隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、5G等新技術(shù)的不斷發(fā)展,數(shù)據(jù)流量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長,對傳輸帶寬的需求不斷攀升。傳統(tǒng)的單模光纖系統(tǒng)容量預(yù)計(jì)在未來20年內(nèi)將達(dá)到香農(nóng)極限,因此研究新型光纖解決帶寬容量問題迫在眉睫。為此,研究人員提出了模分復(fù)用技術(shù),該技術(shù)以少模光纖為傳輸介質(zhì),利用模式之間的正交性使信號(hào)通過不同模式進(jìn)行獨(dú)立傳輸,從而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容,解決了單模光纖通信的帶寬極限問題。然而,少模光纖具有自身的一些特征參數(shù),如模式耦合、模式相關(guān)損耗等。因此,在實(shí)際應(yīng)用中,測量這些參數(shù)是必要的,這對于設(shè)計(jì)優(yōu)化少模光纖結(jié)構(gòu)、評價(jià)少模光纖質(zhì)量都是至關(guān)重要的。光時(shí)域反射儀是測量光纖參數(shù)、評價(jià)光纖質(zhì)量的重要儀器。而目前商用的光時(shí)域反射儀是基于單模光纖的背向瑞利散射原理實(shí)現(xiàn)的,無法實(shí)現(xiàn)多個(gè)模式同時(shí)測量。而要研究少模光纖,就需要對少模光纖的不同模式進(jìn)行同時(shí)測量。因此需要研究一種可以測量少模光纖各個(gè)模式特性的少模時(shí)域反射儀。本文設(shè)計(jì)了少模時(shí)域反射儀的結(jié)構(gòu),詳細(xì)闡述了少模時(shí)域反射儀的硬件與軟件各個(gè)模塊的功能。軟件系統(tǒng)在VC平臺(tái)下進(jìn)行開發(fā)。重點(diǎn)闡述了軟件中的參數(shù)設(shè)置模塊,數(shù)據(jù)處理模塊與控制顯示模塊。最后通過所研制的少模時(shí)域反射儀樣機(jī)進(jìn)行了6模光纖的實(shí)驗(yàn)測量。本文首先,通過麥克斯韋方程組分析了少模光纖的模式特性,通過洛倫茲互易定理證明了少模光纖的模式正交性。根據(jù)背向捕獲理論建立了少模光纖的背向瑞利散射模型,為少模時(shí)域反射儀的實(shí)現(xiàn)提供了理論依據(jù)。然后,設(shè)計(jì)了少模時(shí)域反射儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),并且對少模時(shí)域反射儀的工作過程進(jìn)行了說明。對少模時(shí)域反射儀的硬件系統(tǒng)的各個(gè)組成部分進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。著重說明了少模時(shí)域反射儀軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程。軟件是在VC平臺(tái)下進(jìn)行開發(fā)。軟件系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法,分為初始化模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、控制顯示模塊和數(shù)據(jù)保存模塊。重點(diǎn)介紹了參數(shù)設(shè)置模塊,數(shù)據(jù)處理模塊與控制顯示模塊。參數(shù)設(shè)置模塊重點(diǎn)說明了激光器、FPGA、高速數(shù)據(jù)采集卡與上位機(jī)軟件的數(shù)據(jù)傳輸方式。數(shù)據(jù)處理模塊重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理算法,包括數(shù)據(jù)平均算法、卡爾曼濾波算法、故障定位算法�？刂骑@示模塊重點(diǎn)說明了波形的繪制方法,如坐標(biāo)變換,雙緩沖等。接著,研制少模時(shí)域反射儀樣機(jī),對硬件與軟件進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。用該少模時(shí)域反射儀對4km和12km的6模光纖進(jìn)行測量。分析了少模時(shí)域反射儀的性能指標(biāo)。然后改變測量參數(shù),分析不同參數(shù)對測量結(jié)果的影響。通過模擬反射事件與非反射事件,成功對少模光纖的故障進(jìn)行了定位。測量了少模光纖的基模與高階模的模式相關(guān)損耗、模式耦合。最終在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了少模時(shí)域反射儀的功能。最后,對全文的主要工作進(jìn)行總結(jié),對本文實(shí)現(xiàn)的少模時(shí)域反射儀進(jìn)行了客觀的分析,并且對未來少模時(shí)域反射儀的優(yōu)化方向,進(jìn)行了展望。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN253
【部分圖文】：

由于光纖本身制造工藝不足，自身的損傷以及外界的致不同模式的信號(hào)出現(xiàn)串?dāng)_，影響了少模光纖的實(shí)用化特性，從而設(shè)計(jì)優(yōu)化少模光纖結(jié)構(gòu)，加速少模光纖的實(shí)紹了少模光纖及其模式理論。接著分析了少模光纖的少模光纖的背向瑞利散射模型。提出了少模時(shí)域反射儀能參數(shù)進(jìn)行了闡述。類稱光纖，它是一種可以傳輸光信號(hào)的載體。由于其具有設(shè)以及便于大批量制造等優(yōu)良性能而成為通信中最重要用于光通信主干網(wǎng)作為傳輸介質(zhì)[50]。光纖是一種圓柱形涂覆層三部分組成，纖芯的折射率大于包層，保證了信射。光纖結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖 2.2 背向瑞利散射示意圖裂或者連接頭處，由于光纖纖芯和空氣的折射率不同，會(huì)在菲涅爾反射。菲涅爾反射系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于背向瑞利散射系數(shù)，增大的功率。菲涅爾反射可以用來檢測光纖鏈路的不連續(xù)點(diǎn)在 z 處產(chǎn)生了菲涅爾反射，那么在接收端收到的功率為： 20azP z P e ·······························纖的背向瑞利散射模光纖，少模光纖具有多個(gè)傳輸模式，要對少模光纖進(jìn)行分此目前單模光纖、多模光纖的背向瑞利散射原理不適用于少纖的時(shí)域反射儀就必須研究少模光纖的背向瑞利散射。所以瑞利散射模型[57]。

圖 2.2 背向瑞利散射示意圖在光纖斷裂或者連接頭處，由于光纖纖芯和空氣的折射率不同，會(huì)在纖芯與空氣的分界面處發(fā)生菲涅爾反射。菲涅爾反射系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于背向瑞利散射系數(shù)，因此接收端會(huì)收到一個(gè)突然增大的功率。菲涅爾反射可以用來檢測光纖鏈路的不連續(xù)點(diǎn)。假設(shè)光纖在 z 處產(chǎn)生了菲涅爾反射，那么在接收端收到的功率為： 20azP z P e ········································ （2.32.2.2 少模光纖的背向瑞利散射不同于單模光纖，少模光纖具有多個(gè)傳輸模式，要對少模光纖進(jìn)行分析就必須區(qū)分各個(gè)模式，因此目前單模光纖、多模光纖的背向瑞利散射原理不適用于少模光纖，要研究測量少模光纖的時(shí)域反射儀就必須研究少模光纖的背向瑞利散射。所以本節(jié)建立了少模光纖的背向瑞利散射模型[57]。

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本文編號(hào)：2828772