单模光纤数值孔径测量28页PPT
光纤技术基础单模光纤PPT课件
性能
没有模式色散，传输带宽大
用于长距离大容量光纤通信系统
2023/11/6
2
2
n12 n2 2
2n12
单模光纤
芯径
光纤技术基础
V k0 a n n k0 an1 2
2
1
15
第十五页，课件共有81页
2 12
阶跃折射率单模光纤
光纤技术基础
Ex H y 0
第十三页，课件共有81页
阶跃折射率单模光纤
光纤技术基础
多模光纤和单模光纤
设计光纤结构，选择工作波长，控制光纤中导模数量
V k0a n12 n22 k0an1 2
多模光纤：
单模光纤：
2023/11/6
同时支持多个导模传输的光纤
只支持基模传输的光纤
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第十四页，课件共有81页
阶跃折射率单模光纤
Rmn r E0 mn exp
2 n 1
w
2w
2w
m
与m, n有关的常数
w
2
x
n 1
m n 1
e
d
x
m
x
Ln 1 x
m
n 1
n 1! x dx e
a
k0 n0 2
传输常数本征值
2023/11/6
K 0 W
纵向分量 /横向分量
2023/11/6
a k
U 2 a 2 k0 n1 2 , W 2 a 2 2 k0 n2
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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。
第5章-光纤光学ppt课件光纤的特征参数与测试技术
如果采用线宽为 300 MHz的DFB激光器，在1 Gbps 调制 速率下光谱被展宽 2 GHz，即光源谱宽为2,300 MHz 或 .02 nm (1500 nm波长). 则传输10 公里距离，色散脉冲展 宽值为 : D = 17ps/nm/km × .02 nm × 10 km = 3.4 ps
显然这种情形下， 1 Gbps速率光通信系统没有任何问题。
课堂测验(7)
1. 哪些因素限制光通信传输距离？ 2. 一光纤长220公里，已知光纤损耗为0.3dB/km，当输出光功率
为2.5 mW时，输入光功率为多少？ 3. 为什么光纤在1.55μm的波长损耗比1.3μm波长小? 4. 光纤的损耗能否降为零？为什么？ 5. 三角形折射率分布光纤与平方率折射率分布光纤哪种波导色散
光纤的损耗
§5.1.1 光纤材料的吸收损耗
光纤的损耗谱
不断拓展的光纤窗口波长
2004年
7
§5.1.2 散射损耗
特点：不可能消除的损耗
散射损耗
特点：非线性散射
产生新的频率分量
散射
机理： 光
新光波长+声子
§ 5.1.3 光纤的弯曲损耗
物理机制
光纤发生弯曲
全反射条件破坏
约束能力下降
导摸转化为辐射摸
大？为什么？ 6. 简述光纤中三种色散的机理。在什么条件下光纤的色散为零？
习题：5.4~5.11
实验1-1光纤数值孔径（NA）性质和测量实验
实验1-1 光纤数值孔径（NA ）性质和测量实验一、 实验目的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、 实验原理和设备光纤数值孔径（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0sin NA n θ==式中0n 为光纤周围介质的折射率，θ为最大接受角。
1n 和2n 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-=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5%处的角度θe ，其正弦值定义为光纤的数值孔径，并称之为有效数值孔径： e eff NA θsin =本实验正是根据上述原理和光路可逆原理来进行的。
三、实验装置He-Ne 激光器、读数旋转台、塑料光纤、光纤微调架、毫米尺、白屏、短波长光功率计四、实验步骤方法一： 1、He-Ne激光器和光功率计的电源，调整实验系统；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(读数旋转台轴线与光纤所在面交点已在旋转台上标出)；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，另一端与光探测器相连；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。
光纤数值孔径测量实验
1实验一光纤数值孔径（N A）测量实验一、实验目的：1. 了解光纤导光的原理；2. 掌握测量石英光纤的数值孔径原理与方法；3. 掌握光电探测的基本原理及光功率计设计原理；4.掌握用CCD、matlab测量高斯光斑大小的方法及原理。
二、实验装置激光器及电源，导轨，读数旋转台，光纤，光纤耦合架，导轨滑块、支撑杆和套筒，光电探头，电阻盒，5V电源，万用表，CCD，电脑。
三、实验原理1、光纤数值孔径测量光纤，也称光纤波导，它的典型结构是多层同轴圆柱体，如图1，自内向外由纤芯、包层、涂敷层三部分组成。
纤芯位于光纤的中心部位。
纤芯和包层主要成分都是高纯度的二氧化硅，不同的是它们掺入的少量掺杂剂不同。
纤芯掺杂剂如五氧化二磷(P2O5)和二氧化锗（G e O2），掺杂的作用是提高纤芯的折射率。
包层掺杂剂有氟和硼，掺杂剂的作用是降低包层的折射率。
光纤纤芯折射率是稍大于包层折射率，纤芯的直径一般为4~60微米（单模光纤直径小于10um，多模光纤直径一般50－62.5um），为了使光纤具有较好的柔性，包层外径约为125um。
包层的外面涂敷一层很薄的涂敷层。
涂敷层材料一般为环氧树脂或硅橡胶。
该层的作用是增强光纤的机械强度。
为了加强光纤的机械强度，有的光纤在涂敷层之外加上套塑进行保护。
多模光纤损耗大、色散较强，因而脉冲畸变严重；而单模光纤损耗和色散性能都较佳，对光脉冲的影响较小。
光纤长距离通讯中的光纤是用单模光纤，就是这个原因。
实验用的单模石英光纤，它的芯和包层是由不同掺杂比例的石英材料拉制而成，保护层是环氧树脂。
光纤为什么能导光，能传送大量的信息？光纤是利用光的光的反射、折射和全反射等特性来导光的。
折射率小的物质称为光疏介质，折射率大的物质称为光密介质，当光从光密介质入射到光疏介质时，折射角大于入射角，当入射角增大到某一角度,使折射角达到90°时,折射光完全消失，只剩下反射光，这时的入射角就叫临界角。
入射角大于或等于临界角时，折射光线消失,发生了全反射现象。
单模光纤数值孔径的测量共24页
6、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
1、不要轻言放弃，否则对不起自己。
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴ห้องสมุดไป่ตู้．卡耐基。
梦 境
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有 久久不会退去的余香。
单模光纤数值孔径的测量 4、守业的最好办法就是不断的发展。 5、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮 回里有你。
Thank you
单模光纤数值孔径的测量PPT课件
第十五页，编辑于星期五：九点 二十六分。
g是描述光纤折射率分布曲线参数，对于实际光纤的折 射率分布曲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。
第六页，编辑于星期五：九点 二十六分。
光纤的分类：
（3）多模梯度折射率光纤(graded index fiber,GIF) 在纤芯中心轴线上折射率最大为n1，沿 着径向r向外围逐渐变小，直到包层变为n2， 这样光纤纤芯直径一般为50um。光线以正 弦形状沿着纤芯中心轴方向传播。
第七页，编辑于星期五：九点 二十六分。
光纤的数值孔径：
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。 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。CCITT 建议多模光纤的数值孔径 取值范围为0.18～0.23，其对应的光纤端面接收角 θc=10°～13°。
第二十三页，编辑于星期五：九点 二十六分。
数据处理
实验结果分析： 观察实验结果图像可以看出，当入射角
度大于9°时，就不能再达到最大值的5%，所 以sin9 °就是NAeff
NAeff=sin 9°=0.1564 根据NAeff=0.975NAmax可以得到
NAmax=NAeff/0.975 =0.1604
第13讲单模光纤
第十三讲 单模光纤（3学时）参考书 廖延彪《光纤光学》1.单模光纤的特征参数（1） 数值孔径（Numerical Aperture ） 影响光纤的弯曲特性1212122211222122sin n n n n n n n n n NA c -≈-=∆∆=-==θ测试方法：远场扫描（2） MFD 数值孔径（Mode Field Diameter ）采用高斯近似，光强下降为中心最大值1/e 2处直径 MFD 与波长有关，λ越大，MFD 越大。
λc 处，MFD 略大于几何芯径。
c4048.224048.2222210aNA NA an n ak V c πλλπ=<=-=工作波长应大于λc ，λc 一般略小于工作波长。
测试方法：波长扫描c2.单模光纤的损耗（attenuation ） 0.2dB/km吸收（本征吸收、红外吸收、紫外吸收、重金属吸收、OH －吸收）、瑞利散射（天空颜色）、波导缺欠等损耗的定义及计算：)(log10dB P P outin=α 3dB/50%；10dB/10%。
目前水平：0.2dB/km@1550nm 、0.3dB/km@1300nm 3.光纤的色散（dispersion ） 速度延迟，决定通信系统带宽 模色散多模光纤中最主要的色散 材料色散n=n(λ)：λ增大，n 变小，速度增加。
波导色散β=β (λ)：λ增大，β变小，速度变小。
材料色散和波导色散可以相互抵消，1.3μm 零色散（G652光纤）λτττ∆⋅⋅=+=L B w m 色散系数B 单位：ps/km.nm ，通常为2～20。
减小谱宽可以减小色散 色散位移技术，G655光纤，损耗小及利用EDFA 技术 偏振模色散（PMD ）：由双折射引起特点：与光源谱宽无关，随机性。
单位：ps/km 1/2L B p ⋅=τ限制通信带宽的最后瓶颈，对目前2.5G 系统影响不大 4.光纤的带宽（Bandwidth ）ττπ53.012ln 23≈⋅=dB BW 2.5G 、10G 、40G 、160G5. 单模光纤的连接：熔接：单模－多模（单向）；单模－单模（双向），光纤熔接机 活动连接：FC/PC/APC 、SC 、ST 6. 单模光纤的偏振特性本征模：圆偏振模（HE 11及HE -11）和线偏振模HE 11x 及HE 11y ） 理想单模光纤具有线偏振及圆偏振的保持能力双折射（birefringence ）及偏振串音 实际光纤由自身缺欠及外界影响，无法保持偏振态 低双折射光纤 尽量圆，各向同性（理想球）高双折射光纤（保偏光纤Polarization Maintaining ） 大的各向异性（自身双折射），远大于处界影响单偏振光纤 大的几何不对称，弯曲性能不同 偏振串音：代表保偏光纤的偏振保持能力。