单模光纤数值孔径的测量.ppt

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1、单模光纤数值孔径的测量实验目的：1.熟悉光纤的结构特点及分类2.掌握光纤数值孔径的定义的测量方法实验原理：光纤结构：光纤大多采用石英玻璃（SiO2）制成的横截面很小的双层同心圆柱体，由纤芯和包层两部分组成，纤芯的材料是SiO2，掺杂微量的其他材料，掺杂的作用是为了提高材料的光折射率。包层的材料一般用纯SiO2，也有掺杂的，掺杂的作用是降低材料的光折射率。所以纤芯的折射率略高于包层的折射率，目的在于使进入光纤的光有可能全部限制在纤芯内部传输。由于石英玻璃质地脆、易断裂，为保护光纤不受损害，提高抗拉度，一般需要在裸光纤外面有加强和保护作用的树脂涂层。通常设光纤纤

2、芯的折射率为n1,包层的折射率为n2,纤芯和包层的相对折射率差(n1-n2)/n1,一般单模光纤为0.3%~0.6%，多模光纤为1%~2%。光纤的分类：（1）单模光纤单模光纤纤芯折射率n1保持不变,包层折射率为n2，纤芯与包层界面有一个折射率突变或阶跃。纤芯直径只有8~10um,包层直径为125um，写成8/125,9/125等形式。光线以直线形状沿着纤芯中心轴线方向传播，这种光纤只能传输一个模式。（2）多模阶跃折射率光纤多模阶跃折射率光纤折射率分布和单模光纤一样，纤芯直径为50~180um，包层直径为125um，如50/125（欧洲标准），62.5/125

3、（美国标准）。光线以折射形状沿着纤芯中心轴方向传播。（3）多模梯度折射率光纤在纤芯中心轴线上折射率最大为n1，沿着径向r向外围逐渐变小，直到包层变为n2，这样光纤纤芯直径一般为50um。光线以正弦形状沿着纤芯中心轴方向传播。(4)还有一些特殊光纤，如医疗和低速网络中使用的光纤，参数为100/140和200/230，以及98/1000规格的塑料光纤。光纤的数值孔径：数值孔径NA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

4、。图中表示出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。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太大时，光纤的模畸变加大，会影响光纤的带宽。因此，在光纤通信系统中，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。光纤的数值孔径：（1）最大理论数值孔径NAmax无论是阶跃光纤，还是梯度光纤，最大理论

5、数值孔径定义都是：NAmax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NAeff远场强度有效数值孔经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。一般对于幂次分布的折射率抛面的光纤，有如下关系：其中，g为折射率分布指数；为与n有关的比例系数（表12.1）给出了g不同的取值kg的值。g1.01.52.02.510∞kg0.8810.9460.9750.98811g是描述光纤折射率分布曲线参数，对于实际光纤的折射率分布曲线可以用半径的幂指数来描述：其中，r是离光纤纤芯轴的距离，a是光纤纤芯半径，g是

6、幂指数。对于g=1，属于三角分布，g=2属于抛物线型分布（梯度分布），表示的是阶跃光纤。一般情况下，梯度光纤接近抛物线分布则n=2,则NA=0.975NAmaxCCITT在下图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。实验简介图：实验仪器实验步骤：（1）打开电源，稳定光强大约5min；（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G652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

7、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）。（4）按复位键复位点击，关机。（5）利用三波长光源，重复（1）~（4）步，测量1550nm的光纤数值孔径注意事项：1.被测光纤两端制备清洁，平整光滑与光纤轴垂直。2.为了避免弯曲产生的模式转化和模辐射。样品要摆放直3.样品输出端到探测器的距离d必须大于光纤直径数据处理实验结果分析：观察实验结果图像，当入射角度大于8°时，就不能再达到最大值的5%，所以：NAeff=sin8°=0.1329根据NAeff=0.975NA

8、max可以得到NAmax=NAeff/0.975=0