光纤基本特性测试实验报告

实验报告课程名称： 光通信技术实验 指导老师： 成绩：__________________ 实验名称：光纤基本特性测试（一）实验类型： 基础型 同组学生姓名： 一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填） 七、讨论、心得实验1-2 光纤数值孔径性质和测量一、实验目的和要求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、实验内容和原理光纤数值孔径（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。

图一表示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：式中n0 为光纤周围介质的折射率，θ为最大接受角。

n1和n2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NAm 有如下关系：其中θ是远场辐射角，Ka 是比例因子，由下式给出：专业：姓名：学号： 日期： 地点：装订线式中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P(θ)曲线上光功率下降到θ的正弦值定义为光纤的数值孔径，称之为有效数值孔径：中心值的5%处所对应的角度e本实验正是根据上述原理和光路可逆原理来进行的。

三、主要仪器设备He-Ne 激光器、读数旋转台、塑料光纤、光纤微调架、毫米尺、白屏、短波长光功率计一套（功率显示仪1件、短波光探测器1只）。

四、实验步骤方法一：光斑法测量（如图２）1、实验系统调整；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；c．放置待测光纤在光纤微调架上，使光纤一端与激光束耦合，另一端与短波光探测器正确连接；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。

2、测输出数值孔径角θo。

a. 移开光探测器，固定光纤输出端；b. 分别置观察屏于距光纤端面L1、L2 距离处，测量观察屏上的光纤输出圆光斑直径D1、D2，计算两次读数差ΔL和ΔD，得输出孔径角为：θo=arctan[ΔD/（2ΔL）]；c. 多次测量求平均值。

（注：如果圆光斑边界不清晰，一般是由于出射光功率太强引起的，适当旋转读数台减小耦合效率，直至得到一个清晰圆光斑为止。

）方法二：功率法测量1、测试输入孔径角a. 光纤输出端与短波光探测器正确连接，调节输入端使光纤端面准确位于旋转台的旋转轴心线；b. 旋转读数平台，改变光束入射角，记录不同旋转角度θi 下的输出光功率值Pi；c. 画出P-θ曲线，取中心值P(θ)max 的5%所对应的θ值作为有效的数值孔径角θe。

2、计算光纤数值孔径：NAe= Sinθe。

3、He-Ne激光器和光功率计的电源，整理实验仪器，结束实验。

五、实验数据记录及处理记录用两种方法测量得到的实验结果，并计算分析。

1、光斑法测量：表1 方法一的实验数据和结果测量参数第一次测量第二次测量第三次测量∆(mm) 30.0 27.6 23.5光斑直径D∆(mm) 18.0 20.3 20.7屏与光纤头距离L数值孔径角0arctan[/(2)]D L θ=∆∆39.81 34.21 29.58光纤数值孔径sin e NA θ= 0.64 0.56 0.49平均数值孔径 0.562、功率法测量：表2 方法二的实验数据和结果左侧 右侧序号 光纤端面入射角Q （度） 光纤输出功率值（微瓦） 输出光功率相对值（以Q=0时的值为1）光纤端面入射角Q （度） 光纤输出光功率值 （微瓦） 输出光功率相对值（以Q=0时的值为1）1 0 140 1 0 182 1 2 -2 136 0.9713 179 0.984 3 -4 127 0.9075 166 0.912 4 -6 118 0.843 8 144 0.791 5 -8 112 0.800 10 127 0.698 6 -10 108 0.771 13 102 0.560 7 -13 94 0.671 15 84 0.462 8 -16 74 0.529 18 51 0.280 9 -20 32 0.229 20 32 0.176 10 -23 15 0.107 23 19 0.104 11 -25 10.7 0.076 25 14 0.077 12 -26 9.3 0.066 26 11 0.060 13 -27 7.8 0.056 27 7.2 0.040 14 -28 6.4 0.046 28 5.5 0.030 15 -29 5.1 0.036 29 3.9 0.021 16 -30 3.9 0.028 30 2.7 0.015 17 -31 3.1 0.022 31 1.9 0.010 18-32 2.4 0.017 32 1.3 0.007 顺时针旋转测的数值孔径角 27.6° 逆时针旋转测的数值孔径角 26.5° 平均数值孔径角i θ（度）27.1° 光纤的有效数值孔径eNA0.456六、实验结果与分析光斑法误差：通过光斑法测得的数值孔径NA=0.56.光斑法是通过粗略的测量出射光线的角度得到的实验结果，实验误差较大。

实验产生误差的可能原因主要有：1、在测量过程中，入射光线的入射角以及光纤的弯折都会影响最后的实验结果。

理想情况下，应该以最大接受角入射且光纤不发生弯折的情况下，得到的输出孔径角对应的是NA，但往往在实验过程中做不到这一点。

2、在测量光斑的直径时，光斑边缘会发生弥散，使得光斑直径的测量有误差。

3、光纤入射端面不平整、读数的误差等也会导致实验结果误差。

功率法误差：上述两图中，负值代表逆时针旋转，正值代表顺时针旋转。

通过作图得到实验结果数值孔径NA=0.456.与光斑法相比较，结果与理想值0.5更相近，但功率发和光斑法得到的结果差距较大，从实验原理和可靠性出发，应该是功率法测得的结果更加可信。

实验误差来源可能是：1、测量的仪器存在着误差，在实验过程中，当确定了一定角度后，将功率计对准光，稍微有些对不准数据就会跳动，造成误差。

2、在光路的建立过程中，引入了额外的误差，如光路未垂直入射、光纤端面不平整等，使功率减小了。

七、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？光纤数值孔径的物理意义: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。

光纤数值孔径代表光纤能传输光能的大小，光纤的NA大，传输能量的本领大。

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。

2）本实验的测量精度取决于如下因素：激光光源是否正确耦合至光纤；激光光源的稳定程度；光纤端面的平整程度；光纤安放的是否存在偏差；是否引入其他的损耗；光斑的衍射和弥散情况；人眼的判断精度；测量仪器的测量精度；功率探测器的灵敏度2．用两种方法测得的结果是否一样？若不一样，请说明原因。

两种方法的测量结果不一样。

从理论上分析，用圆斑法是利用了光线可逆的原理进行测量的，得到的实验结果是光纤的数值孔径；用功率法是利用了光纤的远场功率角分布与理论数值孔径NA的关系来测量的，最终得到数据不是光纤的数值孔径，而是光纤的有效数值孔径。

从本实验操作分析，造成测量结果差异的原因主要是光斑法需要测量光纤出射光斑，在测量过程中，入射光线的入射角以及光纤的弯折都会影响最后的实验结果。

理想情况下，应该以最大接受角入射且光纤不发生弯折的情况下，得到的输出孔径角对应的是NA，但往往在实验过程中做不到这一点。

功率法中采用了光功率计，有较可靠的数据支撑，并非肉眼观测判断,提高了实验的可靠性，但在测量仪器的误差等方面也会对实验结果造成影响。

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？若光纤端面置于旋转轴心上，在旋转旋转台时，激光束能始终入射光纤端面。

实验1-3 光纤传输损耗性质与测量一、实验目的和要求1、了解光纤损耗的定义；2、了解截断法，插入法测量光纤的传输损耗。

二、实验内容和原理1、截断法：（破坏性测量方法）首先测出整盘光纤的输出光功率P2（λ）。

然后在微调节架之后约0.3m 处（如图1）切断光纤，测得短光纤的输出光功率P1（λ）。

则可得到光纤的衰减为12()()10lg()P A db P λλλ= 衰减系数()()/A L αλλ= L ：光纤长度图 12、插入法：将1、2对接，测得P 1（λ），然后将待测光纤接入，调整连接器接头使得输出最大，即为P 2（λ）， 则)()()(12'λλλP P A -=，其中)('λA 包含了光纤衰减和连接器的损耗，因此这种方法准确度和重复性不如前一种好。

本实验只对截断法进行测试。

三、主要仪器设备He-Ne 激光器，透镜，五维微调节架，塑料多模光纤，短波长光功率计一套（功率显示仪1件、短波光探测器1只）。

四、操作方法和实验步骤1、如上图，将光纤端面处理后插入微调架与功率计的短波探头对准；2、使激光束通过透镜中心轴线，并确定其焦平面位置；3、将待测光纤的另一端夹入光纤夹，并使其端面处于物镜的焦平面位置；4、调节激光输入端的五维微调架，使得功率计上的输出值达到最大输出，并记下此值为P 2（λ）；5、距光纤输入端约0.3m 处剪断光纤，重复上述步骤，得到P 1（λ）；6、在光纤盘上记录下所剪断的长度，以备下次实验的时候得以确定光纤的剩余长度；7、最后根据公式计算得到光纤损耗的大小。

五、实验数据记录和处理功率大小 测量次数1()P λ 2()P λ()A λ ()αλ1 0.2W μ1.3W μ 8.13db 169.52/k db m 20.4W μ2.8W μ8.45db180.04/k db m平均传输损耗为174.78dB/km六、实验结果与分析实验测量得到的数据为174.78dB/km ，在理论值范围内。

实验过程中可能存在一些误差，主要来源于以下几个方面：（1）光纤固定不好，在截断前后测量长短光纤时接收入射激光的光纤处可能已经有了晃动。

（2）由于人工截断，所以光纤端面不齐整。

（3）光功率计的显示结果只能精确到小数点后一位，测量的误差较大，对实验结果造成影响。

实验心得本次实验总体来说还是比较简单的，实验原理比较易懂，对于我首次接触光通信的相关实验，可以更好的让我熟悉光纤等实验器材，学会光纤耦合的方法。