光纤基本特性测试实验报告

实验报告

课程名称：光通信技术实验指导老师：成绩：__________________

实验名称：光纤基本特性测试（一）实验类型：基础型同组学生姓名：

一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）

三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤

五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）

七、讨论、心得

实验1-2 光纤数值孔径性质和测量

一、实验目的和要求

1、熟悉光纤数值孔径的定义和物理意义

2、掌握测量光纤数值孔径的基本方法

二、实验内容和原理

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。图一表示阶梯多模光纤可接收的光锥范围。因此光纤数值孔径就代表光纤能传输光能的大小，光纤的NA大，传输能量本领大。

NA的定义式是：

式中n0 为光纤周围介质的折射率，θ为最大接受角。n1和n2分别为光纤纤芯和包层的折射率。光纤在均匀光场下，其远场功率角分布与理论数值孔径NAm有如下关系：

其中θ是远场辐射角，Ka是比例因子，由下式给出：

式中P(0)与P(θ)分别为θ= 0和θ =θ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(θ ) / P(0) = 5%，在g2时 Ka的值大于 0.975。因此可将P(θ)曲线上光功率下降到中心值的5%处所对应的角度的正弦值定义为光纤的数值孔径，称之为有效数值孔径：

本实验正是根据上述原理和光路可逆原理来进行的。

三、主要仪器设备

He-Ne 激光器、读数旋转台、塑料光纤、光纤微调架、毫米尺、白屏、短波长光功率计一套（功率显示仪1件、短波光探测器1只）。

四、实验步骤

方法一：光斑法测量（如图２）

1、实验系统调整；

a．调整He-Ne激光管，使激光束平行于实验平台面；

b．调整旋转台，使He-Ne激光束通过旋转轴线；

c．放置待测光纤在光纤微调架上，使光纤一端与激光束耦合，另一端与短波光探测器正确连接；

d．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。

2、测输出数值孔径角θo。

a. 移开光探测器，固定光纤输出端；

b. 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，计算两次读数差ΔL和ΔD，得输出孔径角为：θo=arctan[ΔD/（2ΔL）]；

c. 多次测量求平均值。（注：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，适当旋转读数台减小耦合效率，直至得到一个清晰圆光斑为止。）

方法二：功率法测量

1、测试输入孔径角

a. 光纤输出端与短波光探测器正确连接，调节输入端使光纤端面准确位于旋转台的旋转轴心线；

b. 旋转读数平台，改变光束入射角，记录不同旋转角度θi 下的输出光功率值Pi；

c. 画出P-θ曲线，取中心值P(θ)max 的5%所对应的θ值作为有效的数值孔径角θe。

2、计算光纤数值孔径：NAe= Sinθe。

3、He-Ne激光器和光功率计的电源，整理实验仪器，结束实验。

五、实验数据记录及处理

记录用两种方法测量得到的实验结果，并计算分析。

1、光斑法测量：

表1 方法一的实验数据和结果

2、功率法测量：

表2 方法二的实验数据和结果

六、实验结果与分析

光斑法误差：

通过光斑法测得的数值孔径NA=0.56.光斑法是通过粗略的测量出射光线的角度得到的实验结果，实验误差较大。实验产生误差的可能原因主要有：

1、在测量过程中，入射光线的入射角以及光纤的弯折都会影响最后的实验结果。理想情况下，应该以最大接受角入射且光纤不发生弯折的情况下，得到的输出孔径角对应的是NA，但往往在实验过程中做不到这一点。

2、在测量光斑的直径时，光斑边缘会发生弥散，使得光斑直径的测量有误差。

3、光纤入射端面不平整、读数的误差等也会导致实验结果误差。

功率法误差：

上述两图中，负值代表逆时针旋转，正值代表顺时针旋转。通过作图得到实验结果数值孔径NA=0.456.与光斑法相比较，结果与理想值0.5更相近，但功率发和光斑法得到的结果差距较大，从实验原理和可靠性出发，应该是功率法测得的结果更加可信。实验误差来源可能是：

1、测量的仪器存在着误差，在实验过程中，当确定了一定角度后，将功率计对准光，稍微有些对不准数据就会跳动，造成误差。

2、在光路的建立过程中，引入了额外的误差，如光路未垂直入射、光纤端面不平整等，使功率减小了。

七、思考题

1．光纤数值孔径的物理意义是怎么？谈谈本实验的测量精度取决于那些因素？

光纤数值孔径的物理意义:

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。光纤数值孔径代表光纤能传输光能的大小，光纤的NA大，传输能量的本领大。数值孔径是多模光纤的重要参数，它表征光纤端面接收光的能力，其取值的大小要兼顾光纤接收光的能力和对模式色散的影响。

2）本实验的测量精度取决于如下因素：

激光光源是否正确耦合至光纤；激光光源的稳定程度；光纤端面的平整程度；光纤安放的是否存在偏差；是否引入其他的损耗；光斑的衍射和弥散情况；人眼的判断精度；测量仪器的测量精度；功率探测器的灵敏度

2．用两种方法测得的结果是否一样？若不一样，请说明原因。

两种方法的测量结果不一样。

从理论上分析，用圆斑法是利用了光线可逆的原理进行测量的，得到的实验结果是光纤的数值孔径；用功率法是利用了光纤的远场功率角分布与理论数值孔径NA的关系来测量的，最终得到数据不是光纤的数值孔径，而是光纤的有效数值孔径。

从本实验操作分析，造成测量结果差异的原因主要是光斑法需要测量光纤出射光斑，在测量过程中，入射光线的入射角以及光纤的弯折都会影响最后的实验结果。理想情况下，应该以最大接受角入射且光纤不发生弯折的情况下，得到的输出孔径角对应的是NA，但往往在实验过程中做不到这一点。功率法中采用了光功率计，有较可靠的数据支撑，并非肉眼观测判断,提高了实验的可靠性，但在测量仪器的误差等方面也会对实验结果造成影响。

3．为什么在测输入孔径角时要保证光纤输入端面位于旋转轴心上？

若光纤端面置于旋转轴心上，在旋转旋转台时，激光束能始终入射光纤端面。

实验1-3 光纤传输损耗性质与测量

一、实验目的和要求

1、了解光纤损耗的定义；

2、了解截断法，插入法测量光纤的传输损耗。

二、实验内容和原理

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（l）。然后在微调节架之后约0.3m 处（如图1）切断光纤，测得短光纤的输出光功率P1（l）。

则可得到光纤的衰减为