光与技术:光纤及相关特性梳理

从1930年拉出第一根石英细丝开始,我们.

从1930年拉出第一根石英细丝开始,我们才真正意义上的进入光纤时代。那么是不是所有的光都能在光纤中传播并有效传输信息?下图是光纤通信的频谱图,光纤通信的波长主要工作在近红外区域。

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不同的传输波长的损耗衰减和应用场景不尽相同。

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这些传输波段在光纤中的传输衰减不一样。造成光纤损耗的原因有多方面,包括固有的损耗、外在损耗等。

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在色散方面,分为材料色散,波导色散、偏振模色散以及模间色散。模间解散的单位是MHzkm,多模光纤最主要的色散。

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根据衰耗、色散及其他特性的不同,它们的应用的场景也不尽相同。光纤的主要分类如下:

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传统的光纤由内外两层组成,为了保护保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤,也会在最外层增加涂层。要达成全反射的条件,其内层的折射率N1大于外层的折射率N2,N1大于N2是光信号在光纤中传输的必要条件。

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光纤的结构中涉及到很多重要的参数,比如说纤芯直径、截止波长、模场直径以及有效面积等。纤芯直径比较好理解,可以看上面图。而模场直径则是指光强降低到最大光强的1/e2处所对应的光斑直径,光信号能量在光纤截面呈要高斯分布,而且不同的光纤标称的模场直径不一样。

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光纤的有效面积我们也多次谈过,在这里我们从另一个角度来说,它是与波长大小成正比,在不破坏单模性的前提下也可适当增加纤芯直径,包层直径与有效面积关系不大。对于截止波长,它涉及到模式截止、基模、工作波长等概念。简单说,截止波长是指满足一定条件下,当其他模式都截止时,始终存在波动方程的某一组解,即某一模式可以持续在纤芯中传播,这个解(模式)称之为基模。

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  • 工作波长λ>截止波长λc:只传输基模的单模光纤
  • 工作波长λ<截止波长λc:除基模外,还能传播高阶模的多模光纤

现在的光纤种类比较多,产生了很多新型光纤,如SDM多纤光纤、中空光纤、保偏光纤等。其中的保偏光纤作为一种特种光纤,主要应用于光纤陀螺,光纤水听器等传感器和DWDM、EDFA等光纤通信系统。下图是保偏光纤的基本结构。

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保偏光纤作为可用于军用惯导和声呐的光纤陀螺、光纤水听器的核心部件,曾经被西方发达国家列入对我禁运的清单,当然现在国内部分光纤制造公司已能生产。

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