光纖通信實(shí)驗(yàn)講義

實(shí)驗(yàn)一光纖光學(xué)基本知識(shí)演示【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹客ㄟ^(guò)光纖的預(yù)備知識(shí)和的具體演示，使實(shí)驗(yàn)者對(duì)光纖光學(xué)有基本的認(rèn)識(shí)，并為后面的實(shí)驗(yàn)打下知識(shí)基礎(chǔ)【實(shí)驗(yàn)儀器】普通光纖（3米長(zhǎng)）二根（一根為單模光纖，一根為多模光纖）HENE激光器及電源一套短波光功率計(jì)一只白紙光屏一個(gè)【演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】演示一如圖一所示，取一根長(zhǎng)約一米的普通單模光纖，剝?nèi)テ鋬啥祟^的套塑和涂敷層，然后將激光耦合進(jìn)任一端，試觀察光纖另一端的輸出面發(fā)光情況。其中，亮的中心部分為纖芯，外圍為包層。對(duì)多模光纖可觀察到光纖傳輸模式。演示二如圖二實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，激光輸出的激光束經(jīng)耦合入光纖后在光纖中傳輸，然后從另一端射出，用白屏接收光斑，觀察其近場(chǎng)圖案和遠(yuǎn)場(chǎng)圖案。聚焦透鏡激光器光纖光纖支架光纖支架近場(chǎng)圖案遠(yuǎn)場(chǎng)圖案圖七、光纖的近場(chǎng)圖和遠(yuǎn)場(chǎng)圖演示三如圖三所示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，先讓三米長(zhǎng)左右的光纖的盡量伸展開(kāi)，讀出并記錄下此時(shí)光纖的輸出光功率值，然后將光纖一圈一圈繞于手上，觀察輸出光功率隨所繞圈數(shù)多少和圈半徑大小的關(guān)系。（注意，光纖不能繞過(guò)小圓圈，否則會(huì)損傷和折斷光纖）HENALASER聚焦透鏡光纖支架出射光圖一、演示二示意圖圖三、演示三示意圖光纖支架HENALASER聚焦透鏡光纖支架光功率計(jì)探測(cè)器短波探頭220V交流電輸入光功率固定P0用MATLAB擬合出出損耗系數(shù)與曲率半徑的關(guān)系式；【思考題】1、根據(jù)演示二觀測(cè)到的近場(chǎng)圖案和遠(yuǎn)場(chǎng)圖案，試想可以確定光纖的那些參數(shù)2、通過(guò)閱讀材料，說(shuō)出減小光纖損耗的途徑有那些實(shí)驗(yàn)二光纖數(shù)值孔徑（NA）的性質(zhì)和測(cè)量實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹俊⑹煜す饫w數(shù)值孔徑的定義和物理意義、掌握測(cè)量光纖數(shù)值孔徑的基本方法【實(shí)驗(yàn)原理】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(shí)它也是表征光纖和光源、光檢測(cè)器及其它光纖耦合時(shí)的耦合效率的重要參數(shù)。圖一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。圖一、光纖最大接收角和接收光錐示意圖MAX接收光錐范圍自由空間包層纖芯CNA的定義式是NOSINNAN21式中NO為光纖周?chē)橘|(zhì)的折射率，為最大接受角。N1和N2分別為光纖纖芯和包層的折射率。光纖在均勻光場(chǎng)下，其遠(yuǎn)場(chǎng)功率角分布與理論數(shù)值孔徑有如下關(guān)系MNAMSIN其中是遠(yuǎn)場(chǎng)輻射角，KA是比例因子，由下式給出0/2/1PG彎曲半徑輸出光功率損耗系數(shù)（DB）式中P（0）與P（）別分0和處遠(yuǎn)場(chǎng)輻射功率，G為光纖折射率分布參數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明，若取P（）/P（0）5，在G2時(shí)KA的值大于0975。因此可將對(duì)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(chēng)之為有效數(shù)值孔徑EEFNASIN本實(shí)驗(yàn)正是根據(jù)上述原理和光路可逆原理來(lái)進(jìn)行的?！緦?shí)驗(yàn)儀器】HENE激光器及電源、讀數(shù)旋轉(zhuǎn)臺(tái)、光纖微調(diào)架、毫米尺、白屏、短波長(zhǎng)光功率計(jì)等。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖1和圖2所示。【實(shí)驗(yàn)步驟】、HENE激光器和光功率計(jì)的電源，調(diào)整實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；A調(diào)整HENE激光管，使激光束平行于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)面；B調(diào)整旋轉(zhuǎn)臺(tái)，使HENE激光束通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸線；C取待測(cè)光纖，一端經(jīng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)上的光纖微調(diào)架與激光束耦合，另一端與光探測(cè)器相連；D仔細(xì)調(diào)節(jié)光纖微調(diào)架，使光纖端面準(zhǔn)確位于旋轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸心線上，并輔助調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)臺(tái)使光纖的輸出功率最大。測(cè)輸出數(shù)值孔徑角O。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖1所示。1移開(kāi)光探測(cè)器，固定光纖輸出端；2置觀察屏于距光纖端面L距離處，則在觀察屏上可見(jiàn)光纖輸出圓光斑，其直徑為D；3利用毫米尺測(cè)量L和D的值，得輸出孔徑角為OARCTAND/（2L）、測(cè)試輸入孔徑角I1光纖輸出端于光功率計(jì)的探頭相連；2旋轉(zhuǎn)讀數(shù)平臺(tái)，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出P曲線，取P（）下降到中心值的5時(shí)所對(duì)應(yīng)的值作為I。、計(jì)算光纖數(shù)值孔徑。計(jì)算公式為NASIN（8）其中即上一步驟測(cè)得的O和I。圖二、光纖數(shù)值孔徑的測(cè)量方法一意圖聚焦透鏡光纖支架讀數(shù)旋轉(zhuǎn)臺(tái)HENALASER待測(cè)光纖觀察屏圖三、光纖數(shù)值孔徑的測(cè)量方法二意圖聚焦透鏡光纖支架讀數(shù)旋轉(zhuǎn)臺(tái)HENALASER待測(cè)光纖光功率計(jì)探測(cè)器短波探頭220V交流電、關(guān)HENE激光器和光功率計(jì)的電源，整理實(shí)驗(yàn)儀器，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和記錄】表（1）方法一測(cè)量所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果測(cè)量參數(shù)第一次測(cè)量第二次測(cè)量光斑直徑W（MM）屏與光纖端頭距離L（MM）數(shù)值孔徑角OARCTAND/2L光纖數(shù)值孔徑NASINO平均數(shù)值孔徑表2方法二測(cè)量所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果光纖端面入射角Q（度）光纖輸出光功率值（微瓦）輸出光功率相對(duì)值（以Q0時(shí)的值為1）順時(shí)針旋轉(zhuǎn)測(cè)的數(shù)值孔徑角逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)測(cè)的數(shù)值孔徑角平均數(shù)值孔徑角I（度）光纖的有效數(shù)值孔徑NAEFF【思考題】、光纖數(shù)值孔徑的物理意義是怎么談?wù)劚緦?shí)驗(yàn)的測(cè)量精度取決于那些因素、用兩種方法測(cè)得的結(jié)果是否一樣若不一樣，請(qǐng)說(shuō)明原因。、為怎么在測(cè)輸入孔徑角時(shí)要保證光纖輸入端面位于旋轉(zhuǎn)軸心上實(shí)驗(yàn)三光源與光纖耦合方法實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、了解光源與光纖的耦合方法直接耦合和透鏡耦合法2、計(jì)算實(shí)驗(yàn)中的耦合效率，并比較結(jié)果【實(shí)驗(yàn)原理】、直接耦合將經(jīng)過(guò)處理的光纖端面盡可能靠近光源的發(fā)光面，見(jiàn)圖1用專(zhuān)用設(shè)備調(diào)整到出射光強(qiáng)最大時(shí)固定其相對(duì)位置。只有落在由光纖數(shù)值孔徑NA所決定的圓錐角以內(nèi)的光源射線，才能在光纖中以子午射線的方式傳播，光源發(fā)光面積也不應(yīng)大于纖芯的橫截面面積，否則，將引起較大的耦合損耗。因此，一般不采用這樣的耦合方法，但在帶尾纖的光源中大部分是用直接耦合方式，這種方法簡(jiǎn)單，可靠，但必須有專(zhuān)用設(shè)備。、透鏡耦合將光源發(fā)出的光通過(guò)透鏡聚焦到光纖纖芯上，可以使光源較大的輻射角變成可以被光纖接受的較小球面角，從而提高耦合效率。如圖2所示透鏡支架激光器功率計(jì)功率計(jì)光纖圖2透鏡耦合、自聚焦棒GRIN耦合GRIN是漸變折射率棒狀透鏡的縮寫(xiě)，實(shí)際上是一根拋物線型漸變折射率玻璃棒。1/4節(jié)距透鏡可以將平行光束轉(zhuǎn)化為聚焦光束，且焦點(diǎn)正好在輸出端面上，這大大有利于將光束耦合進(jìn)入光纖。目前這種元件在光纖系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。0L/4L/23L/4LZ光纖圖1直接耦合光源發(fā)光面圖3自聚焦棒中光線的軌跡在輸入平面上的物點(diǎn)，無(wú)論是軸上或偏軸，都會(huì)在距離L/2的平面上重新會(huì)聚。原因在于玻璃棒具有徑向拋物線型折射率分布22021GRNRN0是軸上的折射率，G由相對(duì)折射率差及棒半徑?jīng)Q定的常數(shù)。在這種介質(zhì)中各條光線都將大致遵循正弦途徑，周期L2/G而在L/4及3L/4等處，從某一指定物點(diǎn)來(lái)的光線都成平行態(tài)，以便做進(jìn)一步的準(zhǔn)直操作。耦合效率的計(jì)算P1/P0【實(shí)驗(yàn)儀器】氦氖激光器、2M單模光纖、功率計(jì)、五維微調(diào)架、10物鏡、GRIN【實(shí)驗(yàn)步驟】、按上圖連接好各個(gè)器件，打開(kāi)電源，確定光束通過(guò)透鏡后的焦平面位置、調(diào)節(jié)五維微調(diào)機(jī)構(gòu)，使光纖端面處于透鏡焦點(diǎn)上、繼續(xù)微調(diào)，觀察功率計(jì)讀數(shù)變化，記錄下最大讀數(shù)P1、直接將處理過(guò)的光纖端面