01光纖數(shù)值孔徑性質(zhì)與參數(shù)測量實(shí)驗(yàn)1

1、實(shí)驗(yàn)一光纖數(shù)值孔徑(NA)性質(zhì)與參數(shù)測量實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)習(xí)光在光導(dǎo)纖維中傳播的基本原理2、掌握測量通信石英光纖的數(shù)值孔徑2、熟練光學(xué)調(diào)節(jié)技術(shù)及熟悉光功率計(jì)二、實(shí)驗(yàn)儀器 TOC o 1-5 h z 1、光源1臺2、讀數(shù)旋轉(zhuǎn)臺1個(gè)3、三維微調(diào)架1個(gè)4、光纖兩根(單模、多模各一根)2根5、光纖適配器1個(gè)6、光斑屏1個(gè)7、光功率計(jì)1個(gè)三、實(shí)驗(yàn)原理1、光纖的基本構(gòu)造光纖的構(gòu)造如圖1 1所示。它主要有纖芯、包層、涂敷層及套塑四部分組成。纖芯纖芯位于光纖的中心部位。它主要成分是高純度的二氧化硅，其純度高達(dá) 99.99999%，其余成分為摻入的少量摻雜劑，如五氧化二磷2。5 )和二氧化鍺(GeO2)。摻

2、雜 劑的作用是提高纖芯的折射率。纖芯的直徑一般為550微米。包層包層也是含有少量摻雜劑的高純度二氧化硅。摻雜劑有氟和硼。這些摻雜劑的作用是降低包層的折射率。包層的直徑2b 一般為125微米。涂敷層包層的外面涂敷一層很薄的涂敷層。通常進(jìn)行兩次涂敷，涂敷層材料一般 為環(huán)氧樹脂或硅橡膠。該層的作用是增強(qiáng)光纖的機(jī)械強(qiáng)度。套塑涂敷層之外就是套塑。套塑的原料大都是采用尼龍或聚乙稀。它的作用也是加強(qiáng)光纖的機(jī)械強(qiáng)度。一般沒套塑層的光纖稱為裸光纖。圖1-1光纖的結(jié)構(gòu)示意圖2、光纖的傳光原理光纖的傳光原理：采用幾何光學(xué)來分析時(shí)主要包括光的反射、折射和全反射等。 采用波動(dòng)理論分析時(shí)主要包括導(dǎo)模、模數(shù)、雙折射等。光在

3、光纖中的傳播主要有二種類型，如圖12所示。階躍型光纖其光纖折射率呈階躍型分布。該種光纖的纖芯折射率均勻且比包層高， 以保證傳輸光能在纖芯和包層的界面上實(shí)現(xiàn)全反射，光傳輸軌跡為鋸齒形。當(dāng)光纖NA大時(shí)， 反射次數(shù)多、損耗大。階躍光纖是光纖應(yīng)用的基本類型。漸變型光纖其纖芯的折射率呈曲面分布，使傳輸光的軌跡為光滑曲線(如正弦函 數(shù)曲線)，也稱蛇形傳光。其優(yōu)點(diǎn)是NA大，色散和損耗較小，傳輸距離大，但價(jià)格高。圖1-2、光纖中的子午光線傳輸圖1-3、光纖的徑向折射率分布另外，在單模光纖中，纖芯的直徑很小，光線幾乎是沿著光纖軸傳播的。3、光纖的傳輸模式對于階躍光纖，光纖中的傳輸模式與波導(dǎo)參數(shù)V有關(guān)。波導(dǎo)參數(shù)V

4、的定義為：V=2 兀 a(NA)/人(1-1)式中a 光纖纖芯的半徑；NA光纖的數(shù)值孔徑；人一一入射光波長。在光纖NA保持一定的情況下，光纖的芯徑越大，則波導(dǎo)參數(shù)越大。光纖能傳播的模式 也越多，當(dāng)VW2.4的時(shí)候光纖就只能傳播單一模式，這種光纖稱為單模光纖；當(dāng)V2.4時(shí) 能傳播多種模式，例如VW3.8時(shí)，光纖就傳輸四種模式(HE”、TE01、渤蓿HE”)，在這 種光纖輸出端可觀測到對應(yīng)于這4種模式的4種光斑類型，所以一般V2.4的光纖就稱為多 模光纖。圖1-4是光脈沖在多模光纖和單模光纖中的傳輸性能示意圖。由圖1-4可見，多模光纖損耗大、色散較強(qiáng)，因而脈沖畸變嚴(yán)重；而單模光纖損耗和色 散性能都

5、較佳，對光脈沖的影響較小。光纖長距離通訊中的光纖是用單模光纖，就是這個(gè)原 因。4、光纖的光學(xué)參數(shù)和特性(1)光纖的數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑(NA)是衡量一根光纖當(dāng)光線從其端面入射時(shí)，它接收光能大小的一個(gè)重要 參數(shù)，也就是說它是反映光纖捕捉光線(或聚光)能力大小的一個(gè)參數(shù)。如圖六所示，通常我們考慮的是光纖中子午光線的數(shù)值孔徑。設(shè)么為光纖內(nèi)產(chǎn)生全反 射時(shí)的臨界角，則可知Sin 0 c=n2/ni.因?yàn)楣馐菑目諝?n=1)入射到光纖端面的，所以根據(jù)圖五，可得Sin。/ Sin(900 -0 )= acn Sin。= n Cos(1-2)=n ji (sin。 = n & (n Jn)通常，通訊中用的光纖為弱

6、導(dǎo)光纖，其纖芯和包層的折折率差很小，可近似認(rèn)為n1+n2 -2n1,若定義相對折射率差為=(n1-n2)/n1,則NA = n Sin0 = n v2A(1-3)這就是光纖的數(shù)值孔徑的定義式，稱之為光纖的最大理論數(shù)值孔徑。單模光纖圖1-4光脈沖在光纖中傳輸示意圖Pin(t)一輸入脈沖強(qiáng)度，Pout(t)輸出脈沖強(qiáng)度多模階越光纖多模漸變光纖圖1-5、光纖的數(shù)值孔徑光纖的數(shù)值孔徑的測試通常采用方法有：“近場法”和“遠(yuǎn)場法”。A、“近場法”是根據(jù)數(shù)值孔徑的定義，測出折射率n1和n2,求得數(shù)值孔徑NA為 na=、,nznz。由這種方法測出的數(shù)值孔徑稱為“理論數(shù)值孔徑”或“標(biāo)稱數(shù)值孔徑”。B、“遠(yuǎn)場法”

7、如實(shí)驗(yàn)所述的測量光纖的數(shù)值孔徑(NA)的兩種方法。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(shí)它也是表征光纖和光 源、光檢測器及其它光纖耦合時(shí)的耦合效率的重要參數(shù)。圖16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(lǐng)大。NA的定義式是NA = n o*Sin= , n2-n2( 1 4)12式中n為光纖周圍介質(zhì)的折射率，。為最大接受角。氣和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(yuǎn)場功率角分布與理論數(shù)值孔徑* 有如下關(guān)系:m圖1-6光纖最大接收角和接收光錐示意圖Sind = * NA(1 5)其中。是遠(yuǎn)

8、場輻射角，Ka是比例因子，由下式給出：K =、1_IP(O)/ 尸(0)1/2(1 6)式中P (0)與P (9 )別分9=0和。二。處遠(yuǎn)場輻射功率，g為光纖折射率分布參數(shù)。計(jì)算 結(jié)果表明，若取P(9)/P(0) =5%，在gN2時(shí)Ka的值大于0.975。因此可將對應(yīng)于P(9) 曲線上光功率下降到中心值的5%處的角度9 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：(17)NA = sin 9本實(shí)驗(yàn)正是根據(jù)上述原理和光路可逆原理來進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖17所示。圖17光纖數(shù)值孔徑測量系統(tǒng)eff e三、實(shí)驗(yàn)步驟試驗(yàn)內(nèi)容包括：校正調(diào)試訓(xùn)練、測量輸出孔徑角與輸入孔徑角。實(shí)驗(yàn)步驟如下: 1、He

9、-Ne激光器和光功率計(jì)的電源，調(diào)整實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；調(diào)整激光管，使激光束平行于實(shí)驗(yàn)平臺面；調(diào)整旋轉(zhuǎn)臺，使轉(zhuǎn)盤刻度置于0；取待測光纖，一端經(jīng)旋轉(zhuǎn)臺上的光纖架與激光束耦合，另一端與光功率計(jì)相連；仔細(xì)調(diào)節(jié)光纖架及配合調(diào)節(jié)激光管支撐螺釘，使光纖輸出功率最大(該項(xiàng)須由指導(dǎo) 老師指導(dǎo)下進(jìn)行)。2、測試輸入孔徑角 ；i光纖輸出端于光功率計(jì)的探頭相連；旋轉(zhuǎn)讀數(shù)平臺，改變光束入射角，記錄不同旋轉(zhuǎn)角度。下的輸出光功率值；繪制P-9曲線，取P(9)下降到中心值的5%時(shí)所對應(yīng)的。值作為i。3、測輸出數(shù)值孔徑角。0,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖1 7所示；把光功率計(jì)上的光纖接頭接到光斑屏前的光線適配器上；置觀察屏于距光纖端面L距離處，則在觀

10、察屏上可見光纖輸出圓光斑，其直徑為D；調(diào)三維微調(diào)架，準(zhǔn)確測量L和D的值，得輸出孔徑角為： 0 = arctan D /(2 L)(11-8)4、目測數(shù)值孔徑角 .；J調(diào)節(jié)步驟同1項(xiàng)四個(gè)步驟；除去光纖輸出端的光功率計(jì)，可在觀察屏觀測到一輸出圓光斑；轉(zhuǎn)動(dòng)讀數(shù)旋轉(zhuǎn)臺，直到觀察屏上的光斑消失，讀此時(shí)的旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)角度9 .。5、計(jì)算光纖數(shù)值孔徑；計(jì)算公式為：NA = sin (11-9)其中。即上一步驟測得的 0、 i和j。5、關(guān)激光器和光功率計(jì)的電源，整理實(shí)驗(yàn)儀器，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和記錄表1方法一測量所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果光纖端面入射角(度)光纖輸出光功率值(微瓦)輸出光功率相對值 (以 =0時(shí)的值為1)表2方法二測量所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)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。o=arctanD/(2L)光纖數(shù)值孔徑NA=Sin 9 o平均數(shù)值孔徑表3方法三測量所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果第一次第二次第三次第四次第五次sin 0