单模光纤损耗特性和截止波长测量 [实验目的] 1.了解单模光纤的工作原理及相关特性： 2.掌握阶跃型光纤截止波长的测量方法。 [实验原理] 1.光纤的结构与导波特性 光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂的工艺拉制而成，从横截面 上看基本由3部分组成，即折射率较高的芯区，折射率较低的包层和表面涂层， 根据芯区折射率径向分布的不同，可分为两类光纤，折射率在纤芯与包层介面突 变的光纤称为阶跃光纤：折射率在纤芯内按某种规律逐渐降低的光纤称为渐变光 纤，不同的折射率分布，传输特性完全不同。图1给出了这两种光纤横截面的折 射率分布，其典型尺寸为：单模光纤纤芯直径2a=8-12um,包层直径2b=125um 多模光纤2a=50um,2b=125um。对单模光纤，2a与入处同一量级，由于衍射效应 模场强度有相当一部分处于包层中，不易精确测出2的精确值，因而只有结构 设计上的意义，在应用中并无实际意义，实际应用中常用模场或模斑直径D) 表示。 阶跃光纤 渐变光纤 层 芯区 (a 图1阶跃光纤(a)与渐变光纤(b)的横被面和折射率分布
单模光纤损耗特性和截止波长测量 [实验目的] 1. 了解单模光纤的工作原理及相关特性； 2. 掌握阶跃型光纤截止波长的测量方法。 [实验原理] 1．光纤的结构与导波特性 光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂的工艺拉制而成，从横截面 上看基本由 3 部分组成，即折射率较高的芯区，折射率较低的包层和表面涂层。 根据芯区折射率径向分布的不同，可分为两类光纤，折射率在纤芯与包层介面突 变的光纤称为阶跃光纤；折射率在纤芯内按某种规律逐渐降低的光纤称为渐变光 纤，不同的折射率分布，传输特性完全不同。图 1 给出了这两种光纤横截面的折 射率分布，其典型尺寸为：单模光纤纤芯直径 2a=8-12um，包层直径 2b=125um； 多模光纤 2a=50um，2b=125um。对单模光纤，2a 与λ处同一量级，由于衍射效应， 模场强度有相当一部分处于包层中，不易精确测出 2a 的精确值，因而只有结构 设计上的意义，在应用中并无实际意义，实际应用中常用模场或模斑直径(MFD) 表示。 图 1 阶跃光纤(a)与渐变光纤(b)的横截面和折射率分布 1
图2光在光纤中的传播途径 图2所示为阶跃光纤剖面，入射光在纤芯和包层的界面发生全反射，所有满 足全反射条件的光线都将被限制在纤芯中，这是光纤约束和导引光传输的基本机 制。图3所示为渐变光纤剖面，渐变光纤的芯区折射率不是一个常数，它从芯区 中心的最大值nl逐渐降低到纤芯-包层界面的最小值2，大部分渐变光纤按 次方规律下降。在阶跃光纤中光线以曲折的锯齿形式向前传播，而在渐变光纤中 则以一种正弦振荡形式向前传播。如图可见，类似于阶跃光纤，入射角大的光线 路径长，由于折射率的变化，光速在沿路径变化，虽然沿光纤轴线传播路径最短 但轴线上折射率最大，光传播最慢，而斜光线的大部分路径在低折射率的介质中 传播，虽然路径长，但传输得快，因而合理设计折射率分布，可使所有光线同时 到达光纤输出端，降低了多径或模间色散 % 图3渐变光纤中的光线轨迹 光纤是光纤通信的传输媒质，用石英材料制成，属于介质波导，可将光线限 制在光纤芯子中传播。光纤的主要特性是损耗、色散和非线性。 2.光纤的损耗特性 光纤损耗是通信距离的固有限制，在给定发送功率和接收机灵敏度条件下， 它决定了从光发送机到光接收机之间的最大距离，损耗过大将严重影响通信系统 的性能。 光纤的衰减机理主要有三种：即光能量的吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。 吸收损耗与光纤材料有关，散射损耗则与光纤材料及光纤中的结构缺陷有关，而 辐射损耗则由光纤几何形状的微观和宏观扰动引起。光纤的损耗用衰减系数α表
图 2 光在光纤中的传播途径 图 2 所示为阶跃光纤剖面，入射光在纤芯和包层的界面发生全反射，所有满 足全反射条件的光线都将被限制在纤芯中，这是光纤约束和导引光传输的基本机 制。图 3 所示为渐变光纤剖面，渐变光纤的芯区折射率不是一个常数，它从芯区 中心的最大值 n1 逐渐降低到纤芯-包层界面的最小值 n2，大部分渐变光纤按二 次方规律下降。在阶跃光纤中光线以曲折的锯齿形式向前传播，而在渐变光纤中 则以一种正弦振荡形式向前传播。如图可见，类似于阶跃光纤，入射角大的光线 路径长，由于折射率的变化，光速在沿路径变化，虽然沿光纤轴线传播路径最短， 但轴线上折射率最大，光传播最慢，而斜光线的大部分路径在低折射率的介质中 传播，虽然路径长，但传输得快，因而合理设计折射率分布，可使所有光线同时 到达光纤输出端，降低了多径或模间色散。 图 3 渐变光纤中的光线轨迹 光纤是光纤通信的传输媒质，用石英材料制成，属于介质波导，可将光线限 制在光纤芯子中传播。光纤的主要特性是损耗、色散和非线性。 2．光纤的损耗特性 光纤损耗是通信距离的固有限制，在给定发送功率和接收机灵敏度条件下， 它决定了从光发送机到光接收机之间的最大距离，损耗过大将严重影响通信系统 的性能。 光纤的衰减机理主要有三种：即光能量的吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。 吸收损耗与光纤材料有关，散射损耗则与光纤材料及光纤中的结构缺陷有关，而 辐射损耗则由光纤几何形状的微观和宏观扰动引起。光纤的损耗用衰减系数α表 2
a[dB/km]=-10/LxIg(Pout/Pin) 实测 红外吸收」 霸利射 紫外顾收 A/n 图4单模光纤的损耗谱特性 图4为光纤衰减系数随波长的变化曲线，图5为光纤衰减研究的进展情况 早期，由于技术上的原因光纤通信只能利用0.8-0.9um的短波长波段，因为这个 波段的损耗最小，且可得到与之匹配的光源与光电探测器。随着光纤杂质浓度的 降低，光纤衰减大为减小。1.3um和1.5um是光纤的另两个低损耗窗口。目前， 在1.3um波段，商品光纤的衰减为0.35dB/km,而在1.5um波段为0.25dB/km, 己接近光纤固有损耗的极限。当更进一步减小光纤损耗时，可以得到在1.45 1.65um波段的低损耗。这将极大地扩展光纤的可用带宽。 0的代初 图5光纤衰减研究的进展情况 3.阶跃光纤的截止波长测量 光纤是一种介质波导，在光纤内传输的导波有各种不同模式。对于一定波长
示: α[dB/km]=-10/L×lg(Pout/Pin) 图 4 单模光纤的损耗谱特性 图 4 为光纤衰减系数随波长的变化曲线，图 5 为光纤衰减研究的进展情况。 早期，由于技术上的原因光纤通信只能利用 0.8-0.9um 的短波长波段，因为这个 波段的损耗最小，且可得到与之匹配的光源与光电探测器。随着光纤杂质浓度的 降低，光纤衰减大为减小。1.3um 和 1.5um 是光纤的另两个低损耗窗口。目前， 在 1.3um 波段，商品光纤的衰减为 0.35dB／km，而在 1.5um 波段为 0.25dB／km， 已接近光纤固有损耗的极限。当更进一步减小光纤损耗时，可以得到在 1.45～ 1.65um 波段的低损耗。这将极大地扩展光纤的可用带宽。 图 5 光纤衰减研究的进展情况 3．阶跃光纤的截止波长测量 光纤是一种介质波导，在光纤内传输的导波有各种不同模式。对于一定波长 3
的光，它在光纤内传输时包含哪些模式，取决于光纤的内部结构(1、n2、a和b 的数值)。在光纤传输理论中，通常以归一化频率V来表征光纤的特性，理论分 析表明，各模式在V逐渐变小达到某一数值时将会截止，即V小于某一数值以后， 该种模式将不能在光纤中传输，弱波导纤维各低阶模式的截止归一化频率如下： LPo1模Vc=0 LP11模Vc=2.405 LP21模Vc=3.832 LPa2模 Vc=3.832 从以上数据可以看出，LPo1模的截止频率等于0，即不论V等于什么数值，它都 可以在光纤内传输，所以称为基模，在V2.405时，光纤中只有单一的基模传输。 在这范围内工作的光纤称为单模光纤，它具有色散小，信息容量大等特点。对于 一根特定的光纤(a,nl,A已确定)，只要波长充分长，总可以单模方式传输， 开始实现单模传输的波长称为截止波长.©，>c时，只有基模传输，各高阶模都被 截止。 Y()1 1 图6光纤弯曲损耗与波长的关系 光纤弯曲时，在光纤内传输的光有一部分辐射到光纤之外，光纤内导波的强 度将发生衰减。经过理论分析可知，由弯曲而引起的附加损耗在各模的截止点附 近特别显著，而在偏离截止点稍远处附加损耗却很小。附加损耗与波长的关系如 图6所示。测量附加损耗与波长的关系，就可以定出光纤的截止波长（入c对应 于波长最大的那个附加损耗峰)。 [实验装置]
的光，它在光纤内传输时包含哪些模式，取决于光纤的内部结构(n1、n2、a 和 b 的数值)。在光纤传输理论中，通常以归一化频率 V 来表征光纤的特性，理论分 析表明，各模式在 V 逐渐变小达到某—数值时将会截止，即 V 小于某一数值以后， 该种模式将不能在光纤中传输，弱波导纤维各低阶模式的截止归一化频率如下： LP01模 Vc=0 LP11模 Vc=2.405 LP21模 Vc=3.832 LP02模 Vc=3.832 从以上数据可以看出，LP01模的截止频率等于 0，即不论V等于什么数值，它都 可以在光纤内传输，所以称为基模，在Vλc时，只有基模传输,各高阶模都被 截止。 图 6 光纤弯曲损耗与波长的关系 光纤弯曲时，在光纤内传输的光有一部分辐射到光纤之外，光纤内导波的强 度将发生衰减。经过理论分析可知，由弯曲而引起的附加损耗在各模的截止点附 近特别显著，而在偏离截止点稍远处附加损耗却很小。附加损耗与波长的关系如 图 6 所示。测量附加损耗与波长的关系，就可以定出光纤的截止波长(λc 对应 于波长最大的那个附加损耗峰)。 [实验装置] 4
灯 光谱分析器 准直器 PG连接器 图7光纤截止波长测量实验装置图 [实验内容] 1.实验装置连接 a,按图示光路连接实验装置，溴钨灯电源连接至LVS输出，缓慢增加LVS 输出电压至12V b.将实验仪主机背板通讯接口用串行通讯电缆连接至计算机主机COM1口， 打开实验仪主机电源后再运行计算机上的测试软件。 2.单模光纤截止波长测量 ā.将溴钨灯辐射光束耦合进入单模光纤，单模光纤输出接入光谱分析器， 输出狭缝置2mm。 b.保持单模光纤为自然伸展状态，将光谱分析器功率探头输出连接至PD, OPMMOD置PD/mW,量程(OPMRTO)置1OnW档。 c.测量单模光纤输出光谱，波长范围900-1300m,波长间隔0.1nm d.将此光谱设为损耗谱计算基准。 e.将单模光纤按直径30mm绕5圈，测量此时的单模光纤输出光谱。 ￡.求单模光纤弯曲损耗谱，确定单模光纤截止波长。 [注意事项] 1.系统上电后禁止将光纤连接器对准人眼，以免灼伤。 2.光纤连接器陶瓷插芯表面光洁度要求极高，除专用清洁布外禁止用手触摸或 接触硬物。空置的光纤连接器端子必须插上护套。 3.所有光纤均不可过于弯曲，除特殊测试外其曲率半径应大于30m
图 7 光纤截止波长测量实验装置图 [实验内容] 1. 实验装置连接 a. 按图示光路连接实验装置，溴钨灯电源连接至 LVS 输出，缓慢增加 LVS 输出电压至 12V b. 将实验仪主机背板通讯接口用串行通讯电缆连接至计算机主机 COM1 口， 打开实验仪主机电源后再运行计算机上的测试软件。 2. 单模光纤截止波长测量 a. 将溴钨灯辐射光束耦合进入单模光纤，单模光纤输出接入光谱分析器， 输出狭缝置 2mm。 b. 保持单模光纤为自然伸展状态，将光谱分析器功率探头输出连接至 PD， OPMMOD 置 PD/mW，量程(OPMRTO)置 10nW 档。 c. 测量单模光纤输出光谱，波长范围 900-1300nm，波长间隔 0.1nm。 d. 将此光谱设为损耗谱计算基准。 e. 将单模光纤按直径 30mm 绕 5 圈，测量此时的单模光纤输出光谱。 f. 求单模光纤弯曲损耗谱，确定单模光纤截止波长。 [注意事项] 1. 系统上电后禁止将光纤连接器对准人眼，以免灼伤。 2. 光纤连接器陶瓷插芯表面光洁度要求极高，除专用清洁布外禁止用手触摸或 接触硬物。空置的光纤连接器端子必须插上护套。 3. 所有光纤均不可过于弯曲，除特殊测试外其曲率半径应大于 30mm。 5