多模光纖帶寬特性分析
在多模光纖中,不同模式光波的群速度不一樣,因此到達光纖接受端的時刻也不相同,從而引起光脈衝展寬,導致光纖帶寬降低。由光線理論分析可以認為,這是由各種光線軌跡沿軸向傳輸時的光程不同而引起的。這也是多模光纖中的主要色散,文中就此進行討論。
階躍光纖的脈衝展寬
在如圖1所示的階躍光纖中,以子午光線為例,能引起最大時間差的兩種光線是,光線1(平行於軸線入射的光線)與光線 2(以臨界角入射的光線)。由於它們傳光路徑的不同,最後在到達光纖輸出端時將造成時間差,使疊加後的脈衝展寬。
漸變折射率光纖的脈衝展寬
理論分析表明,當漸變型光纖纖芯的折射率,沿半徑方向呈拋物線分佈時,不同模式的光線在光纖內傳輸的軸向速度近似為常數。漸變光纖中的模間色散如圖2所示。
光纖有限帶寬對 VISAR測速的限制
採用光纖作為傳輸光能的 VISAR測試系統,其系統時間特性可分為系統本機、記錄系統和光纖三部分的帶寬特性。
光纖帶寬
在實際使用中,光纖長度一般在10m 左右,考慮到光路的來回,由光纖決定的帶寬應按20m 計算。階躍光纖以(2.1)節計算的石英光纖為例,其20m 帶寬為323 MHz。漸變折射率光纖以(2.2)節計算的結果為例,其20m 帶寬為11.5GHz(ε=2.22)。
目前實驗中使用的光纖一般為大數值孔徑的階躍型折射率光纖,按以上計算,帶寬為323 MHz,並且隨著光纖使用長度的增加和加工工藝的偏差而進一步減小,應該說是目前制約整個系統的一大因素。實際測試結果如圖3所示,採用 H6780光電倍增管,VISAR 本機條紋常數為100m/s/Fr,數字式示波器的採樣率分別為500MHz(圖3(a))和1GHz(圖3(b)),不考慮光纖帶寬時,按以上分析,系統帶寬分別為100 MHz和200 MHz。但實際信號的最高頻率基本相同,均小於100 MHz,並有條紋丟失發生。分析認為,這主要是光纖帶寬限制所致。
解決光纖帶寬問題,按以上的討論,採用漸變折射率光纖應該是最好的途徑。特別是隨著光電探測系統時間響應的提高,包括採用掃描相機代替光電倍增管和示波器記錄系統,此時記錄系統的帶寬達到10GHz左右是較容易的。若再使用帶寬在100MHz左右的光纖,顯然是不合適的。而採用漸變折射率光纖也就是必然選擇。
對多模光纖的帶寬特性進行了分析,認為光纖頻帶特性是目前制約 VISAR 測試的一大因素,提出了用漸變折射率光纖代替現有的階躍折射率光纖,可以減小光纖頻帶特性對 VISAR 測試的限制。在提高 VISAR系統時間分辨本領和記錄系統頻率響應特性的同時,這一點也應該重視。
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