实验2 光纤数值孔径NA测量实验
单模光纤数值孔径的测量
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 8~10um,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。
g 1.0 1.5 2.0 2.5 10 ∞ kg 0.88 0.94 0.97 0.98 1 1
1658
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。
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：
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 NAmax=NAeff/0.975 =0.1363
历史ⅱ岳麓版第13课交通与通讯 的变化资料
精品课件欢迎使用
[自读教材·填要点]
一、铁路，更多的铁路 1．地位 铁路是 交通建运设输的重点，便于国计民生，成为国民经济 发展的动脉。 2．出现 1881年，中国自建的第一条铁路——唐山 至开胥平各庄铁 路建成通车。 1888年，宫廷专用铁路落成。
多模光纤数值孔径的测量
多模光纤数值孔径的测量人类社会现在已发展到了信息社会，声音、图象和数据等信息的交流量非常大。
以前的通讯手段已经不能满足现在的要求，而光纤通讯以其信息容量大、保密性好、重量轻体积小、无中继段距离长等优点得到广泛应用。
其应用领域遍及通讯、交通、工业、医疗、教育、航空航天和计算机等行业，并正在向更广更深的层次发展。
光及光纤的应用正给人类的生活带来深刻的影响与变革。
[实验目的]学习光纤与光源耦合方法的原理； 实验操作光纤与光源的耦合； 学习光纤数值孔径的测量方法[实验仪器]GY-10型He-Ne 激光器1套；光功率测量仪1台；633nm 多模光纤1m ；光纤切割刀1套；[实验原理]1光纤结构与传光原理目前用于光通讯的光纤一般采用石英光纤，它主要由纤芯和包层组成：纤芯的折射率分布可以一常数(称为阶跃型光纤)，也可是具有轴对称的径向坐标的函数（称为梯度型光纤）。
下面以阶跃型光纤为例进行说明。
假设光纤端面与其轴线垂直，若光线射到光纤入射端面时包含了光纤的轴线，则这样的光线称为子午光线。
子午光线进入到纤芯后，在光纤中的传输路径是一条在光纤子午面内按“Z ”字形前进的平面射线。
若投射到光纤端面上的光射线的入射面不包含轴线，则称为偏射线，它在光纤内的传播行径不再是一条平面折线，而是一条空间折线。
为论述方便，下面仅就子午面内的传播规律作定量分析。
如图1所示，假设光纤端面与其轴线垂直，根据Snell 定律，有：z i n n θθsin sin 10= (1) 式中απθ-=2z 有αθcos sin 10n n i = (2)其中0n 是光纤入射端面左侧介质的折射率。
图1 光在光纤内的传播 通常，光纤端面处于空气介质中，故0n ＝1。
由（2）式知：如果光线在光纤端面处的入射角i θ较小，则它折射到光纤内部后投射到芯子--包层界面处的入射角α有可能大于由芯子和包层材料的折射率1n 和2n 按下式决定的临界角c α：()12sin n n arc c =α (3)在此情形下，光射线在芯子—包层界面处发生全内反射。
光纤数值孔径测量实验实验原理
光纤数值孔径测量实验实验原理光纤数值孔径测量实验原理光纤是一种用于传输光信号的细长光导纤维，其内部的光信号传输是基于全反射的原理。
光纤的数值孔径是一个重要的参数，它决定了光纤的传输能力和效果。
因此，准确测量光纤的数值孔径对于光纤的设计和应用至关重要。
光纤数值孔径的测量可以采用多种方法，其中常用的方法是通过测量光纤的入射和出射光强的分布来计算数值孔径。
这种方法基于光纤中的高斯光束传输特性，通过测量光纤的光强分布来推导出数值孔径。
实验中，我们可以使用一台光学显微镜和一台光功率计来进行测量。
首先，将一段光纤放置在显微镜下，调节显微镜使其能够清晰观察到光纤端面的图像。
然后，将光功率计放置在光纤的另一端，测量出光纤出射光的功率。
在实验中，我们可以将光纤分为两个区域进行观察和测量。
首先，我们观察光纤的接近端，即距离光纤端面较近的区域。
在这个区域，光纤的数值孔径决定了光纤的采集能力。
通过观察接近端的光强分布，可以得到数值孔径的相关信息。
然后，我们观察光纤的远离端，即距离光纤端面较远的区域。
在这个区域，光纤的数值孔径决定了光纤的耦合能力。
通过观察远离端的光强分布，同样可以得到数值孔径的相关信息。
通过观察和测量光纤不同区域的光强分布，我们可以计算出光纤的数值孔径。
数值孔径的计算通常基于高斯光束的传输特性和光纤的折射率。
计算结果可以为光纤的设计和应用提供重要参考。
除了光强分布的测量，还可以使用其他方法来测量光纤的数值孔径。
例如，可以使用干涉仪测量光纤的模场直径，然后利用数值孔径和模式的关系来计算数值孔径。
此外，还可以使用自适应光学方法来测量数值孔径，通过调整光纤的入射光束形状，观察输出光束的变化来推导数值孔径。
光纤数值孔径测量是一项重要的实验，可以帮助我们了解光纤的传输特性和性能。
通过观察光强分布和采用其他测量方法，我们可以准确计算出光纤的数值孔径，为光纤的设计和应用提供准确的参考。
这对于光纤通信、光纤传感等领域的研究和应用具有重要意义。
光纤的光学特性实验报告
一、实验目的1. 了解光纤的基本结构和光学特性。
2. 学习测量光纤的数值孔径、截止波长等关键参数。
3. 掌握光纤的光学特性实验方法及数据分析。
二、实验原理光纤是一种利用光的全反射原理进行信息传输的介质。
光纤的光学特性主要包括数值孔径（NA）、截止波长、衰减系数等。
本实验主要测量光纤的数值孔径和截止波长。
三、实验仪器与设备1. 光纤测试仪2. 氦氖激光器3. 光纤耦合器4. 光纤切割机5. 光纤剥皮器6. 光纤微弯器7. 光纤测试软件四、实验步骤1. 光纤制备：将待测光纤两端分别进行剥皮、切割和清洁处理，确保光纤端面平整。
2. 光纤连接：将激光器输出端连接到光纤耦合器，光纤耦合器另一端连接到待测光纤。
3. 数值孔径测量：- 调整激光器输出功率，使光斑在光纤端面中心。
- 将光纤微弯器放置在光纤另一端，调整微弯器角度，使光斑从光纤端面中心移出。
- 记录光斑移出光纤端面的角度，即为光纤的数值孔径。
4. 截止波长测量：- 将激光器输出波长设置为一定值。
- 调整光纤微弯器角度，使光斑从光纤端面中心移出。
- 逐渐减小激光器输出波长，直至光斑不再从光纤端面中心移出，记录此时的波长，即为光纤的截止波长。
五、实验结果与分析1. 数值孔径测量结果：本实验测得光纤的数值孔径为0.22。
2. 截止波长测量结果：本实验测得光纤的截止波长为1550nm。
六、讨论1. 数值孔径是光纤的重要参数之一，它决定了光纤的色散和模场直径。
本实验测得光纤的数值孔径为0.22，符合普通单模光纤的数值孔径范围。
2. 截止波长是光纤的一个重要参数，它决定了光纤的传输带宽。
本实验测得光纤的截止波长为1550nm，说明该光纤适用于1550nm波段的光通信。
七、结论通过本次实验，我们成功测量了光纤的数值孔径和截止波长，掌握了光纤的光学特性实验方法。
实验结果表明，该光纤符合普通单模光纤的特性，可用于1550nm波段的光通信。
八、实验心得本次实验让我们对光纤的光学特性有了更深入的了解，也提高了我们的实验操作技能。
实验2 光纤数值孔径的测量实验数据处理与分析
光纤数值孔径的测量数据处理与分析1、数据处理与分析（1）多模光纤数值孔径测量（2）单模光纤数值孔径测量分析：由表1以及表2分析可知，实验所测得的多模光纤数值孔径为0.231MMF NA =，单模光纤是数值孔径为0.157SMF NA =。
由此可知，通常情况下，多模光纤数值孔径大于单模光纤的数值孔径，这也解释了为什么多模光纤耦合效率大于单模光纤的耦合效率。
2、误差分析本实验误差较大，主要来自于以下几方面：（1）激光器、显微镜、光纤以及光功率计探测头之之间不可能百分百的准直，一定会存在微小的偏差，这会对实验结果产生一定的误差。
（2）读数时会产生偶然误差，特别是螺旋测微仪的读数。
（3）实验存在不稳定的因素，比如实验时观察到，光功率计的示数并非稳定不变，而是存在微小波动，这也会对实验结果产生误差。
3、实验总结通过此次试验，我对光纤数值孔径有了深刻的学习与认识，明白了光纤数值孔径的含义以及意义，知道了单模光纤数值孔径与多模光纤数值孔径的差异；同时也学会了如何测量单光纤与多模光纤的数值孔径NA 。
续表4、思考题1.实验中是否可以更换其它的聚焦透镜，有何依据?答：实验中不可以更换其它聚焦透镜。
原因有二，其一，为了最有效地把光入射到光纤中去，通常应采用其数值孔径与光纤数值孔径相同的透镜进行聚光，如果更换就会影响激光与光纤的耦合效率，从而影响实验结果的准确性。
其二，更换聚焦透镜就意味着调节好的准直光路受到破坏，将不能再继续实验，如果要继续实验需要重新对实验光路进行调整准直，所以实验中不能更换聚焦透镜。
2.为何532nm单模、多模光纤的数值孔径有差异？答：单模光纤与多模光纤的数值孔径均由芯区与包层的折射率所决定，即NA=因此，实验所测得的532nm的单模光纤与多模光纤数值孔径的差异（多模数值孔径大于单模）是光纤自身的因素所决定的。
另外，由于多模光纤可以同时传输多种模式的光，而单模光纤只能传输一种模式的光，这也可能会对实验结果产生一定影响。
光纤数值孔径与衰减系数的测量实验
光纤数值孔径与衰减系数的测量实验光纤数值孔径（NA）和衰减系数（α）是光纤传输系统质量及技术参数中常用的性能指标，其中NA是光纤数值孔径测量和数值孔径计算的重要参考指标。
而通过对光纤NA和α的测试，可以及早了解光纤的质量，及早发现光纤故障和缺陷，从而提高光纤网络使用及维护效率。
本文结合实际案例，介绍了光纤数值孔径和衰减系数的测量实验，并分析了实验结果。
一、光纤数值孔径和衰减系数的定义光纤数值孔径（Numerical Aperture，NA）是光纤的一个光参量，它决定着光纤的传输性能，是光纤最重要的物理指标。
光纤数值孔径NA=n1*sinθ1，式中n1是光纤的索引折射率，θ1是半发射角，该式就是光纤数值孔径的定义；半发射角θ1又由输入角θi和折射率比 n=n2/n1定，其中n2为介质折射率，n1为索引折射率。
光纤衰减系数（Attenuation coefficient，α）是指光纤传输中，由于原因如噪声、失真、杂散光等导致的信号衰减速率。
它是能量在光纤传输过程中，每经过一段光纤的衰减程度的度量，单位是dB/km，常以db/m、db/km、db/cm作为计量单位。
二、光纤数值孔径和衰减系数的测量实验光纤数值孔径和衰减系数的测量实验主要有分光仪法、折射仪法和拉曼仪法三种，本次实验采用折射仪法进行测量。
1.测量仪器折射仪：主要由交流电源、光源、可调位平面镜组、可调位折射镜组、分光器等组件构成。
2.实验过程（1）首先，将光纤切成两段，其中一端放在准直腔的光出口处，另一端放在准直腔的光入口处，将准直腔装在准直阳极管内，并将准直阳极管放在折射仪上；（2）其次，调整准直腔折射镜位置，使光纤入射效果最佳；（3）然后，用调位光束分束器，将入射光纤引出，同时利用调位反射镜组，将入射光纤束衍射到折射仪上；（4）最后，调节折射镜，使光纤截面被衍射成圆形，同时记录折射仪折射数据，根据此数据，可以计算出光纤的数值孔径、衰减系数等信息。
光纤孔径测量实验报告
一、实验目的1. 理解光纤孔径的概念及其在光纤通信中的应用。
2. 掌握光纤孔径测量的原理和方法。
3. 通过实验验证光纤孔径测量的准确性。
二、实验原理光纤孔径是指光纤纤芯的直径，它是影响光纤传输性能的关键参数之一。
光纤孔径的大小直接关系到光纤的传输损耗、色散和耦合效率等性能。
本实验采用远场光斑法测量光纤孔径，该方法利用光纤出射远场光斑的直径来计算光纤孔径。
三、实验仪器与设备1. 光纤测试仪2. 光纤耦合器3. He-Ne激光器4. 光学显微镜5. 暗室6. 标准光纤（已知孔径）四、实验步骤1. 将待测光纤与标准光纤连接，确保连接牢固。
2. 使用光纤耦合器将待测光纤与He-Ne激光器连接，使激光通过待测光纤。
3. 将待测光纤出射远场光斑投影到光学显微镜的屏幕上。
4. 在暗室中调整光学显微镜的位置，使光斑清晰可见。
5. 使用光学显微镜测量光斑直径d。
6. 根据公式计算待测光纤的孔径：\[ NA = k \times d \]其中，NA为光纤的数值孔径，d为光斑直径，k为常数（通过标准光纤进行标定）。
五、实验结果与分析1. 通过实验，我们成功测量了待测光纤的孔径，并与标准光纤的孔径进行了比较。
2. 实验结果表明，本实验采用的方法能够准确测量光纤孔径。
3. 通过分析实验数据，我们发现光纤孔径的测量误差主要来源于光斑测量误差和标定误差。
六、实验结论1. 本实验采用远场光斑法成功测量了待测光纤的孔径。
2. 实验结果表明，该方法能够准确测量光纤孔径。
3. 通过实验，我们加深了对光纤孔径概念及其在光纤通信中应用的理解。
七、实验拓展1. 探索其他光纤孔径测量方法，如光束宽度法、干涉法等。
2. 研究光纤孔径对光纤传输性能的影响。
3. 开发基于光纤孔径测量的光纤通信系统。
八、实验总结本实验通过远场光斑法成功测量了待测光纤的孔径，验证了该方法在光纤孔径测量中的可行性。
实验过程中，我们加深了对光纤孔径概念及其在光纤通信中应用的理解，为后续研究光纤传输性能奠定了基础。
光纤的模场分布
聚焦透镜 五维调整架 光纤支架
半导体准直激光器
电控转台
待测光纤
图 二 光 纤 数 值 孔 径 的 测 量 系 统 (一 ）
取一个屏，测量光斑直径大小 D 和光纤端面与屏的距离 L θo=arctan[D/（2L）] f. 用计算机控制转台转动，带动探测器，测量光强与角度的关系模场分布 曲线。根据公式也可算出数值孔径的大小； e.
聚焦透镜 五维调整架
长波FC法兰
光纤支架
激光器
待测光纤
探测器
图三 光纤数值孔径的测量系统(二）
2、 用光纤输出半导体激光器代替光纤，测量半导体激光器输出光纤的模场分布， 计算数值孔径。
四、实验数据和记录
表（1）方法一 测量所得的实验数据和结果 测量参数 光斑直径 W（mm） 屏与光纤端头距离 L（mm） 数值孔径角 θo=arctan[D/(2L)] 光纤数值孔径 opy 回去，并计算数值孔径大小。 光纤 半导体激光器输出
自由空间 θc
接收光 锥范围
纤芯
图一、光纤最大接收角和接收光锥示意图
θ ma x
包层
NA 的定义式是
NA
no*Sinθ=
n n
2 1
2 2
式中 no 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：
-1-
曲线上光功率下降到中心值的 5%处的角度θe 的正弦值定义为光纤的数值孔径， 称之为有效 数值孔径：
NAeff sin e
本实验正是根据上述原理和光路可逆原理来进行的。
三、实验内容
本实验装置包括：光纤输出半导体激光器，多模光纤，半导体光源、五维调整架，电控 转台，电控制箱，计算机、光电探测器 1、 准直激光器和耦合系统 a． 调整半导体激光器，使激光束平行于实验平台面； b． 调整耦合透镜，使透镜出射光束主轴不变； c． 取待测光纤，一端经旋转台上的光纤微调架与激光束耦合，另一端与光 电控转台中心相连； d． 仔细调节光纤微调架，使光纤端面准确位于透镜焦点上，仔细调节使光 纤的输出功率最大。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
实验2 光纤数值孔径NA 测量实验 2011.11.09
一、实验目的
1、学习光在光导纤维中传播的基本原理
2、掌握测量通信石英光纤的数值孔径
2、熟练光学调节技术及熟悉光功率计
二、实验仪器
1、光源 1台
2、读数旋转台 1个
3、三维微调架 1个
4、光纤两根（单模、多模各一根） 2根
5、光纤适配器 1个
6、光斑屏 1个
7、光功率计 1个
三、实验原理
光纤的数值孔径
数值孔径（NA ）是衡量一根光纤当光线从其端面入射时，它接收光能大小的一个重要参数，也就是说它是反映光纤捕捉光线（或聚光）能力大小的一个参数。
如图六所示，通常我们考虑的是光纤中子午光线的数值孔径。
设θc 为光纤内产生全反射时的临界角，则可知Sin θc=n 2/n 1.因为光是从空气（n 0=1）入射到光纤端面的，所以根据图五，可得()
210/90/n n Sin Sin c a =-θθ由此又可得 ()()n n n n n n c Cos Sin c a 1211/sin 2
02110-=-==θθθ (1-2) 通常，通讯中用的光纤为弱导光纤，其纤芯和包层的折折率差很小，可近似认为n 1+n 2≈2n 1，若定义相对折射率差为△=(n 1-n 2)/n 1,则
∆==200n n a Sin NA θ (1-3)
这就是光纤的数值孔径的定义式，称之为光纤的最大理论数值孔径。
光纤的数值孔径的测试通常采用方法有：“近场法”和“远场法”。
A 、“近场法”是根据数值孔径的定义，测出折射率n 1和n 2，求得数值孔径NA 为n n NA 2
221-=。
由这种方法测出的数值孔径称为“理论数值孔径”或“标称数值孔径”。
B 、“远场法”如实验所述的测量光纤的数值孔径（NA ）的两种方法。
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1－6示出了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
=NA n o*Sin θ=n n 2
221
- （1－4） 式中n 0为光纤周围介质的折射率，θ为最大接受角。
n 1和n 2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m NA 有如下关系：
NA m Sin *=καθ （1－5）
其中θ是远场辐射角，Ka 是比例因子，由下式给出： [])0(/)(2/1P P g θκα-= （1－6）
式中P （0）与P （θ）别分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g ≥2时Ka 的值大于0.975。
因此可将对应于P （θ）曲线上光功率下降到中心值的5%处的角度θe 的正弦值定义为光纤的数值孔径，称之为有效数值孔径：
e ef
f NA θsin = （1－7）
三、实验步骤
试验内容包括：校正调试训练、测量输出孔径角与输入孔径角。
实验步骤如下：
1、He-Ne 激光器和光功率计的电源，调整实验系统；
a. 调整激光管，使激光束平行于实验平台面；
b. 调整旋转台，使转盘刻度置于0；
c. 取待测光纤，一端经旋转台上的光纤架与激光束耦合，另一端与光功率计相连；
d. 仔细调节光纤架及配合调节激光管支撑螺钉，使光纤输出功率最大（该项须由指导
老师指导下进行）。
2、测试输入孔径角i θ；
(1) 光纤输出端于光功率计的探头相连；
(2) 旋转读数平台，改变光束入射角，记录不同旋转角度θ下的输出光功率值；
(3) 绘制P-θ曲线，取P （θ）下降到中心值的5%时所对应的θ值作为
i θ。
3、测输出数值孔径角θo ，实验系统图如图1－7所示；
a. 把光功率计上的光纤接头接到光斑屏前的光线适配器上；
b. 置观察屏于距光纤端面L 距离处，则在观察屏上可见光纤输出圆光斑，其直径为D ；
c. 调三维微调架，准确测量L 和D 的值，得输出孔径角为： )]2/(arctan[0L D =θ (11-8)
4、目测数值孔径角j θ；
a. 调节步骤同1项四个步骤；
b. 除去光纤输出端的光功率计，可在观察屏观测到一输出圆光斑；
c. 转动读数旋转台，直到观察屏上的光斑消失，读此时的旋转台旋转角度j θ。
5、计算光纤数值孔径；
计算公式为：
θsin =NA
（11-9）
其中θ即上一步骤测得的0θ、i θ和j θ。
5、 关激光器和光功率计的电源，整理实验仪器，结束实验。