光纖通信實驗講義

實驗一光纖光學基本知識演示【實驗目的】通過光纖的預備知識和的具體演示，使實驗者對光纖光學有基本的認識，并為后面的實驗打下知識基礎【實驗儀器】普通光纖（3米長）二根（一根為單模光纖，一根為多模光纖）HENE激光器及電源一套短波光功率計一只白紙光屏一個【演示實驗內(nèi)容】演示一如圖一所示，取一根長約一米的普通單模光纖，剝?nèi)テ鋬啥祟^的套塑和涂敷層，然后將激光耦合進任一端，試觀察光纖另一端的輸出面發(fā)光情況。其中，亮的中心部分為纖芯，外圍為包層。對多模光纖可觀察到光纖傳輸模式。演示二如圖二實驗系統(tǒng)，激光輸出的激光束經(jīng)耦合入光纖后在光纖中傳輸，然后從另一端射出，用白屏接收光斑，觀察其近場圖案和遠場圖案。聚焦透鏡激光器光纖光纖支架光纖支架近場圖案遠場圖案圖七、光纖的近場圖和遠場圖演示三如圖三所示實驗系統(tǒng)，先讓三米長左右的光纖的盡量伸展開，讀出并記錄下此時光纖的輸出光功率值，然后將光纖一圈一圈繞于手上，觀察輸出光功率隨所繞圈數(shù)多少和圈半徑大小的關系。（注意，光纖不能繞過小圓圈，否則會損傷和折斷光纖）HENALASER聚焦透鏡光纖支架出射光圖一、演示二示意圖圖三、演示三示意圖光纖支架HENALASER聚焦透鏡光纖支架光功率計探測器短波探頭220V交流電輸入光功率固定P0用MATLAB擬合出出損耗系數(shù)與曲率半徑的關系式；【思考題】1、根據(jù)演示二觀測到的近場圖案和遠場圖案，試想可以確定光纖的那些參數(shù)2、通過閱讀材料，說出減小光纖損耗的途徑有那些實驗二光纖數(shù)值孔徑（NA）的性質(zhì)和測量實驗【實驗目的】、熟悉光纖數(shù)值孔徑的定義和物理意義、掌握測量光纖數(shù)值孔徑的基本方法【實驗原理】光纖數(shù)值孔徑（NA）是光纖能接收光輻射角度范圍的參數(shù)，同時它也是表征光纖和光源、光檢測器及其它光纖耦合時的耦合效率的重要參數(shù)。圖一示出了階梯多模光纖可接收的光錐范圍。因此光纖數(shù)值孔徑就代表光纖能傳輸光能的大小，光纖的NA大，傳輸能量本領大。圖一、光纖最大接收角和接收光錐示意圖MAX接收光錐范圍自由空間包層纖芯CNA的定義式是NOSINNAN21式中NO為光纖周圍介質(zhì)的折射率，為最大接受角。N1和N2分別為光纖纖芯和包層的折射率。光纖在均勻光場下，其遠場功率角分布與理論數(shù)值孔徑有如下關系MNAMSIN其中是遠場輻射角，KA是比例因子，由下式給出0/2/1PG彎曲半徑輸出光功率損耗系數(shù)（DB）式中P（0）與P（）別分0和處遠場輻射功率，G為光纖折射率分布參數(shù)。計算結果表明，若取P（）/P（0）5，在G2時KA的值大于0975。因此可將對應于P（）曲線上光功率下降到中心值的5處的角度E的正弦值定義為光纖的數(shù)值孔徑，稱之為有效數(shù)值孔徑EEFNASIN本實驗正是根據(jù)上述原理和光路可逆原理來進行的。【實驗儀器】HENE激光器及電源、讀數(shù)旋轉臺、光纖微調(diào)架、毫米尺、白屏、短波長光功率計等。實驗系統(tǒng)圖如圖1和圖2所示。【實驗步驟】、HENE激光器和光功率計的電源，調(diào)整實驗系統(tǒng)；A調(diào)整HENE激光管，使激光束平行于實驗平臺面；B調(diào)整旋轉臺，使HENE激光束通過旋轉軸線；C取待測光纖，一端經(jīng)旋轉臺上的光纖微調(diào)架與激光束耦合，另一端與光探測器相連；D仔細調(diào)節(jié)光纖微調(diào)架，使光纖端面準確位于旋轉臺的旋轉軸心線上，并輔助調(diào)節(jié)旋轉臺使光纖的輸出功率最大。測輸出數(shù)值孔徑角O。實驗系統(tǒng)圖如圖1所示。1移開光探測器，固定光纖輸出端；2置觀察屏于距光纖端面L距離處，則在觀察屏上可見光纖輸出圓光斑，其直徑為D；3利用毫米尺測量L和D的值，得輸出孔徑角為OARCTAND/（2L）、測試輸入孔徑角I1光纖輸出端于光功率計的探頭相連；2旋轉讀數(shù)平臺，改變光束入射角，記錄不同旋轉角度下的輸出光功率值；3出P曲線，取P（）下降到中心值的5時所對應的值作為I。、計算光纖數(shù)值孔徑。計算公式為NASIN（8）其中即上一步驟測得的O和I。圖二、光纖數(shù)值孔徑的測量方法一意圖聚焦透鏡光纖支架讀數(shù)旋轉臺HENALASER待測光纖觀察屏圖三、光纖數(shù)值孔徑的測量方法二意圖聚焦透鏡光纖支架讀數(shù)旋轉臺HENALASER待測光纖光功率計探測器短波探頭220V交流電、關HENE激光器和光功率計的電源，整理實驗儀器，結束實驗?！緦嶒灁?shù)據(jù)和記錄】表（1）方法一測量所得的實驗數(shù)據(jù)和結果測量參數(shù)第一次測量第二次測量光斑直徑W（MM）屏與光纖端頭距離L（MM）數(shù)值孔徑角OARCTAND/2L光纖數(shù)值孔徑NASINO平均數(shù)值孔徑表2方法二測量所得的實驗數(shù)據(jù)和結果光纖端面入射角Q（度）光纖輸出光功率值（微瓦）輸出光功率相對值（以Q0時的值為1）順時針旋轉測的數(shù)值孔徑角逆時針旋轉測的數(shù)值孔徑角平均數(shù)值孔徑角I（度）光纖的有效數(shù)值孔徑NAEFF【思考題】、光纖數(shù)值孔徑的物理意義是怎么談談本實驗的測量精度取決于那些因素、用兩種方法測得的結果是否一樣若不一樣，請說明原因。、為怎么在測輸入孔徑角時要保證光纖輸入端面位于旋轉軸心上實驗三光源與光纖耦合方法實驗【實驗目的】1、了解光源與光纖的耦合方法直接耦合和透鏡耦合法2、計算實驗中的耦合效率，并比較結果【實驗原理】、直接耦合將經(jīng)過處理的光纖端面盡可能靠近光源的發(fā)光面，見圖1用專用設備調(diào)整到出射光強最大時固定其相對位置。只有落在由光纖數(shù)值孔徑NA所決定的圓錐角以內(nèi)的光源射線，才能在光纖中以子午射線的方式傳播，光源發(fā)光面積也不應大于纖芯的橫截面面積，否則，將引起較大的耦合損耗。因此，一般不采用這樣的耦合方法，但在帶尾纖的光源中大部分是用直接耦合方式，這種方法簡單，可靠，但必須有專用設備。、透鏡耦合將光源發(fā)出的光通過透鏡聚焦到光纖纖芯上，可以使光源較大的輻射角變成可以被光纖接受的較小球面角，從而提高耦合效率。如圖2所示透鏡支架激光器功率計功率計光纖圖2透鏡耦合、自聚焦棒GRIN耦合GRIN是漸變折射率棒狀透鏡的縮寫，實際上是一根拋物線型漸變折射率玻璃棒。1/4節(jié)距透鏡可以將平行光束轉化為聚焦光束，且焦點正好在輸出端面上，這大大有利于將光束耦合進入光纖。目前這種元件在光纖系統(tǒng)中得到廣泛應用。0L/4L/23L/4LZ光纖圖1直接耦合光源發(fā)光面圖3自聚焦棒中光線的軌跡在輸入平面上的物點，無論是軸上或偏軸，都會在距離L/2的平面上重新會聚。原因在于玻璃棒具有徑向拋物線型折射率分布22021GRNRN0是軸上的折射率，G由相對折射率差及棒半徑?jīng)Q定的常數(shù)。在這種介質(zhì)中各條光線都將大致遵循正弦途徑，周期L2/G而在L/4及3L/4等處，從某一指定物點來的光線都成平行態(tài)，以便做進一步的準直操作。耦合效率的計算P1/P0【實驗儀器】氦氖激光器、2M單模光纖、功率計、五維微調(diào)架、10物鏡、GRIN【實驗步驟】、按上圖連接好各個器件，打開電源，確定光束通過透鏡后的焦平面位置、調(diào)節(jié)五維微調(diào)機構，使光纖端面處于透鏡焦點上、繼續(xù)微調(diào)，觀察功率計讀數(shù)變化，記錄下最大讀數(shù)P1、直接將處理過的光纖端面