单模光纤数值孔径的测量.ppt

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。 通常设光纤纤芯的折射率为n1,

2、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810um,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50180um，包层直径为125um，如50/125（欧洲标准）， 62.5/125（美国标准）。光线以折射形状沿着纤芯中心轴方向传播

3、。,（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。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

4、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

5、）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。,g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=0.975NAmax CCITT在下图方法中测试数值孔径的办

6、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=sin 8=0.1329 根据NAeff=0.975NAmax可以得到 NAm