单模光纤数值孔径的测量 电科091 蒋文辉

实验目的： 1.熟悉光纤的结构特点及分类 2.掌握光纤数值孔径的定义的测量方法

实验原理： 1. 光纤的结构图

光纤的结构： 光纤（Optical Fiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。 纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。 包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。 设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1>n2。

光纤的分类： （1）单模光纤（single mode fider,SMF ） 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。

光纤的分类： （2）多模阶跃折射率光纤（step index fiber,SIF） 多模阶跃折射率光纤折射率分布和单模光纤一样，纤芯直径为50~180um，包层直径为125um，如50/125（欧洲标准）， 62.5/125（美国标准）。光线以折射形状沿着纤芯中心轴方向传播。

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。

光纤的分类： (4) 还有一些特殊光纤，如医疗和低速网络中使用的光纤，参数为100/140和200/230，以及98/1000规格的塑料光纤。

图 2.2三种基本类型的光纤 (a) 多模阶跃折射率光纤； (b) 多模梯度折射率光纤； （c） 单模光纤

光纤的数值孔径： 数值孔径NA 　　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，同时对连接损耗、微弯损耗以及衰减温度特性、传输带宽等都有影响。图12.1中表示出阶梯多模光纤可接收的光锥范围。

光纤的数值孔径大小与纤芯折射率，及纤芯－包层相对折射率差有关。从物理上看，光纤的数值孔径表示光纤接收入射光的能力。NA越大，则光纤接收光的能力也越强。从增加进入光纤的光功率的观点来看，NA越大越好，因为光纤的数值孔径大些对于光纤的对接是有利的

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°。

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：

（2）远场强度有效数值孔径NAeff 远场强度有效数值孔经定义为光纤远场辐射图上光强下降到最大值5%处的半张角的正弦值。一般对于幂次分布的折射率抛面的光纤，有如下关系：

其中，g为折射率分布指数；为与n有关的比例系数（表12.1）给出了g不同 的取值kg的值。 1.0 1.5 2.0 2.5 10 ∞ kg 0.881 0.946 0.975 0.988 1

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。

一般情况下，梯度光纤接近抛物线分布则n=2,则NA=0.975NA max CCITT在图12.2方法中测试数值孔径的办法时规定，光源为强度可调的非相干光源，要求强度和波长保持稳定，探测器相应为线性的。

实验简介图：

实验仪器

实验步骤： （1）打开电源，稳定光强大约5min； （2）按复位键将电机复位，设定合适的步长； （3）通过步进控制键分别测量记录1310nm波长下的G652光纤的远场功率随角度变化的关系（注意，由于自然杂散光会影响功率计的读数，所以要求在实验过程中，对环境光的影响要尽量小，并且在读数中需要减去杂散光的影响，另外光纤的端面如果没有固定好，可能会发生偏转，这样最后应该以实际达到5%的两个正负角度的差值的一半为准）。

（4）按复位键复位点击，关机。 （5）利用三波长光源，重复（1）~（4）步，测量1550nm的光纤数值孔径 注意，实验过程中首先要调节好入射角度，即光纤出射口与探头之间的角度。探头上有水平和竖直两个调节旋钮可以调节探头位置，调节水平旋钮可以使得实验图像左右移动，应调节水平旋钮直到实验图

像关于中心轴线对称，调节竖直旋钮可以使波形发生变化，应调节竖直旋钮直到红色波形和黑色波形叠加得很好，并且波形满足远场光强角度分布的关系图。建议先调节竖直旋钮等到出现合适的波形再调节水平旋钮是图形对称，方便分析。

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

注意事项 光纤两端制备要清洁，平整光滑与光纤轴垂直。 样品要盘放整齐。 样品输出端到探测器的距离必须大雨光纤直径。

实验感想 任何实验都没有那么简单，做这个实验的关键就是调整两个旋钮使图形接近远场光强分布图，在1310那个机器上尝试了很多次都没有做出符合实验要求的图形，最后到1550那个机器上实验，两三次就把图形调整出来了，然后接着回到1310那个机器上面进行实验，结果到下课都没有调整出来，这就说明做任何实验都要有耐心去面对各种实验，即使是十分简单的实验，也要像

对待最复杂的实验一样来对待，不能浮躁，更不能敷衍对待。走出实验，对待任何事也要有耐心，认真对待，才能有所新的发现。

谢谢！