光纤通信实验报告.pdf

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1、光纤的物理性质与应用光纤的物理性质与应用201811140233陈泓宇实验日期：2020.11.19指导老师：廖红波【摘要】【摘要】本次实验测量了光源与光纤的耦合效率，光纤的基本性质数值孔径和损耗特性，并利用光纤搭建了光纤温度传感器，测量了温度传感器的温度系数。本次实验共使用了两种光纤塑料光纤和商用石英光纤。通过对光纤各项参数的测量以及在实验中对两种光纤进行比较，加深了对光纤光学的基本知识和光纤的物理性质的理解。关键词：关键词：光纤，耦合效率，数值孔径，损耗特性，光纤温度传感器1.引言引言光纤通信使用激光作为信息的载体，以光纤作为传输介质的一种通信方式。光纤是光导纤维的简称。它是工作在光波波段

2、的一种介质波导，利用光的全反射原理，将光的能量约束在光吸收和光散射都非常小的波导界面内，并引导光波沿着光纤轴线方向传播。光纤通信之所以发展迅猛，主要源于它具有以下几个特点：通信容量大、传输距离远；信号串扰小、保密性能好；抗电磁干扰、传输质量佳等。光纤除了在现代通信系统中有着重要的应用外，在传感器技术方面，也有着独特优势。光纤传感器利用待测物理量对光纤内传输的光波的光学参量进行调制并传输至光学探测器进行解调，从而获得物理量的变化。光纤主要由纤芯，包层，涂覆层和陶塑四部分组成。光主要在纤芯之中传播，纤芯和包层的折射率要满足光能在纤芯之中发生全发射。涂覆层和陶塑主要用于增加光纤的机械强度。本实验主要

3、在学习了光纤光学的基础知识的基础上，测量光源与光纤的耦合效率，光纤的数值孔径和损耗特性，了解光纤温度传感器的工作原理。2.实验原理实验原理2.1 光源与光纤的耦合效率光源与光纤的耦合效率实验室使用的激光器输出的高斯光束经过透镜之后仍然为高斯光束。仔细选择透镜的焦距 f，使经透镜耦合后的高斯光束的束腰与纤芯直径相等。之后，再仔细调整光纤端面的位置，使光纤端面置于通过透镜的高斯光束的束腰处，以获得最佳的耦合效率。耦合效率的定义为：0PP(1)其中，0P是入射到光纤端面的光功率，P 是输入光纤中的光功率。光源与光纤的耦合如图 1 所示。图 1 光纤与光源的耦合示意图2.2 数值孔径数值孔径光纤的数值

4、孔径是表征光纤集光能力的一个重要物理量。由于光线传播具有可逆性，因此，数值孔径既反映了光纤的入射性质，又反映了光纤的出射性质。数值孔径越大，则光纤端面接收或会聚光的能力越强。由几何光学可知，只有入射角度（入射光线与光纤轴的夹角）小于某一个角的光线，才能在光纤内部传播，而光纤的数值孔径 NA 即为：sinNA(2)本实验采用“远场光斑法”近似测量光纤的数值孔径，其测量原理如图 2 所示：图 2“远场光斑法”测量原理如图所示，数值孔径可由以下公式测量：22rrsinNAh(3)其中，r 为观察屏上光斑的半径，h 为光纤端面与观察屏之间的距离。2.3 光纤的损耗光纤的损耗光波在光纤中的传播会产生各种

5、原因的损耗，包括接续损耗、弯曲损耗等附加损耗，散射、吸收两种固有损耗。散射主要以瑞利散射为主，也会存在米氏散射。吸收主要是光纤材料和杂质的吸收，可分为紫外吸收和红外吸收。光波在光纤的实际传输过程中，随着传播距离的增加，光功率以指数形式逐渐衰减，即：LePL)()0()(P(4)其中，P(0)为光纤的输入功率；P(L)为光波传输L 后光纤的输出功率；）（是损耗系数，是光波波长的函数。在光通信中，光信号的损耗一般以分贝（dB）为单位，采用以下的光纤损耗定义式：)()()0(lg10)(AdBLPP(5)光纤的损耗系数定义为单位距离上的损耗，即：)/()()(KmdBLA(6)本实验“截断法”测量光

6、纤的损耗。首先，在稳定的光强输入条件下，测量长度为 L 的整根光纤的输出功率2P；然后，保持耦合条件不变，在离光纤输入端约 l 处截断光纤，测量此短光纤（l）的输出功率1P。则1P和2P可以分别视为被截断的光纤（L-l）的输入功率和输出功率，这样，就可以根据公式(5)(6)测量光纤的损耗系数。2.4 光纤温度传感器光纤温度传感器光纤温度传感器的基本原理是光纤双光束干涉中相位差的变化。把激光器发出的相干光经过光纤分束器后送入两根长度基本相同的光纤中，其中一根叫探测臂，另一根叫参考臂。从两根光纤输出的激光束叠加后将产生干涉，形成干涉条纹。光经过光纤前后，相位差的改变为：)()(2)(TLTnT(7

7、)其中，为波长；n 是光纤折射率；L 是光纤的长度；T 是温度。将外界的温度作用施加到探测臂上，光纤的长度和折射率都会发生变化，由公式(7)可以计算出，与之前的出射光相比相位的变化为：）（LnnL2(8)3.实验内容实验内容3.1 主要实验器材主要实验器材He-Ne 激光器、光功率计、显微物镜、五维调节架、光纤、光纤切割刀、光纤钳、CCD、光纤温度传感器实验仪器、光屛。3.2 实验内容实验内容3.2.1 调节光路调节光路首先，利用小孔光阑将激光输出调至水平，之后，激光输出保持不动。而后，将五维调节架放入光学平台中，使激光入射到五维调节架上的聚焦目镜上（聚焦目镜的焦距已经经过筛选），观察光束的反

8、射斑。可以看到，一共有四个反射斑，调整目镜的位置、方向和高低，使四个反射斑两两重合且基本与光源的位置重合，则激光光束与聚焦目镜的光轴共轴。此后，固定五维调节架不动。然后，观察激光是否和固定光纤的通光孔共轴，从而保证光源与光纤的耦合效率较大。通过观察进入通光孔和出射通光孔时光线是否处于通光孔中央，可以判断是否共轴，如果不共轴，反复调节通光孔的上下左右位置以及俯仰角度。3.2.2 测量塑料光纤的耦合效率和损耗系数测量塑料光纤的耦合效率和损耗系数取一段塑料光纤，用剪刀处理端面，使端面尽量垂直与光滑。用铜套固定光纤的一端，将铜管固定在五维调节架上。观察激光光斑与光纤端面的相对位置，调节五维调节架上铜管

9、的左右与上下位置，直到激光光斑打在光纤端面上，将光纤另一端也用铜管固定在光纤架上，使光纤输出端尽量贴近（光的出射角分布范围很大，防止光分散测量不准）光功率计感光面，反复微调铜管位置、光纤与聚焦目镜的距离（使端面与高斯光束束腰重合），使输出功率最大。而后，利用“截断法”测量光纤的损耗。注意，在用“截断法”测量光纤的损耗时，截断后，剩余的光纤的长度很短，可以忽视光纤的损耗，把输出光强近似当做光源与光纤耦合后，输入光纤的光功率，因此，可以用此来计算塑料光纤的耦合效率。由于塑料光纤的纤芯为塑料，包层为空气，因此塑料光纤的数值孔径很大，用“远场光斑法”测量时，光过于分散，光强不够，用本方法难以测量，故本

10、实验没有测量光纤的数值孔径。3.2.3 测量商用石英光纤的耦合效率和数值孔径测量商用石英光纤的耦合效率和数值孔径取用石英光纤，用专用光纤剥线钳处理光纤以便用专用光纤切割器处理端面，最后在显微镜下观察光纤端面是否平整光滑。将处理好的光纤装入铜套并固定在五维调节架上，仔细调节聚焦目镜位置和聚焦目镜与端面的距离，由于石英光纤的纤芯半径很小，数值孔径也不大，因此该次调节光源与光纤的耦合需要十分精准，最后，使光纤输出功率最大。而后，利用“远场光斑法”测量石英光纤的数值孔径。由于石英光纤的损耗效率较小，可以直接将调整耦合后得到的光纤输出的最大功率作为计算耦合效率时输入光纤的光功率。3.2.4 光纤温度测量

11、传感器的温度系数光纤温度测量传感器的温度系数保持石英光纤处于最佳耦合状态，将光纤插头接入分束-干涉系统，选择分束器中的两个长度相近，光强相似的输出端，并且根据输出光斑的形状，对这两个输出端的端面进行处理。将一支光纤放入加热器中固定好，然后调整两光纤的相对位置（为了得到粗条纹，尽量贴近），光纤与 CCD 探头的相对位置（为了得到粗条纹，尽量远离，但是要保证光强强度），直到在 CCD 上得到清晰的干涉条纹。之后，分别测量 30-40升温和 40-30降温时，条纹移动的数目。4.实验数据处理和分析与实验结果实验数据处理和分析与实验结果4.1 塑料光纤的耦合效率和损耗特性塑料光纤的耦合效率和损耗特性如

12、上一节所述，利用“截断法”测量塑料光纤的损耗特性，并同时测量计算耦合效率所需的数据。4.1.1 塑料光纤的耦合效率塑料光纤的耦合效率将光纤截断后，光纤长度仅剩 9.00cm 时，测量此时光纤的输出功率为 0.627mW，由于此时的光纤长度很短，损耗可忽略不计，0.627mW 可作为输入光纤的光功率。另外，在没有放入光纤之前，贴近固定光纤的通光孔测量光功率，作为射在光纤端面上的光功率，可以得到射在光纤端面上的光功率为 1.849mW。根据公式（1），计算塑料光纤在本次实验条件下的耦合效率为 33.9%。4.1.2 塑料光纤的损耗特性塑料光纤的损耗特性将光纤截断之前，光纤长度为 209.70cm，

13、此时，测量得到的光的输出功率为 0.501mW；将光纤截断之后，光纤长度为 9.00cm，测量得到的光的输出功率为 0.627mW。所以，将 0.627mW 作为一段长度为 200.7cm 的光纤的起始位置的功率，将 0.501mW 作为该光纤的输出功率，利用公式(5)(6)，计算得到塑料光纤的损耗系数为 485.45KmdB/。损耗系数计算的是各类损耗相加的总损耗，误差来源主要是光功率计没有完全接收出射的光；测量时端面受到围绕导致耦合发生了细微的改变。4.2 商用石英光纤的耦合效率和数值孔径商用石英光纤的耦合效率和数值孔径4.2.1 耦合效率耦合效率调整好耦合之后，测量光纤的输出功率，由于商

14、用石英光纤的损耗很小，实验中使用的光纤长度较短，因此可以近似忽略损耗，将光纤的输出功率0.474mw 作为输入光纤的光功率。另外，射在光纤端面上的光功率为 1.849mW。根据公式(1),计算商用石英光纤在本次实验条件下的耦合效率为 25.6%。测量误差主要来源于对光纤损耗的近似忽略。在调节光源与光纤耦合的过程中，需要十分严格的将光源与光纤端面调为共轴，并且使光纤端面与透镜中出射的高斯光束的束腰共轴，还需要用专用工具将光纤的端面且平整光滑努力提高耦合效率，便于后续实验中，出射光纤的光强足够大。4.2.2 石英光纤的数值孔径石英光纤的数值孔径调节光屛到光纤输出端面的距离 h，测量打在光屛上的光斑

15、的半径 r。测量的数据和由此通过公式(3)计算的数值孔径可见表 1。h/cmr/cm数值孔径 NA8.201.200.1512.401.400.1115.402.000.13表 1 计算数值孔径所需数据和数值孔径的计算值注意，由于光纤的纤芯过细，在进行“远场光斑法”时可能发生衍射现象，测量光斑的半径时，需要忽视衍射级次，要将整个亮的部分都作为光斑来测量。测量过程中，如果光纤端面与光屛的距离过远，光斑的强度会较小，光斑的边缘会很不清晰，难以界定光斑的边界；光纤端面的距离与光屛过近时，光斑很小，也难以将光斑的直径测量标准。因此，在测量过程中，需要保持光纤端面和光屛的距离适中。上表中，h 为 8.2

16、0cm 时测量得到的数值孔径与理论值较为接近。在测量过程中，由于光纤切面不垂直光滑，光斑的形状较为不规则，很难界定光斑的直径，因此造成了较大的误差。4.3 光纤温度测量传感器的温度系数光纤温度测量传感器的温度系数在 3040区间内，分别在温度上升时和温度下降时，测量固定条纹数目移动后的温度，数据可见表 2 和表 3，并由此绘制曲线图 3 和图 4。条纹移动数目温度（）0301032.82035.43036.84038.45039.26039.86240表 2 温度上升时，条纹移动数目与温度的关系图 3 温度上升时条纹移动数目随温度变化可以看到，随着温度的上升，条纹移动的速度越来越快。总体上，温

17、度上升 10，条纹移动 62个。条纹移动数目温度（）0401038.22035.93034.54032.85030.75430表 3 温度下降时，条纹移动数目与温度的关系图 4 温度下降时条纹移动数目随温度变化可以看到，温度下降时，条纹移动的数目随温度的变化比温度上升时稳定，但是总体来说，条纹移动的数目与温度变化的比值比温度上升时小。总体上，温度下降 10，条纹移动 54 个。探测臂和参考臂中的光来自于同一光源，二者相干，并且最后落在 CCD 的不同位置时，两者的相位也会不同，在不同位置有着不同的相位差，最后便形成了干涉条纹。温度变化时，探测臂中的出射光的相位也会产生变化，也就是说，探测臂中的

18、出射光与参考臂中的出射光的相位差产生变化，因此会导致干涉条纹的移动。温度下降比温度上升的时间要更长，由原理部分可得，导致产生干涉条纹的两束光的相位变化的原因是加热系统加热部分光纤的长度和折射率。温度下降时，花费时间长，光纤长度随着温度的变化更加稳定，光纤整体的温度也会变化的更加均匀充分，因此温度下降时条纹移动数目随温度的变化更加平稳。本实验测量误差的主要来源是光纤温度测量不准确；光纤的长度随着温度的变化并没有达到平衡，温度就进一步变化，并且光纤本身温度的变化也不均匀。5.实验结论与建议实验结论与建议本次实验分别测量了塑料光纤的耦合效率和损耗特性，商用石英光纤的耦合效率和数值孔径，并且使用商用石

19、英光纤制作光纤温度测量传感器并测量传感器的特性。在测量耦合效率时，测量入射光纤的光功率都采用了近似的方法，使用可以近似忽略光纤损耗的光纤的输出功率作为入射光线的光功率。测量损耗特性使用了“截断法”，使用该方法时，要特别注意光功率计的使用。测量数值孔径时使用了“远场光斑法”，基于几何光学原理，但是测量过程中光会发生衍射，因此该方法的适用范围有限。使用商用石英光纤制作光纤温度测量传感器并测量传感器的特性时，分别测量了温度上升和下降时传感器的性质，可以看出传感器并不足够灵敏，并且只能用来测量温度的变化。后续，可以进一步设计实验，讨论如何测量塑料光纤的数值孔径以及如何测量商用石英光纤的损耗特性。6.参考文献参考文献1北京师范大学物理实验教学中心.近代物理实验讲义附录：实验数据附录：实验数据