光纖測量實驗指導(dǎo)書2015

1、目錄實驗一LD/LED的P-I-V特性曲線測試實驗二光電管光照特性測試實驗三單模光纖衰減系數(shù)的測試實驗四單模光纖幾何參數(shù)測量實驗五OTDR測量儀應(yīng)用實驗六單模光纖模場半徑測量實驗七微孔直徑的衍射測量實驗八圖像信息處理的光電實現(xiàn)實驗九光纖傳感的溫度測量實驗實驗十光纖傳感的壓力測量實驗說明：一次實驗3課時，分兩批實驗，周一晚6：00，周五晚6:00實驗一、二、三，比較基礎(chǔ),同學(xué)都要做。實驗四十相對專業(yè)一點，需花費(fèi)較多的時間。為保證質(zhì)量,采用分組主攻一個或兩個實驗，同時適當(dāng)了解其他實驗的方式來做。23實驗一LD/LED的P-I-V特性曲線一實驗?zāi)康?. 測試LD/LED的功率一電流（P-I）特性曲線

2、和電壓一電流（V-I）特性曲線，計算閾值電流（Ith）和外微分量子效率。2. 了解溫度（T）對閾值電流（Ith）和光功率（P）的影響。二.實驗儀器1.LD激光二極管（帶尾纖輸出，F(xiàn)C型接口）1只2.LED發(fā)光二極管1只3.LD/LED電流源1臺4.溫控器（可選）1臺5.光功率計1臺6.積分球（可選）1個7.萬用表2臺三.實驗原理激光二極管LD和發(fā)光二極管LED是光通訊系統(tǒng)中使用的主要光源。LD和LED都是半導(dǎo)體光電子器件，其核心部分都是P-N結(jié)。因此其具有與普通二極管相類似的V-I特性曲線,如圖所示：圖1LD/LED的V-I特性曲線由V-I曲線我們可以計算出LD/LED總的串聯(lián)電阻R和開門電壓

3、VT。圖2LD/LED的P-I特性曲線在結(jié)構(gòu)上，由于LED與LD相比沒有光學(xué)諧振腔。因此，LD和LED的功率與電流的P-I關(guān)系特性曲線則有很大的差別。LED的P-I曲線基本上是一條近似的線性直線。從圖中可以看出LD的P-I曲線有一閾值電流Ith，只有在工作電流If>Ith部分，P-I曲線才近似一根直線。而在IfVlth部分，LD輸出的光功率幾乎為零。對于LD可以根據(jù)其P-I曲線可以求出LD的外微分量子效率nD。其具有如下關(guān)系：因此在曲線中，曲線的斜率表征的就是外微分量子效率。由于光電子器件是由半導(dǎo)體材料制成，因此溫度對其光電特性影響也很大。隨著溫度的增加，LD的閾值逐漸增大，光功率逐漸減

4、小，外微分量子效率逐漸減小。閾值與溫度的近似關(guān)系可以表示為：1(T)=1(T)exp(T-T)/Tththrr0式中，T為室溫，I(T)為室溫下的閾值電流，T為特征溫度。不同溫度下，LDrthr0的P-I曲線如圖，根據(jù)此圖可以求出LD的特征溫度。圖3LD的溫度特性曲線四實驗步驟1. 按圖示線路連接LD/LED，注意不要將極性接反！若沒有配積分球，可直接將LD與光功率計連接，將LED在暗室內(nèi)放入光功率計的接口處。實驗時，若不使用積分球，將只會影響到LED各參數(shù)的測量精度，對LD各參數(shù)的測量不會影響。2.圖4沒有使用積分球和溫控器的連接框圖3. 若實驗中用到溫控器，啟動溫控器電源，并將溫度調(diào)到20

5、0C。4. 開啟LD的驅(qū)動電源，緩慢調(diào)節(jié)電流旋紐逐漸增加工作電流。每隔一定電流間隔，記錄LD的電壓值和光功率值。繪制LD的P-I曲線和V-I曲線。I(mA)051015202535U(V)P(uW)P(dB)表格1LD的P-I-V實驗測試數(shù)據(jù)5. 開啟LED的驅(qū)動電源，緩慢調(diào)節(jié)電流旋紐逐漸增加工作電流。每隔一定電流間隔，記錄LED的電壓值和光功率值。繪制LED的P-I曲線和V-I曲線。I(mA)0102030405060U(V)P(uW)P(dB)表格2LED的P-I-V實驗測試數(shù)據(jù)6. 調(diào)節(jié)溫控器，升高LD的工作溫度，重復(fù)實驗步驟3,記錄LD的P-I曲線和V-I曲線。比較在不同溫度下，LD的

6、特性曲線變化。T(°C)020254060I(mA)U(V)P(uW)P(dB)表格3溫度特性測試數(shù)據(jù)五.思考題1. 串聯(lián)電阻R對于LD/LED的應(yīng)用性能有何影響?2. 為什么LD/LED的輸出特性有較大差異？實驗二光電管光照特性測試一實驗?zāi)康?. 掌握光電二極管的工作原理和使用方法。2. 了解光電二極管的光照特性和伏安特性。實驗儀器1照度計1臺2積分球（可選）1個3光電探測器1只4.鹵素?zé)艄庠?臺5萬用表2臺10.照度計1臺三實驗原理光電二極管是結(jié)型半導(dǎo)體光伏探測器。當(dāng)入射光子能量大于材料禁帶寬度時，半導(dǎo)體吸收光子能量將產(chǎn)生電子空穴對，在PN結(jié)區(qū)的電子空穴對被內(nèi)建電場（加在光電二極

7、管上的電壓是反向偏壓）分離，形成光生電勢，產(chǎn)生光生電流。光電二極管與普通二極管相比，有許多共同之處，它們都有一個P-N結(jié)。因此，他們都屬于單向?qū)щ姷姆蔷€性元件。但是光電二極管是一種光電器件，在結(jié)構(gòu)上有其特殊的地方。光電二極管目前度采用硅或者鍺為原料，但鍺器件暗電流的溫度系數(shù)遠(yuǎn)大于硅器件，工藝不如硅器件成熟。下面著重介紹硅光電二極管。1. 硅光電二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理硅光電二極管的結(jié)構(gòu)如圖所示：出圖1環(huán)形光電二極管結(jié)構(gòu)示意圖為了消除表面漏電流，在器件的SiO2表面保護(hù)層中間擴(kuò)散一個環(huán)形P-N結(jié)，稱為環(huán)極。在有環(huán)極的光電二極管中，通常有三根引出線。對于N+P結(jié)構(gòu)器件，N側(cè)電極稱為前極，P側(cè)電極稱為

8、后極。環(huán)極接電源正極，后極接電源負(fù)極，前極通過負(fù)載接電源正極。由于環(huán)極電位高于前極，在環(huán)極形成阻擋層阻止表面漏電流的通過?？梢允沟秘?fù)載R的漏電流很小（一般小于0.05aA）o若不用環(huán)極也可以將其懸空。硅光電二極管的封裝刻采用平面鏡和聚焦透鏡作為入射窗口。采用凸透鏡有聚光的作用，有利于提高靈敏度。由于聚焦位置與入射光方向有關(guān)，因此能減小雜散背景光的干擾，但也引起靈敏度隨入射光方向而變化。采用平面鏡作窗口，雖然沒有對準(zhǔn)的問題，但易受到雜散光的干擾。2. 伏安特性硅光電二極管總是在反向偏壓下工作。這樣可以減小載流子渡越時間及二極管的極間電容，以提高探測器的響應(yīng)的靈敏度和頻率。但是方向偏壓不能太高，以

9、免引起雪崩反向擊穿。光電二極管在無光照時的暗電流Id就是二極管的反向飽和電流Iso。有光照時產(chǎn)生的光生電流Ip與Iso同一方向。不同光照下硅光電二極管的電壓與電流的關(guān)系如圖：尸1廠丹P冬0P>F?>P3v>圖2硅光電二極管伏安特性曲線由圖可見，在低反壓下電流隨光電壓變化非常敏感。這是由于反向偏壓增加使耗盡層加寬、結(jié)電場增強(qiáng)，它對于結(jié)區(qū)光的吸收率及光生載流子的收集效率影響很大。當(dāng)反向偏壓進(jìn)一步增大時，光生載流子的收集已經(jīng)達(dá)到極限，光電流趨向飽和。這時光電流與外加的反向偏壓幾乎無關(guān)，而取決于入射光功率。光電二極管在較小負(fù)載電阻下，入射光功率與光電流呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。.A圖3光電

10、二極管輸出特性曲線3. PIN光電二極管前面討論的擴(kuò)散型P-N結(jié)光電二極管，由于它的相應(yīng)時間主要取決于P-N結(jié)兩側(cè)的光生少數(shù)載流子擴(kuò)散到結(jié)區(qū)所需的時間。因此，受到擴(kuò)散時間和擴(kuò)散過程中的復(fù)合所造成的噪聲的影響。這些影響限制了這種光電二極管的應(yīng)用范圍，特別是在長波波段的響應(yīng)速度。因此在P-N結(jié)中間加入了一層本征層（I層），這種器件稱為PIN光電二極管，也叫耗盡型光電二極管。只要適當(dāng)控制本征層的厚度，使它近似等于反偏壓下耗盡層的寬度，就可以使響應(yīng)波長范圍和頻率響應(yīng)得到改善。光二前極0P1flY后極圖4PIN管的結(jié)構(gòu)示意圖PIN硅光電二極管是常用的耗盡層光伏探測器PIN光電二極管中的本征層對提高器件靈

11、敏度和頻率響應(yīng)有十分重要的作用。因為本真層相對于P區(qū)和N區(qū)是高阻區(qū)，反向偏壓主要集中在側(cè)一區(qū)域，形成高電場區(qū)域。高電阻使暗電流明顯減小。本征層的引入加大了耗盡層區(qū)，展寬了光電轉(zhuǎn)換的有效工作區(qū)域，從而提高了靈敏度。由于I層的存在，P區(qū)又非常薄，入射光子只能在I層被吸收，產(chǎn)生電子一空穴對。I區(qū)產(chǎn)生的光生載流子在強(qiáng)電場的作用下加速運(yùn)動，所以載流子的渡越時間非常短。同時耗盡層的加寬也明顯減少了結(jié)電容，使電容的時間常數(shù)減小，改善了光電二極管的頻率響應(yīng)特性。性能良好的PIN光電二極管，擴(kuò)散與漂移時間一般在10-ios量級，相當(dāng)于千兆赫茲的頻率響應(yīng)。四實驗步驟實驗裝置原理框圖如下:R圖5光電二極管光照特性測

12、試裝置1. 調(diào)節(jié)調(diào)壓變壓器的電壓值，改變光照度。測量光電二極管的光生電流，繪制光生電流與照度的特性曲線。照度值E光生電流IP表格1偏壓恒定下光照度與光生電流的實驗數(shù)據(jù)2. 光照度恒定不變，改變光電二極管的偏壓值，測量光電二極管的光生電流值，繪制一定照度下的V-I特性曲線。3. 改變光照度，多次測量光電二極管的V-I特性曲線。4.表格2光電二極管伏安特性測試數(shù)據(jù)五.思考題a)負(fù)載電阻會給測量的數(shù)據(jù)帶來何影響？b)反向電壓的大小會給測量帶來何影響？12實驗三光纖衰減系數(shù)的測試一實驗?zāi)康?.掌握實現(xiàn)模式穩(wěn)態(tài)分布的方法2. 了解光纖衰減的幾個因素；3.掌握用“截斷法”測量光纖衰減系數(shù)的方法。實驗儀器1

13、光纖3.3km2穩(wěn)定光源1臺3光功率計1臺4光纖切割刀1臺5光纖剝皮鉗1把6剪刀1把7裸纖適配器2個8擾模器1個9包層模剝除器2個10酒精泵燈1個三實驗原理光纖是一種利用全反射原理，使光線沿著彎曲路徑從一端傳輸?shù)搅硪欢说墓鈱W(xué)元件。由折射定律可知，只要滿足一定角度入射的光束就可以在光纖中全反射傳輸，最終以等于入射角的角度射出，常用光纖數(shù)值孔徑反映這種特性。理論上只要滿足以上條件的光線都可以在光纖中傳輸下去，但是實際上光束在光纖中傳輸會產(chǎn)生一定的能量損耗，這些損耗限制了光信號的傳輸距離，以及在接收端的輸出信號的大小。在光纖的傳輸特性中，衰減是多模光纖和單模光纖共有的最重要的指標(biāo)之一，它表明了光纖對

14、光能的傳輸損耗，對光纖通信系統(tǒng)的中繼距離有著決定性的影響。1.光纖的衰減光能在光纖中傳輸時，除了由于吸收、散射而使光能損失外，由于成纜敷設(shè)造成的光纖微彎曲和宏彎曲，光纖的耦合和接續(xù)，都會使光能產(chǎn)生附加的損失。歸納起來，產(chǎn)生衰減的原因大致可以分為三大類：吸收損耗，散射損耗，附加損耗。他們與光纖的材料組成、傳輸波長和工作情況有關(guān)。（1）吸收損耗吸收損耗主要來自三個方面：光纖材料的本征吸收、材料中雜質(zhì)吸收和結(jié)構(gòu)中原子缺陷造成的吸收。由于吸收作用使光能變成熱能而損失掉。本征吸收是由于紫外區(qū)的電子能級躍遷和紅外區(qū)的分子振動能級的躍遷所引起，這是不可避免的；雜質(zhì)吸收主要是鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻、釩、鉑等過

15、渡金屬元素和OH離子產(chǎn)生的吸收；結(jié)構(gòu)中原子缺陷的吸收是由于在光纖制造過程中，玻璃受到某種熱激勵，或在某些情況下受到強(qiáng)輻射而感生的。（2）散射損耗散射損耗是以光能的形式把能量輻射出光纖之外的一種損耗，它包括瑞利散射、波導(dǎo)散射、受激拉曼散射和受激布里淵散射。瑞利散射屬于固有散射，是由于光纖材料種折射率不均勻造成的；波導(dǎo)散射是與光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)缺陷有關(guān)的散射。（3）附加損耗附加損耗是光纖成纜之后產(chǎn)生的損耗。實際線路中，光纖不可避免地要受到微彎曲和宏彎曲，其結(jié)果是傳導(dǎo)模變換為輻射模而導(dǎo)致光能損耗。綜上所述，瑞利散射和本征吸收最終限制了通信光纖的衰減極限。圖1示出了有OH離子存在時的衰減系數(shù)與波長的特性曲線

16、。圖2示出了無OH離子時的衰減系數(shù)與波長的特性曲線。衰減1.0001.2001.4001.600波長（nm）圖1有OH離子時衰減系數(shù)與波長關(guān)系曲線衰減dB/km圖2無OH離子時衰減系數(shù)與波長關(guān)系曲線（4）衰減譜光纖的損耗是隨波長的不同而變化的，即不同波長的光在同一根光纖中傳輸，其損耗也是不同的。表示損耗隨波長變化的曲線稱為光纖的損耗譜曲線。其曲線如下：£圖3光纖的衰減譜2.衰減系數(shù)光纖中平均光功率沿光纖長度減少的規(guī)律為:P(Z)=P(0>OCz/10)式中P（Z）和P（0）分別為軸向距離Z處和Z=0處的光功率；d是衰減系數(shù)，定義為單位長度光纖引起的光功率衰減，單位為dB/km。

17、當(dāng)Z=L時，這里a（X）表示在波長九處的衰減系數(shù)。3. 衰減系數(shù)測試方法光纖衰減系數(shù)測量的目的是為了提供單根光纖的衰減，以便將單根光纖的衰減加起來確定連接長度的總衰減。衰減值應(yīng)在室溫下測量，即10°C35。C之間，CCITTG.650>G.651都規(guī)定截斷法為基準(zhǔn)測試方法，背向散射法為替代測試方法。背向散射法是通過光纖中后向散射光信號來提取光纖衰減及其它信息，諸如光纖光纜的光學(xué)連續(xù)性、物理缺陷、接頭損耗和光纖長度等。利用背向散射原理做的儀表稱為光時域反射計，簡稱OTDR,用OTDR可直接測量出光纖的衰減系數(shù)。下圖是一典型的OTDR曲線，如圖4所示。圖4典型的OTDR曲線曲線上A

18、-B間的衰減是：AA-B6）=2匕-叫）VA、VB是以對數(shù)刻度的背向散射功率電平。平均衰減系數(shù)為Aa=L另外，從曲線上還可以分析很多現(xiàn)象：1 為光纖輸入端耦合器件產(chǎn)生的菲涅爾反射；2 斜率為一常數(shù)的區(qū)間；3 由于局部缺陷、連續(xù)或耦合造成的不連續(xù)性；4 由于介電波導(dǎo)本身缺陷引起的反射；5 光纖尾端的菲涅爾反射，利用這一反射可以測量光纖的長度。本實驗采用“截斷法”測量光纖的損耗。“截斷法”只作兩次測量，一次在光纖的輸出端測量輸出功率。另一次在距離輸入端13m處剪斷一截光纖，測量這一小截光纖的輸出功率。兩次測量結(jié)果的比值，得出剩余長光纖的損耗?！敖財喾ā钡膬?yōu)點是測試簡便，能得到光纖的頻譜衰減特性（任

19、意波長下的損耗系數(shù)）和具有較高的精度（一般可以達(dá)到0.2dB）?！敖財喾ā彼p系數(shù)測試框圖如圖5所示。圖5截斷法測定光纖衰減系數(shù)系統(tǒng)裝置為了保證高精度的測量，要求測試系統(tǒng)高度穩(wěn)定；合適的注入條件；高質(zhì)量的光纖端面。注入條件是指從穩(wěn)定光源輸出到被測光纖的輸入間的一段，對多模光纖來說是非常重要的。我們知道，光波是電磁波，在光纖中滿足全部邊界條件的波導(dǎo)方程的本征解稱為模式。在多模光纖中可以激勵成百上千個模，由于耦合條件不同，各模攜帶的初始能量亦不同；傳播過程中，由于模變換、模耦合和模衰減，各模攜帶的能量比例不斷變化，只有經(jīng)過很長的傳輸距離后，各模傳輸能量的比例才能固定下來，這時，我們說達(dá)到了平衡模分

20、布或穩(wěn)態(tài)模分布。有三種方法可以得到穩(wěn)態(tài)模分布：第一種方法是在光源和待測光纖之間加入一根長光纖。由于經(jīng)過長距離的傳輸，只有一個損耗最低的穩(wěn)態(tài)模式被保留，其他模式均由于損耗被衰減掉，從而達(dá)到穩(wěn)態(tài)分布。實際上，在這一長光纖的輸出端輸出的穩(wěn)態(tài)模式是有效光源。但是，這在實驗中造成了很大的不便，就是所需的長光纖的長度大約在1km以上。該長光纖與待測光纖的穩(wěn)態(tài)分布不可能完全相同，長光纖會起濾波器的作用，使某些波段大大衰減。第二種方法是“擾模法”這也是常用的方法。這種方法是在光源與光纖之間插入一米左右的短光纖，使它受到會引起強(qiáng)模式耦合的機(jī)械擾動。這種裝置稱為“擾模器”這樣只要傳播相當(dāng)短的距離，就能達(dá)到穩(wěn)態(tài)分布

21、。一般采用彎曲法，即沿一排等距離插銷穿插光纖，使其產(chǎn)生正弦型彎曲，就能得到擾模器，如圖7所示：第三種方法是通過適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)，使注入的光本身就接近于光纖的穩(wěn)態(tài)分布。利用一個可變光闌和一個透鏡，調(diào)節(jié)注入光束的兩個參量：光斑直徑和孔徑，使這兩個參量與光纖中的穩(wěn)態(tài)分布模式相匹配。四.實驗步驟1. 穩(wěn)態(tài)模分布的獲得a）取一根短光纖（長約5米）按照實驗四的方法處理好光纖兩端面；b）將兩個FC型裸纖適配器裝在此短光纖的兩端，并分別接上光源的輸出端和光功率計的輸入端；c）保持輸入、輸出狀態(tài)不變，在距離光源輸出端1m處加光纖擾模器，將光纖盤繞在擾模器上，觀察光功率的變化。d）當(dāng)光功率變化很小時，即趨向于穩(wěn)態(tài)模

22、分布。記錄下此時的光纖在擾模器上盤繞的匝數(shù)N和光功率P°。穩(wěn)態(tài)分布光功率光纖盤繞匝數(shù)N2. 光纖衰減系數(shù)的測試i. 取一長光纖（約lkm）按照實驗四的方法對兩端面進(jìn)行處理;ii. 將短光纖換為長光纖，在擾模器上繞N匝，獲得穩(wěn)態(tài)分布；iii. 在保持輸入、輸出狀態(tài)不變的條件下，記下此時的光功率坷。iv.將P0、P1代入以下公式即可計算出光纖的衰減系數(shù):dB/km式中，L是被測長光纖的長度。五思考題1用長光纖替換短光纖后，加擾模器會使輸出光功率如何變化？為什么？2本實驗的測試精度受到哪些因素的影響？說明其中最重要的兩種。21實驗四光纖幾何參數(shù)測量一實驗?zāi)康?. 掌握CCD成象技術(shù)的計算機(jī)

23、實時處理與應(yīng)用的基本技能和方法2. 運(yùn)用CCD器件來測量單模光纖的各個幾何參數(shù).二實驗儀器i. 線陣CCD器件1個ii. 金相透反式顯微20MHz雙蹤模擬示波器1臺iii. 計算機(jī)1臺三實驗原理線陣CCD像傳感器具有結(jié)構(gòu)精細(xì)、體積小、工作電壓低、噪聲低、響應(yīng)度高等優(yōu)點，被廣泛運(yùn)用于運(yùn)動圖像傳感、機(jī)械量非接觸檢測、圖像數(shù)據(jù)自動獲取等多領(lǐng)域。線陣CCD像傳感器是利用CCD所具有的光電轉(zhuǎn)換和移位存儲功能進(jìn)行圖像傳感和信息處理。利用光電轉(zhuǎn)換功能CCD將入射到CCD攝像區(qū)的光信號轉(zhuǎn)換為與之強(qiáng)度相對應(yīng)的電荷包的空間分布，然后利用CCD的移位存儲功能將這些大小不一的電荷包“自掃描”到同一輸出端，形成幅度不等

24、的實時脈沖序列，經(jīng)過處理便可還原成原來的光學(xué)圖像。1驅(qū)動電路原理兩相線陣CCD的驅(qū)動電路應(yīng)有三個要求：1）滿足四路脈沖時序要求；2）對CCD提供的脈沖應(yīng)滿足一定的電壓幅度（+12V）和功率要求（800mW）；3）CCD輸出信號便于和外電路連接。于是得到驅(qū)動電路原理框圖：圖5驅(qū)動電路原理圖要滿足圖4中驅(qū)動脈沖的時序要求最常用的方法是用同一時鐘對幾路脈沖進(jìn)行控制，以保證相互間確定的時間關(guān)系。再用分頻器對時鐘脈沖進(jìn)行分頻以產(chǎn)生各路脈沖所需要的波形。4. 單模光纖幾何參數(shù)單模光纖正越來越廣泛地應(yīng)用于通信，集成光學(xué)和傳感技術(shù)等科技領(lǐng)域。單模光纖成本低，損耗小和帶寬寬的優(yōu)點使其成為通信系統(tǒng)中最有希望的傳輸

25、介質(zhì)。無論是光纖的生產(chǎn)廠家，還是用戶都需要對光纖特性參數(shù)進(jìn)行測量，幾何參數(shù)是其中很重要的一類，主要包括纖芯和包層的直徑和不圓度，纖芯相對于包層的同心度誤差。如果包層截面是一個嚴(yán)格的圓，其中心并不難確定，但實際上由于制造工藝的限制其截面不可能絕對圓，因此必須利用測得的邊緣點分布信息擬合一個和包層邊緣最接近的圓，然后方可確定其中心。對于纖芯，情況稍策復(fù)雜一些，按照波動光學(xué)理論，單模光纖在進(jìn)行能量傳輸時纖芯與包層的接合處應(yīng)滿足一定的邊界連續(xù)條件，所以光纖截面上纖芯的光強(qiáng)分布在纖芯與包層交界處無明顯的跳躍點。因此一般常用模場半徑，折射率分布形狀或照明光的強(qiáng)度分布來確定纖芯的中心，進(jìn)而計算出同心度誤差。

26、一般在用近場法測量光纖的幾何參數(shù)時常采用照明光強(qiáng)度分布來確定纖芯邊界。光纖的幾何尺寸非常小，特別單模光纖的纖芯直徑僅約為910um,因此在用近場法測量光結(jié)的幾何參數(shù)時常利用顯微鏡將光纖的截面象放大后再用不同技術(shù)進(jìn)行測量。如圖6所示:。-包區(qū)；纖芯.新射率直輕為10unbh區(qū)：包層】折射率也F直徑為125um掃-亡區(qū)：敷層、折射率協(xié)，<直徑為WOOuinn>n2>n3>i0（大氣圖6單模光纖結(jié)構(gòu)示意圖：5. 幾何參數(shù)測量裝置此孝區(qū)徴履IBMPC光纖幾何參數(shù)測量裝置如圖7所示，包括光學(xué)，CCD和計算機(jī)數(shù)據(jù)處理3個部分。單模光纖的包層直接采用反射光照明，而纖芯則采用透射光照明

27、。t人幅機(jī)圖7幾何參數(shù)測量裝置示意四、實驗步驟1. 光纖樣品準(zhǔn)備按照附錄所示方法準(zhǔn)備好光纖樣品，并用專用光纖切割刀處理好光纖端面，放在顯微鏡下觀察，要求完整度達(dá)95%以上。2. 初步測量開啟CCD電源，并執(zhí)行測量裝置應(yīng)用軟件。CCD的最高分辨率為1600*1200,可根據(jù)測量的精度要求采用不同的采樣分辨率，以最大限度地壓縮數(shù)據(jù)處理量。選用適當(dāng)倍數(shù)的物鏡（40X左右），調(diào)好焦距，并調(diào)整好光纖的位置。開啟CCD，截取一貞理想的CCD像如圖7所示，用VC+編程，設(shè)定一個合理的閾值電平值，將200萬個彩色像素點的RGP值一律轉(zhuǎn)為黑白兩種灰度如圖8所示，再運(yùn)用特定的算法從CCD的200萬像素中獲取光纖包

28、層或纖芯的邊緣幾何坐標(biāo)信息,繪圖重現(xiàn)光纖端面的邊緣輪廓如圖9所示。由于光纖截面的形狀近似為一個圓，因此可以按照回歸的基本思想，用獲得的圖象邊緣坐標(biāo)信息來擬合一個最接近光纖截面的圓。我們可以運(yùn)用數(shù)學(xué)的方法，先將二次的標(biāo)準(zhǔn)圓方程轉(zhuǎn)化為一次線性方程，然后用最小二乘法原理求出光纖截面中心坐標(biāo)的最佳擬合值和最佳擬合直徑。然后將它看作一個不圓度很小的橢圓，經(jīng)過一系列復(fù)雜的、近似的數(shù)學(xué)推道，用一個極坐標(biāo)方程來近似擬合，再次運(yùn)用最小二乘法原理經(jīng)過一系列運(yùn)算即可求得半長軸A,半短軸B,和不圓度E。圖7光纖包層CCD像圖8光纖包層CCD黑白灰度像圖9光纖包層的邊緣輪廓3. 平滑處理受切割條件的限制，光纖樣品端面要

29、保準(zhǔn)100%完整往往比較困難，但缺口的存在會大大影響擬合效果。因此在第一次擬合完成后，可根據(jù)已知的圓心坐標(biāo)和半徑再參照缺口周邊的坐標(biāo)，運(yùn)用一定的算法來補(bǔ)上缺口部分的近似坐標(biāo)值，如圖8所示，經(jīng)過平滑處理以后，光纖端面的幾何坐標(biāo)更接近于真實值，擬合的可信度更高。圖8數(shù)據(jù)平滑處理示意4. 根據(jù)平滑以后的數(shù)據(jù)再次進(jìn)行圓擬合和橢圓擬合。5. 關(guān)閉反射光源，開啟透射光源，調(diào)節(jié)合理的輸入光強(qiáng)，根據(jù)步驟24測量光纖纖芯的幾何參數(shù)。6匯總光纖包層和纖芯的所有幾何參數(shù)，并作為文件保存起來。注意事項：1. 線陣CCD攝像器件的工作電壓不能超過15V，在確認(rèn)電源電壓為15V后方能接通CCD進(jìn)行測量。2. 因為CCD是

30、MOS型器件，對靜電非常敏感。在測量各電波形時，不能對地短路，防止靜電擊穿。實驗五OTDR測量儀應(yīng)用參見OTDR相關(guān)資料實驗六單模光纖模場半徑測量參見單模光纖模場半徑測量論文單模光纖模場半徑快速測量儀的設(shè)計及制作基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(60272034)摘要:用FPGA可編程控制器來控制步進(jìn)電機(jī)帶動放置在光纖端面遠(yuǎn)場區(qū)域的一個透光圓孔屏障沿光軸線移動，從而調(diào)節(jié)PIN光電管接收到的光信號強(qiáng)度。用鎖相放大器來提高光電信號的信噪比，信號被快速采樣后輸入FPGA控制器，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后顯示所測單模光纖的模場半徑。測量儀具備較好的測量精度和重復(fù)精度。關(guān)鍵詞:單模光纖模場半徑遠(yuǎn)場Abstract

31、:Abarrierwithcircular-holeisplacedinfar-fieldareaofafiber,andthesourcelight'sintensityreceivedbyPINtubeisadjustedbymovingthebarrieralonglight-axeswithaelectromotor,whichiscontrolledbyFPGAchip.Aphase-lockedamplifierisusedtoimprovethesignal-to-noiseratioofphotoelectricitysignal,andtheFPGAchipisals

32、outilizedtoinceptthesamplingsignalandcalculatethemode-fieldradiusofsingle-modeopticalfibersquickly.Thedevicehasgoodmeasuringandrepeatingprecision.Keywords:single-modeopticalfibers,mode-fieldradius,far-fieldarea1引言單模光纖自問世以來，由于其低成本，小損耗和寬帶寬的突出優(yōu)點，目前已成為通信系統(tǒng)中最主要的傳輸介質(zhì)1。但由于光纖生產(chǎn)工藝的限制和本身固有的衰減因素，實際應(yīng)用中的通信光纜每隔百公

33、里左右就需進(jìn)行一次連接和放大，其性能的好壞受到很多因素的影響，模場半徑就是其中最重要的一個參數(shù)。利用模場半徑可以很方便地確定光纖的激發(fā)效率，連接損耗，微彎曲損耗及波導(dǎo)色散等等2,3*。對于模場半徑的定義，目前國際上尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，從而導(dǎo)致也沒有統(tǒng)一的方法來測量模場半徑目前國際上常用的有場分布法和橫向位移法。場分布法測量的原理比較簡，但由于插入損耗大，需要較寬的測量動態(tài)范圍，因此測量系統(tǒng)造價比較高；橫向位移法具有儀器簡單，精度高等特點，但需要精心準(zhǔn)備光纖樣品，測量花費(fèi)時間較長4,5。我們嘗試了光纖端面遠(yuǎn)場輻射光強(qiáng)調(diào)節(jié)的方法，即通過改變固定在光軸線上的透光圓孔的大小6，或移動透光圓孔的位置來調(diào)節(jié)P

34、IN光電管接收到的光信號強(qiáng)度,再通過一系列的電路處理和計算機(jī)的運(yùn)算處理，即求得模場半徑。整個測量裝置簡單易操作,自動化程度較高,能達(dá)到較好的測量精度和重復(fù)精度。把計算機(jī)控制和處理程序下載到FPGA可編程控制器上,整個測量裝置即可成為一臺一體化的單模光纖模場半徑快速測量儀。2測量基本原理對于實際應(yīng)用的階躍型折射率分布單模光纖,其基模的場分布可以用圖1所示高斯分布來近似：等式現(xiàn)邊換項后分別取對數(shù)得:Ln1Pa-Pmax2a2w2(z)代入公式（4）即得Ln1-2兀2w2宀G九2(8)max在遠(yuǎn)場測量條件下，我們可用數(shù)值孔徑sin9來圖1基模的高斯場分布近似到示a。隨著圓孔位置的改變，PIN管接收到

35、nz在弱導(dǎo)近似（1）條件下，光纖基模的電磁場結(jié)構(gòu)相對比較簡單，三個電場分量中的一個，比如EX，遠(yuǎn)大于其他兩個分量，這樣沿Z軸正方向傳播的電場空間分布可由EX近似描述：（1）E（r,z）=E（0,Z）exp-xxW2（z）的光功率Pa也改變，可以畫出sin29與_nPmax的函數(shù)關(guān)系圖，即一條斜率為2兀2W2°的直線，所以九2只要求出直線的斜率即可算出模長半徑。3測量裝置設(shè)計記E（Qz）=Ez），則（1）式可簡單描述為:31移動圓孔光學(xué)系統(tǒng)E(r,z)=E(z)exp-xr2w2(z)由光纖電磁場理論可知:wE(z)=w(z)0()ww(z)=w二zGr九Izl兀nwG(2)(3)(4

36、)式中WG為高斯光束的束腰，也即光纖的模場半徑，而W（Z）為Z截面處的光束半徑。相應(yīng)于電場分量中占主導(dǎo)地位的EX，磁場分量中占主導(dǎo)地位的就為Hy：H(r,z)=y(5)exzo式中ne為有效折射率，Z0=377Q為自由空間波阻抗。由于基模的波陣面為平面且垂直于光軸，因此時間平均強(qiáng)度矢刃僅含有平行于光軸的玻印亭矢刃：S=-R（EE*）=件E2（r,z）（6）z2exy2zX0若在離光纖端光Z處放置一半徑為a的圓孔屏障，則通過圓孔的光功率為：由于單模光纖的纖芯很?。ｉL半徑5um左右），光纖端面的出射光即使在遠(yuǎn)場區(qū)域光斑尺寸也不可能很大，因此透光圓孔的半徑a不能太大，否則不能有效攔截光信號強(qiáng)度；圓

37、孔a也不能太小，太小易引發(fā)衍射效應(yīng)，從而引起系統(tǒng)誤差。我們加工了一條40cm長的光學(xué)導(dǎo)軌，將光纖調(diào)節(jié)架，圓孔屏障，凸透鏡和PIN光電接收管固定在導(dǎo)軌上，四個器件的中心均在光軸上。光纖端面和PIN管光敏面分別定位于透鏡的2倍焦距處，圓孔又固定在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動裝置上，可在計算機(jī)控制下進(jìn)行勻速或定點移動，其示意圖如圖2所示。根據(jù)光學(xué)成像原理，光纖端面出射光通過圓孔后正好又聚焦于PIN管光敏面上，而圓孔位置的改變正好有效地調(diào)節(jié)了透過圓孔的光強(qiáng)度。步進(jìn)電機(jī)圖2移動圓孔光學(xué)系統(tǒng)示意兀nw2E(z)2Pa=JaS2兀rdR=Goz4zo兀nP=S2兀rdR=emaxoz則Pa=Pmax2a21-exp(-石)

38、2l-exp(-斗w2(z)(7)根據(jù)CCITT的要求，選用波長為1.310um的半導(dǎo)體內(nèi)調(diào)制激光器作測試光源，用波長為0.6328um的可見光來對準(zhǔn)光路，定位光學(xué)系統(tǒng)四點成一線。經(jīng)過多次實驗，圓孔屏障的半徑a以4mm左右為佳,凸透鏡參數(shù)可選用直徑30mm,焦距25mm。0233.2整體測量裝置我們設(shè)計的模場半場快速測量裝置整體框圖如圖3所示。輸出波長為0.6328um的He-Ne激光器用于對準(zhǔn)光路，而輸出波長為1.310um的內(nèi)調(diào)制半導(dǎo)體激光器用作測試光源，其1KHZ的內(nèi)調(diào)制頻率同時也用作鎖相放大器的參考頻率。Y型光纖耦合器將He-Ne激光器和半導(dǎo)體激光器輸出的光信號經(jīng)物大。然后通過計算機(jī)預(yù)

39、處理電路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，快速采樣并存儲，最終通過接口電路輸入計算機(jī)。計算機(jī)程序自動將圓孔的位置和光信號功率換算成X、Y坐標(biāo)，按照測量原理計算公式用最小二乘法原理擬合成一條直線，取其斜率后計算出模長半徑。鏡耦合到被測單模光纖中，可根據(jù)需要選擇任何一路光源。被測光纖長l-2m，并且打上幾個直徑為10cm左右的小圓圈以濾除高階模。計算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動圓孔在一定區(qū)間內(nèi)勻速移動的同時，光纖端面出射光通過圓孔被PIN管接收后轉(zhuǎn)換成電流信號，由前置放大器進(jìn)行濾波和初級放大，再由鎖相放大器進(jìn)行信號鎖定和二級放我們可以把步進(jìn)電機(jī)的控制程序和數(shù)據(jù)處理程序下載到FPGA可編程控制器上，將光學(xué)系統(tǒng)稍作整合即可將整套

40、測量裝置制作成為一臺一體化的單模光纖模場半徑快速測量儀。2l圖3單模光纖模場半徑快速測量裝置示意圖4測量結(jié)果及分析運(yùn)用上述測量裝置，我們對多條單模光纖的模場半徑進(jìn)行了多次測量，圖4是其中一次測量結(jié)果的原始數(shù)據(jù)和計算機(jī)擬合直線（為圖示清楚每隔0.2cm采樣），表1是在相同狀態(tài)下對一條光纖三次測刃結(jié)果的統(tǒng)計。這一組測量中圓孔半徑a=4mm,光纖端面定位于L0=20cm處，透鏡中心Ll=25cm,PIN管定位于L2=30cm處，圓孔位置在21.5cm24.5cm之間移動，光纖端面的最大出射功率為248.5mv（在鎖相放大器上讀得）。*心始啟擁230D01002003QD4DQ5UD6DC7Dffl圖

41、4.原始數(shù)據(jù)及擬合直線表1.測量統(tǒng)計結(jié)果（圓孔位置每隔0.1cm采樣）測量次數(shù)第1次第2次第3次模場半徑WNum）4.9875.0064.904Vr模場半徑平均值4.966(um)均方根【訪厶士瑕至0.030（um）lilll昌壯窘目右甘缺!訓(xùn)精確度和重復(fù)精度調(diào)節(jié)好光路以后測量時間不超過1分鐘，具有較高的自動化性能。在測量中對測量精度產(chǎn)生影響的主要因素有：（1）測量信號的信噪比對測量的重復(fù)精度有較大的影響，故在測量中要盡可能地提高耦合效率，增強(qiáng)PIN管接收到的光信號強(qiáng)度，提高信噪比。（2）圓孔的圓心、透鏡中心和光電探測器中心與光纖光軸要絕對保持在同一直線上比較困難，應(yīng)盡可能達(dá)到要求。（3）步進(jìn)

42、電機(jī)的控制和光電信號的采樣因為電路時延的原因不可能絕對同步，應(yīng)予以適當(dāng)修正。5結(jié)論光纖端面遠(yuǎn)場區(qū)域移動圓孔屏障來測量模場半徑的方法，與常見的場分布法和橫向位移法相比，可使測量裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，而且測量速度很快，只要精心標(biāo)定測量系統(tǒng)，就能得到較高的測量精度和重復(fù)精度。測量結(jié)果標(biāo)明，該測量儀能較好滿足模場半徑的測量需求，具有一定的推廣應(yīng)用價值。附：浙江大學(xué)CSY10L光電實驗統(tǒng)CSY10L激光多功能光電測試系統(tǒng)實驗儀(LaserUniversalOpto-EletroTestingSystems)是在系列傳感器實驗系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展的新型光電測試實驗系統(tǒng)：本實驗系統(tǒng)的光學(xué)原理如圖1所示，激光(

43、He-Ne，波長632.8nm，功率3mw)通過送計算機(jī)22圖1實驗儀光學(xué)系統(tǒng)1激光器2衰減器3,5,11定向孔4,13移動反射鏡6,7,9,12反射鏡8,29物鏡10準(zhǔn)直透鏡14分光棱鏡15共焦顯微鏡16多功能試件夾及組合工作臺18帶壓電陶瓷的組合工作臺19,27衍射試件夾20成像透鏡21目鏡22可調(diào)光闌23光電接收器24導(dǎo)軌25,28直角棱鏡26傅氏透鏡30五維調(diào)節(jié)架31光纖傳感器32光纖夾持器33備用試件架各種光學(xué)元件的切換與配置，組合成一種光學(xué)物理系統(tǒng)，實現(xiàn)定性觀察與定量測試，最終由光電接收器23接收，并將信號送入計算機(jī)，完成實驗內(nèi)容的顯示與計算。所謂多功能，主要由下列八部分組成：光電

44、與計算機(jī)處理部分由圖3所示。上述光信息經(jīng)圖像采集轉(zhuǎn)換成電信號，將此數(shù)字信號送入圖像處理卡，然后進(jìn)入計算機(jī)進(jìn)行處理，完成實驗顯示及相應(yīng)實驗的計算定量，在配套軟件的操作下完成所有實驗。22圖3CSY-0L處理與顯示系紜圖4實驗儀照片實驗七微孔直徑的衍射測量、實驗?zāi)康模?. 了解愛里圓（Airy）測定法2. 利用愛里圓測定法測量微孔直徑二、實驗原理由物理光學(xué)知道，平面波照射的開孔不是矩形而是圓孔時，其遠(yuǎn)場的夫朗和費(fèi)衍射像是中心為圓形亮斑，外面繞著明暗相間的環(huán)形條紋這種環(huán)形衍射像就稱為愛里圓如圖所示。P點的光強(qiáng)付布：x幾丿上式就是愛里圓的光強(qiáng)分布式，涉冃），即中央亮斑它集中84%左右的光能量。對笫一暗

45、壞.即中央亮斑的直徑大小，由；sin/?=/?=1222廣加得到愛里圓中心亮斑的直栓為a當(dāng)已知巴化時，測定d就可以求取紐值，即微孔的尺寸。圓孔的衍射11三、實驗光路激光不月擴(kuò)束直接照對衍射試1牛夾W上舸試f牛右探測器上形玄遠(yuǎn)場衍對冬級，即可測量0四、實驗步驟1. 開機(jī)，激光器1迅速起輝，待光強(qiáng)穩(wěn)定；2. 打開驅(qū)動電源開關(guān)，檢查CMOS23上電信號燈亮否；3. 按實驗光路圖布置好光路，移入反射鏡4,13,不擴(kuò)束激光4. 將分光鏡14轉(zhuǎn)90。5. 切換試件夾19中的衍射試件（微孔系列）6. 移動CMOS23使圖像清晰，鎖定237.記錄微孔系列衍射圓環(huán)分布實驗八實驗圖像信息處理的光電實現(xiàn)、實驗?zāi)康模?/p>

46、1 -進(jìn)一步掌握透鏡的FT性質(zhì)，學(xué)習(xí)FT光路的原理2 應(yīng)用4f光學(xué)FT系統(tǒng)觀察常見圖樣的反傅氏變換IFT)圖像，并與FT頻譜和試件圖樣比較圖3. 利用4f光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行頻譜分析和濾波二、實驗原理：心理論基礎(chǔ)：衍射理論，角譜理論"透謊之所氐能讎做打T根本原因在于透譙的二次位申眶子對入肘波前起到位相調(diào)制作用"若以透競后慝面為觀察平面1物體相肘于會聚透鏡圧口授生變化吋，可以研究透級的F丁質(zhì)*圏1表示物休緊掃透鏡放置FT比路.物體新透射型廨仔藺試片=采用振幅A的單色平面波照明.為去山透鏡后議面上的光強(qiáng)分布LK細(xì)逐l&lLh透鏡詢后平向光場分LJI,L.T(1指心i話設(shè)物體的復(fù)

47、振幅透過率tZy則冇不透鏡孔徑件用.透鏡的貝振幅透過率y)-exp-Jy；(x2+y-),(2)那么q(芯刃=口(£7)耳(才丿:)(3)光波從透筑倍播F距密后，根據(jù)菲涅爾衍射公式5)樹')expj-頻率礙值與總條簡坐標(biāo)靈系対：兀=立，£=2工不計常蠱相位因子xfP#將丨，2,丄武代入2武，得式中八盜5心)=衛(wèi)川禮刃式5表叨.透境后焦面.的尤場分帝正比于物體的FT,英城證取值與后焦面業(yè)標(biāo)'英值是當(dāng)然.中于變換式前存在你相園子后焦面上的位相分和與掬體頻淸的偉相分祁并平竽I從但對恍強(qiáng)響應(yīng)型光電轉(zhuǎn)換顯示器件及日椰效果來說.這一位和彎曲并無影響，所収普5"

48、r2（fT7/.）的物理意義在丁識后雋面上光強(qiáng)分作恰恰是報j體的功率圏2表示物綁放賈亦透鏡前方比即爲(wèi)出扭得5")可見麻焦向上的復(fù)振幅分布仍然正比于物體的FT。而變換式前而的二次位相內(nèi)子便物體頻譜產(chǎn)：T一個位相彎I也當(dāng)山=0時.公式（6）Al'R1況完全一致，當(dāng)也二f時.公式（變?yōu)榇?#187;丹）=此時，鉉相彎由效應(yīng)消火.后焦簡上比場分櫛是拗體準(zhǔn)購的FTn這亡是我們所用的河運(yùn)算比路=物體放置在透鎮(zhèn)石方.后焦面上仍然得到物體的FT（相差一亍二次位相因子h吋.即綱體嵯靠透鏡后表閒吋與頻靠透軌前方放置效皋一祥亠若需寰對斫得的物體Tfx,fy）利用透鏡再作一汰變換，例如物體融港化于透

49、饑前焦面，現(xiàn)躬平面選在透境后焦面，即小叩面.透炭的焦距不變:略上常系數(shù).工趺得到式中，C為常茲=-丁是連絞兩次變換的谿杲是在空冋域還原一亍物體，它是原物體的一個倒像。如杲采用反射能標(biāo)臥即令xir=-x.yir=-yH則g")=匸心“/)此【小透儻的作用可看作足實現(xiàn)了對物體頻譜的何里葉反變拱CIFI必須描出的足，當(dāng)點光源癥于有限距離.即采用球面波照明方式透彊仍然可屈FT件用，頻譜面位于比游的獴面位垃，而不再是后焦面上=另外，透瞬扎徑對FT變換有影響實慶原因是對參弓變換的頻率或升有遞滋炸用.通低頻，肥高頻，產(chǎn)朱漸暈效廟一孔徑越大*殛靠近物依”漸軍散應(yīng)越小.二、實驗光路激光經(jīng)定向孔3,5定向，透鏡8,10擴(kuò)束，經(jīng)分光棱鏡14透射試件夾1