光纤数值孔径（NA）性质与参数测量实验.doc

《光纤数值孔径（NA）性质与参数测量实验.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、实验一光纤数值孔径(NA)性质与参数测量实验实验一光纤数值孔径（NA）性质与参数测量实验一、实验目的1、学习光在光导纤维中传播的基本原理2、掌握测量通信石英光纤的数值孔径2、熟练光学调节技术及熟悉光功率计二、实验仪器1、光源1台2、读数旋转台1个3、三维微调架1个4、光纤两根（单模、多模各一根）2根5、光纤适配器1个6、光斑屏1个7、光功率计1个三、实验原理1、光纤的基本构造光纤的构造如图1－1所示。它主要有纤芯、包层、涂敷层及套塑四部分组成。(1)纤芯纤芯位于光纤的中心部位。它主要成分是高纯度的二氧化硅，其纯度高达99.99999%，

2、其余成分为掺入的少量掺杂剂，如五氧化二磷(P2O5)和二氧化锗（GeO2）。掺杂剂的作用是提高纤芯的折射率。纤芯的直径一般为5~50微米。(2)包层包层也是含有少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。掺杂剂有氟和硼。这些掺杂剂的作用是降低包层的折射率。包层的直径2b一般为125微米。(3)涂敷层包层的外面涂敷一层很薄的涂敷层。通常进行两次涂敷，涂敷层材料一般为环氧树脂或硅橡胶。该层的作用是增强光纤的机械强度。(4)套塑涂敷层之外就是套塑。套塑的原料大都是采用尼龙或聚乙稀。它的作用也是加强光纤的机械强度。一般没套塑层的光纤称为裸光纤。2、光纤的传光原

3、理5实验一光纤数值孔径(NA)性质与参数测量实验（1）光纤的传光原理：采用几何光学来分析时主要包括光的反射、折射和全反射等。采用波动理论分析时主要包括导模、模数、双折射等。（2）光在光纤中的传播主要有二种类型，如图1－2所示。（a）阶跃型光纤其光纤折射率呈阶跃型分布。该种光纤的纤芯折射率均匀且比包层高，以保证传输光能在纤芯和包层的界面上实现全反射，光传输轨迹为锯齿形。当光纤NA大时，反射次数多、损耗大。阶跃光纤是光纤应用的基本类型。（b）渐变型光纤其纤芯的折射率呈曲面分布，使传输光的轨迹为光滑曲线（如正弦函数曲线），也称蛇形传光。其优点

4、是NA大，色散和损耗较小，传输距离大，但价格高。另外，在单模光纤中，纤芯的直径很小，光线几乎是沿着光纤轴传播的。3、光纤的传输模式对于阶跃光纤，光纤中的传输模式与波导参数V有关。波导参数V的定义为：V=2pa(NA)/l(1-1)式中a——光纤纤芯的半径；NA——光纤的数值孔径；l——入射光波长。在光纤NA保持一定的情况下，光纤的芯径越大，则波导参数越大。光纤能传播的模式也越多，当V≤2.4的时候光纤就只能传播单一模式，这种光纤称为单模光纤；当V>2.4时能传播多种模式，例如V≤3.8时，光纤就传输四种模式()，在这种光纤输出端可观测到

5、对应于这4种模式的4种光斑类型，所以一般V>2.4的光纤就称为多模光纤。图1-4是光脉冲在多模光纤和单模光纤中的传输性能示意图。由图1-4可见，多模光纤损耗大、色散较强，因而脉冲畸变严重；而单模光纤损耗和色散性能都较佳，对光脉冲的影响较小。光纤长距离通讯中的光纤是用单模光纤，就是这个原因。4、光纤的光学参数和特性（1）光纤的数值孔径数值孔径（NA）是衡量一根光纤当光线从其端面入射时，它接收光能大小的一个重要参数，也就是说它是反映光纤捕捉光线（或聚光）能力大小的一个参数。如图六所示，通常我们考虑的是光纤中子午光线的数值孔径。设θc为光纤内

6、产生全反射时的临界角，则可知Sinθc=n2/n1.因为光是从空气（n05实验一光纤数值孔径(NA)性质与参数测量实验=1）入射到光纤端面的，所以根据图五，可得由此又可得(1-2)通常，通讯中用的光纤为弱导光纤，其纤芯和包层的折折率差很小，可近似认为n1+n2≈2n1，若定义相对折射率差为△=(n1-n2)/n1,则(1-3)这就是光纤的数值孔径的定义式，称之为光纤的最大理论数值孔径。光纤的数值孔径的测试通常采用方法有：“近场法”和“远场法”。A、“近场法”是根据数值孔径的定义，测出折射率n1和n2，求得数值孔径NA为。由这种方法测出的

7、数值孔径称为“理论数值孔径”或“标称数值孔径”。B、“远场法”如实验所述的测量光纤的数值孔径（NA）的两种方法。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。图1－6示出了阶梯多模光纤可接收的光锥范围。因此光纤数值孔径就代表光纤能传输光能的大小，光纤的NA大，传输能量本领大。NA的定义式是no*Sinθ=（1－4）式中n0为光纤周围介质的折射率，θ为最大接受角。n1和n2分别为光纤纤芯和包层的折射5实验一光纤数值孔径(NA)性质与参数测量实验率。光纤在均匀光

8、场下，其远场功率角分布与理论数值孔径有如下关系：（1－5）其中θ是远场辐射角，Ka是比例因子，由下式给出：（1－6）式中P（0）与P（θ）别分θ=0和θ=θ处远场辐射功率，g为光纤折射率分布参数。计算结果表