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文檔簡介
1、WGX-7型光纖信息與光通信實驗系統(tǒng)實驗講義V1.0目 錄0 / 18注意事項1實驗一 光纖光學(xué)基本知識演示實驗2實驗二 光纖與光源耦合方法實驗3實驗三 多模光纖數(shù)值孔徑(NA)性質(zhì)及參數(shù)測量實驗5實驗四 光纖傳輸損耗特性及參數(shù)測量實驗7實驗五 Mach-Zehnder光纖干涉實驗9實驗六 光纖壓力傳感原理實驗10實驗七 光纖溫度傳感原理實驗11技術(shù)服務(wù)12注意事項1. 每次開始實驗時請先打開機箱上的總電源開關(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。2. 結(jié)束實驗時先關(guān)閉所有光源的開關(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,
2、以免造成光源永久性損壞。3. 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。4. 每次做完實驗,請及時將法蘭盤和跳線上的防塵帽蓋上,以免灰塵進入。5. 請勿用肉眼直視各個光源,以免對眼睛造成損傷。6. 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)基本知識演示實驗一. 實驗?zāi)康牧私夤饫w光學(xué)中的基礎(chǔ)知識和常用器件。二. 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。由于光纖纖芯細小,光纖通信中常用的激光器發(fā)
3、出的激光需要耦合裝置才能進入到光纖中。在光纖中傳播的光束控制通過光纖器件完成,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,改變光傳播通道的光開關(guān),改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)的器件進行介紹以及對部分參數(shù)進行測量。三. 實驗裝置:實驗主機、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。四. 實驗內(nèi)容及步驟a) 實驗內(nèi)容:認識光纖器件,對應(yīng)實物講解光纖光學(xué)基礎(chǔ)知識。b) 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
4、光源耦合方法實驗一. 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。二. 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 1 光纖耦合原理
5、圖三. 實驗裝置:主機、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。四. 實驗內(nèi)容及步驟a) 實驗內(nèi)容:切割光纖端面;測量耦合效率。b) 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,然后輕輕敲斷,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)至與主機箱上板平行,同
6、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。五. 實驗報告要求按照實驗內(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。數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)3數(shù)據(jù)4數(shù)據(jù)5P0Pf5次平均值實驗三 多模光纖數(shù)值孔徑(NA)性質(zhì)及參數(shù)測量實驗一. 實驗?zāi)康?. 掌握測量多模光纖數(shù)值孔徑的一種方法。2. 了解光纖數(shù)值孔徑的物理意義。二. 實驗原理光纖數(shù)值孔徑NA是表征光纖集光能
7、力的主要參數(shù),其理論表達式為:式中:n1纖芯折射率,n2包層折射率??梢姽饫w的數(shù)值孔徑與直徑無關(guān)。在實際測量中,一般采用“遠場法”?!斑h場法”的定義是:光纖遠場輻射強度分布下降到最大的5%時,遠場輻射半角的正弦定義為數(shù)值孔徑NAeff=Sin,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2 NA測量原理圖三. 實驗裝置:主機、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。四. 實驗內(nèi)容及步驟1. 打開He-Ne激光器,校正實驗系統(tǒng);(1) 調(diào)整He-Ne激光器,使激光束平
8、行于主機上面板;(2) 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;2. 測試輸出孔徑角(1) 固定光纖輸出端;(2) 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。(3) 測量L和D值,則得輸出孔徑角為:3. 計算光纖數(shù)值孔徑:NA=Sin4. 關(guān)閉He-Ne激光器電源,實驗結(jié)束。五. 實驗報告要求按照實驗內(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平均值實驗四 光纖傳輸損耗特性及參數(shù)測量實驗一. 實驗?zāi)康?. 掌握“插入法”光纖損耗測量技
9、術(shù);2. 了解光纖穩(wěn)態(tài)功率分布概念及其對光纖損耗的影響;3. 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。二. 實驗原理在光纖傳輸過程中,光信號能量損失的原因是復(fù)雜的,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。為滿足精確、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。實際光纖中因為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。
10、衰減是以分貝(dB)為單位的,因此,在波長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。三. 實驗裝置:主機、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。四. 實驗內(nèi)容及步驟1. 將主機上的1550光源與手持式光功率計用一根光纖跳線連接起來;2. 打開1550光源電源,用光
11、功率計測取光纖跳線輸出端的光功率P1;3. 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;4. 用光功率計測取這盤單模光纖另一端輸出光功率P2;5. 將P1、P2代入公式(2)中,計算出損耗衰減系數(shù);6. 換用主機中的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);7. 關(guān)閉電源,實驗結(jié)束。五. 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光纖干涉實驗一. 實驗?zāi)康?. 掌握光纖Mach-Zehnder干涉儀的基本原理;2. 實驗操作調(diào)試Mach-Z
12、ehnder干涉儀并進行性能測試。二. 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)用前景非常好。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,那么外界因素改變的光程差直接和干涉場的光強分布(干涉條紋)相對應(yīng)。 附圖11 Mach-Zeh
13、nder干涉實驗原理圖三. 實驗裝置:主機、光纖跳線1根。四. 實驗內(nèi)容及步驟1.將主機中的“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?. 了解光纖傳感的原理及意義。2. 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,被測量的量改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)所進行的傳感原理是Mach-Zehnder光纖干涉原理。Mach-Zehnder干涉屬于雙光束
14、干涉原理,由雙光束干涉院里面可知,干涉場的干涉光強為:I(1+cos)為干涉儀兩臂的光程差對應(yīng)的相位差,等于2整數(shù)倍時為干涉場的極大值。壓力改變了干涉儀其中一臂的光程,于是改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)律變化的光強反映出來。附圖12光纖壓力傳感原理圖三.實驗裝置:主機、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,壓力改變了光波的位相,通過對位相的測量來實現(xiàn)對壓力的測量。具體的測量技術(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。操作方案采用光纖干涉儀進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(改變應(yīng)力),配以
15、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)改變作定性的觀測,即觀察壓力的改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一. 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。二. 實驗原理光纖傳感的工作原理是,被測量的量改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,干涉場的干涉光強為:I(1+cos)為干涉儀兩臂的光程差對應(yīng)的相位差,等于2整數(shù)倍時為干涉場的極大值。溫度改變了干涉儀其中一臂的光程,于是改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)律變化的光強反映出來。附圖13 光纖溫度傳感原理圖三. 實驗裝置:主機、光纖跳線1根。四. 實驗內(nèi)容及步驟本實驗中傳感量是溫度,溫度改變了光波的位相,通過對位
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