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5~~75μm（芯径一般为50或62.5μm）。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100~200μm上下（直径一般为125μm）。包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62.5μm），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10μm），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(Single-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0．35dB以下若传输1．55um的光，每公里损耗更小，可达0．2dB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，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 1 2 3 4 5 平均值 功率Power(W) 【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 输出1 输出2 1 2 3 4 5 6 7 8 平均 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η用小数表示。
假设每米输入w1功率，输出W2功率，则η=w1/w2，并用实验原理，将其改写为dB表示。 Fiber 1 2 3 4 5 6 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？
光纤特性实验研究实验报告
