e10单模光纤光纤数值孔径

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1、实验10单模光纤光纤数值孔径（NA）的性质和测量实验一、实验目的1．熟悉光纤的结构特点及分类。2．熟悉光纤数值孔径的定义和物理方法3．掌握测量光纤数值孔径的基本方法。二、实验原理和设备光纤数值孔径（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。图中表示出了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

2、。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。但是NA太大時，光纤的模畸变加大，会影响光纤的带宽。因此，在光纤通信系統中，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。图1光纤耦合的简单原理图NA的定义常见的有两种，简单的定义如下：1．最大理论数值孔径NAmaxt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：22NA=n−n≈n2Δ（1）maxt121其中，n1n2分别是光纤纤芯中心处最大折射率和包层折射率；Δ=(n−n)/n为

3、纤芯121和包层最大相对折射率差。NAmaxt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NA（NAeff）远场强度有效数值孔径是通过光纤强度远场强度分布确定的，它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。CCITT规定的数值孔径就是指这种有效数值孔径。前面提到光纤的两种数值孔径定义，那么最大理论数值孔径NAmax和有效数值孔径NA的关系是什么样呢？一般对于幂次分布的折射率抛面的光纤，有如下关系：g/2NA=sinθ=1−0.05NA=kNA（2）P0.05maxgmax-51-g/2其中，g

4、为折射率分布指数；k=1−0.05为与n有关的比例系数（表1给出了gn不同取值时k的值）。g是描述光纤折射率分布曲线的参数，对于实际光纤的折射率分布曲g线可以用半径的幂指数来描述：22g⎧n(r)=n[1−2Δ(r/a)](r

5、g与k的关系gg1.01.52.02.510∞k0.8810.9460.9750.98811g旋转装置光源耦合系统功率计探测器图2数值孔径的测量原理图CCITT在图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。被测光纤两端面制备清洁、平整光滑，与光纤轴垂直。为了避免弯曲产生的模式转化和模辐射，样品要摆放直。样品输出端到探测器的距离d必须大于光纤直径。图3远场光强随角度分布的关系图-52-三、实验步骤探头电源接口角度读数步长设定功率读数步进控制键复位键电源图4实验装置图1．打开电源，稳定光强大约用5

6、分钟；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G.652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）。角度-9-8-7-6-5-4-3-2-10123456789（度）功率背景功率4．按复位键复位点击，关机。5．利用三波长光源，重复1～4步骤，测量1550nm的数值孔径。四、思考题1．光纤的数值孔径

7、的含义是什么？2．这种测量方法是否和数值孔径的定义冲突？为什么这么做？3．还有哪些方法可以测量数值孔径？-53-