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光纤的结构特性参数概念

浏览:7065  来源:通信人在线  日期:2023-03-09

光纤是由折射率较高的纤芯和包围在纤芯外面的折射率较低的包层所组成的光的传输媒质,一般为双层或多层的同心圆柱体,为轴对称结构,如图0所示。

0:光纤的结构

纤芯用来导光,包层保证光全反射只发生在纤芯内,涂覆层(塑料护套)的作用是进一步确保光纤的力学性能和传输性能。光纤中光的传输过程一般可以用几何光学和波动两种理论来解释。这里主要从光纤通信工程的角度出发,以光纤的结构、材料等方面来认识光纤。

描述光纤结构的参数主要有光纤的几何参数、折射率分布、数值孔径(NA)、截止波长和模场参数。这些参数仅与光纤横截面的物理构成相关,与光纤的长度及传输状态无关。但光纤的不同结构参数对光纤的性能会产生不同影响。

一、光纤的几何参数

根据ITU-T(国际电信联盟)及IEC(国际电工委员会)的推荐,多模光纤的几何参数包括纤芯直径、包层直径、纤芯不圆度、包层不圆度、纤芯与包层同心度等;单模光纤的几何参数包括包层直径、包层不圆度、纤芯与包层同心度误差(或模场包层同心度误差)。ITU-TIEC标准均对光纤物理尺寸做出了相应的规定,这些尺寸是制造光纤时的重要依据。光纤的几何尺寸、结构参数除对光纤的传输性能和力学性能有影响外,对光纤的连接(接续)损耗也产生较大影响。

ITU-T通常是参照IEC的规范给出了光纤的几何参数的要求。在ITU-T G.650.1G.651.1建议中给出了单模光纤和多模光纤的几何参数的概念定义,其中单模光纤的几何参数的概念定义详见下表1中。我国国家标准GB/T 14733.12《电信术语 光纤通信》也有相应的术语解释。

1:单模光纤的几何参数的概念定义

二、光纤的模场参数

模场的概念属于光纤的光学特性中的一个参数。根据ITU-T(国际电信联盟)及IEC(国际电工委员会)的推荐,单模光纤的模场参数有:模场、模场中心、模场同心度误差、模场直径、模场不圆度等。在ITU-T G.650.1建议中给出了单模光纤的模场参数的概念定义,其概念定义详见下表2中。

2:单模光纤的模场参数的概念定义

模场直径是单模光纤特有的一个重要参数。所谓模场,就是指光纤中LP01模的基模场电场强度随空间变化的分布。而模场直径就是基模近场光斑的大小,如图2所示,Er)为基模场的电场强度,r为光纤横截面的径向坐标。

2:基模近场功率分布图

模场直径的取值和容差范围与光纤的连接损耗和抗弯特性有着直接联系。此外,模场直径随波长变化谱还能用来确定单模光纤的截止波长和估算出光纤的色散系数,因此,不管对生产还是施工,模场直径都是一个非常重要的参数。单模光纤之所以采用模场直径而不采用纤芯的几何尺寸作为其结构参数,是因为单模光纤中的场并不是完全集中在纤芯中,有相当部分的能量在包层中传输。

三、其他参数

1、折射率分布(refractive index profile

G.650.1给出的折射率分布定义为:折射率沿纤维直径的折射率。光纤的折射率分布描述了光纤从芯到包层的折射率随半径的变化,即光纤的折射率为光纤半径的函数。单模光纤的折射率分布决定了单模光纤的截止波长、模场直径和色散。多模光纤的折射率分布对多模光纤的带宽具有决定性的影响。折射率的设计原则一般要求设计出的光纤具有高带宽、低色散、小的衰减系数,并有合理的剖面结构,以减少其生产成本。

2、截止波长(cut-off wavelength

G.650.1给出的理论截止波长定义为:理论截止波长是单模能在单模光纤中传播的最短波长。这个参数可以从光纤的折射率分布计算出来。在理论上截止波长以下的波长下,几种模式传播,纤维不再是单模而是多模。在光纤中,从多模态到单模态的变化不是在孤立的波长上发生的,但在波长范围内相当平滑。因此,在电信网络中确定光纤性能时,理论上的截止波长比实际的单模性能阈值波长要有用得多。因此,对于以下定义的单模光纤参数,应该引入一个更有效的参数,称为截止波长:截止波长定义为总功率(包括发射的高阶模态)与基模功率的比值小于0.1 dB时的波长。根据这一定义,当模态相同时,二阶模态(LP11)的衰减比基本模态(LP01)大19.3 dB

截止波长为单模光纤所特有的结构参数,它给出了保证单模光纤传输的光波长范围。所谓截止波长,是指次低阶模LP11Linearly PolarizedLpmode(线偏振模),下标11为波形编号,表示沿半圆周数得到的光斑个数为1和沿半径数得到的光斑个数也为1)的截止波长。单模光纤传输系统的工作波长必须大于截止波长,否则光纤将工作在多模区,产生模式噪声和模式色散,从而导致传输性能恶化和带宽下降。但工作波长不宜偏离截止波长太远,以免有更多的光功率分布在包层中,影响传输性能。截止波长对于光纤光缆制造厂商、光缆的用户设计和使用光纤传输系统均有很大意义。

3、数值孔径(NA

G.651.1给出的数值孔径的定义是:进入或离开光纤核心的最大锥状光线顶点半角的正弦,乘以锥状光线顶点所在介质的折射率。数值孔径是多模光纤的重要参数之一,它表征了多模光纤接受光的能力,同时也反映了该光纤与光源或别的光纤耦合的难易程度。数值孔径是多模光纤的特有结构参数。

数值孔径的值比最大理论数值孔径(NA tmax)的值低5%左右,理论上的数值孔径(NA tmax)是由核心和包层的折射率测量得到的。

其中n1为纤芯的最大折射率,n2为包层最内均匀的折射率。

四、示例

4-1和表4-2分别给出了渐变多模(GI)光纤和标准G.652光纤(单模)的结构参数实例。

4-1:渐变多模(GI)光纤结构参数的实例

4-2:单模光纤结构参数实例(G.652光纤)

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