(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、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

、实验仪器

1、光源1

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。

2、光纤的传光原理

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 （ a ）阶跃型光纤 其光纤折射率呈阶跃型分布。

以保证传输光能在纤芯和包层的界面上实现全反射， 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， 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=2 a （NA ）/ （1-1） 式中 a —— 光纤纤芯的

半径； NA —— 光纤的数值孔径； —— 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 （

HE 11、TE 01、TM 01、HE 21），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。

1－ 2 所示。 该种光纤的纤芯折射

率均匀且比包层高， 光传输轨迹为锯齿形。 当光纤 NA 大时，

使传输光的轨迹为光滑曲线 （如正弦函

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=n2/n 1. 因为光是从空气（n0=1）入射到光纤端面的，所以根据

单模光纤

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

NA n 2

n 2

。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。

图五，可得

Sin a / Sin 900

c n 1 /n 2

由此又可得

n 0

Sin a n 1Cos c

22

n 1 1

sin c n 0 1

n 2 /n 1

(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

NA

n

0 Sin

a

n

2

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。

(1-3)

多模渐变光纤

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