光纤技术基础实验指导书

1、光纤技术基础实验指导书编写：刘安玲 陈 英 长沙学院电子与通信工程系光电信息科学与工程教研室光电通信实验室2013年9月目录GCS-FIB 光纤技术基础实验仪简介1实验一 光纤的端面处理与直径测量2实验二 光纤数值孔径测量8实验三 光纤耦合效率与衰减系数测量12实验四 光纤模式的观察17实验五 光分路器特性与参数测量实验（选开）19实验六 可调光衰减器特性实验（选开）22实验七 光纤通信实验（选开）25注：本课程实验学时为10学时，选开实验中必选1个。GCS-FIB 光纤技术基础实验仪简介一、实验仪组件型号、名称与规格序号型号名称规格1DH-HN250HeNe内腔激光器632.8 nm、2 m

2、W、TEM002GCSO-310301台式光纤视频放大器放大倍率400，600线CCD接收，FC/PC接口3GCI-1601监视器靶面尺寸1/3" CCD，灵敏度0.5lux，传输速率40MB/S 分辨率768 × 576 × 24Bit（PAL）四路复合视频输入1 路S-Video4DH-JG2功率指示器6波长标定650/632.8/532/514.5/488/473nm，量程2W/20W/200W/2mW/20 mW/200mW5GCX-L010-FCPC-f40AC光纤输出准直镜10mm光斑6GCC-401102宽带分光棱镜25.4，450-650nm7GC

3、X-XMM-多模光纤跳线62.5/125-FC/PC-FC/PC-1m8GCX-XSM-4/单模光纤跳线125-FCPC- FCPC-1m9GC0-2105显微物镜40倍，L45mm10其他配件：裸光纤夹持器、可调棱镜支架、侧升降台、二维精密平移台、光纤调整架、多孔固定板、干板架、调节支座、支杆及底座。二、使用注意事项1、光纤及光纤跳线皆为易损物品，严禁大力拉扯和剧烈弯折。跳线插拔时应手握卡口轻拉轻拔，使用完毕应大于10cm直径规则缠绕并妥善放置。2、各种光学镜头和光纤端面皆为易污染表面，严禁直接用手触摸和擦抹。清洁需用脱脂棉或镜头纸蘸少许乙醚与酒精混合液轻轻擦拭，禁止大力、来回反复擦拭。3、

4、禁止用尖锐物品接触监视器和光学镜头。4、各种精密调整架和平移台都有一定的调整行程，请勿超出行程使用，以免损坏。实验一 光纤的端面处理与直径测量预习要求：要求能回答下列问题：1、光纤平端面处理的目的是什么？2、切割光纤前，为什么要先剥除涂覆层并清洁光纤头？3、清洁光纤时，为什么不能来回反复擦拭？4、光纤端面处理合格的标志是什么？一、实验目的n 了解光纤的基本结构；n 掌握光纤平端面的处理方法，会用高倍显微镜观察光纤端面处理效果。n 掌握利用GCS-FIB实验仪测量光纤的纤芯直径、包层直径和模场直径的方法。二、实验原理 1、裸光纤的结构图1.1 光纤结构示意图裸光纤的结构如（图1.1）所示，由纤芯

5、、包层和涂敷层三部分组成。以阶跃型光纤为例，纤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。2、裸光纤平端面的处理方法本实验采用“切割法”制作裸光纤的平面光纤头。“切割法”又称“刻痕拉断法”。它是利用钻石或金刚石特制的光纤切割刀先在光纤侧表面垂直于纤轴轻轻刻一小口，然后施加弯曲应力拉动光纤使其折断。因为石英的自然解理面为光滑的平面，利用这种方法制备平面光纤头的成功率一般较高，稍加训练即可获得满意的效果，因此已成为目前最常用的光纤头处理技术。3、光纤模场直径（MFD）在光纤中，光能量不完全集中在纤芯中传输，部分能量在包层中传输（如图1.2所

6、示），纤芯直径不能反映光纤中的能量分布。所以用模场直径(MFD-Mode Field Diameter) 来表征在单模光纤中的基模光分布状态。基模在纤芯区域轴心线处光强最大，并随着偏离轴心线的距离增大而逐渐减弱。一般将模场直径定义为光强降低到轴心线处最大光强的1/(e2)的各点中两点最大距离。如图1.3所示。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1.2 电场强度在光纤中的分布 图1.3 模场直径定义三、实验所需器件n GCS-FIB实验仪、高倍率读数显微镜n 裸光纤（单模光纤、多模光纤、塑料光纤）光纤跳线（单模、多模）n 乙醚与酒精混合液n 光纤切割刀（金刚刀）、

7、双口光纤剥线钳（CFS-2型）n V型槽n 脱脂棉四、实验步骤（1）裸光纤平端面的处理及观察1、观察。取单模光纤、多模光纤、塑料光纤的裸纤各10cm，在显微镜下观察其结构。从外观认识不同材质的光纤，区分石英光纤和塑料光纤。2、剥除涂覆层。用光纤剥线钳剥除单模光纤及多模光纤的预涂覆层(约20 mm长)。方法是：将裸光纤压在光纤剥线钳的V形槽口上，垂直于剥线钳所在平面拉动光纤，使光纤的包层裸露出来。（朔料光纤无涂覆层，无需进行剥除。）3、清洁。用脱脂棉蘸乙醇与乙醚混合液包住光纤头，沿同一方向拉动光纤，切记不可来回重复擦拭。需要注意的是：操作者的手、金刚刀、V型槽亦应一并清洁。4、“切割法”制备平面

8、光纤头。将清洁干净的光纤水平放置于V型槽内，用光纤切割刀先在光纤侧表面垂直于纤轴方向轻轻刻一小口，然后施加弯曲应力掰断光纤。5、检验光纤头质量。照亮高倍率显微镜视场并调整焦距使成像清晰，首先正面观察光纤端面其表面应均匀、无裂纹，圆周轮廓清晰；然后侧面观察光纤并转动光纤，其端部边缘应齐整，无凹陷或尖劈，且边缘与纤轴垂直。若不理想，则应重复步骤25，直至满意为止。（检验平面光纤端面的另一个方法是向光纤中注入He-Ne激光，观察由光纤输出的光束质量，即可判定光纤端面的质量。一个好的光纤端面，其输出光斑应是圆对称的边缘清晰且与光纤轴线方向垂直；如果端面质量不高，则输出光斑就会发生散射或倾斜。）（2）直

9、径的观测1、单模与多模光纤纤芯直径和包层直径的观测将单模光纤跳线一端的FC/PC接口与光纤视频观察仪连接，打开电源开关，观察仪与视频监视器连接，即可在屏幕上观察到光纤端面。细调对焦旋钮，使端面图像最清晰。观察端面是否清洁完好无破损，边缘是否整齐，分别辨识纤芯和包层，用纸和笔画出纤芯与包层的屏显位置，再用游标卡尺进行测量并记录其屏显数据。测完后将单模光纤跳线换成多模光纤跳线，重复上述步骤。2、单模光纤的模场直径的观测将单模光纤跳线的FC/PC端与光纤视频观察仪接口连接，另一端与HeNe激光器或其他任意有光亮的地方对上，保证有一点点光能够进入纤芯，此时在屏幕上应该能够看到变亮的纤芯，观察此时变亮部

10、分和之前没有光的时候直径大小是否有变化，用纸和笔画出变亮部分的屏显位置（光能分布范围），再用游标卡尺测量记录其屏显直径。3、将实验测得的屏显数据除以系统的放大倍率，得到实际的纤芯直径、包层直径和基模模场直径。体会模场直径的意义，分析此种方法测量的模场直径是否准确。五、实验数据纤芯屏显直径（游标卡尺数据）纤芯直径（换算后的数据）包层屏显直径（游标卡尺数据）包层直径（换算后的数据）屏显模场直径（游标卡尺数据）模场直径（换算后的数据）单模光纤多模光纤附录：光纤及光纤端面处理的基本知识光纤主要由纤芯、包层和涂覆层三部分构成。纤芯位于光纤的中心部位，其主要成分是高纯度的二氧化硅（纯度高达99.99999

11、%），其余成分为掺入的少量掺杂剂（作用是提高纤芯的折射率）。纤芯的直径一般为550微米。单模光纤的纤芯直径较小，一般为410微米；多模光纤的纤芯直径约为50微米。包层也是含有少量掺杂剂的高纯度二氧化硅（作用是降低包层的折射率），其直径一般为125微米。包层的外面涂覆一层很薄的涂覆层，通常需进行两次涂覆，涂覆层材料一般为环氧树脂或硅橡胶。涂覆层的作用是增强光纤的韧性和机械强度，同时防止光纤收到损伤。在光纤的各种应用中，光纤端面处理是一种最基本的技术。光纤端面处理的形式可分为两种：平面光纤头与微透镜光纤头，前者多用于各种光无源器件以及光纤的连接与接续；后者则多用于光纤和各种光源及光探测之间的耦合。

12、光纤端面处理的基本步骤为：涂覆层剥除，光纤头制备，光纤头检验。1、涂覆层剥除在制备光纤头之前，首先要剥除一段光纤的套塑层与预涂覆层(约2030mm长)，使光纤的包层裸露出来。剥除套塑层的方法之一是用刀片(如剃须刀片)切削；使光纤头与刀口之间成一小角度，用左手拇指将光纤头压在刀口上，右手拉动光纤即可剥除套塑层。预涂覆层的剥除也可采用类似的方法进行。目前，已有专门的工具对套塑层合涂覆层进行剥除，如本实验中用到的双口的光纤剥线钳（CFS-2型）。在剥除套塑和预涂覆层之后，要用脱脂棉蘸乙醇乙醚混合液将光纤头清洗干净，才能进行下一步光纤头的处理。 2、光纤头制备(I) 平面光纤头的制备 对于平面光纤头的

13、基本要求是，光纤端面应是一个平整的镜面，且须与光纤纤轴垂直。因此，将光纤简单地“一刀两断”是不行的，必须根据光纤的材料与品种选择合适的端面处理技术。对于石英系光纤，制备平面光纤头的常用方法有：加热法、切割法和研磨法。“加热法”是一种最原始也最简单的方法，同时在一般情形下也是行之有效的，且尤为适合于100 m以上直径的粗光纤。这种方法依据的原理是光纤受局部加热产生的应力突变会使其沿直径方向解理，从而形成所需镜面制作时，首先将已剥除套塑层和预涂覆层的裸光纤头在电弧(或其它热源，如酒精灯下均匀加热，然后迅速用镊子(或相当的工具)夹住光纤端部弯曲折断即可利用这种方法制备光纤头的成功率一般较低，需要有相

14、当的经验才能获得满意的效果。“切割法”又称“刻痕拉断法”。因为它是利用钻石或金刚石特制的光纤切割刀先在光纤侧表面垂直于纤轴轻轻刻一小口，然后施加弯曲应力拉动光纤使其折断利用这种方法制备平面光纤头的成功率一般较高，稍加训练即可获得满意的效果，因此已成为目前最常用的光纤头处理技术。而且技术人员已利用切割法”的原理制成了光纤切剥钳”，集剥除与切割于一体，使用十分方便。“研磨法”是一种更为精密的光纤端面制备技术，它不仅可以使光纤端面更为接近于理想镜面，而且还可以克服“切割法”和“加热法”不易保证光纤端面与纤轴垂直的缺憾，使光纤端面倾斜角降至几十秒以下。“研磨法”涉及到极为复杂的光学加工技术，其基本过程

15、为： a)套管加固：将剥除了涂覆层的光纤套入保护套管之中制成光纤插针；以备光学加工。保护套管一般分为内套管、中间过渡套管与外套管三层。内套管采用精密拉制的玻璃毛细管，其内径与光纤包层直径相当，外径与过渡套管内径相当；过渡套管与外套管一般采用特制的不锈钢管，对其内、外径几何尺寸与公差有较苛刻的要求。在每一层套管之间用环氧树脂胶加固，并需要精密调节对中，以保证光纤与各层套管同轴。但由于调节环节较多，光纤在套管中的角向偏移仍不可避免。目前，人们已经采用了一种更为先进的“陶瓷套管”加固技术，利用特殊配方的陶瓷和精密模具成型技术直接制成内径125 m，外径2.8 mm的精密套管，消除了在套管中的角向偏移

16、。以这种方法制备的光纤插针已经问世并获应用。 b)模具加工：已制成的光纤插针要用合适的模具固定夹持才能进行光学冷加工。模具的质量是影响光纤端面倾斜度的重要因素。模具材料的硬度要与光纤材料相匹配，央持机构要保证插针与模具盘研磨面垂直并便于安装和拆卸。 c)研磨抛光：一般可采用常规的光学冷加工技术对光纤端面进行研磨与抛光，使之成为完美的镜面。在加工过程中，要随时检测光纤端面的垂直度，以获得最小的端面倾斜角。 (II)微透镜光纤头的制备 所谓微透镜光纤头是指在光纤端部制作一微透镜，以提高光纤接收光源功率或使光纤输出光功率更有效地会聚于光探器的光敏面上微透镜制备方法可分为两种：“烧球”和“点球”。“烧

17、球”是对已制备好的平整光纤面进行加热(用电弧放电或其它方法)，使端部软化并成为一半球形微透镜。在加热过程中往复移动加热源和改变加热温度，可以获得不同曲率半径的透镜。“点球”是将已制备好的平整光纤端面浸入熔融的石英玻璃或光学环氧树脂胶之中“点缀”一微透镜。通过控制浸入深度与提升速度，可获得不同形状的微透镜。通过改变微透镜材料，还可获得不同的透镜折射率，以适应不同场合光纤耦合的需要。 为了进一步提高光纤微透镜的耦合效率，还可将光纤头先拉制成锥形，然后再在锥端部制作微透镜这样可使得透镜的曲率半径大为减小，会聚能力大大提高光纤拉锥的方法有三种：第一种是“磨削法”，采用特殊的加工工艺将光纤的包层磨削成锥

18、体，使锥端直径等于或略大于纤芯直径；第二种是“腐蚀法”，将光纤头浸入氢氟酸(或其它酸性溶剂)之中，由于腐蚀作用会使光纤头成为尖锥形状，然后对锥端进行切割处理；第三种是“加热拉锥法”，利用电弧放电加热光纤，同时向两侧拉动光纤直至断开，即可形成锥形光纤头。在后一种方法中，光纤的纤芯也会随包层一起变细而成为锥体从而使得在其中传播的光波场分布及传播待性发生改变。 不同参数的光纤微透镜，其耦合效率有很大差异。应精心设计光纤锥长和微透镜曲率半径，以提高耦合效率。此外，光纤微透镜的反馈作用对LD的不利影响也是一个应考虑的重要因素。往往耦合效率高的透镜其光反馈也强，因此在两者之间要进行合理的选择。 3、光纤头

19、质量的检验 光纤微透镜质量的好坏可依据其与LD耦合时损耗的大小来判定。方法是：取一横模特性好的LD芯片作为光源，首先测试其输出光功率，记为P1；然后保持该功率恒定不变(通常应对LD施行温度与功率自动控制)，用微调架调整光纤微透镜使其与LD芯片对准，在光纤的输出端进行扰模与滤模以剔除包层模和高阶模功率，然后测试光纤输出光功率，并精心调节使其达到最大，记为P2则光纤的耦合损耗为： log(P2P1) （1-1）越小则光纤微透镜质量越好。检验平面光纤端面的最直观的方法是向光纤中注入HeNe光，观察由光纤输出的光束质量，即可判定光纤端面的质量。一个好的光纤端面，其输出光斑应是圆对称的边缘清晰且与光纤轴

20、线方向垂直；如果端面质量不高，则输出光斑就会发生散射或倾斜。另一种更为精密的方法是利用高倍率显微镜来进行检验。首先正面观察光纤端面其表面应均匀、无裂纹，圆周轮廓清晰；然后侧面观察光纤并转动光纤，其端部边缘应齐整，无凹陷或尖劈，且边缘与纤轴垂直。实验二 光纤数值孔径测量预习要求：要求能回答下列问题：1、本实验采用什么方法测量光纤的数值孔径？此法测量的结果是否准确？2、本实验对光纤和光源有何要求？什么情况下测量结果更准确？3、如何判断光源与光纤是否耦合好？一、实验目的n 掌握测量光纤数值孔径的一种方法；n 理解光纤数值孔径的物理意义；n 学习并实践光纤与光源的耦合。二、实验原理光纤数值孔径（NA）

21、是光纤端面临界入射角的正弦值，表示光纤采光能力的大小，也是表征光纤和光源、光检测器及其他光纤耦合器耦合时耦合效率的重要参数。数值孔径越大，则光纤与光源或和其他光纤的耦合就越容易。但数值孔径过大，则光纤的相对折射率差也大，这会增加光纤的传输损耗，故数值孔径应取适当的值。实验上，常采用两种方法来测试光纤的数值孔径：“近场法”和远场法”。 “近场法”是根据数值孔径的定义式，测出折射率n1和n2。 (2-1)其中nl和n2分别是纤芯中心最大折射率和包层折射率。由这种方法测得的数值孔径称为“标称数值孔径”或“理论数值孔径”。该方法对光纤测试样品的要求严格，测量系统所需组建较多，对仪器设备的要求也较高，需

22、要强度可调的非相干稳定光源、具有良好线性的光检测器等，应用不便。 “远场法”又分为“远场光强法”和“远场光斑法”。“远场光强法”测量原理是，光纤在均匀激励下，其远场功率角向分布与理论数值孔径有着如下关系： （2-2）Ka为比例因子，由下式给出： （2-3）式中P(0)与P()分别是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g>2时Ka的值大于0. 975。因此可将对应于P()曲线上功率下降到中心最大值的5处的角度c的正弦值定义为光纤的数值孔径。称之为有效数值孔径： (2-4)如图2.1所示。所谓远场光辐射功率，是指在远离光纤出射端面且与光纤轴心线垂

23、直的远场平面上测试到的光功率，其最大值是在远场平面与轴心线的相交处。“远场法”要求光纤被均匀激励，也就是要求光源与光纤匹配（光源的数值孔径NAi和被测光纤的数值孔径NAf相等）或满注入（NAi>NAf）。这是因为对于一段足够长的光纤，在匹配和满注入的情况下，在入射端面处所有的传导子午线都能进入光纤内部，若传导子午线以入射角i投射到光纤入射端面，则在光纤出射端面处，从光纤内部折射到空气一侧后，与光纤出射端面法线方向的夹角等于i。反之，若光纤不能被均匀激励，即欠激励（NAi<NAf）情况下，在入射端面处只有部分传导射线进入到光纤内部，则在光纤出射端面处，光线的出射角略小于i。图2.1

24、有效数值孔径示意图要达到均匀激励条件，需考虑纤芯与光源是否匹配。光纤核心导光的部分（纤芯）直径大小,就多模光纤而言常用的有50微米及62.5微米，就单模光纤而言约为9微米。而氦氖激光的光束宽度约为1毫米；要将激光光束的能量有效地导入光纤纤芯中,需要先将光束以适当的光学元件聚焦后，再将其耦合至光纤纤芯中。氦氖激光光束的聚焦，常用到不同倍数显微镜用的物镜。在实验架构上，除了聚焦之外，激光器的位置和角度、光纤位置和角度、以及聚焦透镜基座的调整，都是在光能量耦合至光纤纤芯的过程中必须注意的地方。这个调整过程称为对光。本实验采用“远场光斑法”，通过测量光纤出射光斑来计算出光纤出射角度，从而确定光纤的数值

25、孔径。这种方法的原理在本质上类似于“远场光强法”，只是结果的获取方法不同。“远场光斑法”虽然不是标准的方法，但简单易行，而且可采用相干光源，其测量精度取决于人眼和测量尺的精度。原理性实验多采用这种方法。其测量原理如图2.2所示。在图中，激光光束由左边入射至透镜后，聚焦成一小光点；光纤的纤芯端面调整至焦点位置，并且端面和激光光束相垂直，则激光的部分能量就能够被耦合至光纤纤芯中。在这过程中,需仔细在光学平台上做好上述的对光步骤,才能得到足够的耦合效率，除了用肉眼及红外线感光卡来监测激光外,并需辅以光功率计来逐步优化提高耦合效率。前后移动观察屏，在两个位置测量白屏上的光斑尺寸D和光斑距离出射端距离L

26、，并计算出两次读数的差值L和D，则光纤的数值孔径为： (2-5)图2.2 光纤数值孔径测量示意图三、实验仪器氦氖激光器及电源，多模光纤2米，聚焦透镜，白屏，光功率计，光纤夹持器（2个），五维调整架，毫米尺。 四、实验步骤（1）裸光纤的数值孔径测量1、打开激光器电源，校正实验系统。 a)调整激光器的二维调整旋钮，使激光束平行于实验台面；调整透镜，使其与激光束共轴；沿光束方向水平移动白屏，确保激光束的中心始终处在白屏的同一个位置。 b)调整透镜与激光器的距离，使其便于后续仪器的摆放；移动白屏，找到光束会聚后的焦点位置。 c)取待测裸光纤，按实验一的方法处理其前后两个端面；将两个光纤头分别用光纤夹持

27、器固定于五维调整架上；然后，将其一端与激光束耦合（注意光纤端面要放置于焦点处），另一端对准光功率计探头或白屏。 d)仔细调整光纤五维调整架，观察光功率计或白屏，使光纤输出功率最大或光斑最圆最亮。 2、测试输出孔径角c a)移开光功率计探头。 b)置白屏于距光纤输出端L1处，则在白屏上可见光纤输出的圆光斑，其直径为D1。 c)前后移动白屏，用毫米尺测量出新位置与光纤输出端的距离L2及相应的光斑直径D2的值，用（2-5）式计算光纤数值孔径。 3、重复上一步骤3-5次，并记录相关数据，求数值孔径的平均值。4、实验结束，关闭激光器电源，收集整理仪器。（2）光纤跳线的数值孔径测量将裸光纤替换为多模光纤跳

28、线，重复（1）的步骤，记录相关数据。五、实验数据1、裸光纤；测量参数第一次测量第二次测量第三次测量光斑直径D/mm屏与光纤端面距离L/mm数值孔径角光纤数值孔径平均数值孔径2、跳线测量参数第一次测量第二次测量第三次测量光斑直径D/mm屏与光纤端面距离L/mm数值孔径角光纤数值孔径平均数值孔径注意事项：内容（1）的关键之一在于光纤端面处理的质量，光纤端面处理得好，则光斑圆且边缘较清晰；否则光斑不圆且边缘模糊，直径测量误差大，因而得到的数值孔径偏差较大。思考题1光纤的输入孔径角mi与输出孔径角mo是否应该相等?为什么?2光纤数值孔径的物理意义是什么?结合本实验谈谈对此的认识。3. 如何提高光源与光

29、纤的耦合效率？请谈谈你的体会。实验三 光纤耦合效率与衰减系数测量预习要求：要求能回答下列问题：1、本实验采用什么方法测量光纤衰减系数？此法有何优缺点？2、截断法测量光纤衰减系数时为什么要在距离输入端23米处剪断光纤？3、测量光纤耦合效率要求光纤中的模式达到稳态分布吗？4、什么叫“满注入”和“欠注入”？5、什么条件下光功率的对数与光纤长度成线性关系？满足此条件时，剪断法测量光纤衰减系数是否可以在任意位置剪断光纤？一、实验目的l 学会光纤耦合效率的测量方法；l 掌握截断法测量光纤衰减系数；l 知道获得稳态模式分布的方法；l 理解耦合损耗与传输衰减损耗在不同的场合有不同的影响。 二、实验原理1、耦合

30、效率的测量：这里的耦合是指光源与光纤的耦合，耦合效率反应了激光器发出的光进入光纤中的百分比。其定义如下： = （Pin/Pout）×100% （31）其中Pin为进入光纤中的光功率，Pout为激光的输出功率。在理论上与光纤和光源的几何尺寸，数值孔径等光纤参数有着直接的关系（即光源与光纤是否匹配），在实际操作中它还与光纤端面的处理情况和光路的调整情况有着更直接的关系，即与操作者的操作水平有很大关系。 2、衰减系数的测量光纤中光的衰减机理主要有三种：光能量的吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。吸收损耗与光纤材料有关，散射损耗则与光纤材料及光纤中的结构缺陷有关，而辐射损耗则由光纤几何形状的微观和

31、宏观扰动引起。光纤的损耗用衰减系数表示，单位为dB/km。（32） 其中，L为所测光纤的长度，P1为L起始端的注入光功率，P2为L末端的输出光功率。由于高阶模式的损耗大于低阶模式的损耗，在光纤中传输的光功率的对数lgP与光纤长度L的关系为非线性的，如图3.1所示。实验测得的衰减系数值与注入条件和光纤长度有关。只有在稳态模式分布（注入光束的数值孔径NAi和被测光纤的数值孔径NAf相匹配）的注入条件下，lgP与L的关系才是线性关系。在满注入（NAi>NAf）或欠注入（NAi<NAf）条件下，被测点与注入点的距离要大于或等于光纤的耦合长度(L1Lc)，才能获得稳态模式分布。只有在稳态模式

32、分布的条件下，才能得到惟一代表光纤本征特性的衰减系数。Lc有多长？由于现代光纤拉制技术水平的提高，光纤芯与包层间界面的均匀度已相当高所以需要Lc25km时，光纤才能达到稳态模式功率分布。Lc这样长，在实验室测量时很不方使在实际的测量装置中，都要加扰模器。加了扰模器之后，Lc的长度可缩短为2m左右。获得稳态模式分布的办法有三种：（1） 建立NAiNAf的光学系统。（2） 建立稳态模式模拟器，一般由扰模器、滤模器和包层模消除器三部分组成。（3） 用一根性能和被测光纤相同或相似的辅助光纤代替光纤耦合长度的作用，这种手段在工程实际中应用广泛。图3.1 光功率与光纤长度的关系扰模器是一种根据模耦合机理，

33、采用强烈几何扰动加速光纤中各种模式迅速达到稳态分布的器件。如图3.2所示。图3.2 柱状扰模器图3.3 滤模器滤模器是一种用来选择保证建立稳态模式分布所需要的模，同时又能够抑止其他模的器件。该器件可以采用芯轴环绕的形式，将被测光纤低张力地绕在一根20mm长的芯轴上，如图3.3所示。包层模消除器是一种用来消除包层模的器件。当光纤一次涂覆材料的折射率比石英包层的折射率低时，光纤耦合过程中激励起的辐射模会在包层和涂敷层的界面产生全反射，从而形成包层模。消除包层模的办法比较简单，只需将光纤的涂敷层去掉，浸在折射率稍微大于包层折射率的匹配液（如甘油、CCl4）中便可，具有高折射率涂敷层的光纤不会形成包层

34、模，不需要使用包层模消除器。扰模器、滤模器和包层模消除器三部分组装在一起构成光纤测量中常用的稳态模式模拟器。光纤衰减系数的测量方法有三种：剪断法、插入法和背向散射法。剪断法(破坏性测量方法) 最精确的光纤损耗测量方法是如图3.4所示的剪断法。这种方法先在光纤末端或远端（图中标记2处）测量输出光功率P2，然后在保持注入条件不变的条件下，在距离光源约2米处（图中标记1处）剪断光纤，再测量出近端的输出光功率P1，若近端与远端之间的光纤长度为L，则代入（3-2）式，可得光纤的衰减系数。剪断法是根据衰减系数的定义，通过直接测量光功率来实现的，所用仪器简单，测量结果准确，因此被确定为基准法。但这种方法有破

35、坏性，不利于多次重复测量，显然不适应工程应用。在工程实际中，一般采用不带破坏性的插入法和后向散射法作为替代法。图3.4 剪断法测量光纤衰减系数装置图 插入法插入法的测量装置如图3.5所示。图3.5(a)为参考测量装置，它首先用光功率计测量出光源与光纤活动连接器的输出功率P1，然后在保持注入条件不变的条件下，将待测光纤连接到注入系统和接收系统之间，如图3.5(b)所示，测出光功率P2，被测光纤段的总衰减A（）可通过下式计算： （33）其中，C0、C1、C2是连接器0、连接器1、连接器2的标称平均损耗值。计算出A（）后，除以被测光纤段的长度，便可以求得光纤的衰减系数。插入法因受操作水平和连接器质量

36、的影响，测量结果不如剪断法准确，所以只能作为替代法。 背向散射法（又名后向散射法）瑞利散射光功率与传输光功率成正比。借助瑞利散射原理和菲涅尔原理利用与传输光相反方向的瑞利散射光功率来确定光纤损耗系数的方法，称为背向散射法。在这里不作详细介绍。本实验采用截断法测量光纤损耗。三、 实验仪器He-Ne激光器及电源、会聚透镜及镜架、多模光纤、光功率计、光纤夹持器及五维调整架、金刚刀（或刀片）、脱脂棉、酒精乙醚混合液。四、 实验步骤1、打开激光器电源，调节激光器使输出光束水平。2、用光功率计（在图3.4中标记0处）测量激光器输出光功率，记为Pin。3、按实验一的要求进行光纤端面处理。4、将光纤的两端分别

37、用光纤夹持器夹好（注意保持光纤端面清洁、不被污染），松紧程度以光纤不能被轻易拉出为宜；将光纤夹持器固定于五维调整架上，光纤的一端对准光功率计，另一端的端面置于聚焦透镜的焦点处，仔细调节输入端，使光源发出的光尽可能多地耦合进光纤，直至光功率计的读数最大为止。5、记录光功率计的读数作为P2。 6、保持注入条件不变，在距离输入端23m处截断光纤，对截断处进行端面处理，然后将此端面对准光功率计，记录光功率计的读数作为P1。7、 测量剪下来的光纤的长度L（即图中1和2之间的光纤长度），利用（32）式计算光纤的衰减系数。8、 保持注入条件不变，在距离光纤输入端约0.5m处截断光纤，对截断处进行端面处理后，

38、将尾纤对准光功率计，测量输出光功率，记为Pout。9、 利用（31）式计算光纤耦合效率。10、实验结束，关闭激光电源，整理仪器。五、 实验数据1、 耦合效率测量数据 Pin Pout2、 衰减系数测量数据 P2 P1 L注意事项：1、 每次截断光纤，都应对光纤端面进行处理。实验过程中应保持端面清洁，不碰触手或其他物件。2、 不要挤压、折曲光纤，否则会引起测量结果的偏大。3、 仪器应避免机械震动、碰撞、跌落等，每次截断及进行端面处理时，都应严格保持注入端稳定不动，以免改变注入条件，加大测量误差。思考题：1、 测量光纤衰减系数为什么不以输入端的光功率Pin作为P1？除了讲义中提到的原因之外，还有没

39、有其他考虑？2、 比较实验所得耦合效率与传输衰减系数（要统一单位），说明在什么情况下其中之一可以忽略。实验四 光纤模式的观察预习要求： 要求能回答下列问题： 1、市场上买到的单模光纤，是不是不论你如何使用，光纤里面都只能传输一个模式？ 2、单模条件有哪几种表达方式？请用文字说明它们的含义。一、实验目的n 通过单模光纤的多模应用，加深对单模光纤截止波长概念的理解；n 通过观察尾纤输出模式加深对模式概念的理解；n 通过观察光纤模式，了解光纤弯曲及光纤长度对光纤模式的影响。二、实验原理根据光的波导理论，光在光纤中传播，可用电磁波的麦克斯韦方程来描述。在一特定的边界条件下麦克斯韦方程有一些特定的解，这

40、些解代表着一些可在光纤中长期稳定传输的光束，这些光束或解即被我们称为模式。光纤中的模式除了与光纤本身的参数如折射率、直径有关外，还与光的波长有关。根据单模条件，V<Vc，即 可知，对于给定的光纤，当工作波长 （41）时，光纤为单模光纤，否则为多模光纤。理论可以证明，对于波长为1310nm或1550nm的光波当光纤芯径小于10m时，我们所使用的光纤中将只有一个基模可以稳定传输。它沿径向的光强分布为高斯分布。这种光纤我们称为1310nm或1550nm单模光纤。在本实验中我们采用的就是1310nm或1550nm单模光纤，而采用的激光是632.8nm的可见激光。光纤工作波长小于单模条件要求的波长

41、，因此光纤中的模式将不是单模，而是一个简单的多模（如梅花状）。光纤中各模式有不同的传输速度、传输路径和偏振态，它们在不同的位置、不同的弯曲状态下的耦合情况不同，因而能观察到不同的模式图样。 三、实验仪器n He-Ne激光器（632.8nm）及电源n 白屏n 1310 nm单模光纤n 多模光纤跳线n 光纤夹持器及五维调整架n 金刚刀（或刀片）n 脱脂棉、酒精乙醚混合液四、实验步骤（一）单模裸纤的多模运用1、打开激光器电源，调节He-Ne激光器使输出光束水平，观察激光器的远场输出光斑并用手机拍下光斑图；2、按实验一的要求对1310nm单模裸纤进行端面处理；3、按图3.4搭建好光路，将裸纤的一端固定

42、于光纤夹持器及五维调整架上，同时将光纤的另一端固定好对准光功率计，仔细调节输入端，使光源的光尽可能多地耦合进光纤，直至光功率计的读数最大为止；4、用白屏取代光功率计探头，观察白屏上裸纤尾纤的输出光斑，轻轻拨动光纤，观察输出光斑的变化，用手机拍下拨动前后的光斑图样；5、保持注入条件不变，在任意位置截断裸光纤，处理好光纤端面，重复步骤4，记录拨动前后的光斑图样。（有兴趣的同学可以用多模光纤重复上述实验，观察并记录多模光纤的输出光斑）。（二）多模跳线的模式测量6、将多模光纤跳线的一端接GCS-FIB试验台的He-Ne内腔激光器，另一端接入台式光纤视频放大器中，在监视器上观察输出光斑图样，轻轻拨动跳线

43、，观察输出模式的变化，用手机拍下拨动前后的光斑图样。7、实验结束，关闭电源，整理物品。思考题：保持注入条件不变的情况下，为什么轻轻拨动裸光纤或在不同位置截断裸光纤会观察到不同的光斑图样？实验五 光分路器特性与参数测量实验（选开）预习要求：要求能回答下列问题：1、光分路器的作用是什么？2、光分路器的插入损耗与附加损耗有何区别？它们分别侧重于描述什么原因导致的损耗？3、插入损耗、附加损耗和分光比分别如何计算？一、实验目的n 了解Y型分路器的工作原理及其结构n 掌握Y型分路器的正确使用方法n 掌握Y型分路器主要特性参数的测试方法二、实验内容1、测量Y型分路器的插入损耗2、测量Y型分路器的附加损耗3、

44、测量Y型分路器的分光比三、实验仪器1、ZY1804I型光纤通信原理实验箱 1台2、FC接口手持光功率计 1台3、万用表 1台4、FC-FC适配器 1个5、Y 型分路器 1个6、连接导线 20根四、实验原理在光纤通信系统或光纤测试中，经常遇到需要从光纤的主传输信道中取出一部分光作为监测、控制等使用，有时也需要把两个不同方向来的光信号合起来送入一根光纤中传输，这都需要“光纤耦合器”来完成。光纤耦合器在前一种应用中称为“光分路器”，在后一种应用中称为“光合路器”。光耦合器是将光信号进行分路或合路、插入及分配的一种器件。光分路器是光合路器的逆向应用。光分路器的技术指标一般有插入损耗（Insertion

45、 Loss）、附加损耗（Excess Loss）、分光比和方向性、均匀性等，本实验中主要测试Y型光分路器的插入损耗，附加损耗及分光比。插入损耗定义为指定输出端口的光功率相对全部输入光功率的减少值。数学表达式为： (6-1) 其中，I.Li为第i个输出端口的插入损耗，Pouti是第i个输出端口测到的光功率值，PIN是输入端的光功率值。附加损耗是由散射、吸收和器件缺陷产生的损耗，定义为所有输出端口的光功率总和相对于全部输入光功率的减小值。数学表达式为： （6-2） 对于Y型分路器，附加损耗是体现器件制造工艺质量的指标，反映的是器件制作过程带来的固有损耗；而插入损耗则表示的是各个输出端口的输出光功率

46、状况，不仅有固有损耗的因素，更考虑了分光比的影响。因此不同类型的光纤耦合器，插入损耗的差异，并不能反映器件制作质量的优劣，这是与其他无源器件不同的地方。分光比是光耦合器件所特有的技术术语，它定义为耦合器各输出端口的光功率相对全部输出光功率的百分比，在具体应用中常表示为： （6-3）例如对于Y型分路器，1:1或50:50代表了输出端相同的分光比。即输出为均分的器件。在实际工程应用中，往往需要各种不同分光比的器件，可以通过控制制作方法来改变光耦合器件的分光比。测试Y型分路器的插入损耗、附加损耗和分光比时，其测试实验框图如图6.1所示。测试方法为：先测试出光源输出的光功率P0，再接入Y型分路器，分别

47、测出Y型分路器输出端的光功率P1和P2，代入6-1，6-2，6-3式即可得到待测Y型分路器的性能指标。图5.1 Y型分路器性能测试实验框图五、实验步骤a、Y型分路器插入损耗测量1、在ZY1804I型光纤通信原理实验箱上，用连接线连接中央控制器M和T903 (13_DIN)。2、将开关BM901拨为1310nm，将开关K902拨为“数字”，将电位器W901、W907逆时针旋转到最小。3、旋开1310nm光发端机保护帽，利用FC-FC单模光跳线将其和手持光功率计连接起来。并将光功率计的波长设置为1310nm。4、打开交流电源。5、慢慢调节电位器W901（数字驱动调节），用万用表测量T904（TV+

48、）和T905(TV-)两端电压（红表笔插T904，黑表笔插T905），使之为17mV左右。6、读出此时光功率计的数值，此数据即为光源输出功率P0，也就是Y型分路器的输入功率PIN。7、拆除1310nm光发端机和光功率计的连接，将Y型分路器光纤接头插入1310nm光发端机。 同时将Y型分路器光纤输出接头OUT1（两个任何一个都可以，这里记为OUT1）和光功率计连接起来。8、读出此时光功率计的数值，此数据即为插入Y型分路器后的输出功率Pout1。9、将所测得的数值PIN和Pout1代入式（6-1）计算所得的结果即为Y型分路器第一个端口的插入损耗；同样的方法可得到第二个端口的插入损耗。b、Y型分路器

49、附加损耗测量10、将所测的值Pout1 ，Pout2和PIN代入式（6-2）计算所得的结果即为光分路器的附加损耗。c、Y型分路器分光比测量11、将所测量的值Pout1 ，Pout2和PIN代入式（6-3），分别计算两个输出端口的分光比。12、实验完成后，关闭交流电源，拆除各个连线，将所有的开关拨向下，将实验箱还原。六、思考题1、Y型分路器的分光比和实际所测得的值是否有差异？有的话，分析原因。2、若将此光分路器反向运用，则由两个分支端口输入的光功率之和是否等于合路端口输出的光功率？实验六 可调光衰减器特性实验（选开）一、实验目的| 深入了解可调光衰减器的各种特性；| 熟悉可调光衰减器的应用方法。

50、二、实验原理1、光衰减器的作用 当输入光功率超过某一范围时，为了使光接收机不产生失真，或为了满足光线路中某种测试的需要，就必须对输入光信号进行一定程度的衰减。2、光衰减器的分类光衰减器按照衰减量可调与否可分为固定式和可变式两类，按照其衰减方式又可分为耦合型、位移型和衰减片型。3、光衰减器的结构及原理耦合器型光衰减器利用耦合器分光来达到衰减的目的，其衰减量是不可调的。耦合器光纤1光纤2光纤3图6.1 耦合器型光衰减器结构位移型光衰减器分为横向位移型和轴向位移型光衰减器。横向位移型光衰减器通过改变两根光纤的横向错位多少来调节衰减量。轴向位移型光衰减器通过轴向改变两根光纤的远近来调节衰减量。光纤1光纤2图6.2 位移型光衰减器结构衰减片型光衰减器直接将具有吸收特性的衰减片固定在光纤的端面上或光传输通路中，达到衰减信号的目的。输入光纤输出光纤连接器连接器¼节距自聚焦透镜光衰减片图6.3 衰减片型光衰减器结构三、实验仪器| ZY1804I型光纤通信原理实验箱| 轴向位移型可调光衰减器| 光连接器| 尾纤(跳线)四、实验步骤按图64所示