單模及多模光纖的特性參數(shù)[圖文運(yùn)用]

1、光纖的特性參數(shù)可以分為三大類即幾何特性參數(shù)、特性參數(shù)與傳輸特性參數(shù)。受篇幅所限我們僅簡單介紹幾個富有代表性的典型參數(shù)。1、多模光纖的特性參數(shù) 衰耗系數(shù)a衰耗系數(shù)是多模光纖最重要的特性參數(shù)之一（另一個是帶寬系數(shù)）。因?yàn)樵诤艽蟪潭壬蠜Q定了多模。光纖的特性參數(shù)可以分為三大類即幾何特性參數(shù)、特性參數(shù)與傳輸特性參數(shù)。受篇幅所限我們僅簡單介紹幾個富有代表性的典型參數(shù)。1、多模光纖的特性參數(shù) 衰耗系數(shù)a衰耗系數(shù)是多模光纖最重要的特性參數(shù)之一（另一個是帶寬系數(shù)）。因?yàn)樵诤艽蟪潭壬蠜Q定了多模光纖的中繼距離。其中最主要的是雜質(zhì)吸收所引起的衰耗。在光纖材料中的雜質(zhì)如氫氧根離子、過渡金屬離子（銅、鐵、鉻等）對光的吸收

2、能力極強(qiáng)，它們是產(chǎn)生光纖衰耗的主要因 素。因此要想獲得低衰耗光纖，必須對制造光纖用的原材料二氧化硅等進(jìn)行十分嚴(yán)格的化學(xué)提純，使其雜質(zhì)的含量降到幾個PPb以下。 光纖的色散與帶寬色散當(dāng)一個光脈沖從光纖輸入，經(jīng)過一段長度的光纖傳輸之后，其輸出端的光脈沖會變寬，甚至有了明顯的失真。這說明光纖對光脈沖有展寬作用，即光纖存在著色散（色散是沿用了中的名詞）。光纖的色散是引起光纖帶寬變窄的主要原因，而光纖帶寬變窄則會限制光纖的傳輸容量。光纖的色散可以分為三部分即模式色散、材料色散與波導(dǎo)色散。模式色散m因?yàn)楣庠诙嗄９饫w中傳輸時會存在著許多種傳播模式，而每種傳播模式具有不同的傳播速度與相位，因此雖然在輸入端同時

3、輸入光脈沖信號，但到達(dá)到接收端的時間卻不同，于是產(chǎn)生了脈沖展寬現(xiàn)象。對多模光纖而言，由于其模式色散比較嚴(yán)重，而且其數(shù)值也較大，所以其材料色散不占主導(dǎo)地位。但對單模光纖而言，由于其模式色散為零，所以其材料色散占主要地位。波導(dǎo)色散w所謂波導(dǎo)色散是指由光纖的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)所引起的色散。對多模光纖而言，其波導(dǎo)色散的影響甚小。需要注意的是，由于光信號是以光功率來度量的，所以其帶寬又稱為3dB光帶寬。即光功率信號衰減3dB時意味著輸出光功率信號減少一半。而一般的電纜之帶寬稱為6dB電帶寬，因?yàn)檩敵鲭娦盘柺且噪妷夯螂娏鱽矶攘康?。引起光纖帶寬變窄的主要原因是光纖的色散。對于多模光纖而言，因?yàn)槠淠Ｊ缴⒄冀y(tǒng)治地位（材

4、料色散與波導(dǎo)色散的大小可以忽略不計），所以其帶寬又稱模式色散帶寬，或稱模時變帶寬。對單模光纖而言， 由于其模式色散為零，所以材料色散與波導(dǎo)色散占主要地位。注意，單模光纖沒有帶寬系數(shù)的概念，僅有色散系數(shù)的概念。對多模光纖而言，其帶寬與色散的關(guān)系可 近似地表達(dá)為：根均方帶寬f帶寬系數(shù)Bc是在頻域范圍內(nèi)描述光纖傳輸特性的重要參數(shù)，實(shí)際上它演用了模擬的概念，在數(shù)字光纖中的實(shí)際意義并不大。在時域范圍內(nèi)，人們經(jīng)常使用根均方帶寬f來描述光纖的傳輸特性。一方面在實(shí)際工作中人們在時域內(nèi)進(jìn)行測量比在頻域內(nèi)測量更加方便可行；另一方面光纖的根均方帶寬f與數(shù)字光纖有著更密切的關(guān)系，因?yàn)樗苤苯?和其傳輸?shù)墓饷}沖的根均方

5、脈寬發(fā)生聯(lián)系。而根均方脈寬不僅能確切地描述光脈沖的特性，而且與光纖系統(tǒng)的傳輸中繼距離密切相關(guān)，所以在光纖的中經(jīng)常用到它。在時域范圍內(nèi)，光纖的沖擊響應(yīng)是一個高斯波形，如圖2.12所示。光纖的根均方帶寬的物理含義是：對應(yīng)于光纖高斯形沖擊響應(yīng)最大函數(shù)值的0.61 倍時，自變量時間t的數(shù)值。它與光纖?；儙挼年P(guān)系為 數(shù)值孔徑NA我們已經(jīng)對光纖的數(shù)值孔徑進(jìn)行了討論，并推導(dǎo)出其表達(dá)式。數(shù)值孔徑是多模光纖的重要參數(shù)，它表征光纖端面接收光的能力，其取值的大小要兼顧光纖接收光的能力和對模式色散的影響。CCITT建議多模光纖的數(shù)值孔徑取值范圍為0.180.23，其對應(yīng)的光纖端面接收角c=1013。此外，（2.3

6、）式的數(shù)值孔徑表達(dá)式是在階躍光纖的條件下推導(dǎo)出來的，即認(rèn)為纖芯區(qū)域的折射率是均勻的。但多模光纖目前大多為漸變光纖，其纖芯 區(qū)域中的折射率是漸變的。所以對應(yīng)于（2.3）式的數(shù)值孔徑叫做最大數(shù)值孔徑NAt，而在實(shí)際中卻最常使用強(qiáng)度有效數(shù)值孔徑NAe，它們兩者的關(guān)系為 NAt=1.05NAe （2.15） 歸一化頻率V歸一化頻率是光纖的最重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，它能表征光纖中傳播模式的數(shù)量。其表達(dá)式為：2、單模的特性參數(shù) 衰耗系數(shù)a其規(guī)定與物理含義與多模光纖完全相同，在此不多敘述。 色散系數(shù)D()我們已經(jīng)知道，光纖的色散可以分為三大部分即模式色散、材料色散與波導(dǎo)色散。而對于單模光纖而言，由于實(shí)現(xiàn)了單模傳輸所

7、以不存在模式色散的問題，故其色散主要表現(xiàn)為材料色散與波導(dǎo)色散（統(tǒng)稱模內(nèi)色散）。綜合考慮單模光纖的材料色散與波導(dǎo)色散，統(tǒng)稱色散系數(shù)。色散系數(shù)可以這樣理解：每公里的光纖由于單位譜寬所引起的脈沖展寬值。因此，L公里光纖由色散引起的脈沖展寬值為：=D（）L （2.17）其中：為光源譜寬為根均方展寬值色散系數(shù)越小越好。光纖的色散系數(shù)越小，就意味著其帶寬系數(shù)越大即傳輸容量越大。例如CCITT建議在波長1.31 微米處單模光纖的色散系數(shù)應(yīng)小于3.5ps/km.nm。經(jīng)過計算，其帶寬系數(shù)在25000MHzkm以上，是多模光纖的60多倍（多模光纖的帶寬系數(shù) 一般在1000MHzkm 以下）。 模場直徑d模場直徑

8、表征單模光纖集中光能量的程度。由于單模光纖中只有基模在進(jìn)行傳輸，因此粗略地講，模場直徑就是在單模光纖的接收端面上基模光斑的直徑（實(shí)際上基模光斑并沒有明顯的邊界）。為了直觀和便于理解，模場直徑可近似地表達(dá)為：可以極其粗略地認(rèn)為（很不嚴(yán)格的說法），模場直徑d 和單模光纖的纖芯直徑相近。 截止波長c我們知道，當(dāng)光纖的歸一化頻率V小于其歸一化截止頻率Vc時，才能實(shí)現(xiàn)單模傳輸，即在光纖中僅有基模在傳輸，其余的高次模全部截止。由歸一化頻率的表達(dá)式(2.16)可得也就是說，除了光纖的參量如纖芯半徑，數(shù)值孔徑必須滿足一定條件外，要實(shí)現(xiàn)單模傳輸還必須使光波波長大于某個數(shù)值，即c，這個數(shù)值就叫做單模光纖的截止波長。因此，截止波長c的含義是，能使光纖實(shí)現(xiàn)單模