光纤数值孔径的测量方法的探究

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1、大学物理实验光纤技术专题论文光纤数值孔径的测量方法的探究学院理学院班级学号姓名教师张进宏实验日期2012年9月18日至2012年10月9日3目录一、引言1二、测量数值孔径的方法21、功率法测数值孔径22、光斑光强渐变法测量数值孔径23、光纤传感仪法测量数值孔径2三、总结与反思3四、参考文献3五、致谢33摘要：数值孔径NA(NumericalAperture)是用来表征光纤聚光能力和与光源耦合的难易程度的一个重要光学参数。它对光纤的连接损耗以及衰减特性有较大影响，并在一定程度上影响了光纤的传输带宽。精确测量数值孔径不仅有助于

2、进行光纤传输系数的计量，对光纤的连接技术也非常重要。现在，物理上主要采用远场光强法，远场光斑法和折射近场法三种方法来测量数值孔径。同时，随着时代的发展，有更多新的更精确的方法被应用。本文中简要介绍并探究了几种具体测量光纤数值孔径的方法。关键词：光纤；数值孔径；功率法；光斑渐变法；一、引言光纤是光导纤维（OpticalFiber）的简写，是一种由石英或玻璃制成的极细的纤维状物质，是利用光的全反射原理导引光波的新型光传输介质。利用光纤实现低损耗传输信息的可能性最初是在1966年由英籍华人、前香港中文大学校长高锟在其论文《光频率

3、介质纤维表面波导》中提出的。随后，世界性的光纤通信革命展开，光纤技术迅猛发展。1970年美国康宁公司三名科研成员马瑞尔、卡普隆、凯克首次研制成功传输损耗只有20dB/km的石英光纤。1990年，传输损耗已经接近理论石英光纤损耗极限值，即0.1dB/km。随后，光纤系统进入实用化和商用化阶段，让人类的生活更加方便高效。光纤的结构一般分为三个部分：最外层是起到加强作用的树脂涂层，中间为低折射率硅玻璃包层，最里层为高折射率玻璃心。光纤的基本光学特性参数有数值孔径，耦合效率，相对折射率差和分辨率等。其中耦合效率以及数值孔径相对来说

4、，最为重要。光纤的数值孔径（NA）的大小一定程度上反映了光纤信息传输能力的高低。数值孔径越大，代表光纤可以更好地捕捉光射线，从而提高光线与光源的耦合效率，增加进入光纤的光功率，达到使用者的预期目的。但是物极必反，如果数值孔径过大，那么光纤的模畸变加大，将引起光的模式色散的增加，降低光纤带宽。因此，在光纤通信系统的实际应用中，对光纤的数值孔径是有范围要求的。光纤数值孔径的测量也就愈发紧要了。数值孔径的测量原理如下：因为光波在光纤中是利用全反射原理进行传播的。入射光的入射角度只有在某一范围内才能够全部被光纤所传输。若把最大接受

5、角的角度记为，并设周围介质折射率为,光纤纤芯折射率为，包层折射率为。则光纤数值孔径计算式为：3越大，数值孔径就越大，则进入光线中传递的光通量就越多，因此也被称为系统可收集的最大光线锥的半角，也可被称为光纤输出光发散角的半角。一般多模光纤数值孔径取值范围是0.18～0.23，所对应的光纤端面接收角=10°～13°。光纤的数值孔径通常采用的方法分为“近场法”和“远场法”。其中“近场法”是通过数值孔径的定义，测出介质折射率，根据定义公式推算出理论数值孔径。“远场法”定义为光纤远场辐射图上光强值下降到最大值的5%处的半张角的正弦值

6、。一、测量数值孔径的方法1、功率法测数值孔径根据数值孔径的定义，周围介质为空气，只要测量出光纤输出光的发散角的半角，即可算出数值孔径。利用功率法测量，对仪器要求较低，因此适于在大学物理教学中使用。这也是我们实际采用的测量方法。实验原理图如下：实验过程首先耦合好光纤，将输出光强调整到近似的高斯分布，并稳定。将数值孔径测量附件的探头光阑置于ψ6.0处，并将功率探头紧贴光输出端面，记下此时功率值。向后移动探头，在不同位置依次测量功率。若所测到最大功率为输出光全部进入探头时所测得的最大功率的90%，则表明此时光斑直径即为6mm。记

7、下此时光纤端面到探头光阑之间的距离H，由此计算出光纤的数值孔径。2、光斑光强渐变法测量数值孔径3、光纤传感仪法测量数值孔径3一、总结与反思四、参考文献五、致谢感谢这近一个月的实验过程中，张进宏老师和助教的指导，组员刘来滨和冯建学同学的帮助。因为他们的存在才使我的光纤专题实验顺利进行。3