第四章光纤的特性—1.ppt

第4章光纤的特性 20世纪60年代以来的近半个世纪，光纤因其具有的许多优越特性而在光通信、传感、传像以及光能量与光信号传输等各个领域均获得了广泛的应用。因此，深人了解光纤的主要特性是至关重要的。光纤的主要特性包括:光纤的集光能力、光纤的传输特性以及光纤的物理化学特性等。有关光纤的集光能力在第2章已讨论过，本章将以光纤的传输特性为重点，分析研究光纤的损耗(衰减)、色散与带宽、偏振以及非线性效应等传输特性;同时简单介绍光纤的物理化学特性。 4. 1光纤的传输特性 作为一种传输介质，光纤不可避免地要对其中光信号的传输产生作用与影响,这就是光纤的传输特性。它主要包括:光纤传输的模式及相关效应,光纤的损耗,光纤的色散与带宽特性，单模光纤的偏振特性，以及高功率条件下的非线性效应。其中，光纤中传输的模式问题已在第3章中详细讨论过，本节将讨论其余的传输特性。 一般而言，光纤介质将使在其中传输的光信号质量劣化，引起光信号质量劣化的几种重要效应是损耗、色散、偏振和非线性效应。深人了解这些特性对各种应用尤其是光纤通信与传感的影响十分重要。 4. 1.1光纤的损耗特性 光纤损耗是光纤最重要的传输特性与指标之一，在光纤通信系统中，损耗在很大程度上决定了传输系统的最大无中继距离。在光纤通信发展的前期，损耗是制约光纤通信系统发展的最重要因索之一 1.光纤损耗的定义与计算 光纤损耗(或称衰减)使光纤中传输的光信号的强度随距离的增加而减弱。光纤损耗量度的是输出光相对于输人光的损耗量。总损耗是所有损耗之和，造成光信号在光纤中传输损耗的主要因索有:光纤材料的吸收损耗、散射损耗、弯曲或微弯损耗(导致光泄漏)以及光 纤连接与祸合的损耗。其中，祸合损耗只发生在光纤端面;由于吸收及散射均具有均匀性和累加性，即它们的影响将随着光纤长度的增加而增强，因而光纤的损耗亦具有累加性。 对于长距离传输的光纤系统，祸合损耗显得不那么重要，吸收与散射损耗则占有更大的比例;而对于短距离传输的光纤系统，则光纤吸收与散射损耗要比端面祸合损耗小得多。整个光纤传输讨程中的急福耗等干吸收、散射与光藕合辐射之和。 若将初始光功率发送到光纤中，设△P为祸合损耗的光功率，则能进人光纤的光功率为P0-△P0在光纤传输中，由于吸收及散射损耗造成单位长度光纤的衰减系数为A，则光纤中长度L(以cm为单位)处的光功率P(L)可表示为 若上式中单位长度光纤的衰减系数A以单位长度光纤的吸收损耗系数 与散射损耗系数s之和取代，则上式亦可表为 (4.2) 上两式表明，影响光纤系统传输、透过性能的是总损耗。若仅从进人光纤的光功率考虑计算，即将光纤内的衰减与系统中的祸合损耗分开，则可以使光纤中损耗的计算简化。 在科学研究与工程实用中，通常用对数分贝的标度来定义、计算光纤的损耗(衰减)。如光纤长度为L，输人光功率为 ;输出光功率为 则损耗是量度输出与输人光功率比 的量。若采用对数分贝标度方法，则光纤的损耗(衰减)系数A可以用如下单位长度(km)光纤光功率衰减的分贝数来定义: dB/km (4.3) 式中，“-”号表示光功率衰减，dB/km为光纤损耗的对数分贝标度单位，A值又可称为“特征损耗”。 对上式计算表明，若损耗为3 dB，则表明输出光功率为输人光功率的一半;10dB表示输出光功率为输人光功率的1000;20 dB则表示输出光功率仅为输人光功率的100。总之每增加10dB的损耗，输出就减少到原输出光功率的1/10。表2. 1给出了损耗分贝数与等效光功率比的常用典型值。 表4.1损耗的分贝数与等效光功率比的常用典型值 采用以dB为单位表示损耗具有很多优点，例如若给出单位长度光纤的损耗系数A (dB/km)，则L(km)长度光纤的总损耗为 (4.4) 另外，若光纤传输系统由几段不同的光纤组成，已知各段光纤的损耗，则系统的总损耗可由下述和式计算: 总损耗((dB) =(损耗)1(dB)+(损耗)2(dB)+(损耗)3(dB)+… (4.5) 总之，以dB为单位，可以变复杂的乘除运算为简单的加减运算，由输人光功率和已知的衰减系数求出输出光功率，从而大大简化信号光功率与损耗的计算。 (4.6) 为了方便表示光功率的绝对值，常以1 mW为基准的分贝数(即aY值)为单位，表示为dBm W(通常以缩写形式dBm表示)，读做毫瓦分贝。若将此单位用做绝对功率值的相对量 度单位，则P(mW)光功率以dBm表示则为: 这样，则有10 mW为10 dBm;0.1 mW为-10 dBm; l nW为-60 dBm。因而若给定以dBm值形式表示的输人光功率Pin( dBm)值时，则由(4.7)式可