01.光纖數(shù)值孔徑(NA)性質(zhì)與參數(shù)測量實驗1-6

1、實驗一光纖數(shù)值孔徑（NA）性質(zhì)與參數(shù)測量實驗一、實驗?zāi)康?、學習光在光導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、熟練光學調(diào)節(jié)技術(shù)及熟悉光功率計二、實驗儀器1、光源1臺2、讀數(shù)旋轉(zhuǎn)臺1個3、三維微調(diào)架1個4、光纖兩根（單模、多模各一根）2根5、光纖適配器1個6、光斑屏1個7、光功率計1個三、實驗原理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。（1）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 99.99999% ,其余成分為摻入的少量摻雜劑，如五氧化二磷（P2O5）和二氧化錯（GeO2）。摻雜劑的作用是提高纖

2、芯的折射率。纖芯的直徑一般為550微米。（2）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。（3）涂敷層 包層的外面涂敷一層很薄的涂敷層。通常進行兩次涂敷，涂敷層材料一般 為環(huán)氧樹脂或硅橡膠。該層的作用是增強光纖的機械強度。（4）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。它的作用也是加強光纖的機械強度。一般沒套塑層的光纖稱為裸光纖。2、光纖的傳光原理(1)光纖的傳光原理：采用幾何光學來分析時主要包括光的反射、折射和全反射等。采用波動理論分析時主要包括導模、模數(shù)、雙折射等。(2)光在光纖中的傳播主

3、要有二種類型，如圖(a)階躍型光纖其光纖折射率呈階躍型分布。以保證傳輸光能在纖芯和包層的界面上實現(xiàn)全反射， 反射次數(shù)多、損耗大。階躍光纖是光纖應(yīng)用的基本類型。(b)漸變型光纖其纖芯的折射率呈曲面分布，1 -2所示。該種光纖的纖芯折射率均勻且比包層高， 光傳輸軌跡為鋸齒形。當光纖NA大時,使傳輸光的軌跡為光滑曲線 (如正弦函圖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數(shù)曲線)，也稱蛇形傳光。其優(yōu)點是NA大，色散和損耗較小，傳輸距離大，但價格高。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，光纖中的彳輸模式與波導參數(shù)V有關(guān)。波導參數(shù)

4、 V的定義為：V=2 二a(NA)/ (1-1)式中a 光纖纖芯的半徑；NA 光纖的數(shù)值孔徑；入射光波長。在光纖NA保持一定的情況下，光纖的芯徑越大，則波導參數(shù)越大。光纖能傳播的模式 也越多，當VW2.4的時候光纖就只能傳播單一模式，這種光纖稱為單模光纖；當 V>2.4時 能傳播多種模式，例如 VW3.8時，光纖就傳輸四種模式(HE11、TE 01、TM 01、HE21)，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V>2.4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，因而脈沖畸變嚴重；

5、而單模光纖損耗和色 散性能都較佳，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，就是這個原因。4、光纖的光學參數(shù)和特性(1)光纖的數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑(NA)是衡量一根光纖當光線從其端面入射時，它接收光能大小的一個重要 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) 。c為光纖內(nèi)產(chǎn)生全反 射時的臨界角，則可知Sin 0 c=n2/n 1.因為光是從空氣 (n0=1)入射到光纖端面的， 所以根據(jù)圖五,可得Sin 0a / Sin(900 _ gc )= n1 / n 2由此又可得n0Sin 二 a =n1cos &q

6、uot;=m ,1 Y.sin 1c =n。1Y：n2/n1通常，通訊中用的光纖為弱導光纖，其纖芯和包層的折折率差很小，可近似認為 = 2n1，若定義相對折射率差為4=（nn2）/n1,則(1-2)ni+n2NA _Sin t n 2 n。a - no(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。多模階越光纖b 4冠d 方;/云4y多模漸變光纖一. 一圖1-4光脈沖在光纖中傳輸示意圖Pin輸入脈沖強度，POUt （t）輸出脈沖強度圖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,

7、求得數(shù)值孔徑 NA為NA 二：。由這種方法測出的數(shù)值孔徑稱為“理論數(shù)值孔徑”或“標稱數(shù)值孔徑”。一 .n n 2B、“遠場法”如實驗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 1-6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 = no*Sin 0 = Jn2-n2（1 4）111112式中n。為光纖周圍介質(zhì)的折射率，。為最大接受角。m和n分別為光纖纖芯和包層的折射率。光纖在均

8、勻光場下，其遠場功率角分布與理論數(shù)值孔徑NAm有如下關(guān)系:(1 5)%:=/-2。）?。?）/2(1 6)Sin【_ NA m其中。是遠場輻射角，Ka是比例因子，由下式給出: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(jié)果表明，若取P （。）/P （0） =5%在g>2時Ka的值大于0.975。因此可將對應(yīng)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：(1 7)NAeff =sin，本實驗正是根據(jù)上述原理和光路可逆原理來進行的，實驗系統(tǒng)如圖1- 7所示。激光管 電源 讀數(shù)旋轉(zhuǎn)臺 光纖

9、適配器支架 光纖 光功率計 光斑屏 三維微調(diào)架圖1 7光纖數(shù)值孔徑測量系統(tǒng)三、實驗步驟試驗內(nèi)容包括：校正調(diào)試訓練、測量輸出孔徑角與輸入孔徑角。實驗步驟如下:1、He-Ne激光器和光功率計的電源，調(diào)整實驗系統(tǒng)；a.調(diào)整激光管，使激光束平行于實驗平臺面；b.調(diào)整旋轉(zhuǎn)臺，使轉(zhuǎn)盤刻度置于 0;C.取待測光纖，一端經(jīng)旋轉(zhuǎn)臺上的光纖架與激光束耦合，另一端與光功率計相連；d.仔細調(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（該項須由指導 老師指導下進行）。2、測試輸入孔徑角仇；（1）光纖輸出端于光功率計的探頭相連；（2）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；（3）繪制P

10、- 0曲線，取P （。）下降到中心值的 5%時所對應(yīng)的0值作為學。3、測輸出數(shù)值孔徑角 0 ,實驗系統(tǒng)圖如圖1 7所示；a.把光功率計上的光纖接頭接到光斑屏前的光線適配器上；b.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;c.調(diào)三維微調(diào)架，準確測量L和D的值，得輸出孔徑角為：入 =arctan D/（2L）（11-8）4、目測數(shù)值孔徑角包；a.調(diào)節(jié)步驟同1項四個步驟；b.除去光纖輸出端的光功率計，可在觀察屏觀測到一輸出圓光斑；c.轉(zhuǎn)動讀數(shù)旋轉(zhuǎn)臺，直到觀察屏上的光斑消失，讀此時的旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)角度0 j o5、計算光纖數(shù)值孔徑；計算公式為：NA =sin 日（11-9 ）其中0即上一步驟測得的 60、2和仇。5、關(guān)激光器和光功率計的電源，整理實驗儀器，結(jié)束實驗。四、實驗數(shù)據(jù)和記錄表1方法一測量所得的實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果光纖端面入射角日 （度）光纖輸出光功率值 （微瓦）輸出光功率相對值（以6=0時的值為1）表2方法二測量所得的實驗數(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 0 o=arctanD/(2L)光纖數(shù)值孔徑 NA=Sin 0 o平均數(shù)值孔徑表3方法三測量所得的實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果次數(shù)9