和光纖。因傳統(tǒng)多模光纖只能支持萬(wàn)兆傳輸幾十米，為配合萬(wàn)兆應(yīng)用

17、而采用的新型光收發(fā)器，ISO/IEC 11801制定了新的多模光纖標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)，即OM3類別，并在2002年9月正式頒布。OM3光纖對(duì)LED和激光兩種帶寬模式都進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)需經(jīng)嚴(yán)格的DMD測(cè)試認(rèn)證。采用新標(biāo)準(zhǔn)的光纖布線系統(tǒng)能夠在多模方式下至少支持萬(wàn)兆傳輸至300米，而在單模方式下能夠達(dá)到10公里以上（1550nm更可支持40公里傳輸）。2. 光纖的參數(shù)及對(duì)光纖通信的影響2.1光纖的衰減及衰減系數(shù)2.1.1光纖的衰減及衰減系數(shù)的概述光纖的衰減是指光信號(hào)沿光纖傳輸時(shí)，光功率的損耗，在不同的波長(zhǎng)(入)上其損耗是不同的。其定義是為 其中P1()、P2()分別為注入端和輸出端的光功率;衰減的單位是dB。

18、它是影響光纖通信系統(tǒng)中繼距離的一個(gè)重要因素。衰減系數(shù)則是指對(duì)于穩(wěn)態(tài)條件下的均勻的光纖，其單位長(zhǎng)度上的衰減，因此衰減系數(shù)的單位是dB/km。對(duì)于穩(wěn)態(tài)條件下的均勻光纖，可以定義單位長(zhǎng)度衰減（即衰減系數(shù)）（）為： 式中:L為光纖長(zhǎng)度，單位為km，光纖的衰減系數(shù)（）是一個(gè)與長(zhǎng)度無(wú)關(guān)但與波長(zhǎng)有關(guān)的參數(shù)。在口常工作中我們也常把衰減系數(shù)簡(jiǎn)稱為衰減。其中所謂的均勻光纖，也就是要求光纖中的模功率達(dá)到近似穩(wěn)態(tài)分布。因此，在口常測(cè)量中，我們常用長(zhǎng)光纖激勵(lì)法在被測(cè)光纖中激勵(lì)出近似的穩(wěn)態(tài)模功率分布，也就是利用一根長(zhǎng)光纖(5001000米)接在光源和被測(cè)光纖之間作為尾纖來(lái)產(chǎn)生模耦合。2.1.2光纖耦合及耦合效率測(cè)量耦和效

19、率：耦合入光纖的光功率于輸出端光線的總功率之比。 ( 為耦合入光纖的功率，為輸出端光纖的功率) 耦合效率取決于和光纖連接的光纖類型和耦合的實(shí)現(xiàn)過程。 圖 2-1 光纖耦合的簡(jiǎn)單原理圖耦合效率受光源輻射的空間分布、光源發(fā)光面積以及光纖收光特性和傳輸特性等因素的影響。耦合方式分為直接耦合和透鏡耦合，其中，針對(duì)半導(dǎo)體激光器，透鏡耦合又包括：a端面球透鏡耦合：將光纖端面做成一個(gè)半球形，端焦距透鏡的作用；b柱透鏡耦合：柱透鏡可將半導(dǎo)體激光器出射的橢圓光變成圓形光；c凸透鏡耦合：如圖3.1所示，將激光器放于凸透鏡的焦點(diǎn)上，然后用另一凸透鏡將平行光匯聚帶光纖端面上。本實(shí)驗(yàn)用40倍顯微物鏡實(shí)現(xiàn)透鏡功能，后端焦

20、距在1mm左右。激光器透鏡透鏡光纖圖2-2 凸透鏡耦合方式示意圖實(shí)驗(yàn)步驟1、按圖3.2搭建實(shí)驗(yàn)光路，調(diào)整激光器、物鏡（40倍）、光纖輸入端，使他們?cè)谕凰骄€上；圖2-3 光纖耦合實(shí)驗(yàn)注：1激光器；2物鏡；3五維調(diào)節(jié)系統(tǒng)；4功率計(jì)。2、打開激光器，調(diào)整物鏡，使物鏡后出射光打在光纖輸入端正中心；3、調(diào)整五維調(diào)整架 A調(diào)整上、下、俯、仰旋鈕，使光纖后端輸出功率達(dá)到最大值； B調(diào)整平移臺(tái)，使物鏡與光纖輸入端距離拉近；C重復(fù)“A”“B”兩步，直到輸出功率達(dá)到最大值。此時(shí)，物鏡前端與光纖輸入端陶瓷插芯的距離在1mm以內(nèi)4、測(cè)量激光器的輸出功率、光纖輸出功率，計(jì)算光纖的耦合效率；調(diào)節(jié)方法：當(dāng)物鏡與光纖的陶

21、瓷插芯距離較遠(yuǎn)時(shí)，主要調(diào)節(jié)的是上下、左右旋鈕；而當(dāng)物鏡與光纖的陶瓷插芯距離足夠近時(shí)，應(yīng)該調(diào)節(jié)俯仰旋鈕，此時(shí)的上下、左右旋鈕對(duì)耦合效率的影響很小。表2-1單模光纖和多模光纖耦合效率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)單模多模輸入功率P1 （mW）300.0292.3輸出功率P2 （mW）262.4261.8262.9210.1212.5211.2耦合效率（%）87.587.387.371.972.772.3平均耦合效率87.3772.30如表所示，在光纖傳輸和傳感技術(shù)中，各部件的耦合是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。因?yàn)楣饫w本身的損耗降低后，光無(wú)源器件與光纖、光纖與光纖、光源與光纖以及光探測(cè)器與光纖耦合引起的損耗顯得更加重要。耦合損耗是光

22、纖傳輸和傳感系統(tǒng)中的一個(gè)重要的參數(shù)。，2.1.3光纖損耗的測(cè)量為了研究光纖衰減對(duì)光纖通信的影響，測(cè)量衰減參數(shù)，我們常采用截?cái)喾y(cè)量光纖的衰減。截?cái)喾y(cè)量光纖衰減的方法是在穩(wěn)態(tài)注入條件下，首先測(cè)量整根光纖的輸出功率P2；然后，保持注入條件不變，在離注入端約1km處切斷光纖，測(cè)量此短光纖輸出的光功率P1。其計(jì)算公式： 其中P1、P2分別代表截?cái)嗲昂徒財(cái)嗪蠊饫w透射功率；L為光纖的長(zhǎng)度。測(cè)量裝置簡(jiǎn)圖如圖2-4所示; 功率計(jì)光纖532nm激光器物鏡光纖五維調(diào)節(jié)架距前端1m處切斷圖2-4 測(cè)量光纖傳輸損耗示意圖截?cái)喾?也叫剪斷法)是測(cè)量衰減的基準(zhǔn)測(cè)試法。它的測(cè)量精度較高，但是由于它在測(cè)量時(shí)要剪斷數(shù)米光纖，

23、對(duì)被測(cè)光纖有破壞性，以前一般不常用，只是在測(cè)量有爭(zhēng)議時(shí)，才用它作為判斷的主要依據(jù)。但是近年來(lái)一些光纖廠逐漸開始采用此方法，如長(zhǎng)飛光纖光纜公司和鑫茂科技(原天大天財(cái))公司等2。2.1.3光纖衰減系數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析本實(shí)驗(yàn)采用多模光纖測(cè)量，測(cè)得數(shù)據(jù)如下：L=0.001km表2-2 光纖衰減系數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)組1組2組3組4組5平均值P1（nW）198.40201.29199.55200.12198.28199.53P2（nW）198.51201.41199.67200.23198.40199.64（dB/km）2.4072.5882.6112.3872.6382.526該光纖的平均衰耗系數(shù)為=2.526d

24、B/km，則意味著經(jīng)過一公里光纖傳輸后，則P1/P2= 100.00025261.0006，其光信號(hào)功率值減小了0.6%。長(zhǎng)度為L(zhǎng) 公里的光纖總的衰耗值為A=L 。由此可見，光纖損耗是限制通信性能主要原因之一，是限制發(fā)送機(jī)和接收機(jī)之間的最大傳輸距離的主要原因。衰減直接影響到光纖通信中繼站的建設(shè)距離，中繼站的數(shù)量對(duì)光纜施工、維護(hù)及運(yùn)營(yíng)成本影響非常大。光纖的性能已經(jīng)成為電信運(yùn)營(yíng)商及光纜生產(chǎn)制造廠家非常關(guān)心的問題。2.1.4延長(zhǎng)光纖傳輸系統(tǒng)傳輸距離的方法光放大器是光纖通信系統(tǒng)中能對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大的一種子系統(tǒng)產(chǎn)品。主要包括半導(dǎo)體光放大器、摻稀土元素光纖放大器、非線性光放大器半導(dǎo)體激光放大器。摻餌光纖放

25、大器是摻稀土元素光纖放大器一種，它比其它光放大器更加引人注目，是所有光放大器中最為常用的3。EDFA主要由摻餌光纖（EDF）、泵浦光源、波分復(fù)用器（WDM）、隔離器（Isolator）等組成，EDFA的內(nèi)部按泵浦方式分為三種最基本的結(jié)構(gòu)，即同向泵浦、反向泵浦和雙向泵浦。同向泵浦，信號(hào)光與泵浦光以同一方向從摻鉺光纖的輸入端注入，如圖2-5所示：圖2-5 EDFA結(jié)構(gòu)示意圖OUTPUT反向泵浦，信號(hào)光與泵浦光從兩個(gè)不同方向注入進(jìn)摻鉺光纖，如圖2-2所示：Isolator980nm Pump LDEr fiberWDMOUTPUTIsolatorSignal 圖2-6 EDFA結(jié)構(gòu)示意圖雙向泵浦，它

26、是同向泵浦和反向泵浦同時(shí)泵浦的一種結(jié)構(gòu)，如圖2-3所示：Signal980 pump LDIsolatorEr fiberWDMWDMIsolator980 pump LDOUTPUT圖2-7 EDFA 結(jié)構(gòu)示意圖EDFA的工作原理：Er3+能級(jí)圖及放大過程：摻鉺光纖放大器之所以能放大光信號(hào)的基本原理在于Er3吸收泵浦光的能量，由基態(tài)4I15/2躍遷至處于高能級(jí)的泵浦態(tài)，對(duì)于不同的泵浦波長(zhǎng)電子躍遷到不同的能級(jí)，當(dāng)用980nm波長(zhǎng)的光泵浦時(shí)，如圖2-4所示，Er3從基態(tài)躍遷至泵浦態(tài)4I11/2。由于泵浦態(tài)上的載流子的壽命只有1s，電子迅速以非輻射方式由泵浦態(tài)豫馳至亞穩(wěn)態(tài)，在亞穩(wěn)態(tài)上載流子有較長(zhǎng)的

27、壽命，在源源不斷的泵浦下，亞穩(wěn)態(tài)上的粒子不斷累積，從而實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。當(dāng)有1550nm的信號(hào)光通過已被激活的鉺光纖時(shí)，在信號(hào)光的感應(yīng)下，亞穩(wěn)態(tài)上的粒子以收集受激輻射的方式躍遷到基態(tài)，同時(shí)釋放出一個(gè)與感應(yīng)光子全同的光子，從而實(shí)現(xiàn)了信號(hào)光在摻鉺光纖的傳播過程中不斷放大。在放大過程中，亞穩(wěn)態(tài)上的粒子也會(huì)以自發(fā)輻射的方式躍遷到基態(tài)，自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子也會(huì)被放大，這種放大的自發(fā)輻射（ASE：Amplified Spontaneous Enission）會(huì)消耗泵浦光并引入噪聲。圖2-8 Er3的能級(jí)圖2.EDFA的基本性能EDFA中，當(dāng)接入泵浦光功率后，輸入信號(hào)光將得到放大，同時(shí)產(chǎn)生部分ASE光，兩種

28、光都消耗上能級(jí)的鉺粒子。當(dāng)泵浦光功率足夠大，而信號(hào)光與ASE很弱時(shí)，上下能級(jí)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度很高，并可認(rèn)為沿?fù)姐s光纖長(zhǎng)度方向上的上能級(jí)粒子數(shù)保持不變，放大器的增益將達(dá)到很高的值，而且隨輸入信號(hào)光功率的增加，增益仍維持恒定不變，這種增益稱為小信號(hào)增益。在給定輸入泵浦光功率時(shí)，隨著信號(hào)光和ASE光的增大，上能級(jí)粒子數(shù)的增加將因不足以補(bǔ)償消耗而逐漸減少，增益也將不能維持初始值不變，并逐漸下降，此時(shí)放大器進(jìn)入飽和工作狀態(tài)，增益產(chǎn)生飽和。飽和增益值不是一個(gè)確定值，隨輸入功率和飽和深度以及泵浦光功率而變。增益：輸出端口的信號(hào)功率與輸入端口的信號(hào)功率的比值，以dB表示。（增益包括輸入光纖跳線和輸入口之間的連

29、接損耗；并且實(shí)驗(yàn)中需要假定跳線與用作EDFA輸入輸出端口的光纖同類；同時(shí)需要注意從信號(hào)光功率中排除ASE噪聲功率）。 小信號(hào)（線性）增益：ba圖2-5 典型EDFA的增益、噪聲系數(shù)與輸入功率的關(guān)系EDFA工作在線性范圍區(qū)時(shí)的增益，（這時(shí)在給定的信號(hào)波長(zhǎng)和泵浦光功率電平下，它基本上與輸入信號(hào)光功率無(wú)關(guān)）輸出與輸入信號(hào)光功率之比，不包括泵光和ASE光。 式中Pin和Pout是被放大的連續(xù)信號(hào)光的輸入和輸出功率，PASE是放大的自發(fā)輻射噪聲功率。圖2-3中可以認(rèn)為線b的左側(cè)是EDFA的線性工作區(qū)，即小信號(hào)工作區(qū)，右側(cè)是飽和工作區(qū)。在實(shí)際測(cè)量的中，由于Pout中會(huì)含有一定的PASE，所以在Pin很小的

30、情況下，計(jì)算的增益偏大，當(dāng)輸入功率增大，使得Pout遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于PASE，計(jì)算結(jié)果就相當(dāng)精確了。飽和輸出功率：增益相對(duì)小信號(hào)增益減小3dB時(shí)的輸出功率稱為飽和輸出功率，在本實(shí)驗(yàn)中通過作圖法得到。 測(cè)量EDFA的增益曲線方法：接通EDFA測(cè)試儀電源，稍候（大約5分鐘）至穩(wěn)定工作狀態(tài)。按照?qǐng)D2-9，圖2-9 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖ba1550nmDFB Attenuator1 Isolator 1 Isolator 2Attenuator2 Filter EDFAOUTINPower meter DFB光源；隔離器（Isolator）；EDFA測(cè)試儀；光可變衰減器（Turnable Attenuator）；光

31、固定衰減器（Fixed Attenuator）；跳線（Jumper Cable）；光功率計(jì)a、測(cè)量信號(hào)功率，如圖中虛線所示，跳過EDFA，將兩個(gè)隔離器連接起來(lái)，調(diào)整衰減器到合適值，功率計(jì)上顯示的讀數(shù)可以認(rèn)為是EDFA的輸入功率。b、如圖，在b點(diǎn)斷開（EDFA無(wú)輸入），EDFA輸出端按圖依次連接，功率計(jì)上的讀數(shù)可以認(rèn)為是通過濾波器帶寬內(nèi)的ASE功率。c、將第一個(gè)隔離器的輸出接到EDFA的輸入端，此時(shí)功率計(jì)上的讀數(shù)可以認(rèn)為是放大后的信號(hào)和ASE的混合功率。注意：衰減器2不一定使用，但是當(dāng)放大器放大后的信號(hào)超出8mw以后，功率計(jì)的讀數(shù)將會(huì)因?yàn)榻咏柡投粶?zhǔn)確，所以此時(shí)需要加入衰減器2，但衰減器2需要

32、標(biāo)定一下（把功率調(diào)低，測(cè)量有衰減和沒有衰減的準(zhǔn)確讀數(shù)，兩個(gè)相除可以得到衰減器2的衰減倍數(shù)），測(cè)量時(shí)應(yīng)該記錄實(shí)際值（即讀數(shù)衰減倍數(shù)，否則NF將不正確。調(diào)整衰減器（通常510倍一個(gè)點(diǎn)），重復(fù)a、b、c步驟，用功率計(jì)測(cè)量并記錄信號(hào)光的輸入功率Pin，同時(shí)對(duì)應(yīng)每一個(gè)輸入功率值，都要測(cè)得一個(gè)經(jīng)過EDFA的放大后輸出功率Pout，同時(shí)測(cè)量每組衰減狀態(tài)下EDFA的輸入懸空，輸出接光功率計(jì)，測(cè)得EDFA的自發(fā)輻射噪聲功率PASE；并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表2-2中，并通過公式2計(jì)算出各個(gè)輸入功率下的增益值G。表2-3 EDFA增益實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)光源波長(zhǎng)（nm）編號(hào)輸入功率Pin（dBm）輸出功率Pout（dBm）噪聲功率P

33、ASE（dBm）增益G（dB）1310112.3816.87-23.315.112212.3916.88-23.285.107312.4016.87-23.295.104412.4016.89-23.295.1051550511.5319.02-49.587.745611.5319.04-49.607.747711.5219.03-49.617.751811.5619.02-49.607.735如表所示，光信號(hào)通過EDFA后能有效的放大，增強(qiáng)光信號(hào)功率，即可延長(zhǎng)。工作在低損耗的波長(zhǎng)1550nm窗口，并能對(duì)其較寬的帶寬范圍內(nèi)提供均衡和穩(wěn)定的增益特性等優(yōu)點(diǎn)，淘汰了傳統(tǒng)再生中繼的光一電一光轉(zhuǎn)換，是一

34、種理想的光纖放大器。采用光纖放大器后，經(jīng)過多分支后，用戶仍可正常接收。2.2光纖的色散2.2.1色散的概念所謂色散是指光脈沖信號(hào)中不同波長(zhǎng)或不同模式在光纖中的傳播速度不同而到達(dá)光纖終端的傳播時(shí)間有先有后，產(chǎn)生群時(shí)延差，引起輸出光脈信號(hào)展寬的物理現(xiàn)象。2.2.2 色散的分類單模光纖主要有材料色散、波導(dǎo)色散和折射率分布色散三種。從理論上講，單模光纖在理想情況下是只傳播基模HE,;一個(gè)模的光波導(dǎo)，無(wú)其它模式，故不存在模式色散。但是實(shí)際光纖制造不可能理想均勻，具有橢圓度和因彎曲、扭轉(zhuǎn)等產(chǎn)生的剩余應(yīng)力，從而發(fā)生局部雙折射的極化問題，使HE,;產(chǎn)生極化正交的HEx , HEY的雙模傳輸，二者速度不同，出現(xiàn)

35、時(shí)延差，得到“模色散”一偏振色散。不過這一色散一般很小，只在極高速通信中才有影響。通常只討論主要的三種:(1)材料色散是由于光纖材料引起的色散。材料色散產(chǎn)生的物理原因是因?yàn)楣饫w材料本身的折射率因波長(zhǎng)而異，使組成光信號(hào)的各波長(zhǎng)成份在光纖傳播的群速度不同，產(chǎn)生群時(shí)延差，引起輸出光脈沖波形展寬的物理現(xiàn)象。經(jīng)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖的光信號(hào)脈沖展寬為: 式中dm一單位光纖長(zhǎng)度的材料色散，8一光脈沖譜寬。 (2)波導(dǎo)色散是由于光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)而決定的，故又稱結(jié)構(gòu)色散。它是對(duì)一個(gè)模式而言的色散。所謂波導(dǎo)色散，這是由于纖芯和包層的折射率不同，造成輸出光脈沖波形展寬的物理現(xiàn)象。光信號(hào)功率在單模光纖中傳輸與多模光纖不同，除

36、絕大部分光功率在纖芯中傳輸外，總有一小部分光功率在色層中傳輸。當(dāng)纖芯和色層的折射率相差甚小時(shí)，在界面的全反射現(xiàn)象將以部分光能向色層滲入的方式發(fā)生。而且這種滲入的比例因波長(zhǎng)而異，和材料色散相反，波長(zhǎng)越長(zhǎng)的光，滲入色層的比例越大，光傳播路徑越長(zhǎng)，到達(dá)光纖末端經(jīng)歷的時(shí)間越長(zhǎng)，相當(dāng)于速度慢;波長(zhǎng)越短的光，滲入色層的比例越小。傳播路徑越短，到達(dá)光纖末端的歷時(shí)亦越少，相當(dāng)速度快;于是波長(zhǎng)不同的光信號(hào)產(chǎn)生了群時(shí)延差，引起脈沖展寬。所以，波導(dǎo)色散是由于光向色層滲入發(fā)生的物理現(xiàn)象。在多模光纖中波導(dǎo)色散遠(yuǎn)小于模式色散。但在單模光纖它可以和材料色散相比擬，雖然材料色散比波導(dǎo)色散一般要大一兩個(gè)數(shù)量級(jí)占主導(dǎo)地位，仍不可

37、忽視。 從上述分析可知，材料色散和波導(dǎo)色散均受光波波長(zhǎng)所左右，故又合稱波長(zhǎng)色散。 (3)折射率分布色散:它是因纖芯和包層的折射率差隨光頻改變而發(fā)生的色散。很小，一般略而不計(jì)。單模光纖的總色散d等于材料色散d、波導(dǎo)色散dw、折射率分布色散dA的代數(shù)和: 在一定范圍內(nèi)，波導(dǎo)色散與材料色散具有相反的符號(hào)。只要巧妙選擇某個(gè)特定中心波長(zhǎng)點(diǎn)，就能使材料色散抵消波導(dǎo)色散而實(shí)現(xiàn)總色散為零，此時(shí)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)叫零色散波長(zhǎng)。 由于波導(dǎo)色散與光纖的相對(duì)折射率差、芯徑、折射率分布形狀有密切的關(guān)系，對(duì)光纖某一模式的傳播特性是纖芯半徑同波長(zhǎng)比值的函數(shù)。所以，常用改變光纖結(jié)構(gòu)和折射率分布的方法來(lái)改變波導(dǎo)色散的大小和符號(hào)，達(dá)到調(diào)

38、節(jié)零色散波長(zhǎng)移位之目的。2.2.3色散對(duì)光通信的影響光纖的色散會(huì)使光脈沖信號(hào)展寬，限制了光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率即光纖帶寬或容量和再生中繼段長(zhǎng)度，成為高速率大容量長(zhǎng)距離光纖系統(tǒng)十分重要的問題。在相同的功率代價(jià)下，色散容限與速率的平方成反比。傳輸速率越高，脈沖的展寬越迅速，色散容限也變得越小。在1 dB功率代價(jià)下，傳輸速率為2._5 Gb/s信號(hào)的色散容限約為16,000 ps/nm，傳輸速率為10 Gb/s信號(hào)的色散容限約為1,000 ps/nm，而傳輸速率40 Gb/s信號(hào)的色散容限變得更小，只有62 ps/nm。色散及非線性效應(yīng)的綜合作用，使得系統(tǒng)對(duì)光纖鏈路的殘余色散變得更加敏感4。1.用時(shí)

39、域特性來(lái)描述色散效應(yīng)對(duì)通信速率和傳輸距離的限制:光纖色散是光波信號(hào)出現(xiàn)畸變的重要原因，在傳數(shù)字信號(hào)時(shí)表現(xiàn)為光脈沖時(shí)間展寬，即光脈沖的上升時(shí)間和下降時(shí)間加大。碼速越高，要求光纖系統(tǒng)總的上升時(shí)間越小。但光脈沖傳輸距離越遠(yuǎn)，脈沖展寬越厲害。而且伴隨信號(hào)碼速的不斷增大，二相鄰光脈沖間距變小。因此，當(dāng)光脈沖展寬到一定程度，便會(huì)使碼元前、后重疊，變得難于分辨，引起嚴(yán)重碼間干擾，造成光接收機(jī)靈敏度降低。所以，單模光纖的色散使光脈沖變形展寬，不僅限制了信號(hào)比特率的更大提高，而且似衰減一樣還限制了高碼速率光纖系統(tǒng)的再生中繼段長(zhǎng)度。 2.用光纖頻域特性描述色散效應(yīng)對(duì)光通信系統(tǒng)帶寬的限制: 從頻域觀點(diǎn)看，光纖系統(tǒng)即

40、是一個(gè)有一定帶寬的網(wǎng)絡(luò)。它除受光發(fā)機(jī)和接收機(jī)制約外，還受光纖長(zhǎng)度和碼速的影響。光纖越長(zhǎng)相當(dāng)于帶寬越窄;信號(hào)碼速越高，表示信號(hào)中高頻分量越大，占有的頻帶越寬。當(dāng)碼速高到某一程度時(shí)，光脈沖經(jīng)光纖傳輸一定距離，會(huì)有相應(yīng)的信號(hào)頻率成分量被抑制掉，即輸出光信號(hào)產(chǎn)生了頻率失真，表現(xiàn)在波形上即為脈沖展寬。色散與帶寬的數(shù)學(xué)表達(dá)式可寫成: 式中d一色散系數(shù)，單位用ps/nmkm表示， 一光源譜寬，單位為nm, L一光纖長(zhǎng)度，單位為km從(2-7)式明顯看出，光纖通信系統(tǒng)的帶寬或碼速亦即通信容量和光纖色散成反比。2.2.4在實(shí)際工程設(shè)計(jì)應(yīng)用中減少小色散效應(yīng)的方法1光纖的選擇根據(jù)長(zhǎng)途通信網(wǎng)和本地中繼傳輸網(wǎng)規(guī)劃發(fā)展的

41、要求，凡在大容量較長(zhǎng)中繼的網(wǎng)路上采用2. 5Gb/s及以上系統(tǒng)，結(jié)合遠(yuǎn)期擴(kuò)容趨勢(shì)，宜選用色散小的光纖，如G.653色散位移光纖。近期選用速率低于2. 5G6/s系統(tǒng)含2. 5Gb/s、系統(tǒng)時(shí)，G.652光纖也可以使用。2.工作波長(zhǎng)的選擇及色散補(bǔ)償器的采用：一般在采用6221VIb/s系統(tǒng)組織本地傳輸網(wǎng)中繼距離30Km左右時(shí)，可選用1310nm，窗口或1550nm窗口，要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較和分析今后擴(kuò)容難易度。 若采用2. 5Gb/s及以上系統(tǒng)，宜采用1550nm窗口。對(duì)應(yīng)用廣泛的零色散波長(zhǎng)為1310nm的G. 652光纖在1550nm波長(zhǎng)區(qū)色散系數(shù)偏大而難于實(shí)現(xiàn)高速率長(zhǎng)距離傳輸，宜采取色散補(bǔ)償器(D

42、CF)和光放大器。所謂DCF是用具有大負(fù)色散特性的光纖制成的，在G. 652光纖線路中每隔一定距離介入一個(gè)一定長(zhǎng)度的DCF去抵消1550nm處的色散，但介入一定的衰減，故需加裝光放大器。2.2.5色散補(bǔ)償?shù)脑?色散補(bǔ)償通常用脈沖光信號(hào)在光纖中傳輸方程來(lái)進(jìn)行解釋，在不考慮非線性影響時(shí)，信號(hào)傳輸方程可寫成： 式中，A為脈沖包絡(luò)幅度，群速度色散GVD,為三階色散。當(dāng) 1 ps2/km時(shí)，的影響可以忽略，這時(shí)方程解為： 式中，為的傅里葉變換，為初始輸入脈沖包絡(luò)幅度。由式(2-11)可知，信號(hào)的色散誘導(dǎo)傷害是由相位因子引起的，而此相位因子由脈沖在光纖中傳輸時(shí)不同頻譜分量傳輸速度不同引起的。所以色散補(bǔ)償

43、方法的基本思路是如何消除這個(gè)相位因子的影響，達(dá)到恢復(fù)輸入光信號(hào)的初始波形。光纖的色散補(bǔ)償可以在整個(gè)光纖鏈路中進(jìn)行，也可以在發(fā)送端進(jìn)行，即預(yù)補(bǔ)償技術(shù)，也可以在接收端進(jìn)行，通常采用電色散補(bǔ)償技術(shù)。也可以在接收端進(jìn)行，通常采用電色散補(bǔ)償技術(shù)。我們采用在光纖鏈路中進(jìn)行色散補(bǔ)償?shù)姆抡妫抡娌捎貌粴w零碼(NRZ)脈沖信號(hào)，采用M-Z調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，傳輸速率為40Gbit/s，光纖為G.6_52標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，傳輸距離為50km，色散系數(shù)為17ps/(nmkm),入纖光功率為OdBm。仿真模型如圖2-10所示5。圖2-10 色散補(bǔ)償仿真模型圖 調(diào)制好的信號(hào)圖觀測(cè)儀進(jìn)行觀測(cè)經(jīng)光纖，光功率放大器，色散補(bǔ)償光纖(D

44、CF)后，在接收端采用眼，沒有補(bǔ)償?shù)难蹐D與補(bǔ)償后的眼圖分別如圖2.3 ,圖2.4所示。 圖2-11 沒有補(bǔ)償?shù)难蹐D圖2-12補(bǔ)償后的眼圖 從圖中可以看出，沒有進(jìn)行色散補(bǔ)償?shù)难蹐D己經(jīng)閉合，我們無(wú)法從接收端正確的識(shí)別信號(hào)，而采用了色散補(bǔ)償?shù)难蹐D很好，眼開度較大，能從接收端正確的識(shí)別信號(hào)。從圖2.3中還可以看出，隨著傳輸速率的提高，色散對(duì)光纖通信的影響顯得尤為突出，當(dāng)傳輸速率為40 Gbit/s時(shí)，通過G.652標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的長(zhǎng)度約為2.812km，仿真實(shí)驗(yàn)中傳輸?shù)木嚯x為5Okm，因而在接收端無(wú)法識(shí)別信號(hào)。因此，在現(xiàn)代高速光纖通信中，要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的傳輸，必須進(jìn)行色散補(bǔ)償。雖然現(xiàn)在新鋪設(shè)的光纖線路采用

45、色散值較小的新型光纖，但隨著距離的增加，傳輸鏈路中的累積色散也會(huì)很大，這同樣會(huì)影響通信的質(zhì)量，限制傳輸?shù)木嚯x，因此同樣需要進(jìn)行色散補(bǔ)償。2.3光纖的數(shù)值孔徑2.3.1光纖數(shù)值孔徑概述光波在光纖中是利用全反射原理進(jìn)行傳播的， 當(dāng)光纖端面光線入射角大于某一值時(shí)，該束光線就 不能在光纖中傳播。數(shù)值孔徑是描述光纖傳輸光線 的參數(shù)，用來(lái)表征光纖的聚光能力。理論上數(shù)值孔 徑 NA的計(jì)算公式如下： 式中為纖芯折射率，為包層折射率，為纖芯和包層折射率差。光纖的數(shù)值孔徑與纖芯的折射率和芯包折射率差有關(guān)，而與光纖的纖芯直徑無(wú)關(guān)。 使用大數(shù)值孔徑光纖有利于減小光纖的彎曲損耗。2.3.2光纖數(shù)值孔徑對(duì)光通信影響實(shí)驗(yàn)為

46、了測(cè)試光纖數(shù)值孔徑對(duì)光纖通信的影響，本人做以下實(shí)驗(yàn)：1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模悍謩e測(cè)規(guī)格為3.2/125um的單模光纖和62.5/125um的多模光纖的數(shù)值孔徑，比較其光功率大小。2、實(shí)驗(yàn)原理：光纖數(shù)值孔徑的基本定義式為： 其中，n0為光纖周邊截止的折射率，一般為空氣（n0=1）。n1和n2 分別為光纖纖芯和包層的折射率。光纖在均勻光場(chǎng)的照射下，其遠(yuǎn)場(chǎng)功率角分布與光纖數(shù)值孔徑NA有如下關(guān)系： 其中是遠(yuǎn)場(chǎng)輻射角，P（）和P（0）處的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射功率，g為光纖折射率分布參數(shù)。當(dāng)P（）和P（0）10%時(shí)，SinNA，因此可將對(duì)應(yīng)于P（）角度曲線上光功率下降到中心值的10%處的角度0 的正弦值定義為光纖的數(shù)值孔徑，稱

47、為有效數(shù)值孔徑：NAeff =Sin0 ，本實(shí)驗(yàn)中采用通過測(cè)量光纖出射光斑尺寸大小來(lái)計(jì)算出光纖出射角度，從而確定光纖的數(shù)值孔徑。這種方法在測(cè)量光纖數(shù)值孔徑時(shí)較為常用。具體測(cè)量方法如圖3.1所示。我們用532nm半導(dǎo)體激光器作為光源，此時(shí)測(cè)量出射光斑尺寸D和光斑距離出射端距離L，則光纖數(shù)值孔徑為： 測(cè)量直徑的方法是功率計(jì)沿著圓斑的直徑由中心向外圍移動(dòng)，記錄中心功率為P1 ，此時(shí)平移臺(tái)刻度為R；當(dāng)邊緣功率P2 P1 *10%時(shí)，記錄功率計(jì)移動(dòng)過的距離R2 。根據(jù)上述公式，數(shù)值孔徑為： 3、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理多模光纖數(shù)值孔徑實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：表2-4多模光纖數(shù)值孔徑實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)L=2.80cm序號(hào)圓斑中心功率P

48、1/mW邊緣功率P2/mWP1時(shí)平移臺(tái)刻度R1 /mmP2時(shí)平移臺(tái)刻度R2 /mm數(shù)值孔徑NA1211.220.713.70120.8220.2462208.120.513.60320.8450.2503207.521.013.60120.8550.2504208.320.913.90020.7910.2555208.120.713.92420.9000.241平均值208.620.813.74620.8430.248單模光纖數(shù)值孔徑數(shù)據(jù)處理：表2-5單模光纖數(shù)值孔徑實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)L=2.80cm序號(hào)圓斑中心功率P1/mW邊緣功率P2/mWP1時(shí)平移臺(tái)刻度R1 /mmP2時(shí)平移臺(tái)刻度R2 /mm數(shù)值

49、孔徑NA142.14.417.37922.0500.165241.74.217.24922.1850.170340.64.017.36522.0810.166439.94.017.31122.1910.171540.14.117.12122.1170.175平均值40.94.117.22522.1450.170如表所示，單模光纖數(shù)值孔徑為0.17小于多模光纖數(shù)值孔徑，前者圓斑中心功率亦小于后者，則表明NA越大，光纖接收光的能力也越強(qiáng)。從增加進(jìn)入光纖的光功率的觀點(diǎn)來(lái)看，NA越大越好，因?yàn)楣饫w的數(shù)值孔徑大些對(duì)于光纖的對(duì)接是有利的，但是NA太大時(shí)，光纖的?；兗哟?，會(huì)影響光纖的帶寬。因此，在光纖通信

50、系統(tǒng)中，對(duì)光纖的數(shù)值孔徑有一定的要求。通常為了最有效地把光射入到光纖中去，應(yīng)采用其數(shù)值孔徑與光纖數(shù)值孔徑相同的透鏡進(jìn)行集光6。2.4光纖連接錯(cuò)位對(duì)光通信的影響眾所周知，當(dāng)兩端光纖進(jìn)行連接時(shí)，必須達(dá)到相當(dāng)高的對(duì)中精度，才能使光信號(hào)以較小的損耗傳輸過去。反過來(lái)，如果將光纖的對(duì)中精度做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，就可以控制其衰減量。位移型光纖衰減器在對(duì)接時(shí)，發(fā)生一定錯(cuò)位，使光能量損失一些，從而達(dá)到控制衰減量的目的。通過使用普通尾纖，用熔接機(jī)將2根尾纖的纖芯在錯(cuò)位的情況下進(jìn)行熔接工作（如圖），使光在傳輸過程中發(fā)生偏芯損耗，得到連接器式固定衰減器，又稱在線固定衰減器7。圖2-13光纖橫向錯(cuò)位d為橫向偏移量為了研究光纖連

51、接錯(cuò)位對(duì)光通信產(chǎn)生的影響，做以下光纖衰減器實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)步驟1、按圖2-14搭建實(shí)驗(yàn)光路，調(diào)整五維調(diào)節(jié)架，將激光耦合到光纖中；圖2-14 光纖衰減器衰減值驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)注：1激光器；2物鏡；3五維調(diào)節(jié)系統(tǒng)；4光纖衰減器；5功率計(jì)。2、測(cè)量耦合后光纖輸出端的輸出功率P1；3、將5dB的光纖衰減器連接到光纖輸出端，測(cè)量衰減后的功率P2；4、根據(jù)公式（6-1），計(jì)算光經(jīng)過衰減器后衰減的分貝值；與實(shí)際值比較，分析誤差產(chǎn)生的原因。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：光纖損耗的常用單位是分貝（dB），分貝與功率之間的關(guān)系如下所以： dB=-10lg 我們通過測(cè)量經(jīng)耦合后光纖輸出端的功率P1和在輸出端接上衰減器之后的功率P2就可求的該衰減

52、器的衰減值是多少。（本實(shí)驗(yàn)分別采用5dB、10dB、15dB、20dB光纖衰減器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，橫向偏移量d分別是20dB衰減器15dB衰減器10dB衰減器5dB衰減器）表2-6光纖衰減1234輸出功率（mW）衰減值（dB）輸出功率（mW）衰減值（dB）輸出功率（mW）衰減值（dB）輸出功率（mW）衰減值（dB）5dB衰減器63.15.1362.75.1662.95.1562.85.1510dB衰減器24.89.2924.49.2625.59.3524.19.2515dB衰減器9.113.548.813.698.513.848.713.7420dB衰減器2.519.162.419.332.618.982.319.52該實(shí)驗(yàn)輸入功率為205.8mW如表所示，錯(cuò)位越嚴(yán)重即橫向偏移量d越大，衰減值越高，以至于使光通信的距離變短。3.光纖通信技術(shù)的應(yīng)用3.1 光纖通信技術(shù)在電力通信領(lǐng)域的應(yīng)用近年來(lái)，我國(guó)光通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展極其迅速，我國(guó)許多地區(qū)的電力系統(tǒng)都在建設(shè)專用的電力通