1、單模光纖數值孔徑的測量 電科091 蔣文輝1實驗目的：1.熟悉光纖的結構特點及分類2.掌握光纖數值孔徑的定義的測量方法2實驗原理：1. 光纖的結構圖 3光纖的結構：光纖（Optical Fiber）是由中心的纖芯和外圍的包層同軸組成的圓柱形細絲。 纖芯的折射率比包層稍高，損耗比包層更低，光能量主要在纖芯內傳輸。 包層為光的傳輸提供反射面和光隔離，并起一定的機械保護作用。 設纖芯和包層的折射率分別為n1和n2，光能量在光纖中傳輸的必要條件是n1n2。4光纖的分類：（1）單模光纖（single mode fider,SMF ） 單模光纖纖芯折射率n1保持不變,包層折射率為n2，纖芯與包層界面有一個

2、折射率突變或階躍。纖芯直徑只有810um,包層直徑為125um，寫成8/125,9/125等形式。光線以直線形狀沿著纖芯中心軸線方向傳播，這種光纖只能傳輸一個模式。5光纖的分類：（2）多模階躍折射率光纖（step index fiber,SIF） 多模階躍折射率光纖折射率分布和單模光纖一樣，纖芯直徑為50180um，包層直徑為125um，如50/125（歐洲標準）， 62.5/125（美國標準）。光線以折射形狀沿著纖芯中心軸方向傳播。6光纖的分類：（3）多模梯度折射率光纖(graded index fiber,GIF) 在纖芯中心軸線上折射率最大為n1，沿著徑向r向外圍逐漸變小，直到包層變為n

3、2，這樣光纖纖芯直徑一般為50um。光線以正弦形狀沿著纖芯中心軸方向傳播。 7光纖的分類：(4) 還有一些特殊光纖，如醫療和低速網絡中使用的光纖，參數為100/140和200/230，以及98/1000規格的塑料光纖。 8 圖 2.2三種基本類型的光纖(a) 多模階躍折射率光纖； (b) 多模梯度折射率光纖； （c） 單模光纖 9光纖的數值孔徑：數值孔徑NA 光纖數值孔徑（NA）是光纖能接收光輻射角度范圍的參數，同時它也是表征光纖和光源、光檢測器及其它光纖耦合時的耦合效率的重要參數，同時對連接損耗、微彎損耗以及衰減溫度特性、傳輸帶寬等都有影響。圖12.1中表示出階梯多模光纖可接收的光錐范圍。

4、10光纖的數值孔徑大小與纖芯折射率，及纖芯包層相對折射率差有關。從物理上看，光纖的數值孔徑表示光纖接收入射光的能力。NA越大，則光纖接收光的能力也越強。從增加進入光纖的光功率的觀點來看，NA越大越好，因為光纖的數值孔徑大些對于光纖的對接是有利的11光纖的數值孔徑： 但是NA太大時，光纖的?；兗哟?，會影響光纖的帶寬。因此，在光纖通信系統中，對光纖的數值孔徑有一定的要求。通常為了最有效地把光射入到光纖中去，應采用其數值孔徑與光纖數值孔徑相同的透鏡進行集光。 數值孔徑是多模光纖的重要參數，它表征光纖端面接收光的能力，其取值的大小要兼顧光纖接收光的能力和對模式色散的影響。CCITT 建議多模光纖的數

5、值孔徑取值范圍為0.180.23，其對應的光纖端面接收角c=1013。 12光纖的數值孔徑：（1）最大理論數值孔徑NAmax無論是階躍光纖，還是梯度光纖，最大理論數值孔徑定義都是：NAmax的物理意義是光纖最大可能接受角的正弦值，反映了光纖收集光的能力。13（2）遠場強度有效數值孔徑NAeff遠場強度有效數值孔經定義為光纖遠場輻射圖上光強下降到最大值5%處的半張角的正弦值。一般對于冪次分布的折射率拋面的光纖，有如下關系：14 其中，g為折射率分布指數；為與n有關的比例系數（表12.1）給出了g不同 的取值kg的值。g1.01.52.02.510kg0.8810.9460.9750.988111

6、5g是描述光纖折射率分布曲線參數，對于實際光纖的折射率分布曲線可以用半徑的冪指數來描述： 其中，r是離光纖纖芯軸的距離，a是光纖纖芯半徑，g是冪指數。對于g=1，屬于三角分布，g=2屬于拋物線型分布（梯度分布），表示的是階躍光纖。16 一般情況下，梯度光纖接近拋物線分布則n=2,則NA=0.975NAmax CCITT在圖12.2方法中測試數值孔徑的辦法時規定，光源為強度可調的非相干光源，要求強度和波長保持穩定，探測器相應為線性的。17實驗簡介圖：18實驗儀器19實驗步驟：（1）打開電源，穩定光強大約5min；（2）按復位鍵將電機復位，設定合適的步長；（3）通過步進控制鍵分別測量記錄1310n

7、m波長下的G652光纖的遠場功率隨角度變化的關系（注意，由于自然雜散光會影響功率計的讀數，所以要求在實驗過程中，對環境光的影響要盡量小，并且在讀數中需要減去雜散光的影響，另外光纖的端面如果沒有固定好，可能會發生偏轉，這樣最后應該以實際達到5%的兩個正負角度的差值的一半為準）。20（4）按復位鍵復位點擊，關機。（5）利用三波長光源，重復（1）（4）步，測量1550nm的光纖數值孔徑注意，實驗過程中首先要調節好入射角度，即光纖出射口與探頭之間的角度。探頭上有水平和豎直兩個調節旋鈕可以調節探頭位置，調節水平旋鈕可以使得實驗圖像左右移動，應調節水平旋鈕直到實驗圖21 像關于中心軸線對稱，調節豎直旋鈕可

8、以使波形發生變化，應調節豎直旋鈕直到紅色波形和黑色波形疊加得很好，并且波形滿足遠場光強角度分布的關系圖。建議先調節豎直旋鈕等到出現合適的波形再調節水平旋鈕是圖形對稱，方便分析。2223數據處理實驗結果分析： 觀察實驗結果圖像可以看出，當入射角度大于9時，就不能再達到最大值的5%，所以sin9 就是NAeffNAeff=sin 9=0.1564根據NAeff=0.975NAmax可以得到NAmax=NAeff/0.975 =0.160424注意事項光纖兩端制備要清潔，平整光滑與光纖軸垂直。樣品要盤放整齊。樣品輸出端到探測器的距離必須大雨光纖直徑。25實驗感想 任何實驗都沒有那么簡單，做這個實驗的關鍵就是調整兩個旋鈕使圖形接近遠場光強分布圖，在1310那個機器上嘗試了很多次都沒有做出符合實驗要求的圖形，最后到1550那個機器上實驗，兩三次就把圖形調整出來了，然后接著回到1