(完整版)01.光纤数值孔径(NA)性质与参数测量实验1-6

实验一光纤数值孔径(NA)性质与参数测量实验
实验一光纤数值孔径（NA）性质与参数测量实验
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
1、光纤的基本构造
光纤的构造如图1－1所示。

它主要有纤芯、包层、涂敷层及套塑四部分组成。

(1) 纤芯纤芯位于光纤的中心部位。

它主要成分是高纯度的二氧化硅，其纯度高达99.99999%，其余成分为掺入的少量掺杂剂，如五氧化二磷(P2O5)和二氧化锗（GeO2）。

掺杂剂的作用是提高纤芯的折射率。

纤芯的直径一般为5~50微米。

(2) 包层包层也是含有少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。

掺杂剂有氟和硼。

这些掺杂剂的作用是降低包层的折射率。

包层的直径2b一般为125微米。

(3) 涂敷层包层的外面涂敷一层很薄的涂敷层。

通常进行两次涂敷，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。

(4)套塑涂敷层之外就是套塑。

套塑的原料大都是采用尼龙或聚乙稀。

它的作用也是加强光纤的机械强度。

一般没套塑层的光纤称为裸光纤。

套塑
图1-1 光纤的结构示意图
2、光纤的传光原理
光纤通信及光纤信息实验指导书
（1）光纤的传光原理：采用几何光学来分析时主要包括光的反射、折射和全反射等。

采用波动理论分析时主要包括导模、模数、双折射等。

（2）光在光纤中的传播主要有二种类型，如图1－2所示。

（a ）阶跃型光纤 其光纤折射率呈阶跃型分布。

该种光纤的纤芯折射率均匀且比包层高，以保证传输光能在纤芯和包层的界面上实现全反射，光传输轨迹为锯齿形。

当光纤NA 大时，反射次数多、损耗大。

阶跃光纤是光纤应用的基本类型。

（b ）渐变型光纤 其纤芯的折射率呈曲面分布，使传输光的轨迹为光滑曲线（如正弦函数曲线），也称蛇形传光。

其优点是NA 大，色散和损耗较小，传输距离大，但价格高。

另外，在单模光纤中，纤芯的直径很小，光线几乎是沿着光纤轴传播的。

3、光纤的传输模式
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 的定义为：
V=2πa(NA)/λ (1-1) 式中a —— 光纤纤芯的半径；NA —— 光纤的数值孔径；λ —— 入射光波长。

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V ≤3.8时，光纤就传输四种模式(21010111HE TM TE HE 、、、)，在这种光纤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1-4是光脉冲在多模光纤和单模光纤中的传输性能示意图。

由图1-4可见，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。

4、光纤的光学参数和特性 （1）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1-3、光纤的径向折射率分布
图1-2、光纤中的子午光线传输渐变光纤
阶越光纤
实验一 光纤数值孔径(NA)性质与参数测量实验
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
2
110-
=-
==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 22
2
1
- （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
多模阶越光纤
多模渐变光纤
单模光纤
图1-4 光脉冲在光纤中传输示意图
P
in（t）
——输入脉冲强度，Pout（t）——输出脉冲强度
图1-5、光纤的数值孔径
θc
θ
a
光纤通信及光纤信息实验指导书
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 θκ
α
-
= （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）
本实验正是根据上述原理和光路可逆原理来进行的，实验系统如图1－7所示。

图1－7 光纤数值孔径测量系统
激光管 三维微调架
光纤适配器支架
光斑屏
光功率计 电源
读数旋转台
光纤
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；
图1-6 光纤最大接收角和接收光锥示意图
实验一 光纤数值孔径(NA)性质与参数测量实验
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。

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
光纤通信及光纤信息实验指导书
表3 方法三测量所得的实验数据和结果
五、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？
2、用三种方法测得的结果是否一样？若不一样，请说明原因。

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？。