单模光纤数值孔径的测量课件.ppt

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1、单模光纤数值孔径的测量,电科091 蒋文辉,实验目的：,1.熟悉光纤的结构特点及分类2.掌握光纤数值孔径的定义的测量方法,实验原理：,1.光纤的结构图,光纤的结构：,光纤（Optical Fiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1n2。,光纤的分类：,（1）单模光纤（single mode fider,SMF）单模光纤纤芯折射率n1保持不变,包层折射率为n2，纤芯与包层界面有一个折射率

2、突变或阶跃。纤芯直径只有810um,包层直径为125um，写成8/125,9/125等形式。光线以直线形状沿着纤芯中心轴线方向传播，这种光纤只能传输一个模式。,光纤的分类：,（2）多模阶跃折射率光纤（step index fiber,SIF）多模阶跃折射率光纤折射率分布和单模光纤一样，纤芯直径为50180um，包层直径为125um，如50/125（欧洲标准），62.5/125（美国标准）。光线以折射形状沿着纤芯中心轴方向传播。,光纤的分类：,（3）多模梯度折射率光纤(graded index fiber,GIF)在纤芯中心轴线上折射率最大为n1，沿着径向r向外围逐渐变小，直到包层变为n2，这样

3、光纤纤芯直径一般为50um。光线以正弦形状沿着纤芯中心轴方向传播。,光纤的分类：,(4)还有一些特殊光纤，如医疗和低速网络中使用的光纤，参数为100/140和200/230，以及98/1000规格的塑料光纤。,图 2.2三种基本类型的光纤(a)多模阶跃折射率光纤；(b)多模梯度折射率光纤；（c）单模光纤,光纤的数值孔径：,数值孔径NA 光纤数值孔径（NA）是光纤能接收光辐射角度范围的参数，同时它也是表征光纤和光源、光检测器及其它光纤耦合时的耦合效率的重要参数，同时对连接损耗、微弯损耗以及衰减温度特性、传输带宽等都有影响。图12.1中表示出阶梯多模光纤可接收的光锥范围。,光纤的数值孔径大小与纤芯

4、折射率，及纤芯包层相对折射率差有关。从物理上看，光纤的数值孔径表示光纤接收入射光的能力。NA越大，则光纤接收光的能力也越强。从增加进入光纤的光功率的观点来看，NA越大越好，因为光纤的数值孔径大些对于光纤的对接是有利的,光纤的数值孔径：,但是NA太大时，光纤的模畸变加大，会影响光纤的带宽。因此，在光纤通信系统中，对光纤的数值孔径有一定的要求。通常为了最有效地把光射入到光纤中去，应采用其数值孔径与光纤数值孔径相同的透镜进行集光。数值孔径是多模光纤的重要参数，它表征光纤端面接收光的能力，其取值的大小要兼顾光纤接收光的能力和对模式色散的影响。CCITT 建议多模光纤的数值孔径取值范围为0.180.23

5、，其对应的光纤端面接收角c=1013。,光纤的数值孔径：,（1）最大理论数值孔径NAmax无论是阶跃光纤，还是梯度光纤，最大理论数值孔径定义都是：,NAmax的物理意义是光纤最大可能接受角的正弦值，反映了光纤收集光的能力。,（2）远场强度有效数值孔径NAeff远场强度有效数值孔经定义为光纤远场辐射图上光强下降到最大值5%处的半张角的正弦值。一般对于幂次分布的折射率抛面的光纤，有如下关系：,其中，g为折射率分布指数；为与n有关的比例系数（表12.1）给出了g不同 的取值kg的值。,g是描述光纤折射率分布曲线参数，对于实际光纤的折射率分布曲线可以用半径的幂指数来描述：其中，r是离光纤纤芯轴的距离，

6、a是光纤纤芯半径，g是幂指数。对于g=1，属于三角分布，g=2属于抛物线型分布（梯度分布），表示的是阶跃光纤。,一般情况下，梯度光纤接近抛物线分布则n=2,则NA=0.975NAmax CCITT在图12.2方法中测试数值孔径的办法时规定，光源为强度可调的非相干光源，要求强度和波长保持稳定，探测器相应为线性的。,实验简介图：,实验仪器,实验步骤：,（1）打开电源，稳定光强大约5min；（2）按复位键将电机复位，设定合适的步长；（3）通过步进控制键分别测量记录1310nm波长下的G652光纤的远场功率随角度变化的关系（注意，由于自然杂散光会影响功率计的读数，所以要求在实验过程中，对环境光的影响要

7、尽量小，并且在读数中需要减去杂散光的影响，另外光纤的端面如果没有固定好，可能会发生偏转，这样最后应该以实际达到5%的两个正负角度的差值的一半为准）。,（4）按复位键复位点击，关机。（5）利用三波长光源，重复（1）（4）步，测量1550nm的光纤数值孔径注意，实验过程中首先要调节好入射角度，即光纤出射口与探头之间的角度。探头上有水平和竖直两个调节旋钮可以调节探头位置，调节水平旋钮可以使得实验图像左右移动，应调节水平旋钮直到实验图,像关于中心轴线对称，调节竖直旋钮可以使波形发生变化，应调节竖直旋钮直到红色波形和黑色波形叠加得很好，并且波形满足远场光强角度分布的关系图。建议先调节竖直旋钮等到出现合适

8、的波形再调节水平旋钮是图形对称，方便分析。,数据处理,实验结果分析：观察实验结果图像可以看出，当入射角度大于9时，就不能再达到最大值的5%，所以sin9 就是NAeffNAeff=sin 9=0.1564根据NAeff=0.975NAmax可以得到NAmax=NAeff/0.975=0.1604,注意事项,光纤两端制备要清洁，平整光滑与光纤轴垂直。样品要盘放整齐。样品输出端到探测器的距离必须大雨光纤直径。,实验感想,任何实验都没有那么简单，做这个实验的关键就是调整两个旋钮使图形接近远场光强分布图，在1310那个机器上尝试了很多次都没有做出符合实验要求的图形，最后到1550那个机器上实验，两三次就把图形调整出来了，然后接着回到1310那个机器上面进行实验，结果到下课都没有调整出来，这就说明做任何实验都要有耐心去面对各种实验，即使是十分简单的实验，也要像,对待最复杂的实验一样来对待，不能浮躁，更不能敷衍对待。走出实验，对待任何事也要有耐心，认真对待，才能有所新的发现。,谢谢！,