單模光纖數(shù)值孔徑的測量

關(guān)于單模光纖數(shù)值孔徑的測量實驗?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)值孔徑的定義的測量方法第2頁,共29頁，2024年2月25日，星期天實驗原理：1.光纖的結(jié)構(gòu)圖

第3頁,共29頁，2024年2月25日，星期天光纖的結(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,共29頁，2024年2月25日，星期天光纖的分類：（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模式。第5頁,共29頁，2024年2月25日，星期天光纖的分類：（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,共29頁，2024年2月25日，星期天光纖的分類：（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,共29頁，2024年2月25日，星期天光纖的分類：(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。

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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,共29頁，2024年2月25日，星期天光纖的數(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)，同時對連接損耗、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,共29頁，2024年2月25日，星期天光纖的數(shù)值孔徑大小與纖芯折射率，及纖芯－包層相對折射率差有關(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)來看，NA越大越好，因為光纖的數(shù)值孔徑大些對于光纖的對接是有利的第11頁,共29頁，2024年2月25日，星期天光纖的數(shù)值孔徑：

但是NA太大時，光纖的?；兗哟?，會影響光纖的帶寬。因此，在光纖通信系統(tǒng)中，對光纖的數(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，其對應(yīng)的光纖端面接收角θc=10°～13°。

第12頁,共29頁，2024年2月25日，星期天光纖的數(shù)值孔徑：（1）最大理論數(shù)值孔徑NAmax

無論是階躍光纖，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,共29頁，2024年2月25日，星期天（2）遠(yuǎn)場強(qiáng)度有效數(shù)值孔徑NAeff 遠(yuǎn)場強(qiáng)度有效數(shù)值孔經(jīng)定義為光纖遠(yuǎn)場輻射圖上光強(qiáng)下降到最大值5%處的半張角的正弦值。一般對于冪次分布的折射率拋面的光纖，有如下關(guān)系：第14頁,共29頁，2024年2月25日，星期天

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,共29頁，2024年2月25日，星期天g是描述光纖折射率分布曲線參數(shù)，對于實際光纖的折射率分布曲線可以用半徑的冪指數(shù)來描述：

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,共29頁，2024年2月25日，星期天

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方法中測試數(shù)值孔徑的辦法時規(guī)定，光源為強(qiáng)度可調(diào)的非相干光源，要求強(qiáng)度和波長保持穩(wěn)定，探測器相應(yīng)為線性的。第17頁,共29頁，2024年2月25日，星期天實驗簡介圖：第18頁,共29頁，2024年2月25日，星期天實驗儀器第19頁,共29頁，2024年2月25日，星期天實驗步驟：（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；（3）通過步進(jìn)控制鍵分別測量記錄1310nm波長下的G652光纖的遠(yuǎn)場功率隨角度變化的關(guān)系（注意，由于自然雜散光會影響功率計的讀數(shù)，所以要求在實驗過程中，對環(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有固定好，可能會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這樣最后應(yīng)該以實際達(dá)到5%的兩個正負(fù)角度的差值的一半為準(zhǔn)）。第20頁,共29頁，2024年2月25日，星期天（4）按復(fù)位鍵復(fù)位點(diǎn)擊，關(guān)機(jī)。（5）利用三波長光源，重復(fù)（1）~（4）步，測量1550nm的光纖數(shù)值孔徑注意，實驗過程中首先要調(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驗圖像左右移動，應(yīng)調(diào)節(jié)水平旋鈕直到實驗圖第21頁,共29頁，2024年2月25日，星期天

像關(guān)于中心軸線對稱，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)水平旋鈕是圖形對稱，方便分析。第22頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第23頁,共29頁，2024年2月25日，星期天數(shù)據(jù)處理實驗結(jié)果分析：

觀察實驗結(jié)果圖像可以看出，當(dāng)入射角度大于9°時，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,共29頁，2024年2月25日，星期天注意事項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。樣品輸出端到探測器的距離必須大雨光纖直徑。第25頁,共29頁，2024年2月25日，星期天實驗感想

任何實驗都沒有那么簡單，做這個實驗的關(guān)鍵就是調(diào)整兩個旋鈕使圖形接近遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布圖，在1310那個機(jī)器上嘗試了很多次都沒有做出符合實驗要求的圖形，最后到1550那個機(jī)器上實驗，兩三次就把圖形調(diào)整出來了，然后接著回到1310那個機(jī)器上面進(jìn)行實驗，結(jié)果到下課都沒有調(diào)整出來，這就說明做任何實驗都要有耐心去面對各種實驗，即使是十分簡單的實驗，也要像第26頁,共29頁，2024