光纤的基本处理及其基本特性测量Word下载.docx
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如图2,均匀光纤的纤芯与包层介质的折射率分别呈均匀分布,在分界面处折射率有一突变,故又称阶跃型光纤;
非均匀光纤纤芯的折射率沿径向成梯度分布,而包层的折射率为均匀分布,故又称为梯度折射率型光纤。
按照传输特性的不同,又可将光纤分为单模和多模两种。
单模光纤较细,只允许一种传播状态(模式);
多模光纤较粗,可允许同时存在多种传播状态(模式)。
对于阶跃光纤,光纤中的传输模式与波导参数V有关。
波导参数V为:
(1)
式中a为光纤纤芯的半径;
NA为光纤的数值孔径
;
为入射光波长。
图2光纤类型及光脉冲在光纤中传输示意图
在光纤NA保持一定的情况下,光纤的芯径越大,则波导参数越大。
光纤能传播的模式也越多,当V≤2.4的时候光纤就只能传播单一模式,这种光纤称为单模光纤;
当V>
2.4时能传播多种模式,例如当2.4<
V≤3.8时,光纤就传输四种模式(HE11,TE01,TM01,HE21),在这种光纤的输出端可观测到对应于这4种模式的4种光斑类型,所以一般V>
2.4的光纤就称为多模光纤。
图2是光脉冲在多模光纤和单模光纤中的传输性能示意图。
2.光纤的数值孔径及其测量
由于全反射临界角ic的限制,光纤对自其端面外侧入射的光束相应的存在着一个最大的入射孔径角,参考图3。
假设光纤端面外侧介质的折射率为n0,自端面外侧以i0角入射的光线进入光纤后,其到达纤芯与包层分界面处的入射角i1刚好等于临界角ic。
那么当端面外侧光线的入射角大于i0时,进入光纤时将不满足全反射条件。
图3光纤导光光路图
因此,i0就是能够进入光纤且形成稳定光传输的入射光束的最大孔径角。
可以证明,对于阶跃型光纤,有:
(2)
一般用光纤端面外侧介质折射率与最大孔径角正弦的乘积
表征允许进入光纤纤芯且能够稳定传输的光线的最大入射角范围,称为光纤的数值孔径。
对于阶跃型光纤数值孔径大小为:
(3)
对于渐变折射率光纤,光纤数值孔径的另一种定义是远场强度有效数值孔径。
远场强度有效数值孔径是通过测量光纤远场强度分布来确定的。
它被定义为光纤远场辐射图上光强下降到最大值的5%处的半角的正弦值,如图3所示。
图3光纤数值孔径定义
测量光线最大出射的光功率分布曲线及光纤端与探测界面的距离,利用光强下降到最大值的5%处的半张角的正弦值,计算光纤的数值孔径。
n0为空气中的折射率,n01。
(4)
3.光纤损耗特性
光信号沿光纤传输时,光功率的损耗就叫做光纤的损耗。
光信号的衰减以分贝(dB)为单位。
波长为λ的光沿光纤传输距离L的衰减
A(λ)定义为:
(5)
式中,P1、P2分别是光纤的注入端和输出端的光功率。
对于一根均匀的光纤就可定义单位长度(通常是1km)的衰减为光纤的损耗系数
α(λ):
(6)
引起光纤损耗的原因很多,归纳起来大致可分未两类:
吸收损耗和散射损耗。
A.吸收损耗
吸收损耗包括:
(1)光纤材料的本征吸收损耗,如Si-O键的红外吸收损耗、电子转移的紫外吸收损耗
(2)杂质吸收损耗。
造成光纤杂质吸收损耗的杂质,主要有金属离子和
OH-根离子;
(3)原子缺陷吸收损耗。
如热激励或强辐射激励时所产生的一种损耗。
B、散射损耗
散射损耗主要包括:
(1)瑞利散射损耗是本征散射损耗。
它是由于光纤材料的密度不均匀和折射率不均匀引起;
(2)波导效应散射损耗是由于波导结构不规则,从而导致高阶模的辐射形成损耗;
(3)非线性效应散射损耗主要是由受激的喇曼散射和布里渊散射引起的。
如上所述,在光纤传输过程中,光信号能量损失的原因是复杂的,有本征的和非本征的,
在实用中最关心的是它的传输总损耗。
传输损耗的测量有两种方法。
1.截断法:
(破坏性测量方法)
首先测出整盘光纤的输出光功率P2。
然后在微调节架之后约0.3m处(如图4)切断光纤,测得短光纤的输出光功率P1
图4光纤传输损耗测量示意图
则可得到光纤的衰减为
衰减系数α(λ)=A(λ)/L,其中L为光纤长度
2.插入法:
将1、2对接,测得P1,然后将待测光纤接入,调整连接器接头使得输出最大,即为P2,
则A'
(λ)=P2(λ)-P1(λ)
其中A'
(λ)包含了光纤衰减和连接器的损耗,因此这种方法准确度和重复性不如前一种好。
本实验只对截断法进行测试。
4.模式
根据光的波导理论,光在光纤中的传播,应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。
理论可以证明,对于波长为1310nm或1550nm的光波当纤芯小于10um时,我们所使用的光线中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。
这种光纤被我们称为单模光纤。
光纤中的模式除了与光纤本身的参数折射率、直径有关外,还与光的波长有关。
在本实验中采用的是单模光纤,但此“单模”是针对1310-1550nm波长的,而本实验采用的是650nm的可见激光,因此有时光纤中耦合模式将不是单模,而是一个简单的多模(如梅花状),各模式间可能有不同的传输路径和偏振态。
不同的传输路径将导致光信号的脉冲展宽(色散)。
5.光纤的耦合和耦合效率
光纤的耦合是指将激光从光纤端面输入光纤,以使激光可沿光纤进行传输。
一般来说,将激光的不对称发射光束与圆对称的光纤进行最优耦合,需要在光纤和光源之间插入透镜,即所谓的直接耦合。
直接耦合技术上比较简单,但耦合效率比较低。
在这里采用了一套有五个自由度的调整机构来进行光纤的耦合。
(半导体激光器被固定在一个二个自由度的角度调整架上,光纤固定在一个三自由度的直线调整架上)。
首先,我们通过五个自由度的反复、细致的调整,使经过聚焦的激光焦点尽量准确地、垂直地落在光纤端面上,以使尽量多的激光进入光纤。
由于激光焦点和光纤的端面过于明亮和细小,因此我们无法用肉眼来判断耦合的情况。
我们从光纤的另一端(输出端)通过观察输出光的强弱(光功率)和光斑的情况来判断耦合情况。
当我们将激光耦合进光纤后,我们会在输入端面后的一段光纤壁上看到一些泄漏的激光(光纤成红色)这是一些不满足光纤全反射条件的光,从光纤壁上泄漏出来的结果。
我们也可在光纤的任何一段通过强烈弯曲光纤来观察到这种泄漏情况。
这是由于强烈的弯曲破坏了该处光纤的轴方向,使一部分光线的全反射条件被破坏,激光从光纤芯中泄漏出来进入了涂覆层中。
光纤的弯曲会改变光纤中光的传输模式、光强和偏振状态。
可以通过观察输出端的光斑来观察这些现象。
这也是光纤扰模的理论依据。
耦合效率反应了进入光纤中的光的多少。
定义如下:
(7)
其中P1为进入光纤中的光功率,P0为激光的输出功率。
在理论上与光纤的几何尺寸,数值孔径等光纤参数有着直接的关系,在实际操作中它还与光纤端面的处理情况和调整情况有着更直接的关系。
在本实验中我们采用光功率计直接测出P1和P0来求出。
同操作者的操作情况有很大关系。
三、实验仪器
GX-1000光纤实验仪,导轨,半导体激光器+二维调整,三维光纤调整架+光纤夹,光纤,光探头+二维调整架,激光功率指示计,一维位移架+十二档光探头,专用光纤钳、光纤刀等。
如下图所示。
图5实验仪器
设备参数:
1.半导体激光器类型:
氮化镓,工作电流:
0-70mA,激光功率:
0-10mW,输出波长:
650nm;
2.总输出电压为3.5-4V,考虑保护电路分压,所以管芯电压降为2.2V;
3.光纤损耗率:
实验所用光纤长度:
200m,计算损耗为89.8%,如激光输出功率为10mW,除去损耗后激光输出的总功率:
89.8mW(计算耦合效率时用到);
四、实验内容与方法提示
1.光纤的端面处理和夹持
光纤端面的处理是光纤的各种应用中最基本的技术之一,其基本步骤为:
1)光纤剥皮钳剥去光纤两端的涂覆层,长度约10mm。
2)在2-5mm处用光纤刀刻划一下。
用力不要过大,以不使光纤断裂为限。
3)在刻划处轻轻弯曲纤芯,使之断裂。
处理过的光纤端面不应再被触摸,以免损坏和污染。
4)将光纤的另一端小心的放入光纤夹中,伸出长度约10mm,用簧片压住,放入三维光纤架中,用锁紧螺钉锁紧。
5)将光纤的另一端放入光纤座上的刻槽中,伸出长度约10mm,用磁吸压住。
注意:
对于平面光纤头的基本要求是:
光纤端面应是一个平整的镜面,而且与光纤纤轴垂直。
因此,在尽量保证切割刀与光纤处置的同时,我们也可以适当检测光纤头的质量。
检验平面光纤端面的最直观的方法是向光纤中注入激光,观察由光纤输出的光斑质量,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倾斜或散射。
2.光纤的耦合与模式
1)将实验仪功能档置于直流档。
2)调整激光器的工作电流,使激光不太明亮,首先应保激光的方向是平行于导轨的,以便后续的调节,即用光屏在激光器前面前后移动光斑的位置不发生变化,这时再用光屏确定激光焦点的位置。
(激光过强会使光点太亮,反而不宜观察。
)
3)将功率计置于激光器前端,测量输入端功率(注意不要碰到处理好的光纤)。
4)通过移动三维光纤调整架和调整Z轴旋钮,使光纤端面尽量逼近焦点。
5)将激光器工作电流调至最大,通过仔细调节三维光纤调整架上的X轴、Y轴、Z轴调整螺钉和激光器调整架上的俯仰、扭摆角调整螺钉,使激光照亮光纤端面并耦合进光纤。
6)用功率指示计监测输出光强的变化,反复调整各调整螺钉,直到光纤输出功率达到最大为止。
记下功率值。
此值与输入端激光功率之比即为耦合效率(不计吸收损耗)。
3.光纤数值孔径的测量
远场强度法(光斑扫描测量法)
1)将激光耦合进光纤,并使输出功率尽量达到最大。
2)用白屏观察输出光斑形状,并仔细调整各调整架上的调整螺钉,尽量使输出成为明亮、对称、稳定的高斯分布。
3)将数值孔径测量附件置于光纤输出端面前4080mm处,记录探头与光纤端面的距离l值。
4)将探头光阑置于直径0.8mm档,仔细调整光栏小孔在光斑中的位置,找到高斯光斑的中心,此时光功率指示值最大。
沿径向平移探测器至接收到的光功率最小;
再继续移0.5mm。
5)反向平移探测器,每平移0.5mm记录探测到的功率值,直至接收到的光功率最小。
绘出光强分布曲线,应近似为高斯曲线,记录数据于表1中。
6)以该曲线的最高点的5%处的尺寸作为光斑直径
,利用公式(4)计算出光纤的数值孔径。
表1远场强度法实验测量数据
x(mm)
P(mW)
4.光纤传输损耗的测量
1、将激光耦合进光纤,并使输出功率尽量达到最大,并记下此值
为P2;
2、距光纤输入端约0.3m处剪断光纤,重复上述步骤,得到P1;
3、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;
4、最后根据公式计算得到光纤损耗的大小。
功率大小
测量次数
P1
P2
A(λ)
α(λ)
1
2
3
五、实验注意事项
1)本实验系统属高新技术范畴,许多组成器件价格昂贵,所以实验前须认真阅读实验指导书,实验时必须思想集中,细致操作。
2)实验时请勿直视激光光束,以免灼伤眼睛。
3)实验过程须带好手套,避免光纤头刺入。
4)请勿用手去碰与实验无关的光纤部分,特别是不能曲折光纤,因为容易折断光纤,光纤折损后在外表上看不出,但导致无光输出。
5)光纤剥线钳和光纤切割刀除了用来处理光纤,请勿用来切割异物,以免损坏刀口,实验时请爱护实验器具。
切断的光纤头须用胶带粘好置于培养皿中,切勿乱扔。
6)实验时须严格按指导书操作,否则电流过大会烧坏光源及光接收器以及集成电路块。
7)实验后请及时盖好光源和光纤连接器的盖子,以免落入灰尘
六、思考问题
1.在远距离光纤传输时,为什么一般采用单模光纤?
2.光纤数值孔径的物理意义是什么?
谈谈本实验的测量精度取决于那些因素?
3.分析影响耦合效率的各种因素,以及它们对耦合效率的影响程度。
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- 光纤 基本 处理 及其 特性 测量
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