关于SGQ4型光纤信息实验系统的实验操作研究

2013年度本科生毕业论文关于SGQ4型光纤信息实验系统的实验操作研究院系理学院物理系专业物理学年级2009级学生姓名王国宏学号200902050143导师及职称和万全（讲师）2013年6月2013ANNUALGRADUATIONTHESISOFTHECOLLEGEUNDERGRADUATETHEEXPERIMENTALMANIPULATIONSRESEARCHSGQ4TYPEFIBEREXPERIMENTALSYSTEMDEPARTMENTCOLLEGEOFSCIENCEMAJORPHYSICSGRADE2009STUDENTSNAMEGUOHONGWANGSTUDENTNO200902050143TUTORWANQUANHE（LECTURER）JUNE2013毕业论文（设计）原创性声明本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。作者签名日期毕业论文（设计）授权使用说明本论文（设计）作者完全了解红河学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。保密的论文（设计）在解密后适用本规定。作者签名指导教师签名王国宏毕业论文（设计）答辩委员会答辩小组成员名单姓名职称单位备注张宏伟副教授红河学院物理系主席（组长）王玻讲师红河学院物理系毕雄伟讲师红河学院物理系红河学院本科毕业论文（设计）摘要本文以SGQ4光纤信息实验系统为工作平台，具体对光纤光学基本知识演示实验、光纤与光源耦合方法实验、多模光纤数值孔径测量实验、光纤传输损耗性质及测量实验、光纤分束器参数测量实验和光纤隔离器参数测量实验进行了实验操作方面的研究。对每一个实验项目均整理出较为详细的实验操作步骤并总结出一些实验操作技巧。相关的研究成果可对今后将SGQ4光纤信息实验系统投入科研和教学工作时提供有益的参考。关键词SGQ4型，光纤信息系统，实验操作引言ABSTRACTTAKINGSGQ4FIBERINFORMATIONTESTSYSTEMFORWORKPLATFORM,THEBASICKNOWLEDGEOFOPTICALFIBEROPTICSANDLIGHTSOURCECOUPLINGMETHODOFDEMONSTRATIONEXPERIMENT,FIBER,MULTIMODEOPTICALFIBER,OPTICALFIBERTRANSMISSIONLOSSPROPERTIESANDNUMERICALAPERTUREMEASUREMENTEXPERIMENT,THEEXPERIMENTFORMEASURINGTHEPARAMETERSOFOPTICALBEAMSPLITTERANDFIBEROPTICISOLATORPARAMETERSMEASUREMENTEXPERIMENTHASCARRIEDONTHEEXPERIMENTOPERATIONRESEARCHFOREACHEXPERIMENTPROJECTSARESORTOUTMOREDETAILEDOPERATIONSTEPSANDSUMSUPSOMEEXPERIMENTALOPERATIONSKILLSTHERELEVANTRESEARCHRESULTSCANBETHESGQ4FIBERINFORMATIONFORTHEFUTUREEXPERIMENTSYSTEMINTOSCIENTIFICRESEARCHANDTEACHINGWORKTOPROVIDETHEBENEFICIALREFERENCEKEYWORDSSGQ4TYPE,FIBERINFORMATIONSYSTEM,THEEXPERIMENTALOPERATION红河学院本科毕业论文（设计）目录引言8光纤8光导纤维的发明和使用9光纤结构及种类9光纤信息实验在物理系的开展情况10一光纤光学基本知识演示1011实验目的1012实验仪器用具1113学习和实验内容1114实验心得12二光纤与光源耦合方法实验1221实验目的1222实验仪器用具1323学习和实验内容13231耦合方法13232实验操作1324实验心得1425数据记录14三多模光纤数值孔径测量实验1531实验目的1532实验仪器用具1533学习和实验内容16331光纤数值孔径的几种定义16332光纤数值孔径的测量1634实验步骤17341实验系统调整17342测输出数值孔径角1835实验心得1836实验结果18四光纤传输损耗性质及测量实验1941实验目的1942实验仪器用具20引言43学习和实验内容20431光纤传输损耗特性和测量方法20432实验操作截断法测量光纤的传输损耗2044实验步骤2145实验心得2146数据记录21五光纤分束器参数测量实验2351实验目的2352实验仪器用具2353学习和实验内容23531光纤分束器简介23532实验操作2454实验心得2455实验数据24六光纤隔离器参数测量实验2661实验目的2662实验仪器用具2663学习和实验内容26631光隔离器简介26632光隔离器的主要性能、指标2664实验操作测量光隔离器的特性参数2765实验心得2766实验数据28参考文献30致谢31红河学院本科毕业论文（设计）引言光纤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。光导纤维由前香港中文大学校长高锟发明。微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂。通常，光纤的一端的发射装置使用发光二极管（LIGHTEMITTINGDIODE,LED）或一束激光将光脉冲传送至光纤，光纤的另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。在日常生活中，由于光在光导纤维的传导损耗比电在电线传导的损耗低得多，光纤被用作长距离的信息传递。光导纤维的发明和使用1870年的一天，英国物理学家丁达尔到皇家学会的演讲厅讲光的全反射原理，他做了一个简单的实验在装满水的木桶上钻个孔，然后用灯从桶上边把水照亮。结果使观众们大吃一惊。人们看到，放光的水从水桶的小孔里流了出来，水流弯曲，光线也跟着弯曲，光居然被弯弯曲曲的水俘获了。光纤结构及种类1光纤结构光纤裸纤一般分为三层中心高折射率玻璃芯（芯径一般为50或625M），中间为低折射率硅玻璃包层（直径一般为125M），最外是加强用的树脂涂层。2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。这个角度就称为光纤的数值孔径。光纤的数值孔径大些对于光纤的对接是有利的。不同厂家生产的光纤的数值孔径不同（ATTCORNING）。3光纤的种类A按光在光纤中的传输模式可分为单摸光纤和多模光纤。多模光纤中心玻璃芯较粗（50或625M），可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。例如600MB/KM的光纤在2KM时则只有300MB的带宽了。因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。单模光纤中心玻璃芯较细（芯径一般为9引言或10M），只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但其色度色散起主要作用，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。单模光纤SINGLEMODEFIBER一般光纤跳纤用黄色表示，接头和保护套为蓝色；传输距离较长。多模光纤MULTIMODEFIBER一般光纤跳纤用橙色表示，也有的用灰色表示，接头和保护套用米色或者黑色；传输距离较短。B按最佳传输频率窗口分常规型单模光纤和色散位移型单模光纤。常规型光纤生产厂家将光纤传输频率最佳化在单一波长的光上，如1300NM。色散位移型光纤生产长家将光纤传输频率最佳化在两个波长的光上，如1300NM和1550NM。C按折射率分布情况分突变型和渐变型光纤。突变型光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的。其成本低，模间色散高。适用于短途低速通讯，如工控。但单模光纤由于模间色散很小，所以单模光纤都采用突变型。渐变型光纤光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小，可使高模光按正弦形式传播，这能减少模间色散，提高光纤带宽，增加传输距离，但成本较高，现在的多模光纤多为渐变型光纤10。光纤信息实验在物理系的开展情况虽然早在上世纪50年代，光纤就已应用于通讯领域，但在我们边疆少数民族地区，由于科技、教育发展滞后，普通民众对光纤知之甚少，即便对于红河学院物理系的学生，由于选用教材对光纤的理论介绍无多，更遑论应用方面的具体介绍。使得物理系的学生对光纤比较陌生，体现在具体开展光纤信息实验时，大家都感到没有把握，对实验效果产生了不良的影响。为克服前述困难，我在理学楼A206实验室以SGQ4光纤信息实验系统为工作平台，具体对光纤光学基本知识演示实验、光纤与光源耦合方法实验、多模光纤数值孔径测量实验、光纤传输损耗性质及测量实验、光纤分束器参数测量实验和光纤隔离器参数测量实验进行了实验操作方面的研究。对每一个实验项目均整理出较为详细的实验操作步骤并总结出一些实验操作技巧。相关的研究成果可对今后将SGQ4光纤信息实验系统投入科研和教学工作时提供有益的参考。红河学院本科毕业论文（设计）1光纤光学基本知识演示11实验目的通过具体演示，使实验者对光纤光学有基本的认识，为以后的实验打下基础。12实验仪器用具HENE激光器1套；手持式光源1台；光纤耦合架1套；633NM单模光纤1米；普通通信光纤跳线3米；光纤支架1套；光能量指示仪1台；手持式光功率计1台；光纤切割刀1套；打火机一个。13学习和实验内容演示1观察光纤基模场远场分布取一根约1米长的633NM单模光纤，剥去其两端的涂敷层，用光纤切割刀切制光学端面，然后参照图1示意，由物镜将激光从任一端面耦合进光纤，用白屏接收光纤输出端的光斑，观察白屏上光场的分布。其中，中心亮的部分对应纤芯中的模场，外围对应包层中的场分布。演示2观察光纤输出的近场和远场图案光纤耦合架单模光纤光纤支架输出光白屏HENE激光器五维微调架图11SGQ4型实验仪器图12光纤基模场远场分布引言再演示一的基础上将HENE激光器的输出光束经耦合器耦合进入光纤，用白屏接收出射光斑，分别观察其近场和远场图案。观察得到，近场的图案光斑比远场的要小，要明亮，光斑要集中1。14实验心得在实验的操作过程中，在调节完五维微调架后，能看到光纤中有光的迹象。首先要调节到能看到光纤已经变色（其实也就是光源已经耦合进光纤了），在实验室直接用打火机烧光纤头即可，在用光纤切割刀时注意操作的正确性，再用纱布或者干净的纸擦拭光纤裸露部分2，先把白屏置放在五维微调架的左边，调节位置，使激光光斑刚好落在白屏的正中心，然后由物镜将激光从任一端面耦合进光纤，光纤与光源的耦合是本次试验的重难点，把光纤架好之后要调节五维微调架，使光纤输出端的光斑最亮即可，在调节五维微调架时，应该逐个调节旋钮，让每个旋钮的采光位置处于最佳状态，调节完五个旋钮后即可观察，直到能看到较亮的光斑为止。图13远场图案图14近场图案红河学院本科毕业论文（设计）2光纤与光源耦合方法实验21实验目的1学习光纤与光源耦合方法的原理；2实验操作光纤与光源耦合。22实验仪器用具HENE激光器1套；光纤耦合架1套；633NM单模光纤1米；光纤支架1套；光能量指示仪1台；光纤切割刀1套。23学习和实验内容231耦合方法光纤与光源的耦合有直接耦合和经聚光器件耦合两种。聚光器件有传统的透镜和自聚焦透镜之分。自聚焦透镜的外形为“棒”形（圆柱体），所以也称之为自聚焦棒。实际上，它是折射率分布指数为2（即抛物线型）的渐变型光纤棒的一小段。直接耦合是使光纤直接对准光源输出的光进行的“对接”耦合。这种方法的操作过程是将用专用设备使切制好并经清洁处理的光纤端面靠近光源的发光面，并将其调整到最佳位置（光纤输出端的输出光强最大），然后固定其相对位置。这种方法简单，可靠，但必须有专用设备。如果光源输出光束的横截面面积大于纤芯的横截面面积，将引起较大的耦合损耗。经聚光器件耦合是将光源发出的光通过聚光器件将其聚焦到光纤端面上，并调整到最佳位置（光纤输出端的输出光强最大）。这种耦合方法能提高耦合效率。耦合效率的计算公式为10021PP21式子中1P为耦合进光纤的光功率（近似为光纤的输出光功率）。2P为光源输出的光功率1。引言232实验操作透镜耦合1切制处理好光纤光学端面，然后按示意图2进行耦合操作，打开电源；2调节五维微调架使光纤的输出光的光能达到最大值；3利用功率计直接测量光源输出功率1P；4确定光束通过物镜后的焦平面位置，调节五维微调架，使光纤端面处于物镜焦点上3；5利用功率计测量光纤输出功率2P；6计算透镜耦合情况下的耦合效率；24实验心得在实验的操作过程中，在调节完五维微调架后，能看到光纤中有光的迹象，一般操作的话，首先要调节到能看到光纤已经变红（其实也就是光源已经耦合进光纤了），再接着调节五维微调架，直到能看到较亮的光斑为止。25数据记录表21光纤与光源的耦合率单位UW）测量次数耦合进光纤的功率（P1）输出功率（P2）105620069205580071305570070图21聚光器件耦合原理示意图光纤耦合架光纤输出光光能量指示仪HENE激光器五维微调架红河学院本科毕业论文（设计）405560068505560073平均值055800702耦合率（）01258引言3多模光纤数值孔径测量实验31实验目的1学习光纤数值孔径的含义及其测量方法；2实验操作远场光斑法测量多模光纤的数值孔径。32实验仪器用具HENE激光器1套；光纤耦合架1套；633NM多模光纤1米；光纤支架1套；光能量指示仪1台；光纤切割刀1套。数值孔径是多模光纤的一个重要参数。它表示光纤收集光的本领的大小以及与光源耦合的难易程度。光纤的NA大，收集、传输能量的本领就大4。33学习和实验内容331光纤数值孔径的几种定义1最大理论数值孔径MAX,NAT，它的数学表达式为0MAX,22SIN2MAX,121INANNNNT31式中MAXI为光纤允许的最大入射角，0N为周围介质的折射率，空气中为1，1N和2N分别为光纤纤芯中心和包层的折射率，121NNN为相对折射率差。最大理论数值孔径MAX,NAT由光纤的最大入射角的正弦值决定。2远场强度有效数值孔径NA远场强度有效数值孔径是通过测量光纤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的5处的半张角的正弦值。CCITT（国际电报电话咨询委员会）组织规定的数值孔径指的就是这种数值孔径NA，推荐值为红河学院本科毕业论文（设计）（018024）002。332光纤数值孔径的测量1远场光强法远场光强法是CCITT组织规定的G651多模光纤的基准测试方法。该方法对测试光纤样品的处理有严格要求，并且需要很高的仪器设备强度可调的非相干稳定光源；具有良好线性的光检测器等5。2远场光斑法这种测试方法的原理本质上类似于远场光强法，只是结果的获取方法不同。虽然不是基准法，但简单易行，而且可采用相干光源。原理性实验多半采用这种方法。其测试原理如图3所示。测量时，在暗室中将光纤出射远场投射到白屏上（最好贴上坐标格纸，这样更方便），测量光斑直径（或数坐标格），通过下面式子计算出数值孔径NAKD32式子中K为一常数，可由已知数值孔径的光纤标定；D为光纤输出端光斑的直径。例如，设光纤输出端到接收屏的距离为50CM，K001，D20CM，立即可以算出数值孔径为020。对于未知的K，我们可以由上述的距离和光斑直径根据2ARCTGDL求出，再由SINNA求出NA的近似值。注本实验提供的多模光纤的数值孔径为027500151。34实验步骤LD光纤耦合架633NM多模光纤输出光白屏HENE激光器五维微调架图31远场光斑法原理图引言341实验系统调整1调整光纤支架，使HENE激光束通过光纤的轴线；2放置待测光纤在光纤微调架上，使光纤一端与激光束耦合，另一端与光能量指示仪正确连接；3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。342测输出数值孔径角1移开光能量指示仪，固定光纤输出端；2分别置观察屏于距光纤端面L1、L2距离处，测量观察屏上的光纤输出圆光斑直径D1、D2，计算两次读数的差值L和D，得输出孔径角为2TANLDARO333多次测量求平均值。35实验心得建议我们在实验中采用远场光斑法，如果圆光斑边界不清晰，一般是由于出射光功率太强引起的，适当调节完五维微调架减小耦合效率，在调节完五维微调架后，能看到光纤中有光的迹象，一般操作的话，首先要调节到能看到光纤已经变色（其实也就是光源已经耦合进光纤了6），再接着调节五维微调架，直到能看到较亮的光斑为止。36实验结果记录用方法一测量得到的实验结果表31数值孔径的测量红河学院本科毕业论文（设计）测量参数第一次测量第二次测量第三次测量光斑直径D（CM）082094137屏与光纤端头距离L（CM）304050数值孔径角D/2L778670780光纤数值孔径013501170136平均数值孔径0129引言4光纤传输损耗性质及测量实验41实验目的1学习光纤传输损耗的含义、表示方法及测量方法；2实验操作截断法测量光纤的传输损耗。42实验仪器用具HENE激光器1套；光纤耦合架1套；通信光纤1盘；光纤支架1套；光能量指示仪1台。43学习和实验内容431光纤传输损耗特性和测量方法光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，光波强度（或光功率）将逐渐减弱，这就是传输损耗。光纤的传输损耗与所传输的光波长相关，与传输距离L成正比。通常，以传输损耗系数表示损耗的大小。光纤的损耗系数为光波在光纤中传输单位距离所引起的损耗，常以短光纤的输出光功率P1和长光纤的输出光功率P2之比的对数表示，即1110LG2PDBKMLP41光纤的传输损耗是由许多因素所引起的，有光纤本身的损耗和用作传输线路时由使用条件造成的损耗，光纤传输损耗测量的方法有截断法、介入损耗法和背向散射法等多种测量方法。截断法是直接利用光纤传输损耗系数的定义的测量方法，是CCITT组织规定的基准测试方法。在不改变输入条件下，分别测出长光纤的输出光功率和剪断后约为2米长的短光纤的输出光功率，按传输损耗系数的表示式计算出红河学院本科毕业论文（设计）。这种方法测量精度最高，但它是一种“破坏性”的方法1。432实验操作截断法测量光纤的传输损耗本操作以截断法做原理性的实验，如示意图4。44实验步骤1如上图，将光纤端面处理后插入微调架与功率计的短波探头对准；2使激光束通过透镜中心轴线，并确定其焦平面位置；3将待测光纤的另一端夹入光纤夹，并使其端面处于光源的轴心位置；4调节激光输入端的五维微调架，使得功率计上的输出值达到最大输出，并记下此值为2P；5距光纤输入端约2米处剪断光纤，重复上述步骤，得到1P）；6在光纤盘上记录下所剪断的长度，以备下次实验的时候得以确定光纤的剩余长度；7最后根据公式计算得到光纤损耗的大小。45实验心得实验中可直接用实验室配置的1000米的单模光纤做长光纤，另外的20米单模光纤做短光纤，1000米的光纤是本套实验仪器自配的光纤，打开光纤盒找出另外一端，接上光纤支架就可以进行实验了，L为长光纤与短光纤的差值。光能量指示仪光纤耦合架待测光纤光输出HENE激光器五维微调架图41截断法测量光纤传输损耗原理示意图引言46数据记录表41传输损耗的测量单位（UW）参量P1（UW）P2（UW）LM1582138899826011391998354413979984585140599855331396998平均值56913954998传输损耗0004DBKM红河学院本科毕业论文（设计）5光纤分束器参数测量实验51实验目的1了解光纤分束器及其用途和性能参数；2实验操作光纤分束器参数测量。52实验仪器用具手持式光源1套；1310NM分束器1个；手持式光功率计1台。53学习和实验内容531光纤分束器简介1光纤分束器和用途光纤分束器是对光实现分路、合路、插入和分配的无源器件。在光纤通信系统中，用于数据母线和数据线路的光信号的分路和接入，以及从光路上取出监测光以了解发光元件和传输线路的特性和状态；在光纤用户网、区域网、有线电视网中，光纤分束器更是必不可缺的器件；在光纤应用领域的其它许多方面光纤分束器也都被派上了各自的用场，它的应用将越来越广泛。光纤分束器的种类很多，它可以由两根以上（最多可达100多根）的光纤经局部加热熔合而成，最基本的是一分为二。2光纤分束器主要特性参数1分光比分光比等于输出端口的光功率之比23PP。2插入损耗插入损耗表示光分束器损耗的大小，由各输出端口的光功率之和与输入光功率之比的对数表示，单位为分贝（DB）。例如，用符号表示损耗，端口1输入光功率1P，端口3和端口4输出的光功率为3P和4P，则812P1P334光分束器图51光分束器端口示意引言3410LG1PPDBP51一般情况下，要求05DB。3隔离度从光分束器端口示意图中的端口1输入的光功率1P，应从端口3和端口4输出，理论上，端口2不该有光输出，而实际上端口2有少量光功率2P输出，2P的大小就表示了1、2两个端口间的隔离度。如用符号21A表示端口1、2的隔离度，那么LG101221DBPPA52532实验操作在光纤分束器简介的基础上，参照图6对光纤分束器的性能进行测量。手持式光源分束器手持式光功率计3P2P1P54实验心得本实验在测量它的隔离度的时候可以采用技巧用3端口与手持式光源耦合，分别用手持光功率计测量1端口的功率值，和2端口的功率值。在进行本实验时，其中的手持式激光光源的输入功率测量方法为直接用一根单模光纤直接连接手持式光功率计上来测量记为1P。注意在测量隔离度时，应该使用3P输入2P输出来进行测量。55实验数据图52光纤分束器性能测试示意图红河学院本科毕业论文（设计）1表51光纤分束器分光比测量单位UW测量次数3PUW4PUW156705647256135670357105679457115727556355668平均值5667856762分光比09982表52光纤分束器插入损耗测量单位UW测量参量1PUW3PUW4PUW数据6794355667856762插入损耗（DB）022273表53光纤分束器隔离度测量单位UW测量参量1PUW2PUW16678937732678413776369749377246828537655685053777平均值67943537726隔离度12A（DB）0256引言6光纤隔离器参数测量实验61实验目的1了解光隔离器及其用途和主要性能参数；2实验操作光隔离器参数测量。62实验仪器用具手持式光源1套；手持式光功率计一台；光纤隔离器1只。63学习和实验内容631光隔离器简介光隔离器是一种只允许光波沿光路单向传输的非互易性光无源器件。它的作用是隔离反向光对前级工作单元的影响。光隔离器的主要技术指标有插入损耗、反向隔离度和回波损耗等。目前，在1310NM波段和1550NM波段反向隔离度都可做到40DB以上。光通信系统对光隔离器性能的要求是，正向插入损耗低、反向隔离度高、回波损耗高、器件体积小、环境性能好7。632光隔离器的主要性能、指标1插入损耗光隔离器的插入损耗由下式表示10LGPOUTDBLPIN61式中，INP、OUTP为光隔离器的输入、输出光功率。插入损耗主要是由光隔离器中的偏振器、法拉第旋光元件和准直器等元件的插入而产生的。光隔离器的插入损耗一般在05DB以下，最好的指标可以达到01DB以下。2隔离度红河学院本科毕业论文（设计）隔离度是光隔离器的重要指标之一，用符号ISO表示。数学表达式为LGPRISOPR62式中，RP、RP分别为反向输入、输出光功率。实际应用中的光隔离器，其隔离度应在30DB以上，越高越好。3回波损耗光隔离器的回波损耗定义为光隔离器的正向输入光功率INP和反回到输入端的光功率INP之比，由下面式子表示LGPINRLPIN63回波直接