1、光纤特性实验研究一、光纤耦合及光纤器件传输效率测试实验光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。前香港中文大学校长高锟和George A. Hockham首先提出光纤可以用于通讯传输的设想，高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖A】实验原理1.光纤的结构 纤芯材料的主体是二氧化硅，里面掺极微量的其他材料，例如二氧化锗、五氧化二磷等。掺杂的作用是提高材料的光折射率。纤芯直径约575m（芯径一般为50或62.5m）。光纤外面有低折射率包层，包层有一层、二层（内包层、外包层）或多层（称为多层结构），但是总直径在100200m上下（直径一般为125m）。包
2、层的材料一般用纯二氧化硅，也有掺极微量的三氧化二硼，最新的方法是掺微量的氟，就是在纯二氧化硅里掺极少量的四氟化硅。掺杂的作用是降低材料的光折射率。这样，光纤纤芯的折射率略高于包层的折射率。两者折射率的区别，保证光主要限制在纤芯里进行传输。包层外面还要涂一种涂料，是加强用的树脂涂层，可用硅铜或丙烯酸盐。涂料的作用是保护光纤不受外来的损害，增加光纤的机械强度。光纤的最外层是套层，它是一种塑料管，也是起保护作用的，不同颜色的塑料管还可以用来区别各条光纤。2.光纤的数值孔径概念：入射到光纤端面的光并不能全部被光纤所传输，只是在某个角度范围内的入射光才可以。这个角度就称为光纤的数值孔径。光纤的数值孔径大
3、些对于光纤的对接是有利的。不同厂家生产的光纤的数值孔径不同。3.光纤的种类：A.按光在光纤中的传输模式可分为：单模光纤和多模光纤。多模光纤：中心玻璃芯较粗（50或62.5m），可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。例如：600MB/KM的光纤在2KM时则只有300MB的带宽了。因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。单模光纤：中心玻璃芯较细（芯径一般为9或10m），只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但其色度色散起主要作用，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。单模光纤(Si
4、ngle-mode Fiber)：一般光纤跳纤用黄色表示，接头和保护套为蓝色；传输距离较长。多模光纤(Multi-mode Fiber)：一般光纤跳纤用橙色表示，也有的用灰色表示，接头和保护套用米色或者黑色；传输距离较短。B.按最佳传输频率窗口分：常规型单模光纤和色散位移型单模光纤。C.按折射率分布情况分：突变型和渐变型光纤。突变型：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的。其成本低，模间色散高。适用于短途低速通讯，如：工控。但单模光纤由于模间色散很小，所以单模光纤都采用突变型。渐变型光纤：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小，可使高模光按正弦形式传播，这能减少模间色散，提高光纤带宽，增加传输距
5、离，但成本较高，现在的多模光纤多为渐变型光纤。4 .光纤的损耗 在同轴电缆组成的系统中，最好的电缆在传输800MHz信号时，每公里的损耗都在40dB以上。相比之下，光导纤维的损耗则要小得多，传输1.31um的光，每公里损耗在035dB以下若传输155um的光，每公里损耗更小，可达02dB以下。这就比同轴电缆的功率损耗要小一亿倍，使其能传输的距离要远得多。， dB的本【注释】：dB是指功率的比值。 公式：10*log（Wout/Win） 这只是比值，是相对单位，无法表示绝对功率。 dB的扩展： 1） dBm：绝对功率，一般以1mW为基准功率。 公式：10*log（Wout/1mW） 这时，1mW
6、为0dBm，10mW：10dBm，100mW：20dBm，1W：30dBm 此处m表示mW。2） 上面是dB用于功率，以下是dB用于电压。 由公式：W=U2/R有 如两点电阻相同、两点间的比值为 10*log(Uout*Uout)/R)/(Uin*Uin)/R)=20*log(Uout/Uin) 5.光纤适配器俗称法兰盘，用于光纤活动连接器之间的接续和耦合。按耦合之形式分主要有接续（直通）和转接两种，实验室用为接续的法兰盘。B】实验步骤第一部分：将氦氖激光器激光耦合进光纤，并逐步提高耦合效率 通过这个实验认识光纤的数值孔径对于光纤耦合效率的重要性。1. 打开氦氖激光器电源，逐步升高电压，直到光
7、强不在闪烁为止，此时光强已经足够实验使用。2. 将两个反射镜搭好，要求光路走直角，以便于调节。见图 3. 在上述光路中M2后放入100mm透镜，要求透镜光轴和激光重合（自己思考如何调重合？基本重合就好了）4. 将光纤有接头的一端先接入Diode激光，准备用来进行耦合校准用5. 找到经过透镜后He-Ne激光束腰，也就是找到激光在透镜后最细的位置，并标定之。（关于激光的高斯光束性质及束腰的概念可以参考激光原理）6. 我们认为经过光纤耦合后的Diode激光从光纤发出来其束腰（最细的位置）就在光纤的端面上。将He-Ne激光的束腰也放在光纤端面。并粗调满足He-Ne激光和Diode激光光束在M1前面重合
8、，在M2后的光纤端面重合。这时如果调节足够好，拔出接Diode激光的光纤另一头，应该能看到有光射出。（一般不强）7. 接到光功率计上，然后反复调节M1和M2，一直朝耦合光强增大的方向调节，一般能调节到30UW量级以上。最终调节的耦合光强： 共读数5次，记录每次的光强，取其平均值光强单位:瓦（w）次数功率Power(W)12345平均值【选做思考】：通过已知条件：现在透镜的焦距，透镜和光纤头的位置，入射透镜物方为平行光，自己调研高斯光束性质，可以粗略确定光纤的数值孔径。第二部分：现在光纤耦合激光已经基本做好，保持光强不变，固定好光纤尾部，不能再碰，以免实验数据不准确。下面进入实验的第二部分，计算
9、不同的光纤光学器件损耗和精度，以及光纤的损耗（针对He-Ne激光，红光）。1. 先将耦合好的光接入50%：50%的光纤分路器，如图将Power Meter分别接到两个输出端，测试其功率12345678平均输出1输出2计算比例是否为50%:50%?2. 先接功率计先测量功率，然后接上不同种类光纤，测量功率，计算每米损耗用小数表示。假设每米输入w1功率，输出W2功率，则=w1/w2，并用实验原理，将其改写为dB表示。Fiber123456长度（m）输入功率W1（瓦）输出功率W2（瓦）3. 求出法兰盘（flange）的插入损耗，同样，用小数和dB分别表示。提示：利用上边的光纤测试结果，接入法兰盘，然
10、后间接测试法兰损耗，必须将法兰接紧。（如下图）先接好已知损耗光纤1，然后再后面A点直接用功率计记录数据，然后接入待测法兰2，以及已知光纤2，再在B点记录数据，利用两点的数据以及光纤2的传输效率，就可以计算法兰2的插入损耗。【要求，没个点测5个数据，求平均】，给出法兰插入损耗？思考题：1. 实验中为什么不直接用光纤耦合激光，而是中间加入了透镜，透镜的位置有影响吗？在调节耦合效率过程中你有什么心得？（选作：光纤的模式和激光模式如何匹配？）2. 实验中有哪些地方可能造成光纤，法兰，以及光纤分路器的测量误差？如何减小？3. 计算其中3号光纤如果改为150m，500m，1Km时的光纤损耗为多少？用dB表
11、示。4 实验步骤第一部分第6步为什么这样做能将He-Ne激光耦合进入光纤？其原理是什么？二、利用光栅光谱仪测定白光成分以及光纤通频带实验实验原理：1. 光栅光谱仪光栅光谱仪是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器。光栅光谱仪被广泛应用于颜色测量、化学成份的浓度测量或辐射度学分析、膜厚测量、气体成分分析等领域中。光谱分析方法作为一种重要的分析手段，在科研、生产、质控等方面，都发挥着极大的作用。无论是穿透吸收光谱，还是荧光光谱，拉曼光谱，如何获得单波长辐射是不可缺少的手段。由于现代单色仪可具有很宽的光谱范围（UV- IR），高光谱分辨率（到0.001nm）,自动波长扫描，完整的电脑控制功能极易与其他
12、周边设备融合为高性能自动测试系统，使用电脑自动扫描多光栅单色仪已成为光谱研究的首选。 当一束复合光线进入单色仪的入射狭缝，首先由光学准直镜汇聚成平行光，再通过衍射光栅色散为分开的波长（颜色）。利用每个波长离开光栅的角度不同，由聚焦反射镜再成像出射狭缝。可精确地改变出射波长。 2.光栅方程 相邻两刻槽间距离为d，设入射光线与光栅法线成角入射，此时不同波长的光衍射方向是不同的，如波长为入的光将与法线成角的方向衍射。两相邻刻槽的衍射光A和B，在到光栅前，光线B多走光程为dsin，而经光栅衍射后光线A又比光线B多走dsin，故衍射光A和B经光栅衍射后光程差为d(sinsin)。衍射光产生干涉，按干涉原
13、理，当光程差为波长的整倍数时，起到了增强和迭加作用。因此，对于波长为入的光，其衍射方向应满足方程d(sinsin)=m (m为正整数)显然，如果衍射光线和入射光线同在法线一侧，则光程差为：d(sin+sin)=m 由此得到下列光栅方程：d(sinsin)=m 式中：d相邻两刻线间的距离，称光栅常数。入射角，即入射光束和光栅法线夹角。衍射角，即衍射光束和光栅法线夹角。如与都在光栅法线同一侧，方程取“+”号。如与都在光栅法线异侧时，方程取“”号，衍射光的波长，m干涉级或称光谱级。对于给定d和值，计算不同波长光的值时，如为负值，即表示入射光和衍射光在法线的异侧；如为正值，即表入射光和衍射光在法线的同
14、侧。光栅方程公式对每个不同的m值有相应的光谱，这称光谱的级。 3. 分辨率光栅的分辨本领指的它能分开相邻谱线的能力。当然光栅分辨本领同它的角色散率有关。但并不是一回事，两者有不同的概念。如果波长+的谱线刚好能与波长谱线分开，在这个光谱区域的分辨本领的定义用R=d来表示，称之为理论分辨率4. 光纤的通过频谱光纤的通频带很宽.理论可达30亿兆赫兹。在信号传输系统中,系统输出信号从最大值衰减3dB的信号频率为截止频率,上下截止频率之间的频带称为通频带,用BW表示。实验步骤：A】光栅光谱仪粗略测量白光光谱（相当于我们自己搭建一个粗略的光栅光谱仪）1. 打开白光灯（注意：白光灯不能加热时间过长，否则可能
15、烧掉，实验每30分钟要关掉冷却5分钟），调节光栅光谱仪，使得从狭缝出射的光为红色光。2. 使用光纤耦合及光纤器件传输效率测试实验中的实验步骤第一部分调好光栅光谱仪从狭缝出射的光收集，利用实验平台上给出的白色短光纤。3. 将光纤的另外一头接入功率计，然后调节两个反射镜M1和M2直至收集红光光强最大4. 在认为本实验中的白色光纤对光强损耗不大的情况下，近似看做各种频率的光从光纤损耗一样。那么可以用这套系统测试白光发出的光谱。调节光栅的位置读数，并且每调好一种位置，微调(因为收集的效率不会降低太多)两个反射镜，然后测试这个位置的光强。测试不同的谱线位置。每个位置光强读取5个点，并求其平均值。注：光谱
16、仪位置根据光的颜色自己合理选择。 单位：瓦（w）光谱仪位置123456789光的颜色光强1光强2光强3光强4光强5平均光强最后画出直方图，横轴为光谱仪的位置读数，纵轴为光强。标出方差。下面是示例图，具体图形自己根据测量参数绘制，即就是得到了粗略的白光光谱。B】测试不同光纤的通过频带范围1. 将收集好的光纤用法兰盘接入短的黄色光纤2. 光纤另外一头接功率计，调节光谱仪的位置，测试不同波长的光透过功率，在通频带附近要求较为细致测量。位置亦要求根据光纤透过的功率自行选择。下图为每种光纤的测试表格。光纤标号： 功率单位：瓦 W光谱仪位置123456789功率1功率2功率3平均1】同样画出每种光纤的通频带直方图，然后进行高斯拟合。2】计算出最佳传输频率和通频带半高宽。 图形横纵坐标样式和上面示例图一样。思考题：1. 上边的实验是否需要在测试光纤通频带过程先将需要测的点输入功率归一化？你是否在试验步骤中想到了这个问题？2. 用推导出来的光纤通频带半高宽来计算通过的光波长范围，波长取当时测量颜色对应的通常使用波长值。（提示：从公式C=*推导）3. 实验在测量白光光谱中有哪个假设是不精确的？如果有直接可以测量功率的功率计，那么应该如何改进实验？
