多模光纤带宽特性分析
在多模光纤中,不同模式光波的群速度不一样,因此到达光纤接受端的时刻也不相同,从而引起光脉冲展宽,导致光纤带宽降低。由光线理论分析可以认为,这是由各种光线轨迹沿轴向传输时的光程不同而引起的。这也是多模光纤中的主要色散,文中就此进行讨论。
阶跃光纤的脉冲展宽
在如图1所示的阶跃光纤中,以子午光线为例,能引起最大时间差的两种光线是,光线1(平行于轴线入射的光线)与光线 2(以临界角入射的光线)。由于它们传光路径的不同,最后在到达光纤输出端时将造成时间差,使叠加后的脉冲展宽。
渐变折射率光纤的脉冲展宽
理论分析表明,当渐变型光纤纤芯的折射率,沿半径方向呈抛物线分布时,不同模式的光线在光纤内传输的轴向速度近似为常数。渐变光纤中的模间色散如图2所示。
光纤有限带宽对 VISAR测速的限制
采用光纤作为传输光能的 VISAR测试系统,其系统时间特性可分为系统本机、记录系统和光纤三部分的带宽特性。
光纤带宽
在实际使用中,光纤长度一般在10m 左右,考虑到光路的来回,由光纤决定的带宽应按20m 计算。阶跃光纤以(2.1)节计算的石英光纤为例,其20m 带宽为323 MHz。渐变折射率光纤以(2.2)节计算的结果为例,其20m 带宽为11.5GHz(ε=2.22)。
目前实验中使用的光纤一般为大数值孔径的阶跃型折射率光纤,按以上计算,带宽为323 MHz,并且随着光纤使用长度的增加和加工工艺的偏差而进一步减小,应该说是目前制约整个系统的一大因素。实际测试结果如图3所示,采用 H6780光电倍增管,VISAR 本机条纹常数为100m/s/Fr,数字式示波器的采样率分别为500MHz(图3(a))和1GHz(图3(b)),不考虑光纤带宽时,按以上分析,系统带宽分别为100 MHz和200 MHz。但实际信号的最高频率基本相同,均小于100 MHz,并有条纹丢失发生。分析认为,这主要是光纤带宽限制所致。
解决光纤带宽问题,按以上的讨论,采用渐变折射率光纤应该是最好的途径。特别是随着光电探测系统时间响应的提高,包括采用扫描相机代替光电倍增管和示波器记录系统,此时记录系统的带宽达到10GHz左右是较容易的。若再使用带宽在100MHz左右的光纤,显然是不合适的。而采用渐变折射率光纤也就是必然选择。
对多模光纤的带宽特性进行了分析,认为光纤频带特性是目前制约 VISAR 测试的一大因素,提出了用渐变折射率光纤代替现有的阶跃折射率光纤,可以减小光纤频带特性对 VISAR 测试的限制。在提高 VISAR系统时间分辨本领和记录系统频率响应特性的同时,这一点也应该重视。
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