GCSFIB光纤技术基础综合实验讲义.doc

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1、光纤技术基础综合实验讲义光纤技术基础综合实验一、引言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，传输光能的波导介质，一般由纤芯和包层组成。近年来，光纤在通信及其他相关领域的应用发展迅速，了解和掌握光纤的各种基础知识和应用特性非常有必要。二、实验目的1、掌握光纤端面处理方法与光纤结构观测2、了解光纤结构3、掌握各项基本光纤参数的测量方法4、掌握基本光纤应用方法三、实验原理1、光纤的结构图1光纤结构示意图光纤的结构如（图1）所示，由纤芯、包层和涂敷层三部分组成。以阶跃型光纤为例，纤

2、芯的折射率大于包层折射率，光以某一角度进入光纤后，在纤芯和包层的界面上发生全反射，从而沿光纤全长传输。通信用单模光纤纤芯直径一般在8.5-9.3m。通信用多模光纤纤芯直径常见的有50m和62.5m两种。包层直径常见的都是125m。涂敷层直径常见的都是250m。涂敷层是用来保护光纤免受物理损伤的。这种保护措施极为重要，因为光纤表面上的裂痕会引起应力集中，进而形成微裂纹，这种微裂纹很容易加深和变长，从而使抗张强度减小，而使光纤发生断裂。涂层应与光纤同心，否则会产生微弯损耗。在进行光纤熔接时，都会先用专用的工具将涂敷层去掉，在本

3、实验中所观察到的光纤端面也是不包括涂敷层的。2、光纤模场直径（MFD）模场直径(MFD--ModeFieldDiameter)，是单模光纤所特有的一个重要参数。它的取值和容差范围与光纤的连接损耗和抗弯特性有着密切的关系。此外，还能由模场直径随波长的变化谱来确定单模光纤的截止波长，并能估算出该光纤的色散系数。模场直径的定义单模光纤中只能传播（基模）。通俗地说，模场直径就是单模光纤中光斑的大小，模场就是光纤中基模场的电场强度在空间的分布，之所以用模场直径的概念，是因为单模光纤中的场并不是完全集中在纤芯中，而是有相当部分的能量在

4、包层中，所以不宜用纤芯的几何尺寸作为单模光纤的特征参数，而是用模场直径作为描述单模光纤中光能集中的范围。如（图2、3）所示，电场强度不是限制在纤芯中，包层中也有分布。模场直径的大小与所使用的波长有关系，随着波长的增加模场直径增大。图2电场强度在光纤中的分布图3模场直径定义3、光纤数值孔径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a的正弦值就称为光纤的数值孔径（NA＝sina），多模光纤NA的范围一般在0.18－0.23之间，所以一般有sina=a，即光纤数值孔径NA＝a。不同厂家

5、生产的光纤的数值孔径不同。光斑法进行光纤数值孔径的测量，根据光纤输出的几何关系可以得到光纤数值孔径计算公式：4光纤马赫-曾德干涉波长为λ的激光束经扩束准直后，通过两个反射镜和两个半反半透镜组成的马赫-曾德干涉仪可以得到两束光程和强度都接近而且夹角易于调节的平行光束。在光束的重叠区将产生干涉条纹，如（图5）。图5经典马赫-曾德干涉光路示意图使用光纤作为马赫-曾德干涉仪两个干涉臂，可以有效地降低环境对干涉仪的影响。基于光纤马赫增德干涉仪原理，可以设计温度应变等传感器。光纤马赫-曾德干涉仪的结构示意图如下：准直镜分光棱镜观察屏图

6、6光纤马赫-曾德干涉实验原理示意图四、实验内容与步骤1多模光纤数值孔径测量将耦合好的多模光纤的出射光斑，垂直投射到后面的白屏上面，观察光斑的轮廓边缘，量取光斑直径D和光纤输出端面到白屏的距离L，利用公式求取NA。2光纤传输马曾干涉仪的搭建与观察干涉现象1.按照示意图摆放布置器件。准直镜分光棱镜观察屏分光棱镜耦合镜He-Ne激光器耦合镜准直镜光纤光纤2.调节激光光束的高度及水平。首先要使激光器的高度合适，使出射光束与实验中所用光学器件的中心高度基本保持一致。3.使用一个高度标志物，调整激光器的水平，将标志物放在激光出口近端，

7、调整激光器高度，使输出光斑与标志物重合。标志物在远端时调整激光器俯仰旋钮，使光斑与标志物重合。反复操作至激光器水平。4.调整分束棱镜台水平，将高度标志物放置于激光透射和反射光斑位置，调节棱镜台的二维俯仰旋钮，使得反射和透射的激光光斑与标志物重合。2.光纤耦合调整。将观察屏放置在耦合镜后面，移开耦合镜，在屏上记录光斑位置。放回调整耦合镜，微调耦合镜垂直面内的位置平移旋钮，使得观察屏上的光斑中心与记录光斑中心基本重合为止。此时，接上单模光纤，使用光纤准直镜调整架二维俯仰旋钮对耦合镜微调，用功率计接受光纤出射光斑，反复调整此四维

8、移动旋钮，微调至功率计读数最大为止。3.调节准直光斑的重合。将两束准直光的高度水平调节一致，使两束光在分光棱镜的出射面上重合（用擦镜纸放在它前观察），再调节这块分光棱镜使两束光在屏幕上重合，再反复调节准直镜和分光棱镜使两束光在分光棱镜出射面和屏幕面上都很好的重合为止。这时两束准直光接近平行，在屏幕面上可