光纤通信中光纤特性

光纤通信中光纤特性（共11篇）

光纤通信中光纤特性 篇1

0引言

光子晶体光纤(PhotonicCrystalFiber,PCF)是一种在光纤横截面上分布着周期性排列空气孔的光纤[1,2,3],通过改变光纤截面上的几何微结构,可以控制光纤中纤芯模式或包层模式的传输和耦合特性,进而可极大增强光纤对光波的调控功能,最终可实现光纤器件的一些新奇功能。局域包层模式是近几年发现的一种只能在光纤包层中特定局部区域传导的特殊包层模式[4],它是通过改变PCF包层的局部几何结构或材料特性得到的,利用局域包层模式与纤芯模式的耦合作用可以产生一些常规PCF无法实现的特殊应用[5],可极大提高PCF对光波的调控功能,因此,对局域包层模式的特性与应用进行系统分析是十分必要的,这对新型PCF器件的研制具有较为重要的指导意义。

1PCF中局域包层模式的特性

通常常规PCF包层中的空气孔为周期性排列,并且这些空气孔的直径相同,在此类光纤中,包层模式的电场呈对称分布,不存在局域包层模式。局域包层模式可通过改变常规光纤包层的局部几何结构或材料特性的方式得到,如图1a)和b)所示,光纤由空气孔和石英构成,石英基底折射率为1.444,空气孔按三角形 格子周期 排列,空气孔孔 间距Λ为5μm。图1a)中,包层中小 空气孔直 径d为1.75μm,其它空气孔直径D均为2.5μm;图1b)~d)中,包层中空气孔直径D均为2.5μm,其中一些黑色空气孔内填入了液体。由于空气的折射率远远低于石英和液体,所以图1a)中的小空气孔和图1b)~d)的填入液体的空气孔附近区域的等效折射率提高,即此区域的等效折射率高于包层其它区域,当此区域等效折射率达到一定程度时,此处便会形成局域包层模式。

为更好地分析局域包层模式的特性,我们利用有限元分析法针对光纤几何结构对局域包层模式的影响进行了数值模拟,当图1a)中小空气孔直径d分别为2.0μm、1.6μm、1.2μm和0.8μm时,局域包层模式的电场分布分别如图2a)~d)所示,计算时采用的传输光波波长为1.55μm。由图2可知,局域包层模式的模场呈类圆环形分布,并且随着小空气孔直径的减小,环形局域包层模式的模场逐渐向中心区域集中,图2a)~d)中模式的折射率实部依次为1.4301、1.4314、1.4328和1.4342,可知小空气孔直径减小时,局域包层模对应的折射率实部会随之增加。

为了更加全面直观地表示局域包层模式的特性,图3给出了当小空气孔直径d分别为1.6μm和0.8μm时,局域包层模电场强度的等高线分布。可见,d较大时,电场在距离模式中心较远处还有较高强度,导致模式传输损耗较大;d较小时,电场在距离模式中心较远处强度较低,能量更多集中在小空气孔周围区域,模式的传输损耗相对较小。

在PCF包层中部分空气孔内填入液体与减小空气孔直径的作用相似,也可以形成局域包层模式,当图1b)PCF部分空气孔中填入液体的折射率分别为1.40与1.34时,局域包层模式的电场等高线分布如图4a)和b)所示,计算时采用的传输光波波长为1.55μm。由图4可知,填入液体折射率较大时,电场在距离模式中心较远处强度较低,能量更多集中在被填充空气孔周围区域,较难与其它模式发生耦合作用;填入液体折射率相对较小时,电场在距离模式中心较远处还有较高强度,当与其它模式折射率匹配时,耦合作用会更强。由于液体的折射率对温度比较敏感,因此可以通过改变温度的方式控制该类局域包层模式的部分特性。

为了使PCF中局域包层模式的分布更加多样、导光特性更加灵活可控,可采用不同的填充方式对PCF进行处理。当图1c)与d)PCF的黑色空气孔中填入折射率为1.40的液体后,产生的局域包层模电场等高线分布如图5a)和b)所示,计算时采用的波长为1.55μm。由图5可知,在相邻两个空气孔填入液体后,它们附近区域同样会形成局域包层模式;而当被填充的空气孔不相邻时,会形成多个分立的局域包层模式。如果不相邻的空气孔中填入液体的折射率不同,那么PCF包层中局域包层模式的特性会更加丰富,更有利于新型PCF光器件的研制。

2PCF 中纤芯模式与局域包层模式的耦合

由上述分析可知,通过改变小空气孔直径、填入液体折射率和被填充空气孔的位置的方式,可以改变局域包层模式的折射率。由折射率匹配耦合原理可知,当局域包层模式的折射率与纤芯模式的折射率接近时,局域包层模式便会与纤芯模式发生谐振耦合。下面以图1b)所示PCF结构为例,对局域包层模式与纤芯模式之间的耦合特性进行说明。由于填入液体空气孔周围的六个空气孔直径及排布与纤芯周围六个空气孔的直径及排布一致,因此只有当黑色空气孔中填入液体的折射率较接近石英基底折射率时,局域包层模式与纤芯模式之间才会产生有效的耦合。当填入液体折射率n为1.443时,计算结果如图6a)所示。由图6a)中纤芯模式的电场等高线分布可知,局域包层模式与纤芯模式之间没有发生有效的耦合,这是由于被填充空气孔圆心距离纤芯中心的距离L高达3Λ,模式间耦合作用较弱造成的。当L分别为2Λ与n为1.443时,纤芯模式的电场等高线分布分别如图6b)和c)所示。对比图6a)和c)可知,L越小,局域包层模式与纤芯模式之间的耦合越强。n为1.440,L为槡3Λ时,纤芯模式的电场等高线分布如图6d)所示。对比图6c)和d)可知,填入液体的折射率越接近石英基底,局域包层模式与纤芯模式之间的耦合越强。综上 所述,空气孔内填入液体的折射率和被填充空气孔的位置都会影响局域包层模式与纤芯模式之间的耦合强度。

由于纤芯模式与局域包层模式在某一波段范围内发生有效耦合时,纤芯模式的传输损耗和色散均会发生较大改变,因此利用常规PCF中纤芯模式与局域包层模式之间的耦合,有望实现新型的色散补偿器件;基于空气孔填充形成的局域包层模式对温度比较敏感,利用含有此类局域包层模式的PCF有望制作出新型的可调谐光纤器件。

与常规PCF不同,保偏PCF纤芯中由于存在两个偏振模式[6],并且两个偏振模式对应的折射率差较大,所以局域包层模式的折射率无法同时与两个偏振模式的折射率匹配,至多只能和一个偏振模式有效耦合,在采用同一PCF结构与相同参数设置时,计算得到的x偏振模式和y偏振模式的电场等高线分布分别如图7a)与b)所示,由图可知x偏振模式的电场在局域包层模式产生区域仍有较高强度,x偏振模式与局域包层模式产生了有效耦合;y偏振模式的电场在局域包层模式产生区域几乎没有分布,y偏振模式与局域包层模式之间没有产生 有效耦合。由于保偏PCF中两个偏振模式与局域包层模式的耦合强度差异较大,所以在保偏PCF中引入局域包层模式有望实现纤芯中光波的单偏振传输。

3结论

本文首次系统分析了PCF中局域包层模式的形成、特性及局域 包层模式 与纤芯模 式之间的 耦合规律,展望了其潜在应用,这对新型光纤器件的研制具有重 要的借鉴 意义。局域 包层模式 的引入,无疑极大增强了PCF对光波的调控功能,同时PCF几何结构的多 样性、设计的 灵活性以 及包层空气孔中可 填充液体 的特性,非常有利 于局域包层模式的形成及调控,因此,利用引入局域包层模式的PCF研制新型光纤器件将会是一种新的发展趋势。

摘要：局域包层模式是一种只在包层特定区域传导的模式,它的引入可极大增强光子晶体光纤对光波的调控功能。系统分析了光子晶体光纤中局域包层模式的形成机理与光学特性,阐述了局域包层模式与纤芯模式之间的耦合规律,并对包含局域包层模式的光子晶体光纤的潜在应用进行了展望。

关键词：光子晶体光纤,局域包层模式,耦合

参考文献

[1]KNIGH J C,BIRKS T A,RUSSELL P S J,et al.All-silica single-mode optical fiber with photonic crystal cladding[J].Optics Letters,1996,21(19):1547-1549.

[2]BIRKS T A,KNIGH J C,RUSSELL P S J.Endlessly single-mode photonic crystal fiber[J].Optics Letters,1997,22(13):961-963.

[3]KNIGH J C,BROENG J,BIRKS T A,et al.Photonic band gap guidance in optical fibers[J].Science,1998,282:1476-1478.

[4]GENG P,ZHANG W,GAO S,et al.Orthogonal single-polarization single-core photonic crystal fiber for wavelength splitting[J].IEEE Photonics Technology Letters,2012,24(15):1304-1306.

[5]LIANG H,ZHANG W,GENG P,et al.Simultaneous measurement of temperature and force with high sensitivities based on filling different index liquids into photonic crystal fiber[J].Optics Letters,2013,38(7):1071-1073.

[6]HANSEN T P,BROENG J.Highly birefringent index-guiding photonic crystal fibers[J].IEEE Photonics Technology Letters,2001,13(6):588-590.

光纤通信中光纤特性 篇2

1.能提供更宽的光谱带宽用于城域网的光纤，由于城域网的典型距离小于80公里光放大器很少被使用，而且光纤的群速度色散并不是首要的限制，更为重要的是，城域网通常要求支持大量到端的用户并且倾向于频率带宽的不断增加以及加强管理能力，减少光纤中增加业务和取消业务的成本。实现这一要求的办法之一是将业务分配到数百个波长上(每个波长采用低速中等速率)并采用全光的分路，上下波长。能够被单模光纤传输的波长数目在短波长端受到光纤截止波长的限制(大约在1260nm)并且在长波长端受到二氧化硅材料吸收和弯曲引入损耗的限制(大约在1650mm)。从这个角度考虑，理想的光纤应当能够容纳最多数目的波长，

2.光纤中单位面积上的光功率的强度小，海底光纤通信系统的特点是在几千公里的传输途中仅需少量或不需要上下业务，使用具有大有效面积光纤可以减少昂贵的光放大器的数量从而节省开支。这种光纤的大有效面积减小了光纤中单位面积上的光功率的强度，允许更大光功率入射进光纤。因此，信号能够传输更远的距离后才需要放大。另外，与光纤的正色散相关的一种被称为调制不稳定性的光纤非线性效应会使光信号通过长距离海底后变差。在实际的海底光纤通信系统线路中可巧妙地采用将大有效面积光纤、具有负色散的光纤和色散非位移光纤混合使用的办法来解决这个问题。色散非位移光纤的正色散被用来补偿负色散从而实现整个线路的平均色散接近于零。

3.对不同波长的群速度色散，其变化量应达到最小陆地长途光缆网中的光纤的波长，带宽应更宽，每个波长传输的信号具有更高速率。在光纤中传输的不同波长的光产生的群速度色散变化量应达到最小，尽量少用或者不用复杂而昂贵的色散补偿器件。

光纤通信中光纤特性 篇3

关键词： 石油生产； 流量； 光纤； 湍流； 振动

中图分类号： TN 253文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.02.003

Study of optical fiber fluid flow monitoring system

using pipe vibration frequency characteristic

LIU Xiaohui1， LIU Suxiang2， SHANG Ying1， WANG Chang1

（1.Key Laboratory of Optical Fiber Sensing Technology of Shandong Province，

Laser Institute of Shandong Academy of Sciences， Jinan 250014， China；

2.Shandong Academy of Sciences， Jinan 250014， China）

Abstract： Fluid flow is an extremely important parameter in the oil production field. Realtime monitoring of fluid flow parameter provides a scientific basis for increasing reservoir recovery. An optical fiber fluid flow monitoring system based on pipe vibration frequency characteristic is proposed. The vibration of the pipe is induced by turbulent flow when fluid flow passes through the pipe. The fiber optic sensors wrapped around the pipe outside the wall are used to detect the vibration information. The frequency characteristics of the vibration of the pipe are summarized. Then the relationship between mean flow rate and standard deviation of the vibration of the pipe induced by turbulence is determined.

Keywords： oil production； fluid flow； fiber optic； turbulent flow； vibration

引言石油生产中，流量是油气井下的重要物理量，实时流量监测能够为提高原油采收率提供可靠的科学依据。石油工业中被测流体的成分复杂，流态多种多样，工作现场的条件十分恶劣，传统电子传感器在井下恶劣环境诸如高压、高温、腐蚀、电磁干扰下无法正常工作。与传统电子传感器比较，光纤流量传感器具有如下优点：（1）灵敏度高，动态范围广，准确性高；（2）易于远距离测量；（3）耐高压高温，电气绝缘性好，抗电磁干扰，安全可靠；（4）体积小，质量轻，集传感与传输于一体[15]。本文利用湍流诱发振动特性以及光的相位特性，提出了一种光纤流量监测系统，该系统的光信号在光纤传输的过程中会受到管壁振动信号调制，采用相位载波（phase generated carrier，PGC）调制解调技术完成流量信号的提取。光纤作为感知流量信号的传感器，结构简单可靠，灵敏度高，在石油测试仪器中具有广阔的应用前景。1光纤流量监测系统原理

1.1管壁振动测试原理研究表明，流体分子到达管壁时具有的动能有90%以上转化为压力的形式，故压力是流体与管壁传递能量的主要形式[6]。关于圆管湍流的研究表明，压力脉动和流速脉动成正比[7]，即p∝u—v—（1）式中：u—为轴向平均速度；v—为径向平均速度。充满液体的油管可以简化为一维梁，具有关系p′（x）=d2Mdx2=dVdx（2）式中：V为剪切力；M为弯矩；x为轴向位移；p′（x）为单位长度载荷函数。光学仪器第37卷

第2期刘小会，等：基于管壁振动频率特性的光纤流量监测系统

由工程力学可知p′（x）=EId4ydx4（3）式中：y为径向位移；EI为抗弯强度。由梁的振动式可以得出2yt2=-gAγEI4yx4（4）式中：t为时间；g为重力加速度；A为截面积；γ为比重。结合式（3）和式（4）得出p′（x）∝2yt2（5）式（5）表明管壁振动的加速度和压力脉动成正比。根据文献[8]中湍流强度的推导可以得出1N-1∑Ni=1ui（t）-u—2∝u—（6）式中N为采样点数。由式（6）可以看出管道振动的标准方差和平均流速成正比。由于平均流量和平均流速成正比，故管道振动的标准方差和平均流量成正比。由以上公式的推导可以得出平均流量与振动加速度标准方差有定量关系，这是光纤流量测量系统的理论基础。

1.2光纤相位调制原理光相位信息由光纤波导的总物理长度、折射率及其分布、光纤波导的横向几何尺寸决定。假定光纤波导折射率分布保持恒定，并已知施加在光纤上的扰动（外界信号），光通过长度为L的光纤后，出射光波相位延迟为[9]φ=2πnLvc（7）图1光纤流量传感单元

nlc202309032139

Fig.1Optical flow sensing unit式中：n为光纤纤芯折射率；c为真空中光速；v为光频。由此得出光相位的变化式为Δφ=2πnLvcΔnn+ΔLL+Δvv（8）引起相位变化的因素可分为温度效应和应力应变效应。温度效应所引起的相位变化较为缓慢，可采用信号处理的办法消除其引起的相位变化，因此本文的光纤流量监测系统主要采用应力应变效应。光纤流量传感单元如图1所示，在油管外壁选择流量监测点，在流量监测点处缠绕特定长度的高灵敏传感光纤，并在传感光纤末端焊接光纤光栅组成光纤流量传感单元。当流体经过油管时，光纤流量传感单元感应湍流引起的压力脉动，经过PGC技术解调出相应的流量信息。

1.3相位载波调制解调原理迈克尔逊干涉仪干涉信号可表示为I=A+BcosΦ（t）（9）式中：A为平均光功率；B=κA，κ≤1为干涉条纹可见度；Φ（t）为干涉仪的相位差。设Φ（t）=Ccos（ω0t）+φ（t），则式（9）可写为[10]I=A+Bcos[Ccos（ω0t）+φ（t）]（10）式中：C为调制深度；ω0为相位载波角频率；φ（t）=Dcos（ωst）+Ψ（t），其中，D为传感器信号幅值，ωs为传感器信号的角频率，Ψ（t）是扰动信号等引起初始相位的缓慢变化。根据Bessel函数，式（10）可表示为I=A+BJ0（C）+2∑∞k=0（-1）kJ2k（C）cos（2kω0t）cosφ（t）-

2∑∞k=0（-1）kJ2k+1（C）cos（（2k+1）ω0t）sinφ（t）（11）图2PGC解调原理图

Fig.2Diagram of PGC图2是PGC解调原理图，迈克尔逊干涉仪的输出信号I分别与二倍频、基频相乘，为了克服信号畸变和消隐现象，分别对两路相乘后的信号进行了微分交叉相乘（DCM），微分交叉相乘后的信号经过差分放大、积分运算后变换为信号S1，即S1=B2GHJ1（C）J2（C）φ（t）（12）式中：G为基频系数；H为倍频系数。将φ（t）=Dcos（ωst）+Ψ（t）代入式（12）可以得出信号S2，即S2=B2GHJ1（C）J2（C）[Dcos（ωst）+Ψ（t）]（13）由式（13）可以看出，积分后得到的信号包含传感信号Dcos（ωst）和外部干扰信号，后者通常是慢变信号，通过高通滤波器（HPF）消除外部干扰信号，光纤流量监测系统的最后输出信号S为S=B2GHJ1（C）J2（C）Dcos（ωst）（14）2新型光纤干涉流量计实验系统

2.1光路设计连续稳定的激光被声波调制器调制为重复频率为100 Hz、脉宽为1 μs的脉冲激光，脉冲激光信号在经过马赫曾德尔干涉仪后形成两个脉冲激光信号，如图3所示，两个脉冲激光信号依次注入光纤流量传感器，经过一系列光纤光栅反射，在接收端信号形成含有传感信号的脉冲序列。

2.2实验系统设计液体循环系统如图4所示，系统主要由油管、阀门、注水口、出水口、水泵、光纤流量传感器以及电磁流量计组成。首先通过注水口往油管内注入液体，使得液体充满整个循环系统，然后开动水泵，使得液体在油管内循环流动起来，通过调节阀门A和阀门B控制流过光纤流量传感器的流量，在光纤流量传感器附近安装一个电磁式流量计用于标定光纤流量传感器。本系统为了能够检测到0～40 kHz的传感信号，在实验中采用了频率为80 kHz的载波频率。通过分析解调油管中传感信号的频率特性，确定流体振动信号频率范围主要集中于10～30 kHz，实验结果如图5所示，在此频率范围内光纤流量监测系统能较好地完成流量监测。图3光纤流量监测系统光路图

Fig.3Schematic diagram of the fluid flow monitoring system

图4流量测试实验系统

Fig.4Schematic diagram of the

experimental system图5频率范围10～30 kHz下的光强与流量关系图

Fig.5Relationship between light intensity and

flow in the frequency range between 10 kHz and 30 kHz

3结论采用光纤传感技术将湍流振动产生的动态压力信号转化为光相位信号，确立了光相位信号与流量的二次曲线关系。通过研究流体流过管道时湍流引起的振动信号的频率特性，提出了一种光纤流量监测系统，成功实现了非浸入式测量范围为5～50 m3/h流量的在线测量。通过实验发现，在大流量的情况下测量精度较高，测量精度为±5%，为进一步实施油井实地实验提供了参考。 参考文献：

[1]杨斌，田杰，江健武，等.分布式光纤载流量/温度安全监测系统的研究[J].光学仪器，2013，35（1）：7579.

[2]吴红艳，肖倩，吴媛，等.基于载波调制的光纤振动传感复用系统[J].光学仪器，2014，36（1）：4045.

[3]周正仙，段绍辉，田杰，等.分布式光纤振动传感器及振动信号模式识别技术研究[J].光学仪器，2013，35（6）：1115.

[4]胡玉瑞，唐源宏，李川.光纤Bragg光栅流量传感器[J].传感技术学报，2010，23（4）：472474.

[5]唐璜，缪璇，赵栋.基于微分干涉原理的全光纤水下侦听技术[J].光学仪器，2014，36（2）：107110.

[6]EVANS R P，BLOTTER J D，STEPHENS A G.Flow rate measurements using flow induced pipe vibration[J].Journal of Fluids Engineering.2004，126（2）：280285.

[7]李昆，汤荣铭，许宏庆.基于振动原理的无接触流量测量实验及模拟研究[J].实验流体力学，2007，21（1）：7781.

[8]PITTARD M T，EVANS R P，MAYNES R D，et al.Experimental and numerical investigation of turbulent flow induced pipe vibration in fully developed flow[J].Review of Scientific Instruments，2004，75（7）：23932041.

[9]WU X Q，TAO R，ZHANG Q F，et al.Eliminating additional laser intensity modulation with an analog divider for fiberoptic interferometers[J].Optics Communications，2012，285（5）：738741.

[10]赵智亮，夏伯才，陈立华，等.相移干涉测量中相移误差的自修正[J].光学 精密工程，2013，21（5）：11161121.

（编辑：刘铁英）

光纤通信中光纤特性 篇4

由于光纤光栅具有体积小,成本低,与光纤兼容性好,插入损耗低及光学性能优越等特点,在滤波、色散补偿及波分复用等方面有广泛的应用[1,2]。其中取样光栅是通过对均匀光栅按照一定的规律在空间上进行采样,可实现多信道窄带滤波的光栅,同时其传输通道间隔稳定、通带窄,用它制作新型光子学器件在密集波分复用(DWDM)光纤通信网络中有着广泛的应用前景。

本文首先分析了取样光栅各参量对其反射谱的影响规律,在此基础上,展望了取样光栅的应用前景,为以后具体应用提供了理论指导和参考。

1 理论分析

取样光栅也称超结构光纤光栅,可看作是由多个等周期、等间隔光栅级联而成。其中每个单元的结构如图1所示,a为单段光栅的长度,b为两段光栅的间隔长度,取样光栅的取样周期P=a+b,占空比T=a/P。

设光束在z=zi处的正、反向传输模复振幅分别为Mi和Ni,经过一段长度为a的Bragg光栅后的正、反向传输模复振幅为Pi、Qi,由Turan Erdogan的理论模型[3]可知,满足以下关系:

undefined

式中F为传输矩阵,它所包含的元素为:

undefined

式中κ为互耦合系数,κ=vδnπ/λ,v为折射率变化的条纹可见度,δn为光栅折射率变化量;σ′为自耦合系数,undefined为与光栅z轴方向无关的量,λD为光栅的中心波长,λD=2neffΛ0,neff为光栅的有效折射率,Λ0为光栅周期,undefined为光栅周期的相位啁啾,undefined。

根据耦合模理论,在光栅的起始区,正向波尚未发生与反向波的耦合,则存在Mi=1;在光栅的结束区,由于折射率微扰不复存在,不可能产生出新的反向波,则存在Qi=0。由此可得Bragg光栅的反射系数ρ、反射率R及时延τρ分别为:

undefined

undefined

undefined

式中θρ为反射系数ρ的相位。

设光束经过第i段光栅之后的一段长度为b非光栅区后的正、反向传输模的复振幅Mi+1、Ni+1满足关系式:

undefined

在长度为b的非光栅区,光束自由传播,对于正、反向传输模式的影响仅仅是形成相位延迟,其传输矩阵为:

undefined

式中β为传播常数,β=2πneff/λ。

由式(1)和式(6)可得:

undefined

依次类推,假设光束经过N个这样的光栅段,则有:

undefined

式中S=F1F2…FN,对整个取样光栅,模式耦合发生在传输方向相反的模式间,根据耦合模理论及边界条件Min=1,Nout=0,可得取样光栅的反射率为:

R=|Nin/Min|2=|S21Mout/(S11Mout)|2

=|S21/S11|2 (10)

2 数值仿真与分析

下面是用传输矩阵法对不同参量的取样光栅仿真分析得到的结果,其中光栅的neff为1.45,光栅折射率变化量δn=5×10-4。

2.1 不同长度的取样光栅

取样光栅的占空比为0.4,取样周期为502 μm,当周期数N分别为2、4、8时,取样光栅反射谱如图2所示。从图中可以看出,光栅反射率与周期数成正比,即随着光栅长度的增大,取样光栅的反射率增大,但反射峰间隔不发生变化,中心波长没有发生偏移。

2.2 不同占空比的取样光栅

取样光栅的长度为12 mm,取样周期为300 μm,当占空比分别取0.2、0.3、0.6时,取样光栅的反射谱如图3所示。

从图3中可以看出:占空比越大,中心反射峰的反射率越大,但随占空比增大,主包络线中包含的通道数会减少,这是因为对于相同取样周期的取样光栅,占空比大意味着每小段光栅的长度增大,对应的反射率增大,每段光栅中心波长偏移。另外,具有较高反射率的通道数也决定于占空比。

2.3 不同取样周期的取样光栅

取样光栅的通道间隔与取样周期有关,取样光栅的长度为12 mm,占空比为0.5,取样周期分别为250 μm和550 μm时,取样光栅的反射谱如图4所示。从图中可以明显看出,取样周期越小,相邻反射峰间距越大,即取样光栅的通道间隔与取样周期成反比。

3 取样光栅在光纤系统中的应用

由以上的分析及仿真可知,取样光栅反射谱是由多个等间隔的反射峰组成,并且其通道间隔稳定,带宽窄,因此在DWDM系统中有着重要的应用。

3.1 在DWDM系统中的应用

在光纤通信系统中,掺铒光纤放大器的出现使得光纤损耗的影响变得次要,色散上升为首要限制,因此色散补偿已成为实现超长距离、超高速光纤通信的关键。目前,已提出多种解决方案[4,5],但对于普通光栅,无论是否啁啾,都只有一个反射峰,对于DWDM系统,即使制作超长的光栅或将光栅级联,也很难实现多信道均匀的色散补偿。

取样光栅可以看作是一个特殊的Bragg光栅,它由多个不同中心波长的子Bragg光栅叠加而成,其反射谱具有多个等间隔的峰,如果让取样光栅的各个峰对应DWDM系统中相应的信道,这样可以有效地解决多信道色散补偿的问题。

图5和图6分别模拟了适用于1 540~1 560 nm波段的8通道和16通道取样光栅的反射谱。设计参数如下:占空比为0.1,光栅长度为40 mm,取样周期分别为521 μm、1 042 μm,光栅折射率变化量δn=2×10-3。由图可知,它们的反射谱具有多个峰,如果让其中的各个峰对应DWDM系统中相应的信道,每个峰对应的时延曲线的斜率就可以有效地补偿各信道的色散。

3.2 在光分插复用器中的应用

与其它分插复用器件不同的是,取样光栅构成的分插复用器件可同时分或插多路信道间隔相同的信号。图7为用取样光栅和光环行器构成的光分插复用器结构示意图。

如图7所示,波长为λ1,λ2,…,λ16的16路信号进入光纤系统传输,合理设计取样光栅参数,当8通道取样光栅的反射波长为λ1,λ3,…,λ15时,可实现λ1,λ3,…,λ15 8路信号被反射从环行器的drop端输出,实现光分路功能;当λ1,λ3,…,λ15 8路信号从环行器的add端输入,这8路信号被取样光栅反射,则与其它信号一起汇合输出,实现光插入功能。同理,设计不同的光栅参数,可实现其它波长信号的分或插功能。

4 结 论

从耦合模理论出发,运用传输矩阵法对取样光栅的光谱特性进行了数值仿真和分析,结论是:

(1)取样光栅反射率随光栅长度的增大而增大,但反射峰间隔不发生变化,中心波长不发生偏移。

(2)取样光栅的反射率随光栅占空比的增大而增大,每段光栅中心波长偏移,主包络线中包含的通道个数会减少。

(3)取样光栅的取样周期越大,其反射谱中相邻反射峰间隔越小。

(4)取样光栅的各个峰对应DWDM系统中相应的信道,每个峰对应的时延曲线的斜率就可以有效地补偿各信道的色散。

(5)取样光栅构成的分插复用器件可同时分或插多路信道间隔相同的信号。

参考文献

[1]鲁怀伟,蒲会兰,马莉,等.一种非对称结构光纤梳状滤波器的分析[J].光子学报,2003,32(3):314-317.

[2]蒲会兰,鲁怀伟.基于长周期光纤光栅的掺铒光纤放大器的增益均衡[J].兰州交通大学学报,2004(1):95-98.

[3]ERDOGAN T.Fiber grating spectra[J].J Lightwaveof Technol,1997,15(8):1277-1294.

[4]BRENNAN J F III,HERNANDEZ E,VALENTI JA.Dispersion and desipersion-slope correction with afiber Bragg grating over the full C-band[C]//Proceedings of OFC′2001.USA:OSA Press,2001:PD12-P1-3.

光纤通信中光纤特性 篇5

关键词： COMSOL软件； 大电流； 磁场分布； 光纤传感器

中图分类号： TH 741.4文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.01.011

引言

在电网运行过程中，电流测量起着极为重要的作用，它不仅为电力系统提供用于计量的参数，而且为控制和继电保护提供了所必需的信息。现有技术中，对于电流的测量基本上采用以电磁感应原理为基础的电磁式电流互感器，而随着国家电网电压的不断增加，出现了许多不足，例如开路易产生高压，有爆炸的潜在危险。与其相比，光学电流互感器不仅克服了电磁式电流互感器的种种缺点，而且表现出很多的优点，例如体积小，受电磁干扰小等等。所以，光电互感器取代传统的电磁式电流互感器已成为必然。

光纤电流传感器是以法拉第磁光效应为基础、以光纤为介质的新兴电力计量装置，它通过测量光波在通过磁光材料时其偏振面由于电流产生的磁场的作用而发生旋转的角度来正确反映最初的电流信息。Chu等设计的采用三角形光学玻璃传感头的光学电流传感器[1]可实现3 000 A直流电流的测量，其灵敏度达2.23×10-5 rad/A。Ulmer采用偏振调制方案的混合式光学电流传感器[2]，是把法拉第传感元件置于磁场集中器的气隙之中，其系统的最大测量电流为3 000 A，干涉仪的相位检测灵敏度为5.3×10-6 rad/A。另外，Ning等采用环形传感元件的光学电流传感器[34]也是一种新型电流传感器，它利用反射的原理，该系统的交流电流检测灵敏度为1 A/Hz。

作为光纤传感器重要部分之一的光纤环，它的振动、位置等直接影响着所检测的电流的大小，所以必须将其固定于套筒之中，并且用于固定的套筒材料的磁场特性必须不对测量产生干扰。如果这种材料影响了大电流周围磁场的分布，那么，光电互感器探测到的电流跟实际导线中的电流的大小会产生测量误差，这样，电流互感器就毫无实际作用。所以，套筒材料的正确选取，对电流的的检测、计算都有很大的影响。

关于大电流周围电磁场的问题[5]，美国学者早在1972年对500 kV的输电线路开始使用的时候就提出来了。原苏联Korobkova夫人曾向CIGRE提交了报告，介绍原苏联对在400～500 kV级变压所内工作的45个工作人员进行了健康检查，大部分人由于长期暴露于电磁场中，都出现了头痛疲劳等不同症状。国外学者还采用数值模拟方法进一步研究输电线路周围的电磁场，并研究开发了较为成熟的计算软件包，如NEC电磁场数值计算软件包[6]。

本文针对光纤大电流传感器中磁场探测这一问题，从实际结果出发，建立了外附套筒的大电流周围磁场的三维模型，利用COMSOL软件，分别对比了有无套筒的条件下通电导线周围的磁场的分布，探讨了材料对套筒内部磁场的影响。

1测量原理

1.1法拉第效应

法拉第效应是光学传感检测电流的理论基础。自1977年美国海军研究所（NRL）基于法拉第效应开始执行光纤传感器系统（FOSS）计划以来，光纤传感器便开始在全球范围内受到广泛的重视。

在磁场的作用下，本来不具有旋光性的物质也产生了旋光性（光矢量发生旋转）这种现象称作磁致旋光效应或者法拉第效应。

2仿真模拟

为了研究选用何种材料固定光纤才能对大电流直导线周围产生的磁场的影响最小，本文对套筒的材料为铁、铜、镍等常见材料周围的磁场分布进行了模拟，分别模拟套筒内部的磁场，得到分布曲线，判断哪种材料与空气层周围的磁场的分布最接近，那么该种材料就是要找的材料。本文分别模拟出材料为铁，铜，铝以及镍时套筒内部的磁场，并将其分别与无任何材料时的空气层产生的磁场分布进行对比。

采用COMOSOL软件4.3版本的磁场板块对设计的结构进行仿真模拟。按照通用的直导线的参数，本文选用铜作为大电流直导线的材料，长为1 m，半径为1 cm，交流电流大小为10 kA，频率为50 Hz。本文对铜导线周围50 cm区域的磁场分布进行分析，即建立的空气层的参数是：半径为50 cm，长度为1 m。按照上述模拟参数设置，最终得到的模型如图2所示。

3结果与讨论

影响直导线周围磁场分布的几个重要因素主要有温度[7]、应力、距离和材料等[8]。因此在模拟过程中，将温度、应力和距离固定，从而保证得到的结果仅为材料对磁场分布的影响。

3.1理想直导线周围的磁场与COMSOL模拟的空气层磁场

为了验证仿真的合理性，本文首先对空气层的磁场分布分别采取公式计算和COMSOL软件仿真两种方式进行，对比结果。

将各个参数代入式（5），得到了磁场强度与直导线距离的曲线，再通过COMSOL模拟空气层的磁场强度与导线距离的曲线，图3所示为二者的比较图。

由图3可见，在导线外全部为无限大空气层时，a>0.01 m的情况下，两曲线基本重合，而在a<0.01 m时，由于在理想情况下，表示的也是在直导线外，所以，是按照直导线外磁场分布进行的计算及绘图。在实际情况下，铜导线半径为1 cm，所以当a<0.01 m时，表示的是直导线内。经典公式计算得出的磁场分布和COMSOL软件的模拟结果对比表明，COMSOL软件与实际情况相符合。

由图3可以看出，在外界是空气层的情况下，在大电流直导线垂直平分线外，随着距离的变大，其磁場强度非线性变小。虽然在0.01 mnlc202309041834

3.2套筒参数设定

套筒的参数设置为厚度0.5 cm，剖面长5 cm，宽10 cm与导线的距离为5 cm。

本文对导线周围50 cm范围内的磁场的分布情况进行分析。套筒外的空气层的参数设置为：半径0.5 m，高度1 m。空气层和套筒结合之后的模型如图4所示。

3.3不同材料对应的磁场分布

当套筒材料分别为铁、镍、铜时，导线垂直平分线上的各个点的磁场分布与空气层磁场强度的对比图分别如图5（a）～（c）所示。

由图5可以分析出，铁是可磁化的材料，由其制作出的套筒对直导线周围磁场的分布影响非常大，改变了原来的磁场分布。尽管铜价格便宜，制作成本较低，并且不是可磁化材料，但是它的置入，导致了套筒内部磁场分布的较大改变，所以，也不能选择铜作为套筒的材料。而作为镍合金，虽然镍也是铁磁性材料，但是，其合金中掺杂了各种其他反磁性材料，所以对于套筒内的空气层磁性无影响。所以，选择镍合金作为制作套筒的材料最为适合。

4结论

本文利用COMSOL软件对大电流直导线周围的不同材料的套筒内的磁场进行了模拟，分析了影响套筒内磁场分布的原因。发现磁场分布不仅受到温度、应力、距离的影响，而且受到套筒材料的影响。为了选择制作套筒的材料，在温度、应力、距离都相同的情况下，对不同材料的套筒内的磁场进行了计算模拟并与空气层的磁场进行了比较。研究发现，用镍合金材料制作的套筒内的磁场分布最为接近空气层磁场。换句话说，镍合金材料比较适合用来制作光电传感器中大电流直导线周围用来固定及放置光纤环的套筒。本文的研究结果对光纤大电流传感器的制作，国家电网的电流检测及故障排查等问题提供了一定的数据以及理论依据。

参考文献：

[1]CHU B C B，NING Y N，JACKSON D A.Faraday current sensor that uses a triangularshaped bulkoptic sensing element[J].Opt Lett，1992，17（16）：16671669.

[2]ULMER E A.High accuracy Faraday rotation measurement[C].OSA/IEEE 1988 Technical Digest of Optical Fiber Sensors Topical Meeting.New Orleans Louisiana.：Optical Society of America，Lasers and Electrooptics Society（Institute of Electrical and Electronics Engineers），1988：288290.

[3]NING Y N，CHU B C B，ALACKSON D.Miniature Faraday current sensor based on multiple critical angle reflections in a bulkoptic ring[J].Opt Lett，1991，16（24）：19961998.

[4]宋曼，張辉.数字式全光纤电流互感器系统建模与仿真技术研究[J].光学仪器，2013.35（1）：6064.

[5]许正平，姜槐.电磁场对生物体的影响及可能干预途径[J].中华劳动卫生职业病杂志，2002，20（4）：313317.

[6]RICHIE J E，GANGL III H R.EFIEMFIE hybrid simulation using NEC：VSWR for the WISP experiment[J].IEEE Trans on Electromag.Compat，1995，37（2）：293296.

[7]乔学光，贾振安，傅海威，等.光纤光栅温度传感理论与实验[J].物理学报，2004.53（2）：494497.

[8]曾祥楷，饶云江，余般梅，等.光纤应变、温度、振动同时测量新技术的研究[J].光子学报，2001，30（10）：12541258.

光纤通信的传输特性及应用探析 篇6

光纤即为光导纤维的简称。光纤通信是以光波作为信息载体, 以光纤作为传输媒介的一种通信方式。从原理上看, 构成光纤通信的基本物质要素是光纤、光源和光检测器。光纤除了按制造工艺、材料组成以及光学特性进行分类外, 在应用中, 光纤常按用途进行分类, 可分为通信用光纤和传感用光纤。传输介质光纤又分为通用与专用两种, 而功能器件光纤则指用于完成光波的放大、整形、分频、倍频、调制以及光振荡等功能的光纤, 并常以某种功能器件的形式出现。

2 光纤通信的传输特性

光纤传输特性主要是指光纤的损耗特性和带宽特性 (即色散特性) , 光纤特性的好坏直接影响光纤通信的中继距离和传输速率 (或脉冲展宽) , 因此它是设计光纤系统的基本出发点。

2.1 光纤的损耗特性

光波在光纤传输过程中, 其强度随着传输距离的增加逐渐减弱, 光纤对光波产生的衰减作用称为光纤损耗。使用在系统中的光纤传输线, 其损耗产生的原因, 一方面是由于光纤本身的损耗, 包括吸收损耗、瑞利散射损耗、以及因结构不完善引起的散射损耗;另一方面是由于作为系统传输线引起的弯曲损耗等。

2.1.1 吸收损耗

吸收损耗意味光波传输过程中, 有一部分光能量转变为热能。包括光纤玻璃材料本身的固有吸收损耗, 以及因杂质引起的吸收损耗。光纤材料的固有吸收又叫本征吸收, 在不含任何杂质的纯净材料中也存在这种吸收。固有吸收有两个吸收带, 一个吸收带在红外区, 吸收峰在波长8µm~12µm范围, 它的尾部拖到光通信所要用的波段范围, 但影响不大;另一个吸收带在紫外区, 吸收峰在0.1µm附近, 吸收很强时, 它的尾巴会拖到0.7µm~1.1µm波段里去。对物质固有吸收来说, 在远离峰值区域的1.0µm~1.6µm波段范围内, 固有吸收损耗为低谷区域。杂质吸收损耗是由光纤材料中铁、钴、镍、铬、铜、钒、镁等随遇金属离子以及水的氢氧根离子的存在造成的附加吸收损耗。目前光纤制造工艺对于金属离子杂质的提纯已经不成问题, 可以使它们的影响减到最小;但是氢氧根的影响比较大, 这是因为在光纤材料中, 以及在光纤制造过程中含有大量的水分, 提纯中极难清除干净, 最后以氢氧根的形式残留在光纤内。残留于光纤内的氢氧根离子, 使得在波长在0.94µm、1.24µm和1.38µm附近出现吸收谐振峰, 峰值大小与氢氧根离子浓度密切相关。为减小氢氧根离子的影响, 工作波长必须避开吸收峰谐振区域, 为此将工作波长选择在0.85µm、1.3µm和1.55µm附近, 提纯2称它们为第一窗口、第二窗口和第三窗口。第一窗口为短波长窗口, 通常为多模光纤传输系统选用;第二窗口和第三窗口为长波长窗口, 通常为单模光纤传输系统选用。

2.1.2 瑞利散射损耗

当光波照射到比光波长还要小的不均匀微粒时, 光波将向四面八方折射, 这一物理现象以发现这一现象的物理学家的名字命名, 称为瑞利散射。在光纤中, 因瑞利散射引起的光波衰减称为瑞利散射损耗。产生瑞利散射损耗的原因是在光纤制造过程中, 因冷凝条件不均匀造成材料密度不均匀, 以及掺杂时因材料组分中浓度涨落造成浓度的不均匀, 以上两种不均匀微粒大小在与光波长可相比拟的范围内, 结果都产生折射率分布不均匀, 从而引起瑞利散射损耗。瑞利散射是固有的, 不能消除。但由于瑞利散射的损耗系数与光波长的四次方成反比, 随着工作波长的增加, 瑞利散射损耗会迅速降低。因此远距离的光纤通信常应用长波长段波长。掺杂 (如掺锗) 会对瑞利散射的增加有影响。

2.1.3 因结构不均匀的散射损耗

这种散射损耗是由于光纤结构的缺陷产生的。结构缺陷包括光纤芯子与包层交界面的不完整, 存在微小的凹凸缺陷, 以及芯径与包层直径的微小变化和沿纵轴方向形状的改变等, 他们将引起光的散射, 产生光纤传输模式散射性的损失。不断提高光纤的制造工艺, 采用现代化监测控制技术可以使结构不完善引起的散射损耗越来越小。现在的光纤制造工艺已经非常先进, 这种损耗已经做到0.02d B/km以下, 并可达到忽略不计的程度。

2.1.4 弯曲损耗

弯曲损耗是一种辐射损耗。它是由于光纤的弯曲所产生的损耗, 当光纤在集束成缆或在光纤、光缆的敷设、施工、接续中造成光纤的弯曲, 其弯曲的曲率半径小到一定程度时, 芯子内光射线不满足全反射条件, 使部分光功率由传输模式转为辐射模式而造成的损耗。弯曲的曲率半径越小造成的损耗越大。一般认为, 当光纤弯曲的曲率半径超过10cm时, 弯曲所造成的损耗可以忽略。因此, 在工程中必须要保证光缆和光纤在静态和动态时的弯曲曲率半径限值要求, 通常动态时的曲率半径限值要大于静态时的曲率半径限值, 这是为了确保在施工过程中不会发生光纤断裂损伤。

2.2 光纤的色散特性

所谓光纤的色散是指光纤所传输信号的不同模式或不同频率成分, 由于其传输速度的不同, 从而引起传输信号发生畸变的一种物理现象。简言之, 色散就是由于承载传输信号的不同模式或不同频率成分的光波传播速度不同, 经光纤传导到达同一终端的时间有先有后, 产生的群时延不同, 存在时延差, 这时延差就表示色散。对于光通信来说, 大多数光纤通信系统采用数字通信方式, 在这种通信系统中, 用数字脉冲信号去调制光载频, 因而, 在光纤中所传输的是一个个的光脉冲信号, 由于信号的各频率成分或各模式成分的传输速度不同, 当它在光纤中传输一段距离后, 将互相散开, 于是光脉冲被展宽, 严重时前后脉冲将互相重叠。这将形成码间干扰, 增加误码率, 使通信质量下降。为保证通信质量, 必须加大码间距离, 也就是减少单位时间的脉冲数量, 这就降低了通信容量。另一方面, 传输距离越长, 脉冲展宽越严重, 因而色散也就限制了光纤的一次传输距离。由此看来, 制造优质的、色散小的光纤, 对增加通信系统容量和加大传输距离是至关重要的。光纤的色散值是光纤的一个重要指标。

3 光纤通信传输应用展望

今天, 人们使用光纤系统承载数字电视、语音和数字是很普通的一件事, 在商用与工业领域, 光纤已成为地面传输标准。在军事和防御领域, 快速传递大量信息是大范围更新换代光纤计划的原动力。尽管光纤仍在初期发展阶段, 但总有一天光控飞行控制系统会用重量轻、直径小又使用安全的光缆取代线控飞行系统。光导纤维与卫星和其他广播媒体一起, 代表着在航空电子学、机器人学、武器系统、传感器、交通运输及其他高性能环境使用条件下的商用通信和专业应用的新的世界潮流。

摘要：光纤通信作为一门新兴技术, 其近年来发展速度之快、应用面之广是通信史上罕见的, 也是世界新技术革命的重要标志和未来信息社会中各种信息的主要传输工具。本文作者针对光纤通信的传输特性及应用进行简单的探析。

关键词：光纤,通信,传输

参考文献

[1]贾金岭.浅析基于DWDM的光纤通信技术及其发展趋势[J].电脑知识与技术, 2009, 33.

光纤通信的传输特性及应用探析 篇7

关键词：光纤通信,信息传播,应用现状

1 光纤通信技术概况

光纤通信作为最新研发的技术之一, 很多人可能对于其概念和用途会很陌生, 下面笔者将对其做简要的概况。光纤通信是以光波作为信息载体, 以光纤作为传输媒介的一种通信方式。从原理上看, 构成光纤通信的基本物质要素是光纤、光源和光检测器。光纤除了按制造工艺、材料组成以及光学特性进行分类外, 在应用中, 光纤常按用途进行分类, 可分为通信用光纤和传感用光纤。光纤通信作为一种新发明的技术之一, 具备了许多先前的信息传播技术所不具备的特性, 但是在看待其先进特性之前, 还应该看到目前为止它存在的一系列问题。

2 光纤通信重要的特性传输性

光纤通信作为一种新技术, 其主要的用途就是传播信息, 所以传输性就是其最主要的特性之一, 主要是指光纤的损耗特性和带宽特性, 光纤特性的好坏直接影响光纤通信的中继距离和传输速率, 因此它是设计光纤系统的基本出发点。

2.1 光纤通信的损耗特性

前面我们也提到过, 光纤通信主要传播的就是光波, 光波在光纤传输过程中, 其强度随着传输距离的增加逐渐减弱, 光纤对光波产生的衰减作用称为光纤损耗。使用在系统中的光纤传输线, 其损耗产生的原因, 一方面是由于光纤本身的损耗, 包括吸收损耗、瑞利散射损耗、以及因结构不完善引起的散射损耗;另一方面是由于作为系统传输线引起的弯曲损耗等。

2.1.1 光纤传播的吸收与损耗

在光纤传播的过程之中, 能量是会产生损耗的, 因为其一部分的能量发生了转变, 成为了热能。产生这一问题的原因是:光纤玻璃材料本身的固有吸收损耗, 以及因杂质引起的吸收损耗。光纤材料的固有吸收又叫本征吸收, 在不含任何杂质的纯净材料中也存在这种吸收。固有吸收有两个吸收带, 一个吸收带在红外区, 吸收峰在波长8mm~12mm范围, 它的尾部拖到光通信所要用的波段范围, 但影响不大;另一个吸收带在紫外区, 吸收峰在0.1mm附近, 吸收很强时, 它的尾巴会拖到0.7mm~1.1mm波段里去。对物质固有吸收来说, 在远离峰值区域的1.0mm~1.6mm波段范围内, 固有吸收损耗为低谷区域。杂质吸收损耗是由光纤材料中铁、钴、镍、铬、铜、钒、镁等随遇金属离子以及水的氢氧根离子的存在造成的附加吸收损耗。目前光纤制造工艺对于金属离子杂质的提纯已经不成问题, 可以使它们的影响减到最小;但是氢氧根的影响比较大, 这是因为在光纤材料中, 以及在光纤制造过程中含有大量的水分, 提纯中极难清除干净, 最后以氢氧根的形式残留在光纤内。残留于光纤内的氢氧根离子, 使得在波长在0.94mm、1.24mm和1.38mm附近出现吸收谐振峰, 峰值大小与氢氧根离子浓度密切相关。

2.1.2 光纤通信技术中的瑞利散射损耗

瑞利散射作为一种常见的物理现象在在光纤通信技术中同样适用, 当光纤在传播的过程中遇见不均匀的颗粒物体时, 就会出现瑞利散射现象, 影响光纤通信的质量, 但是瑞利散射作为一种物理现象时不能够消除或者是避免的, 但是可以采用一定的办法将其带来的影响降到最低, 如何解决这一问题, 是摆在技术工作人员面前的一大难题。根据多年来的实践和不断的研究, 科学家们发现了规律, 即瑞利散射的损耗系数与光波长的四次方成反比, 随着工作波长的增加, 瑞利散射损耗会迅速降低。因此远距离的光纤通信常应用长波长段波长, 掺杂会对瑞利散射的增加有影响, 这样的做法在很大程度上缓解了这一问题。

2.1.3 光纤通信技术中因结构不均匀的散射损耗

任何一种技术在产生之初都不可能是完美无缺的, 光纤通信技术也是同样, 在其身上仍然存在着许多的缺陷, 而光纤通信技术中因结构不均匀的散射损耗就是其中之一。结构缺陷包括光纤芯子与包层交界面的不完整, 存在微小的凹凸缺陷, 以及芯径与包层直径的微小变化和沿纵轴方向形状的改变等, 他们将引起光的散射, 产生光纤传输模式散射性的损失。不断提高光纤的制造工艺, 采用现代化监测控制技术, 可以使结构不完善引起的散射损耗越来越小。而现在随着技术人员的不断开发和利用, 结合光纤通信的实际应用, 这种不足得到了完善, 以目前的技术水平来讲, 这种损耗已经做到0.02d B/km以下, 并可达到忽略不计的程度。

2.1.4 光纤通信传输技术的弯曲损耗

弯曲损耗是一种辐射损耗。它是由于光纤的弯曲所产生的损耗, 当光纤在集束成缆或在光纤、光缆的敷设、施工、接续中造成光纤的弯曲, 其弯曲的曲率半径小到一定程度时, 芯子内光射线不满足全反射条件, 使部分光功率由传输模式转为辐射模式而造成的损耗。弯曲的曲率半径越小, 造成的损耗越大。一般认为, 当光纤弯曲的曲率半径超过10cm时, 弯曲所造成的损耗可以忽略。

2.2 光纤通信传输技术的色散特性

对于色散特性这个名词可能会有些陌生, 其定义是:光纤所传输信号的不同模式或不同频率成分, 由于其传输速度的不同, 从而引起传输信号发生畸变的一种物理现象。对于光通信来说, 大多数光纤通信系统采用数字通信方式, 在这种通信系统中, 用数字脉冲信号去调制光载频, 因而, 在光纤中所传输的是一个个的光脉冲信号, 由于信号的各频率成分或各模式成分的传输速度不同, 当它在光纤中传输一段距离后, 将互相散开, 于是光脉冲被展宽, 严重时前后脉冲将互相重叠。这将形成码间干扰, 增加误码率, 使通信质量下降。为保证通信质量, 必须加大码间距离, 也就是减少单位时间的脉冲数量, 这就降低了通信容量。另一方面, 传输距离越长, 脉冲展宽越严重, 因而色散也就限制了光纤的一次传输距离。由此看来, 制造优质的、色散小的光纤, 对增加通信系统容量和加大传输距离是至关重要的。光纤的色散值是光纤的一个重要指标。

3 光纤通信传输技术的发展前景

光纤通信技术作为新科技革命的产物, 为人们的生产生活带来了极大的便利, 人们使用光纤系统承载数字电视、语音和数字是很普通的一件事, 在商用与工业领域, 光纤已成为地面传输标准。在军事和防御领域, 快速传递大量信息是大范围更新换代光纤计划的原动力。尽管光纤仍在初期发展阶段, 并且仍然存在一系列的问题, 有待解决, 但是其发展前景是不可估量的。

结束语

综上所述, 第三次科技革命给人类带来了新技术, 大大的便利了人们的生产生活, 尤其是信息传播技术的发展, 特别是光纤通信技术的应用, 在很大程度上提高了信息传播的速度, 带领我们进入到了知识与信息的时代。信息的快速传播拉近了世界人民之间的距离, 为经济的全球化发展起到了不可忽视的作用。本文简要的介绍了光纤通信技术的发展现状和应用情况, 虽然还存在一定的问题, 但是不可否认的是这项信息传播技术一定会有远大的发展前景。

参考文献

[1]贾金岭.浅析基于DWDM的光纤通信技术及其发展趋势[J].电脑知识与技术, 2009, 33.

制导光纤粘结剂特性研究 篇8

光纤制导导弹的光纤在缠绕过程需要涂覆一定的粘结剂，粘结剂的特性和用量决定是保证光线平行密饶、线包的稳定性和顺利释放的关键[1]。现阶段粘结剂的施涂方式以人工刷胶和胶池侵胶为主，但其用量和质量很难控制，研制施胶量可实时调控的自动施胶系统具有现实意义[2]。选取什么样的施胶措施主要是看粘结剂及其成分的物理化学特性，只有粘度比较大的才能够采用喷涂的施胶方法，而且发挥比较慢的才合适采用胶池施胶。通过采用称重法和粘度仪法，测量粘结剂及其成分的挥发速率和粘度，基实验结果提出合理的粘结剂施涂方式，为自动施胶提供了理论依据。

1 实验设计

1.1 实验材料

试验所选材料为光纤制导导弹所用粘结剂和其各组成成分，粘结剂由石油醚和硅橡胶按体积比4:1混合后，加入5.2%的固化剂配置而成，各成分性质见表1:

1.2 实验方案

1.2.1 挥发性的测量

用称重法测挥发性[3]，每5分钟称量一次被测液体重量，连续测量12次，按下式计算液体的平均挥发速率：

其中△mi表示每5分被测液体的挥发量，△m表示被测液体在总测量时间（60分）内的挥发量，υ表示60分内的平均挥发速率。

1.2.2 粘度的测量

采用乌氏粘度仪法测量粘度[4]，在20℃的水浴中，分别测定粘结剂、固化剂、石油醚、混合液四种液体流过粘度计上下刻度线的时间t。根据泊肃叶定律，有如下的关系式：

其中η为液体的动力粘度，即液体的绝对粘度；C为粘度计常数。实验仪器资料见表2。

2 结果与分析

2.1 挥发性测量

四种液体在60分钟内的测量数值见下表3。

按照求平均值的方法分别求得四种液体的挥发速率为：

对表3中的上下相邻的13组数据每两组之间做差，得到每个5分钟的挥发量，根据结果绘制四种被测液体挥发量和时间的关系曲线如下图1所示。

由图1可知，固化剂每5分的挥发量在0.3mg,其余三种液体基本在0.5-0.7mg，约是固化剂的二倍。硅橡胶不挥发，石油醚挥发是混合液的挥发主要因素，石油醚和固化剂挥发是粘结剂挥发的主要因素。硅橡胶溶于石油醚溶剂后，石油醚分子热运动降低，导致混合液的挥发速率略低于石油醚。而粘结剂随时间不断有硅胶析出，释放了一些石油醚分子，导致混合液挥发速率稍低于粘结剂，也说明了石油醚的挥发是非常强烈的。

2.2 粘性测量

在室温下对固化剂、石油醚、混合液、粘结剂，测10组数据，见表4。

(1)固化剂

第一组突异，记为粗大误差，舍去，取时间44.2s，得到运动粘度和动力粘度：

(2)石油醚

第五组突异，记为粗大误差，舍去，取时间21.6s计算，得到运动粘度和动力粘度：

(3)混合液（石油醚和硅橡胶按4:1)

因为检测需要安排较多的时间，加上粘度计为开口器皿，所以在一个小时的检测进行之中石油醚就会慢慢的挥发，这样就会造成石油醚慢慢变少，同时混合液的配比也出现变化。为了避免这样的情况出现，对于前四次的测量，要尽可能的确保混合液配比接近，最好都选取新配置好的混合液。应用这这四次测量的平均时间算出混合液的运动粘度和动力粘度。接下来的6次测量都可以重复的采用第四次测量的时候使用的液体。因为成分配随着检测的进行已经改变，所以最后就无法保证混合液的实际粘度。

(4)粘结剂

测量原理同混合液，结果如下：

对比各液体的动力粘度有：石油醚<固化剂<水<粘结剂<混合液。喷涂设备其工作范围一般在0-150s涂-4杯[5]。而涂-4粘度杯的流动时间与被测液体的运动粘度（v，单位为mm2/s）存在经验公式[6]：

经过换算其工作范围以运动粘度表示，通常是0-645.7399mm2/s。上面被测的液体粘度都没有超出标准的范围，而且远远低于最大值，也就是说理论上本实验的各被测液体都可以采用喷涂设备雾化。但是要避免出现喷嘴阻塞，不能够直接采用喷涂设备雾化，因为粘结剂固化速度比较快。

3 结论

被测液体的粘度在现阶段工业喷涂系统工作范围之内，可以采用喷涂的形式给缠绕中的光纤施胶。由于粘结剂容易造成喷嘴堵塞，需要先喷固化剂后喷混合液，两者在喷涂系统外雾化混合，保证了石油醚等挥发物质有一个相对开放的环境挥发，避免因挥发造成线包胀裂。

摘要：制导光纤缠绕过程中粘结剂的施涂方式和线包的缠绕质量,取决于粘结剂自身的物理化学特性。做粘结剂的物理化学特性实验,分析其粘度和挥发性。结果表明,实验液体的粘度在喷涂系统的工作范围内,较适合采用喷涂的施涂方式,介于石油醚的强挥发先喷涂固化剂后喷涂硅橡胶和石油醚的混合液,可避免线包因石油醚挥发而胀裂。

关键词：粘结剂,粘度,挥发速率

参考文献

[1]康葳蕤,马保吉,陈瑞宁.光纤精密缠绕的缺陷及原因分析[J].弹箭与制导学报,2005.10.

[2]朱育权,张岩波,马保吉.光纤精密缠绕黏结剂特性试验[J].西安工业大学学报,2008.02.

[3]祁存谦,丁楠,吕树.化工原理[M].北京:化学工业出版社,2004.

[4]陈惠钊.粘度测量[M].北京:中国计量出版社,2003.1.

[5]吴子健.热喷涂技术与应用[M].北京:机械工业出版社,2008.9.

偏芯光纤光传输特性分析 篇9

偏芯光纤的纤芯与光纤的中心轴线存在一定的距离,当偏芯光纤的纤芯靠近包层时,偏芯光纤与普通光纤相比具有更强的倏逝波场泄露[1,2,3],纤芯的有效折射率对外界环境更为敏感[4]。国外对偏芯光纤的研究进行的较早,并在温度传感[5]、弯曲传感[6]、液体浓度测量[7]等方面进行了探索。国内近年来对其研究也有很大进展,这当中苑立波等人对于表面芯光纤的研究[8,9]颇具指导意义。

本文根据光纤光学传输理论建立了偏芯光纤的理论计算模型,通过菲涅耳公式推导出偏芯光纤倏逝波的表达式,进而求出了倏逝波的穿透深度。基于有限差分光束传播法[10],对偏芯光纤的光传输特性进行了模拟计算。运用RSoft软件中的Beam PROP模块仿真出偏芯光纤中纤芯偏移距离对其模场分布、倏逝波场以及基模有效折射率的影响,为偏芯光纤传感应用提供了理论依据。

1 偏芯光纤的理论计算模型

1.1 偏芯光纤的模场计算

偏芯光纤的横截面及计算模型如图1所示。假设纤芯、包层、外界介质的折射率分别为n1,n2和n3。当n 3＞n2时,光以辐射模传播,这将导致光纤损耗大大增加,因此令n3=n2或者n3略小于n2。图中r1为纤芯半径,R1为包层半径,L为纤芯中心偏离包层中心轴线的距离,δ 为纤芯与包层外表面的最小距离。

由偏芯光纤理论研究先驱者Alphones A的研究内容[11],对场分量E r,E φ,H r,Hφ 有:

根据图1可得到径向距离r和偏芯距离L的关系为

将式(5)代入以上各场分量表达式即得出各个场分量与偏芯距离的关系表达式。

1.2 偏芯光纤的倏逝场特性分析

倏逝场是光在光纤的传输过程中因全反射产生的一种光场[12],分布如图2所示。

由菲涅耳公式可知,光波的透射场如下:

将式(7)~(8)代入式(6),则有

从式(9)可以看出倏逝波是不均匀的光波,其振幅随离两介质接触界面的距离z呈指数变化,并且沿着入射平面的介质边界也就是x方向传播。

为了研究方便,综合考虑在偏芯光纤中我们假设纤芯和包层是无吸收且非磁性的,即μ1=μ2=μ0,假定k i,kt 在平面xoz内,则有:

可得

式(11)为偏芯光纤中倏逝波的表达式。

假定z =dp时,其振幅为接触界面上的1/e ,并定义dp 为穿透深度。可得:

式中:λ 为入射波的波长,θi 为入射光线与法线间的夹角即入射角。

综上可知,当偏芯光纤的纤芯与包层表面非常接近时,倏逝波就会从包层渗透到外界介质中,通过外界环境与纤芯表面的倏逝波间的相互作用,倏逝波将发生衰减,导致探测到的输出光信号减小。若建立倏逝场能量衰减量与被测物理量的数学关系模型,即可进行相关物理量的检测。

2 偏芯光纤光传输特性的仿真分析

采用有限差分光束传输法并利用Beam PROP软件进行仿真分析。根据偏芯光纤的物理结构,建立其在Rsoft中的光学波导模型。模拟分析中,令n1=1.45,n2=1.444,n3=1.0,r1=4.5 μm,R1=62.5μm,λ=1 550 nm。

2.1 偏芯光纤基模模场分布与δ的关系

仿真研究中,根据BPM光束传播法的基本理论和Rsoft软件建立的偏芯光纤光学结构模型,在Beam PROP模块中对此模型进行模拟计算,得到了偏芯光纤的基模模场分布图。

为了研究纤芯位于光纤中不同位置时,光通过偏芯光纤后的模场分布情况,选取几个特殊位置进行研究,得到了偏芯光纤中δ分别为57 μm、27 μm、7 μm、0时的模场分布图,如图3,图4所示。

图3为入射光沿着偏芯光纤的纤芯进行传播时,基模模场在偏芯光纤中的分布情况。横坐标代表光纤包层和纤芯的直径,纵坐标代表光纤的长度。图中矩形虚框部分代表光纤包层部分,实线黑柱代表光纤纤芯。光沿波导进行传播时,会形成一个初始场,然后将光波导沿着光的传输方向剖开成多个截面,依据BPM算法,模拟出各个截面上的场分布。因此在图中当光沿着纤芯方向传播时,在一定的传播距离上显示的是这个截面上模场的分布情况。

图4为偏芯光纤出射端处中模场分布的x-y截面图。通过对比,可以观察到,当光在偏芯光纤中传输时,尽管纤芯偏离了中心轴线,但是能量仍然可以较好地被束缚在纤芯中沿着纤芯向前传播。

2.2 基模有效折射率与δ的关系

图5为偏芯光纤基模有效折射率与偏芯距离δ的变化关系曲线。可以看出,偏芯光纤的基模有效折射率随纤芯与外界介质距离δ的增大而显著增大,当δ达到8μm时,有效折射率趋于稳定。当纤芯充分靠近包层表面时,有效折射率迅速变小。纤芯到包层表面时,有效折射率达到最小值。纤芯偏离中心位置比较小时,基模有效折射率与普通光纤相同。当纤芯不断靠近包层中心时,外界环境对基模有效折射率的影响越来越小。

2.3 倏逝波与δ的关系

图6为偏芯光纤倏逝波的散射率与偏芯距离δ 的变化关系。可见,在偏移距离δ为1μm时,包层中的倏逝波场散射率达到1.38%,偏芯光纤包层倏逝波散射随着纤芯与外界介质距离δ增大而显著减小,δ 到达20μm时已趋近于0。表明当纤芯距离包层表面足够近时,倏逝波场的散射与损失非常明显。

3 结 论

基于有限差分光束传播法(BPM)对偏芯光纤的光传输特性进行了仿真研究。推导出了偏芯光纤中的倏逝波的表达式,得到了其穿透深度与入射波长之间的关系。基于Beam PROP建立的光学仿真模型,结果表明,基模有效折射率随δ 增大而显著增大,当δ到达8μm时,有效折射率趋于稳定。包层倏逝波散射率随δ的减小而增加。当纤芯足够靠近包层表面时,其倏逝波会泄漏到外界介质中,并与外界介质发生相互作用,根据这个原理可以利用偏芯光纤进行传感测量。

参考文献

[1]Gharaati A R,Elahi P,Jafari M.Calculation of Temperature Distribution in Eccentric Multi Core Diode Pumped Fiber Lasers by Green Function Method[J].Acta Physica Polonica-Series A General Physics(S0587-4246),2009,19(4):566.

[2]LIU Jianxia,DENG Hongchang,YUAN Libo.Characteristics analysis of coating layer power distribution of eccentric core optical fiber[C]//International Society for Optics and Photonics,Beijing,China,Nov 5-7,2012:85611R-85611R-7.

[3]肖雅婷,陈哲,张凌童,等.基于侧边抛磨光纤的全光纤在线光功率监测器[J].应用光学,2010,31(4):620-625.XIAO Yating,CHEN Zhe,ZHANG Lingtong,et al.All fiber online optical power monitor based on side—polished fiber[J].Journal of Applied Optics,2010,31(4):620-625.

[4]程华奇,荆振国,彭伟,等.基于单模光纤偏芯结构的光纤折射率传感器研究[J].光电子·激光,2012,23(4):649-653.CHENG Huaqi,JING Zhenguo,PENG Wei,et al.Research of refractive index sensor based on eccentric core optical fiber[J].Journal of Optoelectronics·Laser,2012,23(4):649-653.

[5]DONG Bo,HAO Jianzhong,XU Zhaowen.Temperature insensitive curvature measurement with a core-offset polarization maintaining photonic crystal fiber based interferometer[J].Optical Fiber Technology(S1068-5200),2011,17(3):233-235.

[6]CHEN Xianfeng,ZHANG Chi,David J Webb,et al.Highly sensitive bend sensor based on Bragg grating in eccentric core polymer fiber[J].IEEE Photonics Technology Letters(S1041-1135),2010,22(11):850-852.

[7]YAGI T,KUBOKI N,SUZUKI Y,et al.Fiber-optic ammonia sensors utilizing rectangular-cladding eccentric-core fiber[J].Optical Review(S1340-6000),1997,4(5):596-600.

[8]LIU Jianxia,YUAN Libo.Evanescent field characteristics of eccentric core optical fiber for distributed sensing[J].JOSA A(S1084-7529),2014,31(3):475-479.

[9]GUAN Chunying,YUAN Libo,TIAN Fengjun,et al.Characteristics of near-surface-core optical fibers[J].Journal of Lightwave Technology(S0733-8724),2011,29(19):3004-3008.

[10]Yevick D,Hermansson B.Efficient beam propagation techniques[J].IEEE Quantum Electron(S0306-8919),1990,26(1):109-112.

[11]Alphones A,Sanyal G S.Polarization characteristics of eccentric core single-mode fibers[J].Journal of Lightwave Technology(S0733-8724),1987,5:598-601.

光纤通信技术在电力通信中的应用 篇10

关键词：光纤通信；电力通信系统；可靠性；抗干扰能力

1 概述

电力通信系统是国家电网系统中的重要组成部分，电力通信系统的建立是为智能电网的建设提供必要的技术保障，也是建设安全、稳定现代电网的必经阶段。光纤通信技术是现代科学技术的一种，该技术由于其独特的抗电磁干扰能力、容量大、传输性能高等优点，已经在电信部门取得良好的应用效果，并将在电力通信系统中继续发挥其优势。

2 电力通信系统发展现状

2.1 电力通信系统的网络结构复杂。传统电力通信系统中包括多种通信设备，不同设备之间的连接方式及信息转换方式不同，造成电力通信系统网络结构非常复杂。中继线传输、用户线的延伸、载波设备和微波设备间的转接等均采用不同的通信手段，这就增加了通信系统网络结构的复杂性，为后期的故障检修制造较大的难度。

2.2 电力通信系统传输量小。传统电力通信系统的信息传输量少，失效性差，严重影响了电力通信系统的运行性能。电力通信系统中信息的传输，不仅需要传统的数据信息传输，还需要继电保护信号、话音信号、电力负荷检测信号等，以便提供数字、图像、声音等多种形式的信息传输功能。图像、数字等信息在整个电力通信系统信息传输中所占比例不大，但其时效性较难保障，这就给电力通信技术提出了新的挑战。

2.3 电力通信系统的可靠性及灵活性不足。随着社会的不断发展，电力在生产领域和生活领域中的应用越来越广，人们对电力系统的依赖性也越来越强。电力系统在人们的工作和生活中的应用，已经深刻的改变了人们的需求习惯。为保障人们工作和生活的正常运行，如何提高电力系统的稳定性及灵活性成为当前电力企业面临的主要问题。电力系统在运行过程中出现的间断或突变现象，将对多种生产设备和电气设备产生影响，严重时可能引发重大安全事故，给人们的财产安全和生命安全带来极大的损失。

2.4 电力通信系统抗冲击性能较差。随着科学技术的不断进步，电气设备的功能、结构、连接都有了不同程度的提高，电力系统中各个设备之间的联系性加强，方便对其进行统一管理、控制。在电气设备实现控制自动化的同时，也带来了一定的弊端，若电力系统中某一环节出现故障，则可能对相关的设备产生不利影响，造成部分或者整个电力系统的瘫痪，给社会和企业带来巨大的经济损失。现代社会要求电力系统具有较高的稳定性，这就给电力通信系统的抗冲击性能提出了新的要求，传统电力通信系统抗冲击性能无法满足社会的需求。

3 光纤通信技术在电力通信系统中的应用

光纤通信技术具有强抗干扰能力，传输量大和传输衰耗小的特点，这就决定了该技术在电力通信系统中将具有广泛应用。该技术除普通的光纤外，研发的其他性能的光纤技术也在电力通信系统中得到广泛应用。

3.1 光纤复合地线的应用。光纤复合地线（OPGW）也被称为地线复合光缆或者光纤架空地线，该技术主要功能为保护输电导线，对整个输电线路起到防雷作用，提高系统的抗冲击性能；另一方面复合技术可将架空地线和光缆综合起来，实现多种信息的传输功能。光纤复合地线是在电力传输线路的地线中包含了光纤单元，这就提高了电力通信系统的可靠性和安全性，大大减轻了后续的维护工作。光纤复合地线在带来多种优良性能的同时，也增加了工程的投入成本，极大的限制了该技术的应用范围。一般来说，光纤通信技术多在新建线路或旧线路地线更换工程中使用。光纤复合地线除具备以上优良性能外，还能满足架空地线的机械和电气性能，因此该技术能广泛应用于所有架空地线中，对于我国的电力系统的升级改造具有十分重要的实用价值。

3.2 光纤复合相线。光纤复合相线是将光纤通信技术与传统的相线结构融合而成的一种新型技术，光纤复合相线是在利用原有电力通信系统线路资源的基础上，利用光纤技术协调通信系统中的频率、线路和电磁兼容性，从而起到改善传统电力通信系统的信息传输性能的目的。该技术作为一种新型的通信光缆，最早应用在150kV电力系统中，随着技术的不断成熟，已经广泛应用到更高电压系统中。我国电力系统将光纤复合相线代替三相电力系统中的一相，使其与其他两相组成新的三相电力系统，提高信息传输质量和数量的同时，还避免了另设通信线路的麻烦，节约了成本。光纤复合相线在施工过程时，应利用光纤的接续技术和光电子的分离技术，对相线中的光纤单元进行单独分离，并在施工过程中设立独特的接线盒。

3.3 全介質自承光缆（ADDS）。全介质自承光缆广泛应用于220kV、110kV和35kV的电压输电线路中，该技术主要是对原有线路的改进升级，直接利用高压输电线杆搭建自己的通信网络。全介质自承光缆技术具有较好的环境适应性、抗干扰性能、较高的传输性能和光缆机械性能，施工时可与其他高压电力传输线路一起铺设，而不受任何其他外界电磁信号的干扰，大大提高了电力通信系统的高效性和便捷性。全介质自承光缆组成材料主要为非金属材料，如聚乙烯或耐电痕材料组成了光缆的外套，提高了光缆的抗干扰能力。全介质自承光缆在进行工程设计时，要根据工程的实际需求选择合适的外护套，并根据工作环境的变化，如风速、温度、雨雪等自然因素，制定合适的施工工艺，保障电力通信系统的安全性。

4 结束语

随着科学技术的不断提高，各种先进技术在电力系统中的应用越来越普及，极大的促进了我国电力系统的发展，为我国智能电网系统的改建工程提供了技术保障。光纤通信技术在信息传输方面具有稳定性好、抗干扰能力强、传输量大、信息衰损小等优点，因此广泛应用于电力信息传输系统。其中，光纤复合地线、光纤复合相线和全介质自承光缆技术已经在电力通信系统中得到广泛应用，极大的推动了我国电力行业的发展。

参考文献：

[1]刘权.电力通信中光纤通信技术的应用和影响探究[J].科技创新与应用，2014（02）：56.

[2]刘冬明.光纤通信技术在电力通信中的应用[J].电子世界，2014（13）：174-175.

[3]姜瑜.电力通信中光纤通信技术的应用与影响[J].中国新技术新产品，2012（20）：75-76.

光纤通信中光纤特性 篇11

1 光子晶体光纤的工作原理

光子晶体光纤根据其导光原理不同主要分两大类:全反射导光型(T I R)和光子带隙导光型(P B G)。全反射型光子晶体的导光原理类似于传统的光纤,传统光纤通过掺杂使得纤芯的折射率高于包层的折射率,从而实现全内反射。而全反射导光型(T I R)光子晶体光纤是由实心材料构成的纤芯,和周围有周期性的排列的空气孔的光纤包层组成。因此纤芯的折射率大于包层的折射率。因而能够满足全内反射的导光原理。因此TIR-PCF也称为折射率引导型光子晶体光纤。带隙型光子晶体光纤光纤中光的传播是基于二维折射率周期变化的介质结构所形成的光子带隙效应,使光子晶体光纤能够在低折射率的纤芯内实现对光的约束。具体结构由有严格的大小、间距和周期排布石英-空气二维光子晶体构成包层,纤芯为空气缺陷。由于介电常数存在空间上的周期性,它对光的折射率同样有周期性分布,在其中传播的光波的色散曲线也会形成带状周期结构,类似于半导体的能带结构。设计晶体的材料组成和周期性结构,便有可能在带与带之间出现“光子禁带”。频率落在光子禁带范围内的波的传播将被严格禁止。

带隙型光子晶体光纤有很多优于传统光纤的新特性,首先它有很低的损耗,因为空芯光子晶体光纤用空气孔导光,不受传统石英芯光纤本征吸收和瑞利散射的影响,大大减小了材料的非线性和光纤的损耗,通过设计不同的中心孔直径和包层结构,可以实现不同波长的信号传输。其次带隙型光子晶体光纤色散特性相对于传统光纤,其色散可通过包层空气孔的尺寸、形状和排列进行控制,可以使零色散点大大向短波长方向移动,不仅零色散点灵活可调,还可以在极宽的波段内具有平坦色散,且宽平坦色散曲线的中心波长可移。另外,空气导光型光子晶体光纤中的光能量被局限只能在缺陷中传播。因此,这种光纤允许出现大于直角的光路弯曲,甚至可以在弯曲曲率半径小于波长的条件下传播,因而可以极大降低弯曲损耗。

2 光子晶体光纤高非线性的实现

光子晶体光纤的优异性能使其成为最理想的非线性光学介质,它突出的非线性特性表现在超连续光谱的产生、频率变换等方面,光子晶体非线性特性的研究在对于设计光通信领域的器件具有十分重要的应用价值,因此设计和实现光子晶体光纤的高非线性成为现在研究的重点。

非线性效应不但和材料的非线性折射率系数有关,还和光纤纤芯面积及脉冲中心波长有关。因此,改变光纤非线性的方法主要有两种方法。一种方法是改变光纤的材料,一般通过对光纤进行掺杂提高纤芯折射率。使用掺杂的方法是改变光纤内部的物质结构,可以大幅度提高非线性。另一种是通过改变光纤的结构,使光束的模场面积发生变化。传统的改变光纤结构的方法,就是减小芯径的尺寸,由于光纤的芯径己经很小了,非线性的提高幅度不是很大。近十年兴起的光子晶体光纤的空气孔的排列和大小有很大的控制余地,可以根据需要设计光子晶体光纤的光传输特性,具有很好的非线性特性。人们可以通过调节纤芯周围的孔间距调节有效模场面积,控制非线性的大小,光子晶体光纤非线性比普通光纤的可以提高几十倍。因此,非线性光子晶体光纤的特性及器件在光通信领域具有潜在应用。

3 光子晶体光纤非线性功能器件

光子晶体光纤的非线性具有很强的可控性。由于光子晶体纤芯可以设计的很小,比普通光纤的纤芯小一个数量级,并且可以多模传输,有利于各种非线性效应自相位调制、高阶孤子、群速度色散、三阶色散、四波混频、交叉相位调制、双折射以及自陡峭等诸多效应的发生,光谱被极大的展宽成为超连续谱。非线性的光子晶体光纤还可以产生有光孤子效应、频率变换效应以及脉冲整形和压缩等,由于非线性而形成的慢光效应可以在光缓存等全光网络中。利用光子晶体的非线性可以实现了很多光通信领域的功能器件,我们这里主要介绍几种主要的基于非线性光子晶体光纤的功能器件。

3.1 光子晶体光纤激光器

利用光子晶体光纤的高非线性,可以产生宽带高亮的激光光源,即超连续谱。超连续谱产生现象是指超短脉冲在介质中传输时由于介质的非线性效应导致脉冲的光谱被极大地加宽的现象。在普通光纤中,由于光纤本身的非线性效应较弱,超连续谱的产生需要采用高功率的超短脉冲作为泵浦源,而且必须要求光纤的非线性作用时间相当长,因此要采用很长的光纤以增加两者的非线性交互作用时间。采用光子晶体光纤则使得产生超连续谱所需要的光脉冲强度大大降低。

光子晶体光纤本身具有极高的设计自由度,可以设计出具有平坦色散曲线且极强非线性的光子晶体光纤,因而可以产生相对平坦且谱宽远远超过传统光纤的超连续谱[3]。普通石英单模光纤的非线性系数为1.1 W-1·k m-1,而高非线性光子晶体光纤由于光被周围周期性的空气微孔阵列严格地限制在纤芯中,其非线性系数是普通石英单模光纤的几十至几百倍,可以高达245W-1·km-1。因此在光子晶体光纤中采用较低能量的飞秒种子光脉冲即可产生宽带的超连续光谱。由于具有特殊的色散和非线性特性,光子晶体光纤比一般光纤更容易产生超连续谱。Buchter等人将532nm和1064nm的ns级的泵浦光脉冲同时注入纤芯为2.0μm,零色散波长为740nm的高非线性P C F中,产生了波长为4 3 0 n m~1 7 5 0 n m超连续谱。光子晶体光纤产生超连续谱可以作为一种新型的光源,它具有高的输出功率、平坦的宽带光谱、高度的空间相干性等特性。在光纤通信中可以用于光纤衰减测量、波形和群速度测量、密集波分复用系统的光源、全光通信中的波长转换以及高速波分复用/时分复用、全光再生及其全光解复用等。

3.2 光子晶体光纤光开关

全光开关是实现全光网络的关键元件,高开关阈值、低消光比、低开关速率是阻碍全光开关迅速发展和应用最主要障碍,光子晶体光纤仅需要调节光纤中的空气孔大小比例和排列就可以实现对于光路的控制,所以光子晶体在实现光开关上具有操作制备原理简单并且容易实现低开关阈值、高消光比、高开关速率,例如PCF中分布着许多空气微孔,将不同的液体、气体和固体材料填充到空气微孔中,就可以制造出开关。Larsen等人通过在光子晶体光纤的空气孔中填充液晶,实现了光开关的功能;Petropoulos等人利用光子晶体光纤中S P M的频谱展宽效应,通过可调窄带滤波器实现了全光开关,Zheltikova双芯光子晶体光纤耦合器也实现了光开关的功能。刘建国[4]等将高非线性光子晶体光纤和双向抽运掺饵光纤放大器引入Sagnac环形镜内,破坏了环形镜的对称性,利用交叉相位调制作用使反向传输的两路信号光产生非线性相移实现开关效应。

3.3 光子晶体光纤耦合器

光纤耦合器是光纤光学领域、光纤通信领域中一种重要的无源器件,它能实现光功率分配,可以用作光纤传感器、光纤测量等方面。光子晶体光纤的出现使设计出具有更高性能的耦合器件成为可能。通过改变折射率和设计纤芯结构实现的光子晶体光纤宽带耦合器在全通信和波分复用系统中将具有重大的实际应用意义。因此,基于光子晶体光纤的耦合器的研究引起了人们的热切关注[5]。传统的光纤耦合器是以常规单模光纤为基质,通过熔融拉锥的工艺加工而成。如果采用这种拉制的方法制备光子晶体光纤传感器,容易损坏光子晶体光纤的结构。光子晶体光纤耦合器主要是采用设计纤芯周围空气孔部分的结构来实现高性能的耦合器。目前最引人注目的是双芯纤芯光子晶体光纤耦合器,双芯光子晶体光纤是在周期性排列的空气孔中选取两个空气孔加以填充形成两个纤芯。它的基本工作原理是利用光消逝场在两个纤芯之间的耦合作用,当光波沿着纤细传输时,光功率周期性地从一个纤芯转移到另一个纤芯,通过正确的设计与制作,双芯光子晶体光纤可以具备高性能耦合器的特征:高耦合系数,宽带耦合,大耦合长度和低偏振损耗等。

2000年Mnagna等人最早拉制出双芯折射率传导光子晶体光纤并研究了它的耦合性质。Padden等人提出利用双孔的聚合物光子晶体光纤作为耦合器。在光子晶体光纤具有很高的折射率对比度,并且可以很方便的调整光纤的参数,例如:空气孔的直经和空气孔的间距。Salgueriro等人研究了非线性光子晶体光纤耦合器中导波模式的稳定传输性质,他们发现非线性光子晶体光纤中存在三种稳定的模场分布:对称模场、反对称模场和不对称模场。非线性光子晶体光纤耦合器中光传输模式更加稳定,耦合效率更高。现在对于多芯光子带隙光纤耦合特性的研究还不多。

3.4 光子晶体光纤拉曼放大器

拉曼放大器可以实现对任意波长的放大,因此可作为光纤放大器扩展目前的通信带宽,升级现有的系统,在通信领域具有很大的应用前景。常规光纤利用掺杂来实现光纤包层与纤芯之间的折射率差,使得维持单模传输的纤芯面积难以增大,限制了双包层光纤激光器性能的进一步提高。光子晶体光纤具有独特的波导结构,它的纤芯周围含有沿着轴向规则排列微小空气孔,光波可以被限制在光纤芯区传播,具有优异的光学特性。与常规光纤相比,光子晶体光纤可被设计成小模场面积,具有更大的拉曼增益系数。因此光子晶体光纤在光纤拉曼激光器领域内应用越来越广泛。2005年,Travers等人利用100m高非线性光子晶体光纤研制了最大输出功率为3 1 6 W全光纤拉曼光纤激光器,其阈值为3 1 7 W,拉曼增益系数比普通通信光纤大4 0倍。光子晶体光纤拉曼放大器实现纤芯的单模传输,既能够实现较大的模场面积,减小高功率激光传输形成的非线性效应,又能够实现光束质量高的激光输出。外包层采用较大的空气孔,形成了较大的折射率反差,从而能够增大内包层的数值孔径,提高泵浦光耦合效率。

4 结语

光子晶体光纤以其崭新的概念,优异的性能和潜在的广阔应用前景而成为光通信领域的研究热门。光子晶体光纤具有普通光纤所不具备的各种新颖特性,其在器件领域的应用远远不止这些,光子晶体以其灵活善变的新奇特性为科研工作者提供了更为广阔的想象与创新的空间,无疑它将会在光通信和光器件等领域具有十分广阔的应用前景。

参考文献

[1]E.Yablonovitch.Inhibited spontane-ous emission in solid State Physics andelectronics[J].phys Rev Lett,1987,58(20):2059～2062.

[2]Russell.P.St J,Knight.J.C,Birks.T.A,et al.Recent progress in photoniccrystal fibers[J]Proe OFC,2000,(3):98～100.

[3]J.K.Ranka,R.S.Windeler,A.J.Stentz.Visible continuum generation inair-silica microstructure optical fiberswith anomalous dispersion at 800 nm[J].Opt.Lett.,2000,25(1):25～27.

[4]Liu Jingo.A all-optical switching basedon highly nonlinear photonic crystalfiber Sagnac loop mirror[J].Chin.Phys.Soc.2007,56(2):941～944.