光纤通信实验讲义.doc

实验一 光纤光学基本知识演示【实验目的】通过光纤的预备知识和的具体演示，使实验者对光纤光学有基本的认识，并为后面的实验打下知识基础【实验仪器】普通光纤（3米长） 二根（一根为单模光纤，一根为多模光纤）He-Ne激光器及电源 一套短波光功率计 一只白纸光屏 一个【演示实验内容】演示一如图一所示，取一根长约一米的普通单模光纤，剥去其两端头的套塑和涂敷层，然后将激光耦合进任一端，试观察光纤另一端的输出面发光情况。其中，亮的中心部分为纤芯，外围为包层。对多模光纤可观察到光纤传输模式。He-Na laser聚焦透镜光纤支架出射光图一、演示二示意图 演示二如图二实验系统，激光输出的激光束经耦合入光纤后在光纤中传输，然后从另一端射出，用白屏接收光斑，观察其近场图案和远场图案。图三、演示三示意图光纤支架He-Na laser聚焦透镜光纤支架光功率计探测器短波探头220V交流电 演示三如图三所示实验系统，先让三米长左右的光纤的尽量伸展开，读出并记录下此时光纤的输出光功率值，然后将光纤一圈一圈绕于手上，观察输出光功率随所绕圈数多少和圈半径大小的关系。（注意，光纤不能绕过小圆圈，否则会损伤和折断光纤）输入光功率固定P0= 弯曲半径输出光功率损耗系数（dB）用matlab拟合出出损耗系数与曲率半径的关系式；【思考题】1、根据演示二观测到的近场图案和远场图案，试想可以确定光纤的那些参数？2、通过阅读材料，说出减小光纤损耗的途径有那些？实验二 光纤数值孔径（NA）的性质和测量实验【实验目的】、熟悉光纤数值孔径的定义和物理意义、掌握测量光纤数值孔径的基本方法【实验原理】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。图一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*Sin=式中no为光纤周围介质的折射率，为最大接受角。n1和n2分别为光纤纤芯和包层的折射率。光纤在均匀光场下，其远场功率角分布与理论数值孔径有如下关系： 其中是远场辐射角，Ka是比例因子，由下式给出： 式中P（0）与P（）别分=0和=处远场辐射功率，g为光纤折射率分布参数。计算结果表明，若取P（）/P（0）=5%，在g2时Ka的值大于0.975。因此可将对应于P（）曲线上光功率下降到中心值的5%处的角度e的正弦值定义为光纤的数值孔径，称之为有效数值孔径： 本实验正是根据上述原理和光路可逆原理来进行的。【实验仪器】 He-Ne激光器及电源、读数旋转台、光纤微调架、毫米尺、白屏、短波长光功率计等。实验系统图如图1和图2所示。【实验步骤 】、He-Ne激光器和光功率计的电源，调整实验系统；a.调整He-Ne激光管，使激光束平行于实验平台面；b.调整旋转台，使He-Ne激光束通过旋转轴线；c.取待测光纤，一端经旋转台上的光纤微调架与激光束耦合，另一端与光探测器相连；d.仔细调节光纤微调架，使光纤端面准确位于旋转台的旋转轴心线上，并辅助调节旋转台使光纤的输出功率最大。聚焦透镜光纤支架读数旋转台He-Na laser待测光纤观察屏图二、光纤数值孔径的测量(方法一)意图图三、光纤数值孔径的测量(方法二)意图聚焦透镜光纤支架读数旋转台He-Na laser待测光纤光功率计探测器短波探头220V交流电测输出数值孔径角o。实验系统图如图1所示。(1)移开光探测器，固定光纤输出端；(2)置观察屏于距光纤端面L距离处，则在观察屏上可见光纤输出圆光斑，其直径为D；(3)利用毫米尺测量L和D的值，得输出孔径角为：o=arctanD/（2L）、测试输入孔径角i(1) 光纤输出端于光功率计的探头相连；(2)旋转读数平台，改变光束入射角，记录不同旋转角度下的输出光功率值；(3)出P-曲线，取P（）下降到中心值的5%时所对应的值作为i。、计算光纤数值孔径。计算公式为： NA= Sin （8）其中即上一步骤测得的o和i。、关He-Ne激光器和光功率计的电源，整理实验仪器，结束实验。【实验数据和记录】表（1）方法一 测量所得的实验数据和结果测量参数第一次测量第二次测量光斑直径W（mm）屏与光纤端头距离L（mm）数值孔径角o=arctanD/(2L)光纤数值孔径NA=Sino平均数值孔径表(2)方法二测量所得的实验数据和结果光纤端面入射角Q（度）光纤输出光功率值（微瓦）输出光功率相对值（以Q=0时的值为1）顺时针旋转测的数值孔径角逆时针旋转测的数值孔径角平均数值孔径角i （度）光纤的有效数值孔径Naeff【思考题】、光纤数值孔径的物理意义是怎么？谈谈本实验的测量精度取决于那些因素？、用两种方法测得的结果是否一样？若不一样，请说明原因。、为怎么在测输入孔径角时要保证光纤输入端面位于旋转轴心上？实验三 光源与光纤耦合方法实验【实验目的】1、 了解光源与光纤的耦合方法：直接耦合和透镜耦合法2、 计算实验中的耦合效率，并比较结果【实验原理】、直接耦合：将经过处理的光纤端面尽可能靠近光源的发光面，(见图1)用专用设备调整到出射光强最大时固定其相对位置。只有落在由光纤数值孔径NA所决定的圆锥角以内的光源射线，才能在光纤中以子午射线的方式传播，光源发光面积也不应大于纤芯的横截面面积，否则，将引起较大的耦合损耗。因此，一般不采用这样的耦合方法，但在带尾纤的光源中大部分是用直接耦合方式，这种方法简单，可靠，但必须有专用设备。光纤图1 直接耦合光源发光面 、透镜耦合：将光源发出的光通过透镜聚焦到光纤纤芯上，可以使光源较大的辐射角变成可以被光纤接受的较小球面角，从而提高耦合效率。如图2所示： 透镜 支架 激光器 功率计 功率计 光纤 图2 透镜耦合、自聚焦棒GRIN耦合：GRIN是渐变折射率棒状透镜的缩写，实际上是一根抛物线型渐变折射率玻璃棒。1/4节距透镜可以将平行光束转化为聚焦光束，且焦点正好在输出端面上，这大大有利于将光束耦合进入光纤。目前这种元件在光纤系统中得到广泛应用。 0 L/4 L/2 3L/4 L z 图3 自聚焦棒中光线的轨迹在输入平面上的物点，无论是轴上或偏轴，都会在距离L/2的平面上重新会聚。原因在于玻璃棒具有径向抛物线型折射率分布n0是轴上的折射率，g由相对折射率差及棒半径决定的常数。在这种介质中各条光线都将大致遵循正弦途径，周期L=2p/g.而在L/4及3L/4等处，从某一指定物点来的光线都成平行态，以便做进一步的准直操作。耦合效率的计算：h=P1/P0【实验仪器】氦氖激光器、2m单模光纤、功率计、五维微调架、10*物镜、GRIN【实验步骤】、按上图连接好各个器件，打开电源，确定光束通过透镜后的焦平面位置、调节五维微调机构，使光纤端面处于透镜焦点上、继续微调，观察功率计读数变化，记录下最大读数：P1、直接将处理过的光纤端面与光