WGX光纖信息與光通信實驗系統(tǒng)實驗講義

PAGEPAGE1WGＸ—7型光纖信息與光通信實驗系統(tǒng)實驗講義V1。0目錄TOＣ＼o”1—2＂\ｈ\ｚHYPERＬINK\ｌ”＿Toc217２85609＂注意事項 PAGEREＦ_Toc2172８５６09\h1HＹPERLＩNK\ｌ”_Tｏc２17２85610＂實驗一光纖光學(xué)基本知識演示實驗 ＰＡＧEＲＥF_Ｔoｃ21728561０\h2ＨＹPERLINＫ\l”_Tｏc２1728561１”實驗二光纖與光源耦合方法實驗?PAGEREF_Tｏc２17２85611＼h3HYPERＬINK實驗四光纖傳輸損耗特性及參數(shù)測量實驗 ＰAGEREF_Toc２１728５６13\h7HYPEＲLINK＼l"_Toc2１7285617”實驗五Mａch-Ｚｅhnder光纖干涉實驗 9HYPＥRLINK實驗七光纖溫度傳感原理實驗 PAGERＥF＿Ｔoc217285619\h11HＹＰERLＩNK\l”＿Ｔoｃ21７28562０"技術(shù)服務(wù) PAGＥREF＿Toc２17285620\h１2PAGE2注意事項每次開頭實驗時請先打開機(jī)箱上的總電源開關(guān)，再打開所需要光源的開關(guān)。切勿在光源開關(guān)打開的狀態(tài)下打開總電源開關(guān),以免造成光源永久性損壞。結(jié)束實驗時先關(guān)閉全部光源的開關(guān)，再關(guān)閉總電源開關(guān).切勿在光源開關(guān)打開的狀態(tài)下關(guān)閉總電源，以免造成光源永久性損壞.每次連接光纖跳線時，請用鏡頭紙蘸取酒精將光纖端面擦拭干凈。每次做完實驗，請準(zhǔn)時將法蘭盤和跳線上的防塵帽蓋上，以免灰塵進(jìn)入.請勿用肉眼直視各個光源，以免對眼睛造成損傷。儀器長期不使用時，請切斷電源,并保持儀器的干燥和清潔。實驗一光纖光學(xué)基本知識演示實驗實驗?zāi)康牧私夤饫w光學(xué)中的基礎(chǔ)知識和常用器件.實驗原理光纖是工作在光波波段的一種介質(zhì)波導(dǎo),為雙層圓柱形,內(nèi)層為纖芯，外層為包層,纖芯折射率略大于包層.光被約束在光纖中進(jìn)行傳播。由于邊界條件的限制，光波的電磁場解是非聯(lián)系的，這種不連續(xù)的場解構(gòu)成模式.由于光纖纖芯細(xì)小,光纖通信中常用的激光器發(fā)出的激光需要耦合裝置才能進(jìn)入到光纖中。在光纖中傳播的光束掌握通過光纖器件完成,如用于光纖連接的跳線，用于分束的光纖耦合器，允許光單向傳播的光隔離器,轉(zhuǎn)變光傳播通道的光開關(guān)，轉(zhuǎn)變光能量的光衰減器等。本實驗系統(tǒng)涵蓋了光纖光學(xué)中的常用器件.并對相應(yīng)的器件進(jìn)行介紹以及對部分參數(shù)進(jìn)行測量。實驗裝置：實驗主機(jī)、光纖1段、光纖切割刀1把、手持式光功率計1臺、WGN—1型激光功率指示儀１臺、光纖跳線1根、法蘭盤。實驗內(nèi)容及步驟實驗內(nèi)容：熟識光纖器件，對應(yīng)實物講解光纖光學(xué)基礎(chǔ)知識。實驗步驟：１。介紹單模光纖,多模光纖，光纖切割刀；２.介紹光纖跳線，法蘭盤;３．介紹光功率計。實驗二光纖與光源耦合方法實驗實驗?zāi)康某醪秸莆展饫w切割技術(shù),光源與光纖耦合技術(shù)，體會透鏡數(shù)值孔徑對耦合效率的影響。實驗原理光纖作為無源器件，是光纖傳感器中基本組成部分.其端面處質(zhì)量的好壞，直接影響與光源的耦合效率及光信號的采集。光纖端面的處理可分為兩種形式,即平面光纖頭和透鏡光纖頭,本次實驗主要是平面光纖頭的制作。光耦合是將光源發(fā)出的光，注入到光纖中的一個過程。光耦合效率與光纖端面質(zhì)量和耦合透鏡的數(shù)值孔徑有關(guān),當(dāng)光纖端面處理的質(zhì)量較好,其數(shù)值孔徑與耦合透鏡數(shù)值孔徑相匹配時可得到最佳耦合效率。耦合效率（1)Pf為光纖輸出功率，P0為光源輸出功率.光纖耦合原理如附圖１所示：附圖SEQ附圖＼＊ARABIＣ１光纖耦合原理圖實驗裝置：主機(jī)、ＧY－24型Ｈｅ-Ｎｅ激光器1臺、ＷGN－1型激光功率指示儀1臺、光纖切割刀1把、光纖剝線鉗1把、多模光纖1段、酒精泵1個、鏡頭紙１本.實驗內(nèi)容及步驟實驗內(nèi)容：切割光纖端面；測量耦合效率。實驗步驟：1、剪一段多模光纖；2、用剝線鉗剝?nèi)ネ糠髮?，用鏡頭紙蘸取適量酒精擦干凈剝出的裸纖;３、用光纖切割刀在裸光纖外壁上輕刻一小口，然后輕小扣斷,端面應(yīng)垂直，無毛刺；4、將切好的光纖夾持在光纖卡頭上,然后將光纖卡頭放進(jìn)五維調(diào)整架中;5、打開He-Ne激光器,預(yù)熱幾分鐘，用激光功率指示儀測量激光器的輸出功率P0,并記錄下P０數(shù)值；6、將光路調(diào)至與主機(jī)箱上板平行，同時調(diào)整10×顯微物鏡與光路同軸;調(diào)整五維調(diào)整架，讓激光通過10×顯微物鏡匯聚后打在光纖的端面上,使光耦合進(jìn)入光纖。觀察另一端輸出情況，并用激光功率指示儀測量輸出功率Pｆ,并記錄下Ｐf的數(shù)值；７、將P0、Pf的值代入公式（1），計算耦合效率。實驗報告要求依據(jù)實驗內(nèi)容和步驟反復(fù)測量5次,將實驗測量結(jié)果填入下列表格，并計算出5次的平均耦合效率η。數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)3數(shù)據(jù)４數(shù)據(jù)5P０Pfη5次η平均值實驗三多模光纖數(shù)值孔徑（NＡ）性質(zhì)及參數(shù)測量實驗實驗?zāi)康恼莆諟y量多模光纖數(shù)值孔徑的一種方法。了解光纖數(shù)值孔徑的物理意義。實驗原理光纖數(shù)值孔徑NA是表征光纖集光能力的主要參數(shù)，其理論表達(dá)式為：式中：n1—纖芯折射率，n2—包層折射率。可見光纖的數(shù)值孔徑與直徑無關(guān)。在實際測量中，一般采納“遠(yuǎn)場法”。“遠(yuǎn)場法”的定義是：光纖遠(yuǎn)場輻射強(qiáng)度分布下降到最大的5％時，遠(yuǎn)場輻射半角的正弦定義為數(shù)值孔徑NＡｅff＝Siｎθ,與理論值關(guān)系為：NAefｆ=KNA，K為比例因子.測量原理如附圖２所示:附圖2ＮA測量原理圖實驗裝置：主機(jī)、GＹ－24型He-Nｅ激光器1臺、ＷGN-1型激光功率指示儀1臺、光纖切割刀１把、光纖剝線鉗1把、多模光纖1段、酒精泵1個、鏡頭紙1本。實驗內(nèi)容及步驟打開Ｈｅ—Ｎe激光器,校正實驗系統(tǒng)；調(diào)整He－Ｎｅ激光器,使激光束平行于主機(jī)上面板；取待測光纖,對其兩端做切割處理，一端經(jīng)五維調(diào)整架與激光束耦合（參考實驗二），一端夾持于白屏前，并與接收屏保持垂直;測試輸出孔徑角固定光纖輸出端；置白屏與距光纖輸出端L處，則在接收屏上顯示出光纖輸出光斑,其直徑為Ｄ.測量L和D值，則得輸出孔徑角為:計算光纖數(shù)值孔徑：NA=Sｉn關(guān)閉He－Nｅ激光器電源，實驗結(jié)束。實驗報告要求依據(jù)實驗內(nèi)容及步驟反復(fù)測量5次,記錄下測量結(jié)果,求出５次的平均值.數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)3數(shù)據(jù)4數(shù)據(jù)5LDＮA5次ＮA平均值PAGE8實驗四光纖傳輸損耗特性及參數(shù)測量實驗實驗?zāi)康恼莆铡安迦敕?光纖損耗測量技術(shù);了解光纖穩(wěn)態(tài)功率分布概念及其對光纖損耗的影響；了解光纖損耗與波長之間的關(guān)系和光纖通信“窗口”的實際意義。實驗原理在光纖傳輸過程中，光信號能量損失的緣由是簡潔的,有本征的和非本征的。在實際應(yīng)用中最關(guān)心的是它的傳輸總損耗。光信號沿光纖傳輸時,光功率的損耗叫做光纖的衰減。為滿意精確、可重復(fù)的測量結(jié)果，測量時應(yīng)保證光纖中的功率分布是穩(wěn)定的.實際光纖中由于存在各種不均勻等因素,將引起模耦合,而不同的模和群速度各不相同。因此在多模情況下，需要保證穩(wěn)態(tài)注入條件,如使用擾模器.單模光纖由于只有一個模式,則沒有穩(wěn)態(tài)功率分布問題。光纖衰減損耗的另外一個影響因素是波長,不同波長的衰減是不同的。衰減是以分貝(dB）為單位的，因此,在波長λ上光沿光纖傳輸距離L后的衰減定義為:（1)式中，P1、P2分別是注入端和輸出端的光功率.對于一根均勻的光纖就可以定義單位長度(通常是１ｋm）的衰減叫做衰減系數(shù)：（2)光纖的衰減系數(shù)是一個與長度無關(guān)的參數(shù)。測量原理如圖所示：附圖3光纖傳輸損耗實驗原理圖其中兩斷點P1、P2處為光纖活動連接器，在這兩點處分別測取光功率。實驗裝置：主機(jī)、手持式光功率計1臺、WＧN—1型激光功率指示儀1臺、光纖跳線1根、單模光纖1盤、法蘭盤1個。實驗內(nèi)容及步驟將主機(jī)上的1５50光源與手持式光功率計用一根光纖跳線連接起來；打開1550光源電源，用光功率計測取光纖跳線輸出端的光功率Ｐ1;保持輸入狀態(tài)不變，將１盤單模光纖的一端與光纖跳線用法蘭盤連接；用光功率計測取這盤單模光纖另一端輸出光功率Ｐ2；將P1、Ｐ２代入公式(2）中，計算出損耗衰減系數(shù)；換用主機(jī)中的６５0光源;重復(fù)實驗步驟2—5（６50光源的功率用WＧN－１型激光功率指示儀測量）；關(guān)閉電源，實驗結(jié)束。實驗報告要求分別測量１５5０光源、650的損耗衰減系數(shù),將實驗結(jié)果記錄下來。155０光源６50光源Ｐ1P2實驗五Mach－Zeｈnder光纖干涉實驗實驗?zāi)康恼莆展饫wＭacｈ－Zeｈnder干涉儀的基本原理;實驗操作調(diào)試Mach-Zehndｅr干涉儀并進(jìn)行性能測試.實驗原理以光纖取代傳統(tǒng)Mach—Ｚehnｄｅr干涉儀的空氣隙,就構(gòu)成了光纖型Maｃｈ－Zehnder干涉儀。這種干涉儀可用于制作光纖型光濾波器、光開關(guān)等多種光無源器件和傳感器，在光通信、光傳感領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，其應(yīng)用前景格外好。光纖型Ｍａｃh-Zehｎder干涉儀實際上是由分束器構(gòu)成。當(dāng)相干光從光纖型分束器的輸入端輸入后,在分束器輸出端的兩根基本長度相同的單模光纖匯合處產(chǎn)生干涉，形成干涉場.干涉場的光強(qiáng)分布（干涉條紋)與輸出端兩光纖的夾角即光程差相關(guān)。令夾角固定，那么外界因素轉(zhuǎn)變的光程差直接和干涉場的光強(qiáng)分布（干涉條紋）相對應(yīng)。附圖11Ｍａｃｈ—Zehｎｄｅｒ干涉實驗原理圖實驗裝置:主機(jī)、光纖跳線１根。實驗內(nèi)容及步驟1。將主機(jī)中的“6５0光源”端口與“光源輸入”端口用1根光纖跳線連接起來。２.打開光源，觀察毛玻璃窗上的干涉條紋。3。打開上蓋，觀察內(nèi)部光路結(jié)構(gòu),分析觀察到的現(xiàn)象。實驗六光纖壓力傳感原理實驗一.實驗?zāi)康牧私夤饫w傳感的原理及意義。實際操作觀察光纖壓力傳感的現(xiàn)象。二。實驗原理光纖傳感的工作原理是，被測量的量轉(zhuǎn)變了光纖的傳輸參數(shù)或載波參數(shù)，這些參數(shù)隨待測信號的變化而變化.光信號的變化反映了待測物理量的變化.本實驗系統(tǒng)所進(jìn)行的傳感原理是Ｍach-Zeｈｎdeｒ光纖干涉原理。Mach－Zehｎdeｒ干涉屬于雙光束干涉原理,由雙光束干涉院里面可知，干涉場的干涉光強(qiáng)為:Ｉ∝(1＋cｏsδ)δ為干涉儀兩臂的光程差對應(yīng)的相位差,δ等于2π整數(shù)倍時為干涉場的極大值。壓力轉(zhuǎn)變了干涉儀其中一臂的光程,于是轉(zhuǎn)變了干涉儀兩臂的光程差，即位相差，位相差的變化由按上式規(guī)律變化的光強(qiáng)反映出來. 附圖１2光纖壓力傳感原理圖 三.實驗裝置：主機(jī)、光纖跳線1根.四.實驗內(nèi)容及步驟本實驗中傳感量是壓力,壓力轉(zhuǎn)變了光波的位相,通過對位相的測量來實現(xiàn)對壓力的測量.簡略的測量技術(shù)是運用干涉測量技術(shù)把光波的相位變化轉(zhuǎn)換為（振幅)變化，實現(xiàn)對壓力的檢測。操作方案采納光纖干涉儀進(jìn)行對壓力傳感的測量,利用干涉儀的一臂作參考臂，另一臂作為測量臂（轉(zhuǎn)變應(yīng)力)，配以檢測顯示系統(tǒng)就可以實現(xiàn)對壓力傳感的觀測。本實驗只對壓力引起光波參數(shù)轉(zhuǎn)變作定性的觀測，即觀察壓力的轉(zhuǎn)變引起觀測屏上干涉條紋的移動。注意事項：每次做完實驗，請將螺旋測微頭旋至1０mｍ刻度以外。實驗七光纖溫度傳感原理實驗實驗?zāi)康?.了解光纖傳感的原理及意義。２．實際操作觀察光纖溫度傳感的現(xiàn)象。實驗原理光纖傳感的工作原理是，被測量的量轉(zhuǎn)變了光纖的傳輸參數(shù)或載波參數(shù),這些參數(shù)隨待測信號的變化而變化。光信號的變化反映了待測物理量的變化。本實驗系統(tǒng)所進(jìn)行的傳感原理是Ｍach-Ｚｅhnder光纖干涉原理。Maｃh—Ｚeｈｎｄｅｒ干涉屬于雙光束干涉原理，由雙光束干涉院里面可知，干涉場的干涉光強(qiáng)為:I∝（１+cｏｓδ)δ為干涉儀兩臂的光程差對應(yīng)的相位差,δ等于2π整數(shù)倍時為干涉場的極大值。溫度轉(zhuǎn)變了干涉儀其中一臂的光程，于是轉(zhuǎn)變了干涉儀兩臂的光程差,即位相差，位相差的變化由按上式規(guī)律變化的光強(qiáng)反映