光纤光学5.3

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8.3μm 和 9.3μm。
E0 2 e2 E0 2
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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。
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Signal Strength (dB)
"Deaa Zone“ Near Start of Fiber
Connector
Back-Reflection eak
Connector moss
Loss from Fusion So!ice or Fioer Bend
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。
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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：
g ( r ) 2 e x p r 2
W0
W
2 0
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 。
1. 色散有哪几种类型？光通信里面最严重的色散 是哪一种？
2. 光纤的种类有哪些？各有什么特点？
3. 色散补偿有哪些方法？
4. 正色散光纤使得光脉冲展宽，负色散光纤使得 光脉冲压缩，这种说法对还是错？为什么？
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光纤的模场半径、截止波长及 其特征参数的测量
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( 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1550 nm ( 3 ) G.653光纤：DSF，零色散波长1550nm ；最低损耗窗口
1550 nm ( 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
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• Exfo FTB-300 OTDR • Available at 850, 1310 and 1550 nm • Can be configured with different modules
for LAN to long range distances • Multimode ranges from 0.1 km to 40 km •Singlemode ranges from 625 m to 160 km s
│ 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
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注入条件与稳态分布
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(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10％～20％。
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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λc 为单模光纤的“截止 波长”。当λ> λc时，可以保证光纤工作于单模状态。
Dead zone < than 25 m, Accurate to ‹/- 1m • Class 1 laser source (eye safe)
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2.折射率分布的测量 (1) 折射率近场法
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 θ‘max由输入光栏控制,θ’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 θ“min, 由探测器接收辐射模功率P(r)
• 耐电压性能: 几十万伏的高压 石英光纤会由于吸潮而受到
• 耐水性能: 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。
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2. 截止波长λc 与 LP11模截止时的归一化频率 有关
2 an1 22 aNA
c
Vc
Vc
导模截止 VS 单模光纤的截止波 长
Vc 2.405—阶跃光纤，Vc 3.518—平方律光纤
Vc由折射率分布作计算(等效阶跃光纤)。
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——λc是 个定义参数，测量参数，又称“有效截止波长”。
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。
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ITU-T 建议的测试方法
表2.7－1
┌─────┬─────────┬───────────┐
│ 参 数 │ RTM
色散与光纤传输带宽的关系：单模光纤、GIOF多模、 SIOF多模。
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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。
│ ATM
│
├─────┼─────────┼───────────┤
│ 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)
70.155 km • Anritsu OTDR
Splice
ANRITSU Corp. MW9010B
92•85-2i I 9:13
LgSS 2¥.87 dB 69. 50¥00 kin
0.358 dB / km
FibreEno
10 km/div 2.5 d6/div
m D l8Bkm
1 =M\ SMP l0R= 1.4667B8
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扰 模 器
、 滤 模 器 和 包 层 模 剥 除 器
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包层模剥离器
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1、损耗的测量
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破坏性测试
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exp
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Ph A(r )P(z)exp $ a,(x)dx
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2n
Pulsed Laser
Coupler
Basic OTDR block diagram
APD
Detector
Splice
Fibre
Processing
Display
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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
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
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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。
• 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。
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Hale Waihona Puke Baidu
(1)功率传输函数定义模场半径wT
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=> T(‹ź)= T(0)exp * Jpg
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(2) 最大激发效率定义模场半径Wη
• 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)η以及不 重叠度ξ可分别表示为:
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
20长18/3测/8 量。
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光纤的物理化学特性 • 石英光纤的弯曲半径:
R=50d+40d2; R~2.6~5.4 mm(50~100m芯径) 石英材料
• 耐热性能: 400℃~500℃;涂敷层:60 ℃ 能承受几十千伏至
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Optical Input Pulse
• Display shows total span ‹ Loss 2.5 dB/div ‹ Distance 10 km/div • Markers show a total loss of
24.87 dB • Span is displayed as
rf
0
2
(r)g(r)dr
rf 2 (r)dr rg 2 (r)dr
0
qF
(q)G(q)dq
2
qF 2 (q)dq qG2 (q)dq
0
0
0
0
2
r f (r) g(r) dr
2
q F(q) G(q) dq
0
0
– 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; q＝sinθ/λ0
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n2
(r)
n22
n2
2
P
P(r)
c1
P0
其中，P(r)
P0
sin
2
' max
sin 2
" min
n2(r) n2
2
n22
Pc1
P0(sin
2
' max
sin
2
" min
)
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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 <±0.0001.
Reflection from End of
Fiber
Mechanical Splice
Fiber loss can be estimated by dividing loss by the distance over which loss occurs.
Reflection moss
Distance (Calculated from Return Time)
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多模光纤色散 （适用于局域网）
• 模间色散 • 材料色散
这种色散与光频率有关， 即与光的颜色有关， 合 称之为色度色散。
这种色散并不 是由频率不同引起 ，称之为单色弥 散
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• 波导色散 • 偏振模色散
单模光纤色散 （适用于骨干网）
材料色散：频率ω变化引起折射率变 化而导致β变化； 波导色散：频率 ω变化引起波导径向 参量U和W的 变化，从而导致β变3 化
W= mps
AVG= 210
ATT= 20.0 dB(A}
(2BBB]
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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。
• 定义g(r)为高斯分布函数:
g(r) 2 exp WG
(r /WG )2 ;
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G(q) 2WG exp (qWG )2
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(3) 模场半径的其它定义
2 r 2 f 2 rrdr
W 2 rms
0
f 2 r rdr
0
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