光纖技術(shù)基礎(chǔ)實驗指導書

1、0 / 38光纖技術(shù)基礎(chǔ)光纖技術(shù)基礎(chǔ)實驗指導書實驗指導書編寫：劉安玲編寫：劉安玲 陳陳 英英 長沙學院電子與通信工程系長沙學院電子與通信工程系光電信息科學與工程教研室光電信息科學與工程教研室光電通信實驗室光電通信實驗室20132013 年年 9 9 月月目錄目錄GCS-FIBGCS-FIB 光纖技術(shù)基礎(chǔ)實驗儀簡介光纖技術(shù)基礎(chǔ)實驗儀簡介 .1 1實驗一實驗一 光纖的端面處理與直徑測量光纖的端面處理與直徑測量 .2 2實驗二實驗二 光纖數(shù)值孔徑測量光纖數(shù)值孔徑測量 .8 8實驗三實驗三 光纖耦合效率與衰減系數(shù)測量光纖耦合效率與衰減系數(shù)測量 .1212實驗四實驗四 光纖模式的觀察光纖模式的觀察 .1

2、717實驗五實驗五 光分路器特性與參數(shù)測量實驗（選開）光分路器特性與參數(shù)測量實驗（選開） .1919實驗六實驗六 可調(diào)光衰減器特性實驗（選開）可調(diào)光衰減器特性實驗（選開） .2222實驗七實驗七 光纖通信實驗（選開）光纖通信實驗（選開） .2525注：本課程實驗學時為 10 學時，選開實驗中必選 1 個。GCS-FIB 光纖技術(shù)基礎(chǔ)實驗儀簡介一、實驗儀組件型號、名稱與規(guī)格序號序號型號型號名稱名稱規(guī)格規(guī)格1DH-HN250HeNe 內(nèi)腔激光器632.8 nm、2 mW、TEM002GCSO-310301臺式光纖視頻放大器放大倍率 400，600 線 CCD 接收，F(xiàn)C/PC 接口3GCI-160

3、1監(jiān)視器靶面尺寸 1/3 CCD，靈敏度0.5lux，傳輸速率 40MB/S 分辨率768 576 24Bit（PAL）四路復合視頻輸入 1 路 S-Video4DH-JG2功率指示器6 波長標定650/632.8/532/514.5/488/473nm，量程 2W/20W/200W/2mW/20 mW/200mW5GCX-L010-FCPC-f40AC光纖輸出準直鏡10mm 光斑6GCC-401102寬帶分光棱鏡25.4，450-650nm7GCX-XMM-多模光纖跳線62.5/125-FC/PC-FC/PC-1m8GCX-XSM-4/單模光纖跳線125-FCPC- FCPC-1m9GC0-

4、2105顯微物鏡40 倍，L45mm10其他配件：裸光纖夾持器、可調(diào)棱鏡支架、側(cè)升降臺、二維精密平移臺、光纖調(diào)整架、多孔固定板、干板架、調(diào)節(jié)支座、支桿及底座。二、使用注意事項1、光纖及光纖跳線皆為易損物品，嚴禁大力拉扯和劇烈彎折。跳線插拔時應(yīng)手握卡口輕拉輕拔，使用完畢應(yīng)大于 10cm 直徑規(guī)則纏繞并妥善放置。2、各種光學鏡頭和光纖端面皆為易污染表面，嚴禁直接用手觸摸和擦抹。清潔需用脫脂棉或鏡頭紙蘸少許乙醚與酒精混合液輕輕擦拭，禁止大力、來回反復擦拭。3、禁止用尖銳物品接觸監(jiān)視器和光學鏡頭。4、各種精密調(diào)整架和平移臺都有一定的調(diào)整行程，請勿超出行程使用，以免損壞。2 / 38實驗一 光纖的端面處

5、理與直徑測量預(yù)習要求：預(yù)習要求：要求能回答下列問題：1、光纖平端面處理的目的是什么？2、切割光纖前，為什么要先剝除涂覆層并清潔光纖頭？3、清潔光纖時，為什么不能來回反復擦拭？4、光纖端面處理合格的標志是什么？一、實驗?zāi)康囊?、實驗?zāi)康?了解光纖的基本結(jié)構(gòu)； 掌握光纖平端面的處理方法，會用高倍顯微鏡觀察光纖端面處理效果。 掌握利用 GCS-FIB 實驗儀測量光纖的纖芯直徑、包層直徑和模場直徑的方法。二、實驗原理二、實驗原理 1、裸光纖的結(jié)構(gòu)圖圖 1.11.1 光纖結(jié)構(gòu)示意圖光纖結(jié)構(gòu)示意圖裸光纖的結(jié)構(gòu)如（圖 1.1）所示，由纖芯、包層和涂敷層三部分組成。以階躍型光纖為例，纖芯的折射率大于包層折射率，

6、光以某一角度進入光纖后，在纖芯和包層的界面上發(fā)生全反射，從而沿光纖全長傳輸。2、裸光纖平端面的處理方法本實驗采用“切割法”制作裸光纖的平面光纖頭。 “切割法”又稱“刻痕拉斷法” 。它是利用鉆石或金剛石特制的光纖切割刀先在光纖側(cè)表面垂直于纖軸輕輕刻一小口，然后施加彎曲應(yīng)力拉動光纖使其折斷。因為石英的自然解理面為光滑的平面，利用這種方法制備平面光纖頭的成功率一般較高，稍加訓練即可獲得滿意的效果，因此已成為目前最常用的光纖頭處理技術(shù)。3、光纖模場直徑（MFD）在光纖中，光能量不完全集中在纖芯中傳輸，部分能量在包層中傳輸（如2 / 38圖 1.2 所示）3 / 38，纖芯直徑不能反映光纖中的能量分布。

7、所以用模場直徑(MFD-Mode Field Diameter) 來表征在單模光纖中的基模光分布狀態(tài)?；Ｔ诶w芯區(qū)域軸心線處光強最大，并隨著偏離軸心線的距離增大而逐漸減弱。一般將模場直徑定義為光強降低到軸心線處最大光強的 1/(e2)的各點中兩點最大距離。如圖1.3 所示。模場直徑的大小與所使用的波長有關(guān)系，隨著波長的增加模場直徑增大。 圖圖 1.21.2 電場強度在光纖中的分布電場強度在光纖中的分布 圖圖 1.31.3 模場直徑定義模場直徑定義三、實驗所需器件三、實驗所需器件 GCS-FIB 實驗儀、高倍率讀數(shù)顯微鏡 裸光纖（單模光纖、多模光纖、塑料光纖）光纖跳線（單模、多模） 乙醚與酒精混

8、合液 光纖切割刀（金剛刀） 、雙口光纖剝線鉗（CFS-2 型） V 型槽 脫脂棉四、實驗步驟四、實驗步驟（1）裸光纖平端面的處理及觀察1、觀察。取單模光纖、多模光纖、塑料光纖的裸纖各 10cm，在顯微鏡下觀察其結(jié)構(gòu)。從外觀認識不同材質(zhì)的光纖，區(qū)分石英光纖和塑料光纖。2、剝除涂覆層。用光纖剝線鉗剝除單模光纖及多模光纖的預(yù)涂覆層(約 20 mm長)。方法是：將裸光纖壓在光纖剝線鉗的 V 形槽口上，垂直于剝線鉗所在平面拉動光纖，使光纖的包層裸露出來。 （朔料光纖無涂覆層，無需進行剝除。 ）3、清潔。用脫脂棉蘸乙醇與乙醚混合液包住光纖頭，沿同一方向拉動光纖，切記不可來回重復擦拭。需要注意的是：操作者的

9、手、金剛刀、V 型槽亦應(yīng)一3 / 38并清潔。3 / 384、 “切割法”制備平面光纖頭。將清潔干凈的光纖水平放置于 V 型槽內(nèi)，用光纖切割刀先在光纖側(cè)表面垂直于纖軸方向輕輕刻一小口，然后施加彎曲應(yīng)力掰斷光纖。5、檢驗光纖頭質(zhì)量。照亮高倍率顯微鏡視場并調(diào)整焦距使成像清晰，首先正面觀察光纖端面其表面應(yīng)均勻、無裂紋，圓周輪廓清晰；然后側(cè)面觀察光纖并轉(zhuǎn)動光纖，其端部邊緣應(yīng)齊整，無凹陷或尖劈，且邊緣與纖軸垂直。若不理想，則應(yīng)重復步驟 25，直至滿意為止。 （檢驗平面光纖端面的另一個方法是向光纖中注入 He-Ne 激光，觀察由光纖輸出的光束質(zhì)量，即可判定光纖端面的質(zhì)量。一個好的光纖端面，其輸出光斑應(yīng)是圓

10、對稱的邊緣清晰且與光纖軸線方向垂直；如果端面質(zhì)量不高，則輸出光斑就會發(fā)生散射或傾斜。）（2）直徑的觀測1、單模與多模光纖纖芯直徑和包層直徑的觀測將單模光纖跳線一端的 FC/PC 接口與光纖視頻觀察儀連接，打開電源開關(guān)，觀察儀與視頻監(jiān)視器連接，即可在屏幕上觀察到光纖端面。細調(diào)對焦旋鈕，使端面圖像最清晰。觀察端面是否清潔完好無破損，邊緣是否整齊，分別辨識纖芯和包層，用紙和筆畫出纖芯與包層的屏顯位置，再用游標卡尺進行測量并記錄其屏顯數(shù)據(jù)。測完后將單模光纖跳線換成多模光纖跳線，重復上述步驟。2、單模光纖的模場直徑的觀測將單模光纖跳線的 FC/PC 端與光纖視頻觀察儀接口連接，另一端與 HeNe 激光器

11、或其他任意有光亮的地方對上，保證有一點點光能夠進入纖芯，此時在屏幕上應(yīng)該能夠看到變亮的纖芯，觀察此時變亮部分和之前沒有光的時候直徑大小是否有變化，用紙和筆畫出變亮部分的屏顯位置（光能分布范圍） ，再用游標卡尺測量記錄其屏顯直徑。3、將實驗測得的屏顯數(shù)據(jù)除以系統(tǒng)的放大倍率，得到實際的纖芯直徑、包層直徑和基模模場直徑。體會模場直徑的意義，分析此種方法測量的模場直徑是否準確。五、實驗數(shù)據(jù)五、實驗數(shù)據(jù)纖芯屏顯直徑（游標卡尺數(shù)據(jù)）纖芯直徑（換算后的數(shù)據(jù)）包層屏顯直徑（游標卡尺數(shù)據(jù)）包層直徑（換算后的數(shù)據(jù)）屏顯模場直徑（游標卡尺數(shù)據(jù)）模場直徑（換算后的數(shù)據(jù)）5 / 38單模光纖多模光纖附錄：光纖及光纖端面

12、處理的基本知識附錄：光纖及光纖端面處理的基本知識光纖主要由纖芯、包層和涂覆層三部分構(gòu)成。纖芯位于光纖的中心部位，其主要成分是高純度的二氧化硅（純度高達 99.99999%） ，其余成分為摻入的少量摻雜劑（作用是提高纖芯的折射率） 。纖芯的直徑一般為 550 微米。單模光纖的纖芯直徑較小，一般為 410 微米；多模光纖的纖芯直徑約為 50 微米。包層也是含有少量摻雜劑的高純度二氧化硅（作用是降低包層的折射率） ，其直徑一般為 125 微米。包層的外面涂覆一層很薄的涂覆層，通常需進行兩次涂覆，涂覆層材料一般為環(huán)氧樹脂或硅橡膠。涂覆層的作用是增強光纖的韌性和機械強度，同時防止光纖收到損傷。在光纖的各

13、種應(yīng)用中，光纖端面處理是一種最基本的技術(shù)。光纖端面處理的形式可分為兩種：平面光纖頭與微透鏡光纖頭，前者多用于各種光無源器件以及光纖的連接與接續(xù)；后者則多用于光纖和各種光源及光探測之間的耦合。光纖端面處理的基本步驟為：涂覆層剝除，光纖頭制備，光纖頭檢驗。1、涂覆層剝除在制備光纖頭之前，首先要剝除一段光纖的套塑層與預(yù)涂覆層(約2030mm 長)，使光纖的包層裸露出來。剝除套塑層的方法之一是用刀片(如剃須刀片)切削；使光纖頭與刀口之間成一小角度，用左手拇指將光纖頭壓在刀口上，右手拉動光纖即可剝除套塑層。預(yù)涂覆層的剝除也可采用類似的方法進行。目前，已有專門的工具對套塑層合涂覆層進行剝除，如本實驗中用到

14、的雙口的光纖剝線鉗（CFS-2 型） 。在剝除套塑和預(yù)涂覆層之后，要用脫脂棉蘸乙醇乙醚混合液將光纖頭清洗干凈，才能進行下一步光纖頭的處理。 2、光纖頭制備(I) 平面光纖頭的制備 對于平面光纖頭的基本要求是，光纖端面應(yīng)是一個平整的鏡面，且須與光纖纖軸垂直。因此，將光纖簡單地“一刀兩斷”是不行的，必須根據(jù)光纖的材料與品種選擇合適的端面處理技術(shù)。對于石英系光纖，制備平面光纖頭的常用方法有：加熱法、切割法和研磨法?！凹訜岱ā笔且环N最原始也最簡單的方法，同時在一般情形下也是行之有效的，且尤為適合于 100 m 以上直徑的粗光纖。這種方法依據(jù)的原理是光纖受5 / 38局部加熱產(chǎn)生的應(yīng)力突變會使其沿直徑方

15、向解理，從而形成所需鏡面制作時，首先將已剝除套塑層和預(yù)涂覆層的裸光纖頭在電弧(或其它熱源，如酒精燈下均勻加熱，然后迅速用鑷子(或相當?shù)墓ぞ?夾住光纖端部彎曲折斷即可利用這種方法制備光纖頭的成功率一般較低，需要有相當?shù)慕?jīng)驗才能獲得滿意的效果。5 / 38“切割法”又稱“刻痕拉斷法” 。因為它是利用鉆石或金剛石特制的光纖切割刀先在光纖側(cè)表面垂直于纖軸輕輕刻一小口，然后施加彎曲應(yīng)力拉動光纖使其折斷利用這種方法制備平面光纖頭的成功率一般較高，稍加訓練即可獲得滿意的效果，因此已成為目前最常用的光纖頭處理技術(shù)。而且技術(shù)人員已利用切割法”的原理制成了光纖切剝鉗” ，集剝除與切割于一體，使用十分方便?！把心シ?/p>

16、”是一種更為精密的光纖端面制備技術(shù)，它不僅可以使光纖端面更為接近于理想鏡面，而且還可以克服“切割法”和“加熱法”不易保證光纖端面與纖軸垂直的缺憾，使光纖端面傾斜角降至幾十秒以下。 “研磨法”涉及到極為復雜的光學加工技術(shù)，其基本過程為： a)套管加固：將剝除了涂覆層的光纖套入保護套管之中制成光纖插針；以備光學加工。保護套管一般分為內(nèi)套管、中間過渡套管與外套管三層。內(nèi)套管采用精密拉制的玻璃毛細管，其內(nèi)徑與光纖包層直徑相當，外徑與過渡套管內(nèi)徑相當；過渡套管與外套管一般采用特制的不銹鋼管，對其內(nèi)、外徑幾何尺寸與公差有較苛刻的要求。在每一層套管之間用環(huán)氧樹脂膠加固，并需要精密調(diào)節(jié)對中，以保證光纖與各層套

17、管同軸。但由于調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)較多，光纖在套管中的角向偏移仍不可避免。目前，人們已經(jīng)采用了一種更為先進的“陶瓷套管”加固技術(shù)，利用特殊配方的陶瓷和精密模具成型技術(shù)直接制成內(nèi)徑 125 m，外徑2.8 mm 的精密套管，消除了在套管中的角向偏移。以這種方法制備的光纖插針已經(jīng)問世并獲應(yīng)用。 b)模具加工：已制成的光纖插針要用合適的模具固定夾持才能進行光學冷加工。模具的質(zhì)量是影響光纖端面傾斜度的重要因素。模具材料的硬度要與光纖材料相匹配，央持機構(gòu)要保證插針與模具盤研磨面垂直并便于安裝和拆卸。 c)研磨拋光：一般可采用常規(guī)的光學冷加工技術(shù)對光纖端面進行研磨與拋光，使之成為完美的鏡面。在加工過程中，要隨時檢測光

18、纖端面的垂直度，以獲得最小的端面傾斜角。 (II)微透鏡光纖頭的制備 所謂微透鏡光纖頭是指在光纖端部制作一微透鏡，以提高光纖接收光源功率或使光纖輸出光功率更有效地會聚于光探器的光敏面上微透鏡制備方法可分為兩種：7 / 38“燒球”和“點球” 。“燒球”是對已制備好的平整光纖面進行加熱(用電弧放電或其它方法)，使端部軟化并成為一半球形微透鏡。在加熱過程中往復移動加熱源和改變加熱溫度，可以獲得不同曲率半徑的透鏡?！包c球”是將已制備好的平整光纖端面浸入熔融的石英玻璃或光學環(huán)氧樹脂膠之中“點綴”一微透鏡。通過控制浸入深度與提升速度，可獲得不同形狀的微透鏡。通過改變微透鏡材料，還可獲得不同的透鏡折射率，

19、以適應(yīng)不同場合光纖耦合的需要。 為了進一步提高光纖微透鏡的耦合效率，還可將光纖頭先拉制成錐形，然后再在錐端部制作微透鏡這樣可使得透鏡的曲率半徑大為減小，會聚能力大大提高光纖拉錐的方法有三種：第一種是“磨削法” ，采用特殊的加工工藝將光纖的包層磨削成錐體，使錐端直徑等于或略大于纖芯直徑；第二種是“腐蝕法” ，將光纖頭浸入氫氟酸(或其它酸性溶劑)之中，由于腐蝕作用會使光纖頭成為尖錐形狀，然后對錐端進行切割處理；第三種是“加熱拉錐法” ，利用電弧放電加熱光纖，同時向兩側(cè)拉動光纖直至斷開，即可形成錐形光纖頭。在后一種方法中，光纖的纖芯也會隨包層一起變細而成為錐體從而使得在其中傳播的光波場分布及傳播待性

20、發(fā)生改變。 不同參數(shù)的光纖微透鏡，其耦合效率有很大差異。應(yīng)精心設(shè)計光纖錐長和微透鏡曲率半徑，以提高耦合效率。此外，光纖微透鏡的反饋作用對 LD 的不利影響也是一個應(yīng)考慮的重要因素。往往耦合效率高的透鏡其光反饋也強，因此在兩者之間要進行合理的選擇。 3、光纖頭質(zhì)量的檢驗 光纖微透鏡質(zhì)量的好壞可依據(jù)其與 LD 耦合時損耗的大小來判定。方法是：取一橫模特性好的 LD 芯片作為光源，首先測試其輸出光功率，記為 P1；然后保持該功率恒定不變(通常應(yīng)對 LD 施行溫度與功率自動控制)，用微調(diào)架調(diào)整光纖微透鏡使其與 LD 芯片對準，在光纖的輸出端進行擾模與濾模以剔除包層模和高階模功率，然后測試光纖輸出光功率

21、，并精心調(diào)節(jié)使其達到最大，記為 P2則光纖的耦合損耗 為： log(P2P1) （1-1） 越小則光纖微透鏡質(zhì)量越好。檢驗平面光纖端面的最直觀的方法是向光纖中注入 HeNe 光，觀察由光纖輸出的光束質(zhì)量，即可判定光纖端面的質(zhì)量。一個好的光纖端面，其輸出光斑應(yīng)是圓對稱的邊緣清晰且與光纖軸線方向垂直；如果端面質(zhì)量不高，則輸出光斑就會發(fā)生散射或傾斜。另一種更為精密的方法是利用高倍率顯微鏡來進行7 / 38檢驗。首先正面觀察光纖端面其表面應(yīng)均勻、無裂紋，圓周輪廓清晰；然后側(cè)面觀察光纖并轉(zhuǎn)動光纖，其端部邊緣應(yīng)齊整，無凹陷或尖劈，且邊緣與纖軸垂直。7 / 38實驗二 光纖數(shù)值孔徑測量預(yù)習要求：預(yù)習要求：要

22、求能回答下列問題：1、本實驗采用什么方法測量光纖的數(shù)值孔徑？此法測量的結(jié)果是否準確？2、本實驗對光纖和光源有何要求？什么情況下測量結(jié)果更準確？3、如何判斷光源與光纖是否耦合好？一、實驗?zāi)康囊?、實驗?zāi)康?掌握測量光纖數(shù)值孔徑的一種方法； 理解光纖數(shù)值孔徑的物理意義； 學習并實踐光纖與光源的耦合。二、實驗原理二、實驗原理光纖數(shù)值孔徑（NA）是光纖端面臨界入射角的正弦值，表示光纖采光能力的大小，也是表征光纖和光源、光檢測器及其他光纖耦合器耦合時耦合效率的重要參數(shù)。數(shù)值孔徑越大，則光纖與光源或和其他光纖的耦合就越容易。但數(shù)值孔徑過大，則光纖的相對折射率差也大，這會增加光纖的傳輸損耗，故數(shù)值孔徑應(yīng)取適當

23、的值。實驗上，常采用兩種方法來測試光纖的數(shù)值孔徑：“近場法”和遠場法” 。 “近場法”是根據(jù)數(shù)值孔徑的定義式，測出折射率 n1和 n2。 (2-1)2221nnNAm其中 nl和 n2分別是纖芯中心最大折射率和包層折射率。由這種方法測得的數(shù)值孔徑稱為“標稱數(shù)值孔徑”或“理論數(shù)值孔徑” 。該方法對光纖測試樣品的要求嚴格，測量系統(tǒng)所需組建較多，對儀器設(shè)備的要求也較高，需要強度可調(diào)的非相干穩(wěn)定光源、具有良好線性的光檢測器等，應(yīng)用不便。9 / 38 “遠場法”又分為“遠場光強法”和“遠場光斑法” 。 “遠場光強法”測量原理是，光纖在均勻激勵均勻激勵下，其遠場功率角向分布與理論數(shù)值孔徑有著如下關(guān)系： （

24、2-2）maNAksinKa為比例因子，由下式給出： （2-3）2K1( )(0)gaPP式中 P(0)與 P()分別是 0 和 處遠場輻射功率。g 為光纖折射率分布參數(shù)。計算結(jié)果表明，若取 P()P(0)5，在 g2 時 Ka 的值大于 0. 975。因此可將對應(yīng)于 P()曲線上功率下降到中心最大值的 5處的角度 c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： (2-4)ceffNAsin如圖 2.1 所示。所謂遠場光輻射功率，是指在遠離光纖出射端面且與光纖軸心線垂直的遠場平面上測試到的光功率，其最大值是在遠場平面與軸心線的相交處?！斑h場法”要求光纖被均勻激勵，也就是要求光源與光纖匹配

25、（光源的數(shù)值孔徑 NAi 和被測光纖的數(shù)值孔徑 NAf相等）或滿注入（NAiNAf） 。這是因為對于一段足夠長的光纖，在匹配和滿注入的情況下，在入射端面處所有的傳導子午線都能進入光纖內(nèi)部，若傳導子午線以入射角i投射到光纖入射端面，則在光纖出射端面處，從光纖內(nèi)部折射到空氣一側(cè)后，與光纖出射端面法線方向的夾角等于i。反之，若光纖不能被均勻激勵，即欠激勵（NAiNAf）或欠注入（NAiNAf）條件下，被測點與注入點的距離要大于或等于光纖的耦合長度(L1Lc)，才能獲得穩(wěn)態(tài)模式分布。只有在穩(wěn)態(tài)模式分布的條件下，才能得到惟一代表光纖本征特性的衰減系數(shù)。Lc有多長？由于現(xiàn)代光纖拉制技術(shù)水平的提高，光纖芯與

26、包層間界面的均勻度已相當高所以需要 Lc25km 時，光纖才能達到穩(wěn)態(tài)模式功率分布。Lc這樣長，在實驗室測量時很不方使在實際的測量裝置中，都要加擾模器。加了擾模器之后，Lc的長度可縮短為 2m 左右。獲得穩(wěn)態(tài)模式分布的辦法有三種獲得穩(wěn)態(tài)模式分布的辦法有三種：（1） 建立 NAiNAf的光學系統(tǒng)。（2） 建立穩(wěn)態(tài)模式模擬器，一般由擾模器、濾模器和包層模消除器三部分組成。（3） 用一根性能和被測光纖相同或相似的輔助光纖代替光纖耦合長度的作用，這種手段在工程實際中應(yīng)用廣泛。)/(lg1012kmdBPPL14 / 38圖圖 3.13.1 光功率與光纖長度的關(guān)系光功率與光纖長度的關(guān)系擾模器是一種根據(jù)模

27、耦合機理，采用強烈?guī)缀螖_動加速光纖中各種模式迅速達到穩(wěn)態(tài)分布的器件。如圖 3.2 所示。圖圖 3.23.2 柱狀擾模器柱狀擾模器濾模器是一種用來選擇保證建立穩(wěn)態(tài)模式分布所需要的模，同時又能夠抑止其他模的器件。該器件可以采用芯軸環(huán)繞的形式，將被測光纖低張力地繞在一根20mm 長的芯軸上，如圖 3.3 所示。包層模消除器是一種用來消除包層模的器件。當光纖一次涂覆材料的折射率比石英包層的折射率低時，光纖耦合過程中激勵起的輻射模會在包層和涂敷層的界面產(chǎn)生全反射，從而形成包層模。消除包層模的辦法比較簡單，只需將光纖的涂敷層去掉，浸在折射率稍微大于包層折射率的匹配液（如甘油、CCl4）中便可，具有高折射率

28、涂敷層的光纖不會形成包層模，不需要使用包層模消除器。擾模器、濾模器和包層模消除器三部分組裝在一起構(gòu)成光纖測量中常用的穩(wěn)態(tài)模式模擬器。光纖衰減系數(shù)的測量方法有三種：剪斷法、插入法和背向散射法。剪斷法(破壞性測量方法) 最精確的光纖損耗測量方法是如圖 3.4 所示的剪斷法。這種方法先在光纖末端或遠端（圖中標記 2 處）測量輸出光功率P2，然后在保持注入條件不變的條件下，在距離光源約 2 米處（圖中標記 1 處）剪斷光纖，再測量出近端的輸出光功率P1，若近端與遠端之間的光纖長度為L，則代入（3-2）式，可得光纖的衰減系數(shù)。剪斷法是根據(jù)衰減系數(shù)的定義，通過直接測量光功率來實現(xiàn)的，所用儀器圖圖 3.33

29、.3 濾模器濾模器14 / 38簡單，測量結(jié)果準確，因此被確定為基準法。但這種方法有破壞性，不利于多次重復測量，顯然不適應(yīng)工程應(yīng)用。在工程實際中，一般采用不帶破壞性的插入法和后向散射法作為替代法。14 / 38圖圖 3.43.4 剪斷法測量光纖衰減系數(shù)裝置圖剪斷法測量光纖衰減系數(shù)裝置圖插入法插入法的測量裝置如圖 3.5 所示。圖 3.5(a)為參考測量裝置，它首先用光功率計測量出光源與光纖活動連接器的輸出功率P1，然后在保持注入條件不變的條件下，將待測光纖連接到注入系統(tǒng)和接收系統(tǒng)之間，如圖 3.5(b)所示，測出光功率P2，被測光纖段的總衰減 A（）可通過下式計算： （33）其中，C0、C1、

30、C2是連接器 0、連接器 1、連接器 2 的標稱平均損耗值。計算出 A（）后，除以被測光纖段的長度，便可以求得光纖的衰減系數(shù) 。插入法因受操作水平和連接器質(zhì)量的影響，測量結(jié)果不如剪斷法準確，所以只能作為替代法。 背向散射法（又名后向散射法）瑞利散射光功率與傳輸光功率成正比。借助瑞利散射原理和菲涅爾原理利用與傳輸光相反方向的瑞利散射光功率來確定光纖損耗系數(shù)的方法，稱為背向散射法。在這里不作詳細介紹。10122( )( )10lg()( )PACCC dBP15 / 38本實驗采用截斷法測量光纖損耗。本實驗采用截斷法測量光纖損耗。三、三、 實驗儀器實驗儀器He-Ne 激光器及電源、會聚透鏡及鏡架、

31、多模光纖、光功率計、光纖夾持器及五維調(diào)整架、金剛刀（或刀片） 、脫脂棉、酒精乙醚混合液。四、四、 實驗步驟實驗步驟1、打開激光器電源，調(diào)節(jié)激光器使輸出光束水平。2、用光功率計（在圖 3.4 中標記 0 處）測量激光器輸出光功率，記為 Pin。3、按實驗一的要求進行光纖端面處理。4、將光纖的兩端分別用光纖夾持器夾好（注意保持光纖端面清潔、不被污染） ，松緊程度以光纖不能被輕易拉出為宜；將光纖夾持器固定于五維調(diào)整架上，光纖的一端對準光功率計，另一端的端面置于聚焦透鏡的焦點處，仔細調(diào)節(jié)輸入端，使光源發(fā)出的光盡可能多地耦合進光纖，直至光功率計的讀數(shù)最大為止。5、記錄光功率計的讀數(shù)作為P2。 6、保持注

32、入條件不變，在距離輸入端 23m 處截斷光纖，對截斷處進行端面處理，然后將此端面對準光功率計，記錄光功率計的讀數(shù)作為 P1。7、 測量剪下來的光纖的長度 L（即圖中 1 和 2 之間的光纖長度） ，利用（32）式計算光纖的衰減系數(shù)。8、 保持注入條件不變，在距離光纖輸入端約 0.5m 處截斷光纖，對截斷處進行端面處理后，將尾纖對準光功率計，測量輸出光功率，記為 Pout。9、 利用（31）式計算光纖耦合效率。10、實驗結(jié)束，關(guān)閉激光電源，整理儀器。五、五、 實驗數(shù)據(jù)實驗數(shù)據(jù)1、耦合效率測量數(shù)據(jù) Pin Pout2、衰減系數(shù)測量數(shù)據(jù) P2 P1 L注意事項：注意事項：1、每次截斷光纖，都應(yīng)對光纖

33、端面進行處理。實驗過程中應(yīng)保持端面清潔，不碰觸手或其他物件。2、不要擠壓、折曲光纖，否則會引起測量結(jié)果的偏大。3、儀器應(yīng)避免機械震動、碰撞、跌落等，每次截斷及進行端面處理時，都應(yīng)嚴格保持注入端穩(wěn)定不動，以免改變注入條件，加大測量誤差。16 / 38思考題：思考題：1、測量光纖衰減系數(shù)為什么不以輸入端的光功率 Pin作為 P1？除了講義中提到的原因之外，還有沒有其他考慮？2、比較實驗所得耦合效率與傳輸衰減系數(shù)（要統(tǒng)一單位） ，說明在什么情況下其中之一可以忽略。實驗四 光纖模式的觀察預(yù)習要求：預(yù)習要求： 要求能回答下列問題： 1、市場上買到的單模光纖，是不是不論你如何使用，光纖里面都只能傳輸一個模

34、式？ 2、單模條件有哪幾種表達方式？請用文字說明它們的含義。一、實驗?zāi)康囊?、實驗?zāi)康?通過單模光纖的多模應(yīng)用，加深對單模光纖截止波長概念的理解； 通過觀察尾纖輸出模式加深對模式概念的理解； 通過觀察光纖模式，了解光纖彎曲及光纖長度對光纖模式的影響。二、實驗原理二、實驗原理根據(jù)光的波導理論，光在光纖中傳播，可用電磁波的麥克斯韋方程來描述。在一特定的邊界條件下麥克斯韋方程有一些特定的解，這些解代表著一些可在光纖中長期穩(wěn)定傳輸?shù)墓馐?，這些光束或解即被我們稱為模式。光纖中的模式除了與光纖本身的參數(shù)如折射率、直徑有關(guān)外，還與光的波長有關(guān)。根據(jù)單模條件，VVc，即 可知，對于給定的光纖，cVnnakV22

35、21017 / 38當工作波長 （41）時，光纖為單模光纖，否則為多模光纖。理論可以證明，對于波長為 1310nm 或 1550nm 的光波當光纖芯徑小于10m 時，我們所使用的光纖中將只有一個基?？梢苑€(wěn)定傳輸。它沿徑向的光強分布為高斯分布。這種光纖我們稱為 1310nm 或 1550nm 單模光纖。在本實驗中我們采用的就是 1310nm 或 1550nm 單模光纖，而采用的激光是632.8nm 的可見激光。光纖工作波長小于單模條件要求的波長，因此光纖中的模式將不是單模，而是一個簡單的多模（如梅花狀） 。光纖中各模式有不同的傳輸速度、傳輸路徑和偏振態(tài)，它們在不同的位置、不同的彎曲狀態(tài)下的耦合情

36、況不同，因而能觀察到不同的模式圖樣。 三、實驗儀器三、實驗儀器 He-Ne 激光器（632.8nm）及電源 白屏 1310 nm 單模光纖 多模光纖跳線 光纖夾持器及五維調(diào)整架 金剛刀（或刀片） 脫脂棉、酒精乙醚混合液四、實驗步驟四、實驗步驟（一）單模裸纖的多模運用1、打開激光器電源，調(diào)節(jié) He-Ne 激光器使輸出光束水平，觀察激光器的遠場輸出光斑并用手機拍下光斑圖；2、按實驗一的要求對 1310nm 單模裸纖進行端面處理；3、按圖 3.4 搭建好光路，將裸纖的一端固定于光纖夾持器及五維調(diào)整架上，同時將光纖的另一端固定好對準光功率計，仔細調(diào)節(jié)輸入端，使光源的光盡可能多地耦合進光纖，直至光功率計

37、的讀數(shù)最大為止；4、用白屏取代光功率計探頭，觀察白屏上裸纖尾纖的輸出光斑，輕輕撥動光纖，觀察輸出光斑的變化，用手機拍下?lián)軇忧昂蟮墓獍邎D樣；5、保持注入條件不變，在任意位置截斷裸光纖，處理好光纖端面，重復步驟4，記錄撥動前后的光斑圖樣。 （有興趣的同學可以用多模光纖重復上述實驗，觀察并記錄多模光纖的輸出光斑） 。ccVnnD222118 / 38（二）多模跳線的模式測量6、將多模光纖跳線多模光纖跳線的一端接 GCS-FIB 試驗臺的 He-Ne 內(nèi)腔激光器，另一端接入臺式光纖視頻放大器中，在監(jiān)視器上觀察輸出光斑圖樣，輕輕撥動跳線，觀察輸出模式的變化，用手機拍下?lián)軇忧昂蟮墓獍邎D樣。7、實驗結(jié)束，關(guān)

38、閉電源，整理物品。思考題：思考題：保持注入條件不變的情況下，為什么輕輕撥動裸光纖或在不同位置截斷裸光纖會觀察到不同的光斑圖樣？實驗五 光分路器特性與參數(shù)測量實驗（選開）預(yù)習要求：預(yù)習要求：要求能回答下列問題：1、光分路器的作用是什么？2、光分路器的插入損耗與附加損耗有何區(qū)別？它們分別側(cè)重于描述什么原因?qū)е碌膿p耗？3、插入損耗、附加損耗和分光比分別如何計算？一、實驗?zāi)康囊?、實驗?zāi)康?了解 Y 型分路器的工作原理及其結(jié)構(gòu) 掌握 Y 型分路器的正確使用方法 掌握 Y 型分路器主要特性參數(shù)的測試方法二、實驗內(nèi)容二、實驗內(nèi)容1、測量 Y 型分路器的插入損耗2、測量 Y 型分路器的附加損耗3、測量 Y 型

39、分路器的分光比三、實驗儀器三、實驗儀器19 / 381、ZY1804I 型光纖通信原理實驗箱 1 臺2、FC 接口手持光功率計 1 臺3、萬用表 1 臺4、FC-FC 適配器 1 個5、Y 型分路器 1 個6、連接導線 20 根四、實驗原理四、實驗原理在光纖通信系統(tǒng)或光纖測試中，經(jīng)常遇到需要從光纖的主傳輸信道中取出一部分光作為監(jiān)測、控制等使用，有時也需要把兩個不同方向來的光信號合起來送入一根光纖中傳輸，這都需要“光纖耦合器”來完成。光纖耦合器在前一種應(yīng)用中稱為“光分路器” ，在后一種應(yīng)用中稱為“光合路器” 。光耦合器是將光信號進行分路或合路、插入及分配的一種器件。光分路器是光合路器的逆向應(yīng)用。

40、光分路器的技術(shù)指標一般有插入損耗（Insertion Loss） 、附加損耗（Excess Loss） 、分光比和方向性、均勻性等，本實驗中主要測試 Y 型光分路器的插入損耗，附加損耗及分光比。插入損耗定義為指定輸出端口的光功率相對全部輸入光功率的減少值。數(shù)學表達式為： (6-1) )lg(10.outiINPPLiI其中，I.Li為第i個輸出端口的插入損耗，Pouti是第i個輸出端口測到的光功率值，PIN是輸入端的光功率值。附加損耗是由散射、吸收和器件缺陷產(chǎn)生的損耗，定義為所有輸出端口的光功率總和相對于全部輸入光功率的減小值。數(shù)學表達式為： （6-2） OUTINPPLElg10.對于 Y

41、型分路器，附加損耗是體現(xiàn)器件制造工藝質(zhì)量的指標，反映的是器件制作過程帶來的固有損耗；而插入損耗則表示的是各個輸出端口的輸出光功率狀況，不僅有固有損耗的因素，更考慮了分光比的影響。因此不同類型的光纖耦合器，插入損耗的差異，并不能反映器件制作質(zhì)量的優(yōu)劣，這是與其他無源器件不同的地方。分光比是光耦合器件所特有的技術(shù)術(shù)語，它定義為耦合器各輸出端口的光功率相對全部輸出光功率的百分比，在具體應(yīng)用中常表示為：20 / 38 （6-3）%100.OUTOUTiPPRC例如對于 Y 型分路器，1:1 或 50:50 代表了輸出端相同的分光比。即輸出為均分的器件。在實際工程應(yīng)用中，往往需要各種不同分光比的器件，可

42、以通過控制制作方法來改變光耦合器件的分光比。測試 Y 型分路器的插入損耗、附加損耗和分光比時，其測試實驗框圖如圖6.1 所示。測試方法為：先測試出光源輸出的光功率 P0，再接入 Y 型分路器，分別測出 Y 型分路器輸出端的光功率 P1和 P2，代入 6-1，6-2，6-3 式即可得到待測 Y型分路器的性能指標。1310nm光發(fā)端機Y型分路器光功率P0光功率P1光功率P2圖圖 5.15.1 Y Y 型分路器性能測試實驗框圖型分路器性能測試實驗框圖五、實驗步驟五、實驗步驟a a、Y Y 型分路器插入損耗測量型分路器插入損耗測量1、在 ZY1804I 型光纖通信原理實驗箱上，用連接線連接中央控制器

43、M 和T903 (13_DIN)。2、將開關(guān) BM901 撥為 1310nm，將開關(guān) K902 撥為“數(shù)字” ，將電位器W901、W907 逆時針旋轉(zhuǎn)到最小。3、旋開 1310nm 光發(fā)端機保護帽，利用 FC-FC 單模光跳線將其和手持光功率計連接起來。并將光功率計的波長設(shè)置為 1310nm。4、打開交流電源。5、慢慢調(diào)節(jié)電位器 W901（數(shù)字驅(qū)動調(diào)節(jié)） ，用萬用表測量 T904（TV+）和T905(TV-)兩端電壓（紅表筆插 T904，黑表筆插 T905） ，使之為 17mV 左右。6、讀出此時光功率計的數(shù)值，此數(shù)據(jù)即為光源輸出功率 P0，也就是 Y 型分路器的輸入功率 PIN。7、拆除 1

44、310nm 光發(fā)端機和光功率計的連接，將 Y 型分路器光纖接頭插入1310nm 光發(fā)端機。 同時將 Y 型分路器光纖輸出接頭 OUT1（兩個任何一個都可以，這里記為 OUT1）和光功率計連接起來。8、讀出此時光功率計的數(shù)值，此數(shù)據(jù)即為插入 Y 型分路器后的輸出功率 P22 / 38out1。9、將所測得的數(shù)值 PIN和 Pout1代入式（6-1）計算所得的結(jié)果即為 Y 型分路器第一個端口的插入損耗；同樣的方法可得到第二個端口的插入損耗。b b、Y Y 型分路器附加損耗測量型分路器附加損耗測量10、將所測的值 Pout1 ，Pout2和 PIN代入式（6-2）計算所得的結(jié)果即為光分路器的附加損耗

45、。c c、Y Y 型分路器分光比測量型分路器分光比測量11、將所測量的值 Pout1 ，Pout2和 PIN代入式（6-3） ，分別計算兩個輸出端口的分光比。12、實驗完成后，關(guān)閉交流電源，拆除各個連線，將所有的開關(guān)撥向下，將實驗箱還原。六、思考題六、思考題1、Y 型分路器的分光比和實際所測得的值是否有差異？有的話，分析原因。2、若將此光分路器反向運用，則由兩個分支端口輸入的光功率之和是否等于合路端口輸出的光功率？實驗六 可調(diào)光衰減器特性實驗（選開）一、實驗?zāi)康囊弧嶒災(zāi)康?深入了解可調(diào)光衰減器的各種特性； 熟悉可調(diào)光衰減器的應(yīng)用方法。二、實驗原理二、實驗原理1、光衰減器的作用 當輸入光功率超

46、過某一范圍時，為了使光接收機不產(chǎn)生失真，或為了滿足光線路中某種測試的需要，就必須對輸入光信號進行一定程度的衰減。2、光衰減器的分類光衰減器按照衰減量可調(diào)與否可分為固定式和可變式兩類，按照其衰減方22 / 38式又可分為耦合型、位移型和衰減片型。22 / 383、光衰減器的結(jié)構(gòu)及原理耦合器型光衰減器利用耦合器分光來達到衰減的目的，其衰減量是不可調(diào)的。耦合器耦合器光纖光纖1光纖光纖2光纖光纖3圖圖 6.16.1 耦合器型光衰減器結(jié)構(gòu)耦合器型光衰減器結(jié)構(gòu)位移型光衰減器分為橫向位移型和軸向位移型光衰減器。橫向位移型光衰減器通過改變兩根光纖的橫向錯位多少來調(diào)節(jié)衰減量。軸向位移型光衰減器通過軸向改變兩根光

47、纖的遠近來調(diào)節(jié)衰減量。光纖光纖1光纖光纖2圖圖 6.26.2 位移型光衰減器結(jié)構(gòu)位移型光衰減器結(jié)構(gòu)衰減片型光衰減器直接將具有吸收特性的衰減片固定在光纖的端面上或光傳輸通路中，達到衰減信號的目的。23 / 38輸入光纖輸入光纖輸出光纖輸出光纖連接器連接器連接器連接器節(jié)距自聚焦透鏡節(jié)距自聚焦透鏡光衰減片光衰減片圖圖 6.36.3 衰減片型光衰減器結(jié)構(gòu)衰減片型光衰減器結(jié)構(gòu)三、實驗儀器三、實驗儀器 ZY1804I 型光纖通信原理實驗箱 軸向位移型可調(diào)光衰減器 光連接器 尾纖(跳線)四、實驗步驟四、實驗步驟按圖 64 所示連接好測試設(shè)備1 1、插入損耗測量、插入損耗測量用跳線連接光發(fā)端機和手持光功率計，

48、測量 1310nm 光源經(jīng)尾纖輸出在“a”點的光功率 Pa；如圖 6.4 連接光路，將可調(diào)光衰減器的衰減量調(diào)整到最小，用光功率計測量經(jīng)光可變衰減器輸出“b”點光功率，此時的輸出光功率應(yīng)為接入光衰減器后的最大輸出光功率 Pbmax。24 / 38圖圖 6.46.4 光可變衰減器性能光可變衰減器性能 1310nm1310nm 波長測試連接示意圖波長測試連接示意圖 記錄測量結(jié)果，計算光可變衰減器的插入損耗值。2 2、衰減調(diào)節(jié)范圍測量、衰減調(diào)節(jié)范圍測量在上述測試條件下，緩慢調(diào)節(jié)光可變衰減器，逐漸增加衰減量（避免調(diào)節(jié)過度，使調(diào)節(jié)螺扣脫落） ，測量輸出端“b”點端口穩(wěn)定的光功率值。記錄測量結(jié)果 Pbmin，計算光可變衰減器的衰減調(diào)節(jié)范圍。3 3、波長特性測量、波長特性測量圖圖 6.56.5 光可變衰減器性能光可變衰減器