光纤通信论文

1、 光纤通信论文 课程:光纤通信原理 院系：信息工程学院 专业：电子信息工程 学号： 姓名： 班级： 指导老师：多模光纤的弯曲损耗摘 要：随着光通讯、光网络、光传感技术的发展，光纤已经被广泛应用于上述系统作为信息载体和敏感元件。多模光纤以其结构简单、芯径大、耦合效率高，损耗、色散较大而被广泛应用于小型局域网，局域网的铺设线路上往往弯曲较多。因此，研究弯曲对多模光纤所传输信号的衰减对于合理构建和铺设局域网是十分必要的。为此，我们实验研究了62.5微米芯径多模石英光纤在相同圈数不同弯曲半径和相同弯曲半径不同圈数情况下的弯曲损耗，得到了如下结论：（1）多模光纤弯曲时有一个4.5厘米到5厘米的临界值。（

2、2）当弯曲半径大于临界值时，弯曲不对损耗产生影响，当弯曲半径小于临界值时，弯曲半径越小则损耗越大；（3）当弯曲圈数到一定程度时，弯曲圈数不影响损耗。关键词：弯曲损耗；弯曲半径 一、光纤传输特性1、光纤的宏弯损耗、微弯损耗和弯曲过渡损耗1.1光纤的宏弯损耗 宏弯损耗是由光纤实际应用中必须的曲折等引起的宏观弯曲导致的损耗。对宏弯损耗进行理论分析比较困难，在这里我用通过讨论模的传输损耗来计算。如下图：图1-1弯曲损耗理论模型设：1、波导沿y方向（垂直于纸面方向）无限延伸；2、E只有y分量，只有r分量和分量(TE模)；3、半径R很大，场分布近似与平板波导一样；5、由于辐射所损耗的满足弱导条件；4、弯曲

3、功率不影响功率分布。 满足波动方程，在直角坐标系下求出其场解。对于波导芯区外侧（r1>r2）有： （1-2）式中:a为芯区半径； U和W为归一化横向传播常数； 为真空中的磁导率； 为相移常数； （1-3）其中P为导模功率。 对于波导弯曲时，导模功率有泄漏。光纤处于弯曲状态时，其传导模式的场分布如下图：图1-4传导模式的场分布图从能量的角度，光纤弯曲损耗源于延伸到包层中的消失场的尾部的辐射。当这个模式在光纤内传播时，其纤芯内和包层中的场分布应该作为一发整体沿光纤的轴线向前运动，即：原来这部分场与纤芯中的场一起传输，共同携带能量。由于光纤是弯曲的，则在远离曲率中心一侧的场的运动速度应比靠近曲

4、率中心一侧的场的运动速度快。假设光纤在轴线处，场的运动速度为该导模在直光纤情形下的传播速度，这一传播速度比平面波在纤芯介质中的传播速度大，因为纤芯内模式传播速度为模式场的相速度，而相速度是可以大于同一介质中的光速。但要比包层介质中的平面波传播速度小。在横向随着到曲率中心的距离的增加，模式场的传播速度也要增加，所以在包层中存在着一个到光纤轴线的某一临界距离，在这一距离处模式场的传播速度就等于平面波在包层介质中的传播速度。这里所说的模式场是指能够在这个临界距离以远的包层区域中的场分布能随模式场的其余部分沿光纤轴线一齐向前传播，即其运动速度必须大于包层中的光速，也就是说，位于曲率中心远侧的消失场尾部

5、必须以较大的速度才能与纤芯中的场一同前进，这是不可能的。如果光纤弯曲时，曲率半径在大于临界值RC时，则光纤弯曲引起的损耗很小；通常可以忽略，而弯曲半径小于临界半径时，附加损耗按指数规律迅速增加。所以确定临界值对于光纤的研究，设计和应用都很重要。下面是多模光纤的弯曲损耗公式： （1-5）式中a为纤芯半径；R为光纤弯曲的曲率半径。由上式可得到临界半径RC的表达式： （1-6）下图给出了多模光纤弯曲损耗随弯曲半径R的变化关系：图 1-7模光纤弯曲损耗随弯曲半径R的变化图 单模光纤弯曲损耗的计算公式： （1-8） （1-9） （1-10）1.2 光纤的微弯损耗 微弯损耗产生的原因是光纤在制造过程中或应

6、用过程中由于应变等原因引起的光纤微变所致，这种微变是随机的。 从原理上讲，微弯损耗也是由于弯曲引起导模功率的横向泄漏，理论分析表明，单模光纤微弯损耗，主要影响于模场半径，改变了光纤的相对折射率差和纤轴，并引起畸变。为了计算微弯损耗，必须知道光纤轴的畸变大小，对于阶跃型光纤，微弯损耗可由以下公式近似计算： (dB/km ) （1-11） 其中，W1和W2称为辅助模场半径，近似为： （1-12） （1-13） 这里，1.5<V<2.5 。设为弯曲谱函数，近似表示为： （1-14） 公式中：是光纤纤轴横向偏移的均方根值； LC为自相关长度；上式表明，模场半径的微小变化将引起弯曲损耗的明显

7、变化。1.3 光纤的过渡弯曲损耗弯曲过渡损耗是光纤由直到弯曲的突变中产生的损耗。弯曲过渡损耗的机理是由于光纤由直突然变“弯曲”或各段波导不一致，引起模场的不匹配，导致导模之间的相互耦合，并损失能量。这种机理可用等效折射率的概念来解释。以单模光纤为例，如图所示，若光纤弯曲半径R远大于芯径a，则弯曲光纤中的场可以看成某一等效折射率分布下直光纤的场，在折射率分布为n (r)的直弱导光纤中，基模场解为： 图 1-15 光纤过渡弯曲图当光纤产生弯曲时，场分布将产生一个与有关的相移。设弯曲光纤的场为则有： （1-16）将上式代入得： （1-17） 其中定义为等效折射率： （1-18） 上式表明，沿曲率半径

8、正方向随r增加而增加，这就导致场分布向曲率半径正方向偏移，其结果是导模向漏模转化，引起功率泄漏，造成过渡损耗。而且，随着弯曲方向的改变，损耗沿Z方向变化曲线将出现震荡11。二、多模光纤弯曲损耗的实验研究 本章主要是用实验的方法研究弯曲对光纤的传输损耗的影响。2.1实验装置与实验方法实验图及仪器设备。 图2-1 弯曲损耗试验装置图 上图是测试弯曲对光纤传输损耗的实验装置图是He-Ne激光器 透镜 五维支架 多模光纤 光功率计。本实验使用的光纤是石英多模光纤，纤芯直径62.5微米,包层直径125微米,数字孔径为0.2631，在850nm时衰减为2.805dB/km;在1300nm时为0.653dB

9、/km；He-Ne激光器为633nm激光器；光功率记为OPT-1A型，由北京方式科技有限公司提供，最大量程为200毫瓦，最小分辨率为0.01微瓦。实验操作 1、首先将氦氖激光器、透镜、五维支架调节到共轴。当看到激光器的光斑能通过五维支架的中心孔和透镜的中心并在五维支架上反射的光斑能与通过透镜的光斑重合时，说明它们三者已经同轴。2、调节透镜和五维支架的距离，找到最佳耦合距离。3、取一段120米长的多模光纤，将其端口涂缚层去掉并用乙醚将端口清洗干净，这样可以包层杂散光的干扰和增加耦合效果。4、将光纤安装在五维支架上，对五维支架进行粗条，同时目视观察透过光纤后的光强大小，当感觉到光最强时用光功率记探

10、测，此时细调五维支架一直调到光功率记显示最大的光功率为止并记录此时的光功率，此时说明已达到最佳耦合效果。5、将光纤弯曲5厘米的一圈、二圈、一直到十圈并记录每次的光功率，然后将光纤弯曲成4.5厘米、3.5厘米、直到1厘米重复上面的实验。2.2实验结果与分析 表 2-2弯曲半径、弯曲圈数与输出功率的关系半径圈数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上面是弯曲半径分别是5.0厘米、4.5厘米、4.0厘米、3.5厘米、直到1.0厘米时所弯圈数与所测功率的关系表格和函数图（函数图是用Origin6.0绘制，横轴代表圈数，纵轴代表功率大小）。 图 2-3弯曲半径、弯曲圈数与输出功率的关系实验分析与结论：从上述的数据表格和分析图可以看出光纤的输出功率随着弯曲圈数的增加而减小，但是圈数的增加与功率的减小并不是成线性的。我们从函数图上看到当开始弯曲第一圈时，功率减少得很快，第二圈时次之，到最后我们可以看到曲线越来越趋于平坦，说明当光纤弯曲到一定的

13、圈数时对损耗越来越影响小，但弯曲半径大于4.5厘米以后我们发现弯曲对光纤的损耗很小了，在弯曲半径为5.0厘米时弯曲不对损耗产生影响，而弯曲半径小于1厘米时弯曲损耗急剧增加，说明损耗在这里有个跃变（光纤的机械特性，不能再弯曲下去）。下面来看弯曲半径对光纤输出功率的影响。在这里取弯曲三圈、二圈和一圈时的输出功率与弯曲半径的关系，见下表和函数图（X轴代表弯曲半径；Y轴代表输出功率）。表2-4弯曲一圈时弯曲半径与输出功率关系半径(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 图 2-5弯曲一圈时弯曲半

14、径与输出功率关系表 2-6弯曲二圈时弯曲半径与输出功率关系半径(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图2-7弯曲二圈时弯曲半径与输出功率关系表2-8 弯曲三圈时弯曲半径与输出功率关系半径(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图 2-9弯曲三圈时弯曲半径与输出功率关系图 2-10弯曲一、二、三圈时弯曲半径与输出功率的关系从上图可以看出，在相同的弯曲圈数时弯曲半径越大则输出功率越大

15、，衰减越小。当弯曲半径在4厘米左右时弯曲损耗跃变减小。结论：可以看出弯曲半径的临界值在5.0厘米到4.5厘米之间,且在4厘米左右有个跃变。当曲率半径在大于临界值RC时，则光纤弯曲引起的损耗很小；通常可以忽略，而弯曲半径小于临界半径时，附加损耗迅速增加。当弯曲半径小到某个值时弯曲损耗突然跃变增大。光纤的弯曲圈数越多则传输损耗越大，且它们之间并不成线性的增加，当圈数增加到一定程度时，弯曲圈数几乎不对损耗影响（在此实验条件下）而在相同弯曲圈数下，弯曲半径越小则弯曲损耗越大。现象简释：由于本实验使用的是多模光纤，在激光传输时存在着很多模式，弯曲时有部分导模由于弯曲变成泄漏模式或辐射模式从而损失很多功率

16、。弯曲半径越小则模式损失越多，则损耗就越大。但相同的弯曲半径下如果弯曲圈数不断增加，则可以泄漏的高阶模会泄漏完毕，弯曲损耗将不再增加。当弯曲半径大到一定程度时，弯曲不对损耗产生影响，说明弯曲的程度并没有达到将导模泄漏的程度。即导模没有变成泄漏模；但弯曲半径小到一定值时，不但变成泄露模式的导模增加，而且还将由于应力改变光纤的特性，使得光纤的各种参数发生改变，损耗也将快速的增加。三、结束语 自从低损耗光纤问世以来，光纤的发展极为迅速，尤其是光纤应用于通信领域，极大了满足人们对于信息的大容量、高速率的要求。信息社会中光纤通信的飞速发展也更极大地推动了光纤技术的发展。光纤技术自出现以来在理论及技术上实

17、现了几次突破，使得光纤技术的发展呈现出越来越美好的前景。实际应用中，光纤需要弯曲成一定形状制备各种光纤器件，光纤弯曲损耗是很重要的特性参量，在光纤的架设施工中，弯曲是不可避免的，研究弯曲损耗对降低施工时的弯曲损耗也有很有现实意义。不但如此，研究并了解不同光纤的传输特性将有利于我们合理选材、合理布局，为构建最合乎需要、性能最佳的光通讯、光网络、光传感系统提供依据。 本文设计试验，通过改变多模光纤的弯曲半径和弯曲圈数，测试出多模光纤弯曲时在4.5到5.0厘米之间有一个临界半径，当弯曲半径大于临界值时，弯曲不对损耗产生影响，当小于临界半径时光纤弯曲半径越小则损耗越大；而弯曲半径小于等于1厘米时，光纤不能再弯曲且此时损耗特别大；当弯曲圈数到一定程度时，弯曲圈数不影响损耗。同时光纤通信以它的海量传输和高保真性等诸多的优点，必将成为