【正文】 Ⅰ 多模光纖的彎曲損耗實驗研究 XXX （吉首大學物理科學與信息工程學院，湖南 吉首 416000） 摘 要： 隨著光通訊、光網(wǎng)絡(luò)、光傳感技術(shù)的發(fā)展，光纖已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于上述系統(tǒng)作為信息載體和敏感元件。多模光纖以其結(jié)構(gòu)簡單、芯徑大、耦合效率高，損耗、色散較大而被廣泛應(yīng)用于小型局域網(wǎng)，局域網(wǎng)的鋪設(shè)線路上往往彎曲較多。因此，研究彎曲對多模光纖所傳輸信號的衰減對于合理構(gòu)建和鋪設(shè)局域網(wǎng)是十分必要的。 為此，我們實驗研究了 微米芯徑多模石英光纖在相同圈數(shù)不同彎曲半徑和相同 彎曲半徑不同圈數(shù)情況下的彎曲損耗 ，得到了如下結(jié)論： （ 1）多模光纖彎曲時有一個 厘米到 5 厘米的臨界值。（ 2）當彎曲半徑大于臨界值時，彎曲不對損耗產(chǎn)生影響，當 彎曲半徑 小于臨界值時，彎曲半徑 越小則損耗越大； （ 3） 當彎曲圈數(shù)到一定程度時，彎曲圈數(shù)不影響損耗 。 關(guān)鍵詞 ： 多模光纖 ； 彎曲損耗 ； 彎曲半徑 Experimental study about loss of Multi molds optical fiber inducing by bending He Guocai (College of Physics Science and Information Engineering, Jishou University, Jishou, Hunan 416000) Abstract： Along with development of the optical munication, the optical work, the optical sensor technology, the optical fiber widely is already applied to the above system as the information carrier and the sensitive unit. Multimolds optical fiber has been applied widely in the LAN for its simple structure, big core diameter, high coupling efficiency, highly waste and big dispersion. The line of LAN always has many bending, therefore, it is necessary to research the bending waste of the multi molds optical fiber for constructing reasonably and laying down the LAN. For this， it has been experimental study that the bending loss of coresdiameters multimolds silica fiber has the same number of loop with different radius and has the same radius with different number of loop, obtained the following conclusion: (1) The multi molds optical fiber have a marginal when has curving centimeters to 5 centimeters. (2) The winding radius is bigger than marginal, it is not influence lost. The winding radius is more small the lost more big when the winding radius smaller then Ⅱ marginal. (3) Winding number circle to certain degree, the winding number circle does not affect the loss. Key word： Multi molds optical fiber。 winding waste。 winding radius 目 錄 摘要 ………………………………………………………………………………… Ⅰ 關(guān)鍵字 ………………………………………………………………… …………… Ⅰ Abstract…………………………………………………………………………… Ⅰ Keywords……………………………………………………………………… … … Ⅱ 1. 緒 論 ……………………………………………………………………………… 1 引言 ……………………………………………………………… ………… ……… 1 光纖的發(fā)展歷史、種類及用途 ………………………………………………… … 2 本論文工作的目的、意義和主要內(nèi)容 ………………………………………… 8 2. 光纖 傳輸理論 …… ……………………………………………………………… …… 8 光 纖的模式理論 ……………………………………………………………… … 8 光纖的 光線理論 ……………………………………………………………… … 11 3. 光纖 傳輸特性 ……………………………………………………………… …… 16 光纖的損耗、色散和非線性 …………………………………………………… 16 光纖的宏彎損耗、微彎損耗和彎曲過渡損耗 ……………………………… … 19 4. 多模光纖彎曲損耗的實驗研究 ……………………………… …………………… 23 實驗裝置與實驗方法 …………………………………………………………… 23 實驗結(jié)果與分析 ……………………………………………………………… 24 5. 結(jié)束語 … ……………………………………………………………… …………… 28 參考文獻 ……………………………………………………………… ………………… 29 致謝 ……………………………………………………………… ……………………… 30 多模光纖的彎曲損耗實驗研究 緒論 1 1 緒論 引言 當今的信息時代是以兩大技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展為基礎(chǔ) ，同時也是以這兩大技術(shù)為支撐的。其一是包括超大規(guī)模集成電路在內(nèi)的計算機技術(shù)，它使信息處理能力成百萬倍的提高 。其二就是以半導體激光器、光纖和光電子器件為主力軍的通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它使信息傳輸能力成百上萬倍地提高。 1966 年，英籍華人高錕博士 (當時工作于英國標準電信研究所 ) 深入研究了光在石英玻璃纖維中的嚴重損耗問題，發(fā)現(xiàn)了這種玻璃纖維引起光損耗的主要原因，突破了應(yīng)用的瓶頸，奠定了光纖通信的基礎(chǔ)； 在高錕理論的指導下， 1970 年美國的康寧公司拉出了第一根損耗為 20dB/km的光纖，日本也做出了超低損耗的光纖 (損耗 為，波長為 )， 展現(xiàn)出光纖通信技術(shù)發(fā)展的美好前景。 1990 年后推出的以電時分復(fù)用為基礎(chǔ)的單信道光波通信系統(tǒng)，將傳輸速率每五年提高九倍；二十世紀九十年代中期，由于摻鉺光纖放大器的實用化推動了波分復(fù)用技術(shù)的實用化，實現(xiàn)了 Tbit/s 量級的傳輸速率；近年來光交叉連接，光分插復(fù)用，光突發(fā)交換，光分組交換，無源光網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)應(yīng)運而生，并得到迅速的發(fā)展。進入新世紀以來，光通信行業(yè)擠掉了 “泡沫 ”步入了健康高速發(fā)展的階段，但全光通信網(wǎng)絡(luò)是當前與未來發(fā)展的主要方向之一已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)共識，與光信號處理及智 能光交換相關(guān)的技術(shù)仍然保持著蓬勃的發(fā)展態(tài)勢，光電子集成，光纖傳感器及傳感系統(tǒng)等多種技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展，并在許多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用 [2]。 光纖作為光通信和光傳感系統(tǒng)中的信息載體和敏感元件，得益于它的如下優(yōu)點：（ 1）它能夠海量的傳輸信息。光纖具有極寬頻帶是其各項優(yōu)點中最重要的優(yōu)點，它使得光纖可以傳送巨大的信息容量。目前光纖通信使用的光載波，頻率在 1014Hz量級，而大量應(yīng)用的微波載體，頻率為 1010Hz量級。原則上講，前者的信息容量比后者大上萬倍。理論上講，光纖的帶寬可達 40THz 以上 (按帶寬等于光頻 的 10％計 )，與之相反，微波 (頻率 4GHz)的帶寬僅為光波的十萬分之一，而金屬同軸電纜的帶寬則只有 60MHz。在信息需求量不斷迅速增長的現(xiàn)代社會，光纖通信系統(tǒng)所具有的潛在巨大容量無疑具有極其重要的價值！ （ 2）保密性強。外界的干擾進不去，內(nèi)部的光能也 能 不 能 漏出來。用電磁感應(yīng)的辦法來竊聽不再奏效。竊聽者必須對光纖做破壞性操作才有可能，但這樣的辦法很容易被終端發(fā)覺。這項優(yōu)點在軍事保密通信、銀行財會管理網(wǎng)絡(luò)及許多要求保密的應(yīng)用中格外受到歡迎。 （ 3）其制造原材料便宜，節(jié)約有色金屬。光纖的基本材料是二氧化硅，地球上 的儲藏量可以認為取之不盡。而通信電纜是用銅做導線。銅在地球上的蘊藏量十 分有限，多模光纖的彎曲損耗實驗研究 緒論 2 資源顯得十分緊缺，價格很貴 。相比之下光纖在經(jīng)濟效益方面占很大的優(yōu)勢。 （ 4）抗電磁干擾。石英材料是絕緣介質(zhì)，因此雷電、工業(yè)電火花、電弧等都不會在光纖中產(chǎn)生感應(yīng)電磁干擾。纖芯中除導模外的光場在包層的內(nèi)區(qū)就衰減至零。因此，即使有多根光纖在同一光纜中，它們彼此間亦不會有相互干擾。這對提高通信質(zhì)量很有幫助。 （ 5）傳輸損耗低。同軸電纜的損耗為 5 至 10dB/km，而 微米波長的光纖損耗可以低到 ／ km。線路傳輸損耗低可大大增加 中繼站的間距。利用光纖傳輸 400M b／ s 的數(shù)字信號，無中繼距離可達 40km 甚至 120kM；而同軸電纜的無中繼距離僅為 16km，且其導線損耗隨頻率上升，因而需要精密均衡。以無中繼傳輸距離同信息數(shù)據(jù)率的乘積作為評價指標，光纖比同軸電纜高出幾個數(shù)量級。 （ 6）光纖對外界的溫度、壓力等變化特別敏感，因此可以利用這個特性制造高性能的傳感器。另外，石英光纖還有抗腐蝕，不會產(chǎn)生短路電火花 等優(yōu)點。用光纖制成傳感器系統(tǒng)，用在化學試劑、石油天然氣、礦井等特殊 環(huán)境中是十分有益的。 光纖技術(shù)的歷史，如果以 1970 年第一根低損耗光 纖出現(xiàn)算，僅僅十余年便形成頗具規(guī)模的產(chǎn)業(yè)。而本世紀初馬可尼等發(fā)明無線電，至 40 年代中期雷達用于戰(zhàn)場，微波技術(shù)趨于完備并廣泛用于通信、導航、電子戰(zhàn)等，前后經(jīng)歷了大約半個世紀。幾何光學從牛頓發(fā)明透鏡到廣泛應(yīng)用則以百年計?；仡櫧倌陙砜茖W技術(shù)的發(fā)展，這種發(fā)展趨勢是很有啟發(fā)性的。 光纖的發(fā)展歷史、種類及用途 光纖的發(fā)展歷史 光纖的發(fā)展，大致可以分為三個階段： 第一階段，光纖的早期實驗室研究階段。 1870 年英國物理學家 Joan Tyndall 驗證了光可以在一個彎曲的水流中傳播，證明了全內(nèi)反射現(xiàn) 象的存在，為光纖的發(fā)明做好了理論上的準備。 1880 年著名的電話發(fā)明家貝爾提出 “光電話 ”的想法，并做了先驅(qū)實驗。他用話音去調(diào)制通過膜孔的太陽光，以陽光做載體將話音傳到接收端。盡管貝爾的實驗僅僅達到 200m距離，而且音質(zhì)很差，但所展示的概念確是當今光通信的基礎(chǔ)。 20 世紀早期，仍有不少科學家致力于光通信的研究．可惜其間的進展不大，原因之一是缺乏理想的光源。另外，光在大氣中傳播必然會受到雨雪霧等各種天氣因素的嚴重干擾。技術(shù)的發(fā)展需要一種能導光的損耗小的透明介質(zhì)。 1927 年 ，英國的貝爾德提出了利用光的全反射現(xiàn)象 制成石英光纖，利用石英光纖來傳輸圖像。 1951 年設(shè)計出第一個光導纖維鏡，用于傳輸人體內(nèi)部器官圖像。 1953年英國皇家科學技術(shù)學院的 Narinder Kapany 開發(fā)出現(xiàn)在所用結(jié)構(gòu)的光纖并命名，正式宣布了光纖的誕生。 第二階段，光纖研究的蓬勃發(fā)展和傳像應(yīng)用階段 多模光纖的彎曲損耗實驗研究 緒論 3 1955 年，美國的希斯喬威滋把高折射率的玻璃棒插在低折射率的玻璃管中，將他們放在高溫爐中拉制，得到了玻璃（芯） — 玻璃（涂層）的光纖，初步解決了光纖的漏光問題，為今天的光纖制造工藝奠定了基礎(chǔ)。 1954 年美國的考特尼普拉特提出用光纖制作熔融面板，作為電 子管屏的想法。但由于工藝的原因，這個想法并沒有得到實現(xiàn)。 1958 年，卡帕提提出了拉制復(fù)合光纖的新工藝。這種工藝制造的光纖單絲直徑很小，用這種小直徑光纖就可以得到具體有高分辨率的光學纖維面板。后來他們改進光纖制造工藝，在光纖上增加吸收套層，減少了雜散光的影響，提高了質(zhì)量，使纖維面板進入了實用化階段。