实验九 单模光纤损耗特性和截止波长测量 一、实验目的：
了解单模光纤的工作原理及有关特性； 把握阶跃型光纤截止波长的测量方法；
二、实验原理简介：
1．光纤的结构与导波特性
光纤是一种高度透亮的玻璃丝，由纯石英经复杂的工艺拉制而成，从横截面上看差不多由3部分组成，即折射率较高的芯区，折射率较低的包层和表面涂层。按照芯区折射率径向分布的不同，可分为两类光纤，折射率在纤芯与包层介面突变的光纤称为阶跃光纤；折射率在纤芯内按某种规律逐步降低的光纤称为渐变光纤，不同的折射率分布，传输特性完全不同。图1给出了这两种光纤横截面的折射率分布，其典型尺寸为：单模光纤纤芯直径2a=8-12um，包层直径2b=125um；多模光纤2a=50um，2b=125um。对单模光纤，2a与λ处同一量级，由于衍射效应，模场强度有相当一部分处于包层中，不易精确测出2a的精确值，因而只有结构设计上的意义，在应用中并无实际意义，实际应用中常用模场或模斑直径(MFD)表示。
图1：阶跃光纤(a)与渐变光纤(b)的横截面和折射率分布
图2：光在光纤中的传播途径
图2所示为阶跃光纤剖面，入射光在纤芯和包层的界面发生全反射，所有满足全反射条件的光线都将被限制在纤芯中，这是光纤约束和导引光传输的差不多机制。图3所示为渐变光纤剖面，渐变光纤的芯区折射率不是一个常数，它从芯区中心的最大值n1逐步降低到纤芯-包层界面的最小值n2，大部分渐变光纤按二次方规律下降。在阶跃光纤中光线以曲折的锯齿形式向前传播，而在渐变光纤中则以一种正弦振荡形式向前传播。如图可见，类似于阶跃光纤，入射角大的光线路径长，由于折射率的变化，光速
在沿路径变化，尽管沿光纤轴线传播路径最短，但轴线上折射率最大，光传播最慢，而斜光线的大部分路径在低折射率的介质中传播，尽管路径长，但传输得快，因而合理设计折射率分布，可使所有光线同时到达光纤输出端，降低了多径或模间色散。
图3：渐变光纤中的光线轨迹
光纤是光纤通信的传输媒质，用石英材料制成，属于介质波导，可将光线限制在光纤芯子中传播。光纤的要紧特性是损耗、色散和非线性。
2．光纤的损耗特性：
光纤损耗是通信距离的固有限制，在给定发送功率和接收机警敏度条件下，它决定了从光发送机到光接收机之间的最大距离，损耗过大将严峻阻碍通信系统的性能。
光纤的衰减机理要紧有三种：即光能量的吸取损耗、散射损耗和辐射损耗。吸取损耗与光纤材料有关，散射损耗则与光纤材料及光纤中的结构缺陷有关，而辐射损耗则由光纤几何形状的微观和宏观扰动引起。光纤的损耗用衰减系数α表示:
α[dB/km]=-10/L×lg(Pout/Pin)
图4：单模光纤的损耗谱特性
图4为光纤衰减系数随波长的变化曲线，图5为光纤衰减研究的进展情形。早期，由于技术上的缘故光纤通信只能利用0.8-0.9um的短波长波段，因为那个波段的损耗最小，且可得到与之匹配的光源与光电探测器。随着光纤杂质浓度的降低，光纤衰减大为减小。1.3um和1.5um是光纤的另两个低损耗窗口。目前，在1.3um波段，商品光纤的衰减为0.35dB／km，而在1.5um波段为0.25dB／km，已接近光纤固有损耗的极限。当更进一步减小光纤损耗时，能够得到在1.45～1.65um波段的低损耗。这将极大地扩展光纤的可用带宽。
图5：光纤衰减研究的进展情形
3．阶跃光纤的截止波长测量
光纤是一种介质波导，在光纤内传输的导波有各种不同模式。关于一定波长的光，它在光纤内传输时包含哪些模式，取决于光纤的内部结构(n1、n2、a和b的数值)。在光纤传输理论中，通常以归一化频率V来表征光纤的特性，理论分析表明，各模式在V逐步变小达到某—数值时将会截止，即V小于某一数值以后，该种模式将不能在光纤中传输，弱波导纤维各低阶模式的截止归一化频率如下：
LP01模 Vc=0 LP11模 Vc=2.405 LP21模 Vc=3.832 LP02模 Vc=3.832
从以上数据能够看出，LP01模的截止频率等于0，即不论V等于什么数值，它都能够在光纤内传输，因此称为基模，在V<2.405时，光纤中只有单一的基模传输。在这范畴内工作的光纤称为单模光纤，它具有色散小，信息容量大等特点。关于一根特定的光纤(a，n1，A已确定)，只要波长充分长，总能够单模方式传输，开始实现单模传输的波长称为截止波长λc, λ>λc时，只有基模传输,各高阶模都被截止。
图4：光纤弯曲损耗与波长的关系
光纤弯曲时，在光纤内传输的光有一部分辐射到光纤之外，光纤内导波的强度将发生衰减。通过理论分析可知，由弯曲而引起的附加损耗在各模的截止点邻近专门明显，而在偏离截止点稍远处附加损耗却专门小。附加损耗与波长的关系如图4所示。测量附加损耗与波长的关系，就能够定出光纤的截止波长(λc对应于波长最大的那个附加损耗峰)。
三、实验装置：
图2 光纤截止波长测量实验装置图 四、实验内容： 实验装置连接
按图示光路连接实验装置，溴钨灯电源连接至LVS输出，缓慢增加LVS输出电压至12V
将实验仪主机背板通讯接口用串行通讯电缆连接至运算机主机COM1口，打开实验仪主机电源后再运行运算机上的测试软件。
单模光纤截止波长测量
将溴钨灯辐射光束耦合进入单模光纤，单模光纤输出接入光谱分析器，输出狭缝置2mm。
保持单模光纤为自然舒展状态，将光谱分析器功率探头输出连接至PD，OPMMOD置PD/mW，量程(OPMRTO)置10nW档。
测量单模光纤输出光谱，波长范畴900-1300nm，波长间隔0.1nm。 将此光谱设为损耗谱运算基准。
将单模光纤按直径30mm绕5圈，测量现在的单模光纤输出光谱。 求单模光纤弯曲损耗谱，确定单模光纤截止波长。
五、注意事项：
系统上电后禁止将光纤连接器对准人眼，以免灼伤。
光纤连接器陶瓷插芯表面光洁度要求极高，除专用清洁布外禁止用手触摸或接触硬物。空置的光纤连接器端子必须插上护套。
所有光纤均不可过于弯曲，除专门测试外其曲率半径应大于30mm。
实验十 光纤色散测量 一、实验目的：
了解单模光纤的色散特性； 把握光纤色散系数的测量方法；
二、实验原理简介：
光纤的色散是指光纤中不同的频率成分和不同的模式成分传输速度不同而使信号散开的现象。色散导致光脉冲产生相当大的展宽(约10us/km)，引起相邻脉冲发生重叠，阻碍光纤的带宽，从而限制光纤的传输容量和传输距离。多模光纤有专门大的模间色散，不同的模式对应有不同的模折射率或有效折射率，不同模式间的有效折射率差，将导致群速度的不同和脉冲展宽。单模光纤不存在模间色散，但由光源发射进入光纤的光脉冲能量包含许多不同频率重量，脉冲的不同频率重量将以不同的群速度传输，因而在传输过程中将显现脉冲展宽，称为群速色散(GVD)、模内色散或简言之为光纤色散。模内色散的要紧来源有两种：
(1)材料色散。它是纤芯材料的折射率随波长变化而引起的，这使得一个给定模式的群速度产生对波长的依靠关系。
(2)波导色散。它是因模式的传播常数β随α/λ变化而产生的，这是单模光纤色散的要紧缘故。在多模光纤中能够忽略，多模光纤色散中模间色散起支配作用。
常规光纤的零色散波长在1.3um处。将零色散波长由1.3um移到1.5um处，就得到了色散位移光纤。这种光纤已投入使用。还有一种超宽带低色散光纤，它在专门宽的频带范畴内具有低色散。如果在专门宽的频带内能同时得到低损耗和低色散，则可充分发挥光纤的宽带潜力，扩展其传输容量。图1为不同光纤的色散特性。
图1：不同光纤的色散特性
光纤色散测试方法有相移法、干涉法和脉冲时延法，其中相移法最为常用。相移法是通过测量用正弦波调制的不同波长的光信号经光纤传输后
光纤通信与光电子技术实验指导书
