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關(guān)于單模光纖數(shù)值孔徑的測(cè)量第1頁(yè),課件共29頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.熟悉光纖的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及分類2.掌握光纖數(shù)值孔徑的定義的測(cè)量方法第2頁(yè),課件共29頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月實(shí)驗(yàn)原理:1.光纖的結(jié)構(gòu)圖
第3頁(yè),課件共29頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月光纖的結(jié)構(gòu):光纖(OpticalFiber)是由中心的纖芯和外圍的包層同軸組成的圓柱形細(xì)絲。纖芯的折射率比包層稍高,損耗比包層更低,光能量主要在纖芯內(nèi)傳輸。包層為光的傳輸提供反射面和光隔離,并起一定的機(jī)械保護(hù)作用。設(shè)纖芯和包層的折射率分別為n1和n2,光能量在光纖中傳輸?shù)谋匾獥l件是n1>n2。第4頁(yè),課件共29頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月光纖的分類:(1)單模光纖(singlemodefider,SMF) 單模光纖纖芯折射率n1保持不變,包層折射率為n2,纖芯與包層界面有一個(gè)折射率突變或階躍。纖芯直徑只有8~10um,包層直徑為125um,寫成8/125,9/125等形式。光線以直線形狀沿著纖芯中心軸線方向傳播,這種光纖只能傳輸一個(gè)模式。第5頁(yè),課件共29頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月光纖的分類:(2)多模階躍折射率光纖(stepindexfiber,SIF) 多模階躍折射率光纖折射率分布和單模光纖一樣,纖芯直徑為50~180um,包層直徑為125um,如50/125(歐洲標(biāo)準(zhǔn)),62.5/125(美國(guó)標(biāo)準(zhǔn))。光線以折射形狀沿著纖芯中心軸方向傳播。第6頁(yè),課件共29頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月光纖的分類:(3)多模梯度折射率光纖(gradedindexfiber,GIF)
在纖芯中心軸線上折射率最大為n1,沿著徑向r向外圍逐漸變小,直到包層變?yōu)閚2,這樣光纖纖芯直徑一般為50um。光線以正弦形狀沿著纖芯中心軸方向傳播。
第7頁(yè),課件共29頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月光纖的分類:(4)還有一些特殊光纖,如醫(yī)療和低速網(wǎng)絡(luò)中使用的光纖,參數(shù)為100/140和200/230,以及98/1000規(guī)格的塑料光纖。
第8頁(yè),課件共29頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月
圖2.2三種基本類型的光纖(a)多模階躍折射率光纖;(b)多模梯度折射率光纖;(c)單模光纖
第9頁(yè),課件共29頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月光纖的數(shù)值孔徑:數(shù)值孔徑NA
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),同時(shí)對(duì)連接損耗、微彎損耗以及衰減溫度特性、傳輸帶寬等都有影響。圖12.1中表示出階梯多模光纖可接收的光錐范圍。
第10頁(yè),課件共29頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月光纖的數(shù)值孔徑大小與纖芯折射率,及纖芯-包層相對(duì)折射率差有關(guān)。從物理上看,光纖的數(shù)值孔徑表示光纖接收入射光的能力。NA越大,則光纖接收光的能力也越強(qiáng)。從增加進(jìn)入光纖的光功率的觀點(diǎn)來(lái)看,NA越大越好,因?yàn)楣饫w的數(shù)值孔徑大些對(duì)于光纖的對(duì)接是有利的第11頁(yè),課件共29頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月光纖的數(shù)值孔徑:
但是NA太大時(shí),光纖的?;兗哟螅瑫?huì)影響光纖的帶寬。因此,在光纖通信系統(tǒng)中,對(duì)光纖的數(shù)值孔徑有一定的要求。通常為了最有效地把光射入到光纖中去,應(yīng)采用其數(shù)值孔徑與光纖數(shù)值孔徑相同的透鏡進(jìn)行集光。
數(shù)值孔徑是多模光纖的重要參數(shù),它表征光纖端面接收光的能力,其取值的大小要兼顧光纖接收光的能力和對(duì)模式色散的影響。CCITT建議多模光纖的數(shù)值孔徑取值范圍為0.18~0.23,其對(duì)應(yīng)的光纖端面接收角θc=10°~13°。
第12頁(yè),課件共29頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月光纖的數(shù)值孔徑:(1)最大理論數(shù)值孔徑NAmax
無(wú)論是階躍光纖,還是梯度光纖,最大理論數(shù)值孔徑定義都是:NAmax的物理意義是光纖最大可能接受角的正弦值,反映了光纖收集光的能力。第13頁(yè),課件共29頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月(2)遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度有效數(shù)值孔徑NAeff 遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度有效數(shù)值孔經(jīng)定義為光纖遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖上光強(qiáng)下降到最大值5%處的半張角的正弦值。一般對(duì)于冪次分布的折射率拋面的光纖,有如下關(guān)系:第14頁(yè),課件共29頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月
其中,g為折射率分布指數(shù);為與n有關(guān)的比例系數(shù)(表12.1)給出了g不同的取值kg的值。
g1.01.52.02.510∞kg0.8810.9460.9750.98811第15頁(yè),課件共29頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月g是描述光纖折射率分布曲線參數(shù),對(duì)于實(shí)際光纖的折射率分布曲線可以用半徑的冪指數(shù)來(lái)描述:
其中,r是離光纖纖芯軸的距離,a是光纖纖芯半徑,g是冪指數(shù)。對(duì)于g=1,屬于三角分布,g=2屬于拋物線型分布(梯度分布),表示的是階躍光纖。第16頁(yè),課件共29頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月
一般情況下,梯度光纖接近拋物線分布則n=2,則NA=0.975NA max CCITT在圖12.2方法中測(cè)試數(shù)值孔徑的辦法時(shí)規(guī)定,光源為強(qiáng)度可調(diào)的非相干光源,要求強(qiáng)度和波長(zhǎng)保持穩(wěn)定,探測(cè)器相應(yīng)為線性的。第17頁(yè),課件共29頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介圖:第18頁(yè),課件共29頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月實(shí)驗(yàn)儀器第19頁(yè),課件共29頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月實(shí)驗(yàn)步驟:(1)打開電源,穩(wěn)定光強(qiáng)大約5min;(2)按復(fù)位鍵將電機(jī)復(fù)位,設(shè)定合適的步長(zhǎng);(3)通過(guò)步進(jìn)控制鍵分別測(cè)量記錄1310nm波長(zhǎng)下的G652光纖的遠(yuǎn)場(chǎng)功率隨角度變化的關(guān)系(注意,由于自然雜散光會(huì)影響功率計(jì)的讀數(shù),所以要求在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,對(duì)環(huán)境光的影響要盡量小,并且在讀數(shù)中需要減去雜散光的影響,另外光纖的端面如果沒(méi)有固定好,可能會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn),這樣最后應(yīng)該以實(shí)際達(dá)到5%的兩個(gè)正負(fù)角度的差值的一半為準(zhǔn))。第20頁(yè),課件共29頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月(4)按復(fù)位鍵復(fù)位點(diǎn)擊,關(guān)機(jī)。(5)利用三波長(zhǎng)光源,重復(fù)(1)~(4)步,測(cè)量1550nm的光纖數(shù)值孔徑注意,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中首先要調(diào)節(jié)好入射角度,即光纖出射口與探頭之間的角度。探頭上有水平和豎直兩個(gè)調(diào)節(jié)旋鈕可以調(diào)節(jié)探頭位置,調(diào)節(jié)水平旋鈕可以使得實(shí)驗(yàn)圖像左右移動(dòng),應(yīng)調(diào)節(jié)水平旋鈕直到實(shí)驗(yàn)圖第21頁(yè),課件共29頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月
像關(guān)于中心軸線對(duì)稱,調(diào)節(jié)豎直旋鈕可以使波形發(fā)生變化,應(yīng)調(diào)節(jié)豎直旋鈕直到紅色波形和黑色波形疊加得很好,并且波形滿足遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)角度分布的關(guān)系圖。建議先調(diào)節(jié)豎直旋鈕等到出現(xiàn)合適的波形再調(diào)節(jié)水平旋鈕是圖形對(duì)稱,方便分析。第22頁(yè),課件共29頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月第23頁(yè),課件共29頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析:
觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖像可以看出,當(dāng)入射角度大于9°時(shí),就不能再達(dá)到最大值的5%,所以sin9°就是NAeff NAeff=sin9°=0.1564根據(jù)NAeff=0.975NAmax可以得到
NAmax=NAeff/0.975 =0.1604第24頁(yè),課件共29頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月注意事項(xiàng)光纖兩端制備要清潔,平整光滑與光纖軸垂直。樣品要盤放整齊。樣品輸出端到探測(cè)器的距離必須大雨光纖直徑。第25頁(yè),課件共29頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月實(shí)驗(yàn)感想
任何實(shí)驗(yàn)都沒(méi)有那么簡(jiǎn)單,做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵就是調(diào)整兩個(gè)旋鈕使圖形接近遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布圖,在1310那個(gè)機(jī)器上嘗試了很多次都沒(méi)有做出符合實(shí)驗(yàn)要求的圖形,最后到1550那個(gè)機(jī)器上實(shí)驗(yàn),兩三次就把圖形調(diào)整出來(lái)了,然后接著回到1310那個(gè)機(jī)器上面進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果到下課都沒(méi)有調(diào)整出來(lái),這就說(shuō)明做任何實(shí)驗(yàn)都要有耐心去面對(duì)各種實(shí)驗(yàn)
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