《光电子实验讲义》word版

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1、实验一单模光纤的色散和损耗特性的测量1966年，英籍华裔科学家高锟（C.K.Kao）和其合作者霍克哈姆（C.A.Hockham）发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤（OpticalFiber）进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光纤通信的基础。1976年美国亚特兰大进行了光纤通信现场实验，标志着光纤通信从基础研究发展到商业应用的新阶段。此后，光纤通信技术不断创新：光纤从多模发展到单模，工作波长从0.85μm发展到1.31μm和1.55μm，传输速率从几十Mb/s发展到现在的几十Gb/s。另外一方面，随着技术的进步和大规模产业的形

2、成，光纤价格不断下降，应用范围日益扩大：从初期的市话局间中继到长途干线进一步延伸到用户接入网，从数字电话到有线电视（CATV），从单一类型信息的传输到多钟业务的传输。目前光纤已经成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统已经日渐成为许多国家信息基础设施的支柱。光信号经光纤传输后要产生损耗和畸变（失真），因而使得输出信号和输入信号不同。对于脉冲信号，不仅幅度要减小，而且波形要展宽。产生信号畸变的主要原因就是光纤中存在色散和损耗。色散限制系统的传输容量，损耗则限制系统的传输距离。本实验讨论光纤的色散和损耗特性并对单模光纤的色散和损耗进行测试。[实验目

3、的]1.理解光纤色散的概念；2.理解光纤损耗的概念；3.了解并掌握相移法测量单模光纤色散的方法；4.了解并掌握插入法测量光纤损耗这一常用方法。5.通过本实验，对光纤通信有一定的了解。[实验仪器]三波长光纤光源（1313、1535、1555nm），光纤色散测试仪，光功率计，融锥型WDM波分复用器，法兰盘，光纤跳线，待测光纤等。[实验原理]一、光纤的色散1．色散概述色散（Dispersion）是光纤最重要的传输特性之一。色散是在光纤中传输的光信号由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。色散一般包括模式色散、材料色散和波导色散。模式色散又

4、称模间色散，只存在于多模光纤中，它是由于不同模式的时间延迟不同而产生的，每一种模式到达光纤终端的时间先后不同，造成了脉冲的展宽，从而出现色散现象，它取决于光纤的折射率分布，并和光纤的材料折射率的波长特性有关；材料色散是由于光纤的折射率随波长而改变，以及模式内部不同波长成分的光（因为实际光源的非单色性），其时间延迟不同而产生，这种色散取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度；波导色散又称结构色散，它是由于光纤的波导结构参数与波长有关而产生的色散，它取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差。色散对光纤传输系统的影响，在时域和频域的表示方法不同

5、。如果信号是模拟调制的，色散限制带宽（Bandwidth）；如果信号是数字脉冲，色散产生脉冲展宽（Pulsebroadening）。色散一般用3dB光带宽（即为半高峰处的带宽）或者脉冲展宽σ来表示。用脉冲展宽表示时，光纤色散σ可以写为：（1-1）（1）式中、、分别为模式色散、材料色散和波导色散所引起的脉冲展宽的均方根值。2．多模光纤的色散由多模光纤折射率分布的普遍公式，假设每个传输模式具有相同的功率，经过计算，可以得到长度为L的多模光纤的脉冲展宽为：（1-2）（2）式中为模式色散产生的脉冲展宽。对于突变型多模光纤：；（1-3）对于渐变型多模光纤

6、：，（1-4）可见渐变型多模光纤的脉冲展宽比突变型多模光纤减小Δ/2倍。上面式中，Δ＝(n1-n2)/n1为相对折射率差，c为光速，g为折射率分布指数，（2）式中为模内色散产生的脉冲展宽，对于一般的多模光纤，主要为材料色散，可以简化为：（1-5）（5）式中，为光源功率谱的谱线宽度。3．单模光纤的色散模内色散系数：理想圆对称单模光纤的色散（实际上光纤并非理想的圆对称，因此要考虑偏振模色散，这里我们只讨论理想圆对称情况），由于不存在模畸变（只有一个基模，不存在高阶模，忽略偏振态的改变），传导光脉冲的展宽完全是由波导色散和材料色散决定，人们常把这种基

7、模的一个模内的色散定义为模内色散，有时为了和其他色散进行区分，也称色度色散(ChromaticDispersion)，表明是和光的“色彩”（波长）有关。常简称为色散，它是时间延迟随波长变化的结果。模内色散系数的定义是：单位光源光谱宽度、单位光纤长度所对应的光脉冲的展宽（延时差）[ps/(nm·km)]：对所有类型的单模光纤，该系数是可以根据测定不同波长的光通过一定长度的光纤的相对时差（延时）来确定的。偏振模色散：在理想完善的单模光纤中，单模光纤只能传输一种基模的光。基模实际上是由两个偏振方向相互正交的模场HE11x和HE11y简并组成。但实际的

8、单模光纤不可避免存在一定的缺陷，如纤芯不圆度、微弯力、内部残余应力等，HE11x和HE11y存在相位差，则合成光场是一个方向和瞬时幅度随时间变化的非线