光纖通信論文

1、 光纖通信論文 課程:光纖通信原理 院系：信息工程學院 專業(yè)：電子信息工程 學號： 姓名： 班級： 指導老師：多模光纖的彎曲損耗摘 要：隨著光通訊、光網(wǎng)絡、光傳感技術的發(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。多模光纖以其結構簡單、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、2）當彎曲半徑大于臨界值時，彎曲不對損耗產生影響，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。關鍵詞：彎曲損耗；彎曲半徑 一、光纖傳輸特性1、光纖的宏彎損耗、微彎損耗和彎曲過渡損耗1.1光纖的宏彎損耗 宏彎損耗是由光纖實際應用中必須的曲折等引起的宏觀彎曲導致的損耗。對宏彎損耗進行理論分析比較困難，在這里我用通過討論模的傳輸損耗來計算。如下圖：圖1-1彎曲損耗理論模型設：1、波導沿y方向（垂直于紙面方向）無限延伸；2、E只有y分量，只有r分量和分量(TE模)；3、半徑R很大，場分布近似與平板波導一樣；5、由于輻射所損耗的滿足弱導條件；4、彎曲

3、功率不影響功率分布。 滿足波動方程，在直角坐標系下求出其場解。對于波導芯區(qū)外側（r1>r2）有： （1-2）式中:a為芯區(qū)半徑； U和W為歸一化橫向傳播常數(shù)； 為真空中的磁導率； 為相移常數(shù)； （1-3）其中P為導模功率。 對于波導彎曲時，導模功率有泄漏。光纖處于彎曲狀態(tài)時，其傳導模式的場分布如下圖：圖1-4傳導模式的場分布圖從能量的角度，光纖彎曲損耗源于延伸到包層中的消失場的尾部的輻射。當這個模式在光纖內傳播時，其纖芯內和包層中的場分布應該作為一發(fā)整體沿光纖的軸線向前運動，即：原來這部分場與纖芯中的場一起傳輸，共同攜帶能量。由于光纖是彎曲的，則在遠離曲率中心一側的場的運動速度應比靠近曲

4、率中心一側的場的運動速度快。假設光纖在軸線處，場的運動速度為該導模在直光纖情形下的傳播速度，這一傳播速度比平面波在纖芯介質中的傳播速度大，因為纖芯內模式傳播速度為模式場的相速度，而相速度是可以大于同一介質中的光速。但要比包層介質中的平面波傳播速度小。在橫向隨著到曲率中心的距離的增加，模式場的傳播速度也要增加，所以在包層中存在著一個到光纖軸線的某一臨界距離，在這一距離處模式場的傳播速度就等于平面波在包層介質中的傳播速度。這里所說的模式場是指能夠在這個臨界距離以遠的包層區(qū)域中的場分布能隨模式場的其余部分沿光纖軸線一齊向前傳播，即其運動速度必須大于包層中的光速，也就是說，位于曲率中心遠側的消失場尾部

5、必須以較大的速度才能與纖芯中的場一同前進，這是不可能的。如果光纖彎曲時，曲率半徑在大于臨界值RC時，則光纖彎曲引起的損耗很??；通常可以忽略，而彎曲半徑小于臨界半徑時，附加損耗按指數(shù)規(guī)律迅速增加。所以確定臨界值對于光纖的研究，設計和應用都很重要。下面是多模光纖的彎曲損耗公式： （1-5）式中a為纖芯半徑；R為光纖彎曲的曲率半徑。由上式可得到臨界半徑RC的表達式： （1-6）下圖給出了多模光纖彎曲損耗隨彎曲半徑R的變化關系：圖 1-7模光纖彎曲損耗隨彎曲半徑R的變化圖 單模光纖彎曲損耗的計算公式： （1-8） （1-9） （1-10）1.2 光纖的微彎損耗 微彎損耗產生的原因是光纖在制造過程中或應

6、用過程中由于應變等原因引起的光纖微變所致，這種微變是隨機的。 從原理上講，微彎損耗也是由于彎曲引起導模功率的橫向泄漏，理論分析表明，單模光纖微彎損耗，主要影響于模場半徑，改變了光纖的相對折射率差和纖軸，并引起畸變。為了計算微彎損耗，必須知道光纖軸的畸變大小，對于階躍型光纖，微彎損耗可由以下公式近似計算： (dB/km ) （1-11） 其中，W1和W2稱為輔助模場半徑，近似為： （1-12） （1-13） 這里，1.5<V<2.5 。設為彎曲譜函數(shù)，近似表示為： （1-14） 公式中：是光纖纖軸橫向偏移的均方根值； LC為自相關長度；上式表明，模場半徑的微小變化將引起彎曲損耗的明顯

7、變化。1.3 光纖的過渡彎曲損耗彎曲過渡損耗是光纖由直到彎曲的突變中產生的損耗。彎曲過渡損耗的機理是由于光纖由直突然變“彎曲”或各段波導不一致，引起模場的不匹配，導致導模之間的相互耦合，并損失能量。這種機理可用等效折射率的概念來解釋。以單模光纖為例，如圖所示，若光纖彎曲半徑R遠大于芯徑a，則彎曲光纖中的場可以看成某一等效折射率分布下直光纖的場，在折射率分布為n (r)的直弱導光纖中，基模場解為： 圖 1-15 光纖過渡彎曲圖當光纖產生彎曲時，場分布將產生一個與有關的相移。設彎曲光纖的場為則有： （1-16）將上式代入得： （1-17） 其中定義為等效折射率： （1-18） 上式表明，沿曲率半徑

8、正方向隨r增加而增加，這就導致場分布向曲率半徑正方向偏移，其結果是導模向漏模轉化，引起功率泄漏，造成過渡損耗。而且，隨著彎曲方向的改變，損耗沿Z方向變化曲線將出現(xiàn)震蕩11。二、多模光纖彎曲損耗的實驗研究 本章主要是用實驗的方法研究彎曲對光纖的傳輸損耗的影響。2.1實驗裝置與實驗方法實驗圖及儀器設備。 圖2-1 彎曲損耗試驗裝置圖 上圖是測試彎曲對光纖傳輸損耗的實驗裝置圖是He-Ne激光器 透鏡 五維支架 多模光纖 光功率計。本實驗使用的光纖是石英多模光纖，纖芯直徑62.5微米,包層直徑125微米,數(shù)字孔徑為0.2631，在850nm時衰減為2.805dB/km;在1300nm時為0.653dB

9、/km；He-Ne激光器為633nm激光器；光功率記為OPT-1A型，由北京方式科技有限公司提供，最大量程為200毫瓦，最小分辨率為0.01微瓦。實驗操作 1、首先將氦氖激光器、透鏡、五維支架調節(jié)到共軸。當看到激光器的光斑能通過五維支架的中心孔和透鏡的中心并在五維支架上反射的光斑能與通過透鏡的光斑重合時，說明它們三者已經(jīng)同軸。2、調節(jié)透鏡和五維支架的距離，找到最佳耦合距離。3、取一段120米長的多模光纖，將其端口涂縛層去掉并用乙醚將端口清洗干凈，這樣可以包層雜散光的干擾和增加耦合效果。4、將光纖安裝在五維支架上，對五維支架進行粗條，同時目視觀察透過光纖后的光強大小，當感覺到光最強時用光功率記探

10、測，此時細調五維支架一直調到光功率記顯示最大的光功率為止并記錄此時的光功率，此時說明已達到最佳耦合效果。5、將光纖彎曲5厘米的一圈、二圈、一直到十圈并記錄每次的光功率，然后將光纖彎曲成4.5厘米、3.5厘米、直到1厘米重復上面的實驗。2.2實驗結果與分析 表 2-2彎曲半徑、彎曲圈數(shù)與輸出功率的關系半徑圈數(shù)0123456789105.0cm功率(w)24.924.924.924.924.924.924.924.924.924.924.94.5cm功率(w)24.924.624.624.624.524.524.524.524.524.524.54.0cm功率(w)24.923.523.0.22.

11、922.722.622.622.522.422.422.43.5cm功率(w)24.922.922.622.522 522.422.322.322.222.222.23.0cm功率(w)24.922.622.422.422.322.222.222.122.122.122.12.5cm功率(w)24.922.522.222.122.122.021.921.821.821.721.72.0cm功率(w)24.922.422.121.921.821.821.721.621.521.421.41.5cm功率(w)24.922.221.821.721.521.321.221.221.221.020.91

12、.0cm功率(w)24.921.020.720.419.819.719.519.419.219.219.1上面是彎曲半徑分別是5.0厘米、4.5厘米、4.0厘米、3.5厘米、直到1.0厘米時所彎圈數(shù)與所測功率的關系表格和函數(shù)圖（函數(shù)圖是用Origin6.0繪制，橫軸代表圈數(shù)，縱軸代表功率大?。?。 圖 2-3彎曲半徑、彎曲圈數(shù)與輸出功率的關系實驗分析與結論：從上述的數(shù)據(jù)表格和分析圖可以看出光纖的輸出功率隨著彎曲圈數(shù)的增加而減小，但是圈數(shù)的增加與功率的減小并不是成線性的。我們從函數(shù)圖上看到當開始彎曲第一圈時，功率減少得很快，第二圈時次之，到最后我們可以看到曲線越來越趨于平坦，說明當光纖彎曲到一定的

13、圈數(shù)時對損耗越來越影響小，但彎曲半徑大于4.5厘米以后我們發(fā)現(xiàn)彎曲對光纖的損耗很小了，在彎曲半徑為5.0厘米時彎曲不對損耗產生影響，而彎曲半徑小于1厘米時彎曲損耗急劇增加，說明損耗在這里有個躍變（光纖的機械特性，不能再彎曲下去）。下面來看彎曲半徑對光纖輸出功率的影響。在這里取彎曲三圈、二圈和一圈時的輸出功率與彎曲半徑的關系，見下表和函數(shù)圖（X軸代表彎曲半徑；Y軸代表輸出功率）。表2-4彎曲一圈時彎曲半徑與輸出功率關系半徑(厘米)1.01.52.02.53.03.54.04.55.0功 率(微瓦)21.022.222.422.522.622.923.524.624.9 圖 2-5彎曲一圈時彎曲半

14、徑與輸出功率關系表 2-6彎曲二圈時彎曲半徑與輸出功率關系半徑(厘米)1.01.52.02.53.03.54.04.55.0功 率(微瓦)20.721.822.122.222.422.623.024.624.9圖2-7彎曲二圈時彎曲半徑與輸出功率關系表2-8 彎曲三圈時彎曲半徑與輸出功率關系半徑(厘米)1.01.52.02.53.03.54.04.55.0功 率(微瓦)20.421.721.922.122.422.522.924.624.9圖 2-9彎曲三圈時彎曲半徑與輸出功率關系圖 2-10彎曲一、二、三圈時彎曲半徑與輸出功率的關系從上圖可以看出，在相同的彎曲圈數(shù)時彎曲半徑越大則輸出功率越大

15、，衰減越小。當彎曲半徑在4厘米左右時彎曲損耗躍變減小。結論：可以看出彎曲半徑的臨界值在5.0厘米到4.5厘米之間,且在4厘米左右有個躍變。當曲率半徑在大于臨界值RC時，則光纖彎曲引起的損耗很??；通常可以忽略，而彎曲半徑小于臨界半徑時，附加損耗迅速增加。當彎曲半徑小到某個值時彎曲損耗突然躍變增大。光纖的彎曲圈數(shù)越多則傳輸損耗越大，且它們之間并不成線性的增加，當圈數(shù)增加到一定程度時，彎曲圈數(shù)幾乎不對損耗影響（在此實驗條件下）而在相同彎曲圈數(shù)下，彎曲半徑越小則彎曲損耗越大。現(xiàn)象簡釋：由于本實驗使用的是多模光纖，在激光傳輸時存在著很多模式，彎曲時有部分導模由于彎曲變成泄漏模式或輻射模式從而損失很多功率

16、。彎曲半徑越小則模式損失越多，則損耗就越大。但相同的彎曲半徑下如果彎曲圈數(shù)不斷增加，則可以泄漏的高階模會泄漏完畢，彎曲損耗將不再增加。當彎曲半徑大到一定程度時，彎曲不對損耗產生影響，說明彎曲的程度并沒有達到將導模泄漏的程度。即導模沒有變成泄漏模；但彎曲半徑小到一定值時，不但變成泄露模式的導模增加，而且還將由于應力改變光纖的特性，使得光纖的各種參數(shù)發(fā)生改變，損耗也將快速的增加。三、結束語 自從低損耗光纖問世以來，光纖的發(fā)展極為迅速，尤其是光纖應用于通信領域，極大了滿足人們對于信息的大容量、高速率的要求。信息社會中光纖通信的飛速發(fā)展也更極大地推動了光纖技術的發(fā)展。光纖技術自出現(xiàn)以來在理論及技術上實

17、現(xiàn)了幾次突破，使得光纖技術的發(fā)展呈現(xiàn)出越來越美好的前景。實際應用中，光纖需要彎曲成一定形狀制備各種光纖器件，光纖彎曲損耗是很重要的特性參量，在光纖的架設施工中，彎曲是不可避免的，研究彎曲損耗對降低施工時的彎曲損耗也有很有現(xiàn)實意義。不但如此，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)。 本文設計試驗，通過改變多模光纖的彎曲半徑和彎曲圈數(shù)，測試出多模光纖彎曲時在4.5到5.0厘米之間有一個臨界半徑，當彎曲半徑大于臨界值時，彎曲不對損耗產生影響，當小于臨界半徑時光纖彎曲半徑越小則損耗越大；而彎曲半徑小于等于1厘米時，光纖不能再彎曲且此時損耗特別大；當彎曲圈數(shù)到一定程度時，彎曲圈數(shù)不影響損耗。同時光纖通信以它的海量傳輸和高保真性等諸多的優(yōu)點，必將成為