光纤的基本特性及测试(全)概要

第七章光纤的基本特性及测试内容提要7.1光纤的传输损耗7.2光纤的损耗的测量7.4光纤脉冲展宽的测量7.3光纤的色散和脉冲展宽7.5光纤的偏振和双折射7.6光纤的拍长和偏振模色散测量前言前言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2.数值孔径3.折射率分布光纤物理参数：1.损耗2.色散3.偏振、双折射光学几何参量测量:1.数值孔径:2.折射率分布:(一)反射法:P消除杂散光0..sinmNAn21()1nRn214nRnR(二)干涉法:nNt0()nrnNtt:样品厚度。N:干涉条文数。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。损耗:限制传输距离。色散:限制传输带宽、中继距离。偏振、双折射:对于光纤在宽带通信、传感技术上的应用，以及光纤中非线性的研究具有重要的意义。§7.1光纤的传输损耗产生损耗的原因主要是:(1)材料的吸收损耗，包括纤芯和包层的物质吸收(2)材料(或物质)散射，也包括纤芯和包层。(3)波导散射，即交界面随机的畸变或粗糙所产生的散射。(4)波导弯曲所产生的辐射损耗。(5)外套损耗。下面将逐项介绍OH－加热过程原子缺陷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1000~4000dB/km，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:吸收物质本征吸收过渡族金属离子吸收OH-离子吸收原子缺陷吸收由原子跃迁(电子吸带)所产生:红外8-12um,紫外拖尾0.7-1.1um铁,钻,铜,铬等吸收峰和吸收带也随它们的价状态不同而不同在熔融石英玻璃里OH-的吸收带在0.72,,0.95,1.4um.0.5~1.0μm范围里由于加热过程:4价Ti-3价由于强烈的辐射，玻璃材料会受激而产生原子的缺陷，产生损耗7.1.2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。本征散射：（物质散射中最重要的）它是使波导衰减不能太小的基本限制之一。非线性散射：物质在强场作用下，也会诱发出对入射波的散射。(拉曼散射、布里渊散射)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匀，从而产生散射。这种不均匀度与波长相比是小尺寸的。瑞利散射与波长λ的四次方成反比。计算公式:2248(1)3atconkTatco（7.1.1）这里代表衰减系数，代表可压缩度，每单位力所产生的体积压缩；k是波尔兹曼常数；T是跃迁温度(K)；n是折射率322416()3atndncVdc掺杂不均匀引起的散射：也属于物质的本征散射。浓度的不均匀性的散射:所用的玻璃中有些含有几种氧化物，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。衰减的计算公式为:（7.1.2）浓度起伏的均方值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(或散射)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。对于典型的高硅玻璃，浓度不均匀的散射损耗约占总散射损耗的25%。7.1.3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，如粗细不匀，截面形状变化等，这种不均匀性同样将引起光的散射。另外，纤芯和包层界面的不光滑、污染等，也将造成严重的散射损耗。2.模式变换而产生了附加的损耗，这种附加的损耗就是波导散射损耗。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5μm，折射率差Δ=1%，交界面的偏离均方根值为0.9nm，每千米将产生10dB的辐射损耗7.1.4光纤弯曲产生的辐射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，越靠外面的速度越大(即β越小)，到一定地点，相速等于所在物质里的光速。衰减系数。图7.1.1弯曲波导12exp()rCCR（7.1.3）式中为弯曲产生的衰减系数C1，C2是常数，与曲率半径无关。衰减与曲率半径R的关系表现在指数函里。途中xR+xr的区域为阴影区，代表相速超过光速，成为辐射的区域。r仍以薄膜波导为例，假设厚度为1.18μm，波长为0.63μm，折射率之差0.001时(它用作单模传输，第二个模式在厚度4×1.18μm时产生)，xr≈16，C1为104，C2为100；在R=18cm时，衰减为8.68dB/m。如果R增大一倍，则衰减将减exp(200)≈1/6.5×107，使完全可以忽略。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。对于光纤，一般认为曲率半径超过10cm，弯曲损耗可以忽略。Δ大于0.001，容许的曲率半径可以减小，甚至可以小到1cm。r7.1.5外套损耗串话:纤芯里的波导和辐射波的电磁场都要进入到包层。在包层外圈，电磁场并没有消失，还要伸展到外面去，这就要与临近的光纤耦合。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、包层里和外套里的损耗，它们各不相等。对每一个模式又不相同，这是由于功率分配不同的缘故。12mn12comncldmmntmnPPP如果某一模式(m，n)纤芯的衰减系数为，包层的为，则对于均匀波导，由它们两者引起的总衰减系数为:（7.1.4）式中，，为某模式(m，n)在纤芯、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。comnPcldmPtmnP图7.1.2光纤损耗与波长的关系图7.1.2示出光纤损耗与波长的关系。其损耗已接近理论极限，即使标准同轴电缆在2.5MHz时，损耗约为3.8dB/km。由此可见，光纤的损耗是相当低的，这就相应地延长了中继距离。100110logILI§7.2光纤损耗的测量当光束通过一定长度的光纤后，光束的能量就会衰减。损耗这个量就表示光纤对光能的衰减能力，常用dB为单位，它定义为:式中I和分别为光纤的输出和输入光通量，所取的光纤长度通常为1km。由于I因而为负值。负号的含义就是衰减(如果是正值，那含义就是增益)。显然，对于一根一定长度的光纤，只要正确测量出它的输出和输入的光通量，就可以计算出它的损耗来。同时由损耗的机理可知，损耗是光波长的函数，对不同的入射光波，光纤的损耗是不一样的。（7.2.1）0I0I7.2.1直接比较法截去法:利用测量装置直接测量光纤输出和输入的光通量，这就是直接比较法。图7.2.1是这种测量方法的原理示意图。图7.2.1截去法测量原理示意图测量过程中，先测量通过长度为L的光纤后的光通量，设为I’=I，为光纤端面的影响系数。然后在入射端附近把光纤截断，只留下极小一段长为l的短纤维，再用同样手段测出它的光通量，设为=。'0I0I0011'10lglg'IILILI这样做的目的是使光纤入射端面所处的条件不改变。必须注意，我们这里假定lL。这种方法测出的数据即为损耗:（7.2.2）用这种方法测量损耗，还要把光纤的出射端和接收光能的硅光电池放在折射率匹配液中，以减少端面损耗，提高测量精度直接比较法:是用图7.2.2所示的装置图7.2.2双接收器比较法示意图SP必须为中性分数器，因为一般的多模分束器只对某一波长某一角度的入射光起作用AI110lgABItLIRR和t分别为分束器的反射光量和透射光量(R+t=100%)，并且R和t不随波长而改变。如果接收器A和B所接收到的光通量分别为和，则光纤的损耗为:BI这两种直接比较法都可以用单色仪来改变入射光的波长，因此就可以测出各种波长时光纤的损耗值。用直接比较方法测出的损耗，其中包括了光源和光纤的耦合损耗在内。（7.2.3）1光源；2光纤注入系统；3待测光纤；4光纤探测器2110PPLogL截断法测量聚合物光纤损耗原理聚合物光纤损耗测量系统a)650nm波长聚合物光纤损耗测量；b)CCD聚合物光纤谱损测量仪；7.2.2背向散射法在光纤中不可避免地存在着由于折射率或物质不均匀而产生的瑞利散射。瑞利散射光的特点是散射光波长与入射光波长相同，散射光功率与该点入射功率成正比背向散射法:如果入射端注入一个大功率窄脉冲信号。设法有效地接收这一背向散射信号，则可以从中得到光纤的衰减系数。用背向散射法测量光纤衰减的仪器称为光时域反射计(又称OTDR)。图7.2.3是OTDR的光发射和检测部分示意图图7.2.3光时域反射计部分结构示意图1－激光器；2－光阑；3－匹配液盒；4－待测光纤；5－短光纤；6－监测器；7－放大器；8－数据采集系统(,)110(,)lg[]2(,)ARABpzLzzpz图7.2.4OTDR测量曲线由(7.2.3)式盒图7.7可以看出AB段光纤的衰减系数为:（7.2.4）被测光纤由两根光纤焊接而成，中间的凸起显示了接头处的反射，而曲线尾部的凸起则显示了光纤末端处的反射。图中为对数坐标，即Ps(A)=10log10p(λ,zA)，Ps(B)=10log10p(λ,zR)，zR-zA=L，所以:图中曲线的斜率即为衰减系数。图中两段光纤的斜率说明他们具有不同的衰减系数。由于被检测的信号从注入后正向传输到散射后背向传输，两次通过AB段光纤，所以光纤长度采用2L。曲线横坐标的长度是通过时间坐标换1(,)[()()]2ssLPAPBL（7.2.5）算来标度的。已知光在真空中的速度c=3×108m/s，光纤折射率为n(λ)，光脉冲在光纤中从A点传播到B点再由B点传播到A点，时间间隔为Δt，那么A、B间的长度为L=cΔt/2n(λ)。利用OTDR的背向散射曲线的分析，很容易确定光纤中的缺陷、断裂点、接头的位置，并能测量光纤的长度。背向散射法:OTDR优奌:只需在光纤的一端测试，方法又十分简单，很适合现场测量，特别是可用来测光纤长度及确定故障点位置。OTDR缺点:①无法控制背向散射光模式分布；②对光纤的非均匀性很敏感。补充:光纤的参数有许多测量方法，下页的表是CCITT建议的测试方法。CCITT是ConsultativeCommitteeofInternationalTelegraphandTelephone的缩写，中文译名是国际电报电话咨询委员会。n§7.3光纤的色散和脉冲展宽损耗和色散是光通信传输介质的两个重要的特性参量。要实现长距离光通信，光纤必须同时具有低的损耗和小的色散。因为色散限制了经过光纤传输的光信号的调制光谱宽度，所以，可以利用术语“光纤带宽”(或称带宽)来表述光纤的色散性质。在光纤中，色散有如下几种:(1)材料色散()。这就是材料本身的折射率随频率而变，于是，不同频率的光波传输的群速度不同，由于这个原因所产生的色散叫做材料色散。这种色散在单模中占主要地位。(2)多模色散()。它是由于传输的各模之间的群速度不同所引起的色散，这种色散仅出现在多模光纤中，又称模式间色散。m(3)波导色散()。它是模式本身的色散。即对于光纤某一个模式本身，在不同频率下，相位传播常数βmn不同，群速不同，引起色散，又称模内色散。(4)偏振模色散()。单模HEnx和HEny正交，光纤轴的不对称性所引起的色散。p在一般情况下，mnp对于单模传输(波型)，材料色散一般说占主导地位，波导色散对它的影响很小。由于存在色差，在光纤中传输的光谱的不同部分有不同速度，这也可以引起脉冲的展宽。11HE单模光纤的材料色散、波导色散和总色散图。在多模光纤中，一般说模式间色散占主导地位。如果把模式间色散平衡掉，则剩下的是材料和波导色散，情况与