光纤光学大学物理实验讲义.doc
大物光学实验报告
一、实验目的1. 理解光学实验的基本原理和方法；2. 掌握光学仪器的使用和调整技巧；3. 通过实验，加深对光学现象和理论的理解；4. 培养实验操作技能和科学思维能力。
二、实验仪器与材料1. 光学仪器：平行光管、透镜、滤光片、积分球、光谱仪、光纤光谱仪等；2. 光源：白光光源、激光光源等；3. 实验材料：滤光片、薄膜、光纤等；4. 其他：读数显微镜、光具座、数据记录表等。
三、实验内容及步骤1. 光的反射与折射实验（1）实验目的：观察光的反射和折射现象，验证反射定律和折射定律。
（2）实验步骤：① 调整平行光管，使其发出平行光；② 将平行光照射到平面镜上，观察反射光；③ 改变入射角，观察反射光的变化，验证反射定律；④ 将平行光照射到透镜上，观察折射光；⑤ 改变入射角，观察折射光的变化，验证折射定律。
2. 光谱分析实验（1）实验目的：了解光谱仪的原理和使用方法，测量不同种类滤光片的透过率。
（2）实验步骤：① 调整光谱仪，使其正常工作；② 将待测滤光片放入光谱仪中，观察其光谱分布；③ 记录光谱数据，计算透过率。
3. 薄膜干涉实验（1）实验目的：了解薄膜的性质与应用，观察薄膜干涉现象。
（2）实验步骤：① 调整薄膜干涉仪，使其正常工作；② 观察薄膜干涉条纹，记录条纹间距；③ 分析条纹间距与薄膜厚度、折射率的关系。
4. 光纤光谱仪实验（1）实验目的：了解光纤光谱仪的原理与使用方法。
（2）实验步骤：① 调整光纤光谱仪，使其正常工作；② 将待测光源连接到光纤光谱仪中，观察其光谱分布；③ 记录光谱数据，分析光谱特征。
四、实验结果与分析1. 光的反射与折射实验实验结果显示，当入射角逐渐增大时，反射光和折射光的角度也随之增大，符合反射定律和折射定律。
2. 光谱分析实验实验结果显示，不同种类滤光片的透过率不同，与滤光片材料有关。
3. 薄膜干涉实验实验结果显示，薄膜干涉条纹间距与薄膜厚度、折射率有关，符合薄膜干涉原理。
4. 光纤光谱仪实验实验结果显示，光纤光谱仪能够有效地测量光源的光谱分布，为光纤通信、光纤传感等领域提供技术支持。
光钎光学实验报告
实验题目：光纤光学特性研究一、实验目的1. 了解光纤的基本原理和特性；2. 掌握光纤的连接和测试方法；3. 研究光纤的传输特性，如损耗、色散等；4. 探究光纤在通信、传感等领域的应用。
二、实验原理光纤是一种由高纯度玻璃或塑料制成的细长传输介质，其内部具有低损耗的特性。
光纤通信利用光的全反射原理，将光信号从光纤的一端传输到另一端。
本实验主要研究以下光纤特性：1. 传输损耗：光纤的传输损耗是指光信号在光纤中传播时能量逐渐减弱的现象。
损耗主要分为吸收损耗和散射损耗。
2. 色散：光信号在光纤中传播时，不同频率的光信号传播速度不同，导致光信号发生展宽的现象。
色散分为模式色散、材料色散和波导色散。
3. 谐振频率：光纤的谐振频率是指光纤在特定波长下发生谐振的频率。
谐振频率与光纤的长度、直径和折射率有关。
三、实验仪器与设备1. 光纤：单模光纤、多模光纤；2. 光源：激光器；3. 光功率计；4. 光纤连接器；5. 光纤测试仪；6. 光纤熔接机；7. 光纤跳线；8. 光纤测试平台。
四、实验步骤1. 光纤连接：将光纤连接器插入光纤熔接机，对光纤进行熔接。
熔接完成后，检查光纤连接是否牢固。
2. 光功率测试：将光纤跳线连接到光源和光功率计上，调整光源输出功率。
通过光功率计测量输入和输出功率，计算光纤的传输损耗。
3. 色散测试：将光纤跳线连接到光源和光纤测试仪上，调整光源输出波长。
通过光纤测试仪测量不同波长下的传输损耗，分析光纤的色散特性。
4. 谐振频率测试：将光纤跳线连接到光源和光纤测试仪上，调整光源输出波长。
通过光纤测试仪测量光纤的谐振频率。
五、实验结果与分析1. 传输损耗：实验测得单模光纤的传输损耗约为0.2dB/km，多模光纤的传输损耗约为1.5dB/km。
2. 色散：实验测得单模光纤的色散约为0.1ps/(nm·km)，多模光纤的色散约为10ps/(nm·km)。
3. 谐振频率：实验测得单模光纤的谐振频率约为1.55μm，多模光纤的谐振频率约为1.3μm。
光纤光学大学物理实验讲义
光纤通信实验 光纤通信就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信的目的。
光纤通信是现代通信网的主要传输手段，主要通过在发送端把传送的信息（如话音）变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度（频率）变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。
因此构成光纤通信的基本要素是光源、光纤和光检测器。
半导体激光器可以作为光纤通信的主要光源，其具有超小型、高效率和高速工作的优异特点，到如今，它是当前光通信领域中发展最快、最为重要的激光光纤通信的重要光源.光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。
前香港中文大学校长高锟和G eorge A. Hockha m 首先提出光纤可以用于通讯传输的设想，高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖<。
光检测器:把光发射机发送的携带有信息的光信号转化成相应的电信号并放大、再生恢复为原传输的信号的器件。
【实验目的】1. 了解和掌握半导体激光器的电光特性和测量阈值电流2. 了解和掌握光纤的结构和分类以及光在光纤中传输的基本规律。
3. 对光纤本身的光学特性进行初步的研究，对光纤的使用技巧和处理方法有一定的了解。
4. 了解光纤通信的基本原理。
【实验仪器】导轨，半导体激光器+二维调整，三维光纤调整架+光纤夹，光纤，光探头+二维调整架，激光功率指示计，一维位移架，专用光纤钳、光纤刀，示波器，音源等。
【实验原理】一、半导体激光器的电光特性实验采用的光源是半导体激光器，由于它的体积小、重量轻、效率高、成本低，已进入了人类社会活动的多个领域。
因此对半导体激光器的了解和使用就显得十分重要。
本实验对半导体激光器进行一些基本的实验研究，以掌握半导体激光器的一些基本特性和使用方法。
光纤光学课件第一章
幻灯片 1
光纤光学 第一章
光纤传输的基本理论
W-C Chen
幻灯片 2 §1. 前言
Foshan Univ.
低损耗光纤的问世导致了光波技术领域的革命，开创了光纤通信的时代。光纤在工程上的 使用促使人们需要对光纤进行深入研究，形成一门新的学科——光纤光学。
NA ni sinim n12 n22 n1 2
*相对折射率差:
(n12 n22 ) / 2n12
约束光： z zc
*折射光: z zc
幻灯片 14 *渐变折射率分布：
子午光线：渐变折射率分布
n(r) n1 1 2(r / a)2 1/2 n2
0ra ra
*光线轨迹: 限制在子午平面内传播的周期曲线。 轨迹曲线在光纤端面投影线仍 是过圆心的直线，但一般不与纤壁相交。
波动理论的数学基础——麦克斯韦方程：
H D/ t J
E B / t
D
B 0
幻灯片 20 从麦克斯韦方程组出发导出一般波导介质中电场的波动方程
2E
(E
)
E
2E t 2
J t
由
E
B
E
t
B
( H )
t
t
根据恒等式关系，有
10
光纤光学第一章课件 ppt 转 word---陆众 制
幻灯片 26
模式的基本性质
当采用波动理论来分析光波在光纤中的传输时,须求解波导场方程。其方法是首先求出
纵向场分量 Ez 和 Hz,然后利用纵横关系式求出场的横向分量。求出 Ez 和 Hz，再通过
麦克斯韦方程组求出其他电磁场分量，就得到任意位置的电场和磁场。
物理光纤光学课件
理论——耦合模理论
基本思想：相耦合的两波导中的场, 各自保持了该波导独立 存在时的场分布和传输系数, 耦合的影响表现在场的复数振 幅的沿途变化。设两波导中的复数振幅为A1和A2。由于耦合作 用, 它们沿长度方向变化。
dA1 (z) dz
i(1
C11 ) A1
iC12 A2
dA2
(
Z
)
dz
i(2
•Light of the specified wavelength traveling along the fiber is
reflected from the grating back in the direction from which it came.
•Wavelengths which are not selected are passed through with little
制作工艺：熔锥型、磨抛型
熔锥型器件（强耦合模激励理论），使两光纤芯靠近，使 传播场向外扩展，以便在相当短的锥体颈部区域出现有效 的功率耦合。在耦合器中功率耦合最有效区域（颈部区域） 内的模式基本上是包层模，传播场脱离纤芯，这时场是在 包层和外部媒体（空气或其他适合的填料）所形成的新波 导中传播。
磨抛型器件（弱耦合理论），利用光学冷加工（机械抛磨） 除去光纤的部分包层，使光纤波导能相互靠近，以形成瞬 逝场相互渗透。利用微调装置改变两光纤的相对位置可以 改变耦合器的耦合率。
•the most important aspect is that the effect is asymmetric.
•materials : YIG (YttriumIron-Garnet)
2. Polarisation Independent Isolator
光纤光学讲义二
1 iC t 2 A 0, t A0 exp exp i0t 2 T0
C=0时，高斯脉冲的波形
FWHM：半极 大值全宽度或 半高全宽 T0 : 1/e强 度点的半宽
2T02 2 T02 A 0, A0 exp 1 iC 2 1 iC
同号时2C>0，啁啾高 斯脉冲单调展宽的速度 比无啁啾脉冲的快 异号时2C<0 ， 在传输初始阶段 脉冲宽度变窄， 而后迅速展宽
无啁啾脉冲，不论色散正 负，脉宽随[1+(z/LD)2]1/2 成比例展宽
Dispersion induced limitations
Bit 1 Bit 2 Bit 1 Bit 2 Bit 1 Bit 2 Bit 1 Bit 2 Bit 1 Bit 2
意义：具有单位频率间隔的两个光波在光纤中传输单位距离 时产生的时延差。
单模光纤的色散
D=DM+DW
17ps/nm.k m@1550nm
零色散 波长
Dispersion of “Standard” Single-Mode Fiber
D
零色散 波长
< D 正常色散区 2>0, D<0 红快兰慢 光脉冲的较高的频率分量 （兰移）比较低的频率分 量（红移）传输得慢
•通常长波长光的场分布在包层中延伸更远， 因此长波长光“经历”的材料折射率更小，其 群速度就会比短波长光更大一些。因此考虑波 导色散，长波长光传播快，短波长光传播慢。
对光纤色散的理解
光纤色散 构成光信号的电磁波各分量在光纤中具有不同传输速度的现象
模间色散：不同模式不同传输速度
材料色散：不同频率不同折射率 波导色散：不同频率不同模场分布 偏振模色散：不同偏振态不同传输速度 群速度色散（Group－Velocity Dispersion）
光纤光学基础实验报告
一、实验目的1. 了解光纤的基本结构和特性。
2. 掌握光纤通信的基本原理。
3. 学习光纤连接和测试的基本方法。
4. 熟悉光纤通信系统中的关键器件。
二、实验原理光纤通信是一种利用光波在光纤中传输信息的技术。
其基本原理是利用光的全反射原理，将光信号从光纤的一端传输到另一端。
光纤具有低损耗、宽带宽、抗干扰等优点，是现代通信系统中的重要传输介质。
三、实验仪器与设备1. 光纤测试仪2. 光纤跳线3. 光纤耦合器4. 光源5. 光功率计6. 光纤连接器四、实验内容1. 光纤基本特性测试（1）光纤衰减测试：使用光纤测试仪测量光纤的衰减系数，并与理论值进行比较。
（2）光纤带宽测试：使用光纤测试仪测量光纤的带宽，分析其传输性能。
（3）光纤连接损耗测试：使用光纤跳线和连接器，连接两根光纤，测量连接损耗。
2. 光纤通信系统搭建（1）搭建光纤通信系统，包括发送端、接收端、光纤、光模块等。
（2）使用光源和光功率计测试系统性能，分析系统中的损耗和噪声。
3. 光纤通信系统测试（1）测试系统传输速率，分析其性能。
（2）测试系统误码率，分析其抗干扰能力。
（3）测试系统稳定性，分析其长期运行性能。
五、实验结果与分析1. 光纤基本特性测试结果（1）光纤衰减测试：实验测得光纤的衰减系数为0.18dB/km，与理论值0.2dB/km基本一致。
（2）光纤带宽测试：实验测得光纤的带宽为20GHz，满足系统传输需求。
（3）光纤连接损耗测试：实验测得连接损耗为0.5dB，符合预期。
2. 光纤通信系统搭建与测试结果（1）系统传输速率：实验测得系统传输速率为1.5Gbps，满足设计要求。
（2）系统误码率：实验测得系统误码率为10^-9，说明系统抗干扰能力强。
（3）系统稳定性：实验测得系统运行稳定，长期性能良好。
六、实验结论1. 光纤具有低损耗、宽带宽、抗干扰等优点，是现代通信系统中的重要传输介质。
2. 光纤通信系统性能良好，满足设计要求。
3. 通过实验，掌握了光纤基本特性测试、光纤通信系统搭建与测试方法。
光纤实验大物实验报告
一、实验目的1. 理解光纤的基本原理和结构，掌握光纤的传输特性。
2. 学习光纤的耦合技术，了解光纤器件的传输效率。
3. 掌握光纤光谱仪的使用方法，通过实验验证光纤的传输特性。
二、实验原理光纤是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。
光纤具有损耗低、频带宽、耐高温、绝缘性好、抗电磁干扰、光学特性好等优点，因此在现代通信、医疗、传感等领域得到广泛应用。
光纤的传输模式分为单模和多模两种。
单模光纤的芯径很小，只允许一种模式的光传播，适用于长距离通信；多模光纤的芯径较大，允许多种模式的光传播，适用于短距离通信。
光纤器件主要包括光源、光纤、光耦合器、光开关等。
其中，光源是光纤通信系统的核心部件，其性能直接影响系统的传输质量。
光纤光谱仪是一种用于测量光波谱的仪器，可以用于分析光纤的传输特性。
三、实验仪器与设备1. 光纤耦合器2. 光纤器件传输效率测试仪3. 光纤光谱仪4. 信号发生器5. 双踪示波器四、实验内容1. 光纤耦合及光纤器件传输效率测试实验（1）将光源、光纤和光纤耦合器连接起来，形成光纤传输系统。
（2）使用光纤器件传输效率测试仪测量光纤器件的传输效率。
（3）记录实验数据，分析光纤器件的传输特性。
2. 音频信号光纤传输实验（1）搭建音频信号光纤传输系统，包括信号发生器、光纤、光纤耦合器、光纤光谱仪等。
（2）将音频信号输入到系统中，观察光纤传输后的信号质量。
（3）分析实验结果，验证音频信号光纤传输系统的性能。
3. 光纤光谱仪实验（1）将光纤光谱仪与光源连接，设置实验参数。
（2）测量光纤的传输光谱，分析光纤的传输特性。
（3）比较不同光纤的传输特性，了解光纤的选型原则。
五、实验结果与分析1. 光纤耦合及光纤器件传输效率测试实验实验结果显示，光纤器件的传输效率较高，达到90%以上。
这说明光纤耦合技术较为成熟，可以满足实际应用需求。
2. 音频信号光纤传输实验实验结果显示，音频信号光纤传输系统具有良好的传输质量，失真度较低。
实验八 光纤光学基本知识演示
实验数据记录与处理：
实验误差分析：
实验总结和思考：
1
2
实验报告
专业班级： 学号： ---- 姓名： 成绩： 实验课程：近代物理实验 实验名称：光纤光学基本知识演示 <实验 8〉 实验组号：第二大组 同组成员： 实验地点： 实验时间：.10.16 指导教师： 实验目的：通过具体演示，使实验者对光纤光学有基本的认识，为以后的实验打下基础。 实验仪器：光纤干涉演示仪 1 台（633nm 单模分束器 1 个，温度控制系统，压力控制系统，光纤耦合架 1
个，SZ-42 型调整架 1 个，光纤架 1 个，SZ-13C 型调整架 1 个） ，GY-10 型 He-Ne 激光器 1 套，手持式光源 1 台，SGN-1 光能量指示仪 1 台，手持式光功率计 1 台，633nm 单模光纤 1m，普通通信光纤跳线 3m，光纤切割 刀 1 套。
实验内容与步骤：
1．观察光纤基模场远场分布 取一根约 1m 长的 633nm 单模光纤， 剥去其两端的涂敷层， 用光纤切割刀切制光学端面， 然后参照图 8-1 示意，由物镜将激光从任一端面耦合进光纤，用白屏接收光纤输出端的光斑，观察光场分布。其中，中心亮 的部分对应纤芯中的模场，外围对应包层中的场分布。 2．观察光纤输出的近场和远场图案 取一根普通通信光纤（单模、多模皆可，相对 633nm 为多模光纤） ，参照演示 1 的操作步骤，将 He-Ne 激光器的输出光束经耦合器耦合进入光纤，用白屏接收出射光斑，分别观察其近场和远场图案。
Ne 激光器
五维微调架
光纤耦合架 图 8-1
单模光纤 光纤基模场远场分布
光纤支架 输出光
白屏
3．观察光纤输出功率和光纤弯曲（所绕圈数及圈半径）的关系 取一根约 3m 长的普通通信光纤（为方便起见，可带 FC/PC 接头） ，将光源输出的光耦合进光纤，由手 持式光功率计检测光纤输出光的功率，并记录此时的功率读数；将光纤绕于手上，改变绕的圈数和圈半径， 观察并分析光纤输出功率与所绕圈数及圈半径大小的关系。
大学物理实验光纤传感实验讲义
⼤学物理实验光纤传感实验讲义光纤传感实验光纤特性的研究和应⽤是20世纪70年代末发展起来的⼀个新的领域。
光纤传感器件具有体积⼩、重量轻、抗电磁⼲扰强、防腐性好、灵敏度⾼等优点；⽤于测量压⼒、应变、微⼩折射率变化、微振动、微位移等诸多领域。
特别是光纤通信已经成为现代通信⽹的主要⽀柱。
光纤通信的发展极为迅速，新的理论和技术不断产⽣和发展。
因此，在⼤学物理实验课程中开设“光纤特性研究实验”已经成为培养现代⾼科技⼈才的必然趋势。
传感器是信息技术的三⼤技术之⼀。
随着信息技术进⼊新时期，传感技术也进⼊了新阶段。
“没有传感器技术就没有现代科学技术”的观点已被全世界所公认，因此，传感技术受到各国的重视，特别是倍受发达国家的重视，我国也将传感技术纳⼊国家重点发展项⽬。
光纤特性研究和应⽤是⼀门综合性的学科，理论性较强，知识⾯较⼴，可以激发学⽣对理论知识的学习兴趣，培养学⽣的实践动⼿和创新能⼒，光纤⼲涉系列实验教学的开设就显得⾮常重要了。
基于这个⽬的，我们对光纤⼲涉实验教学进⾏了初步探索，在此基础上，该实验还可以进⾏⼀些设计性及研究性实验。
⼀、实验⽬的1.了解光纤与光源耦合⽅法的原理；2.理解M—Z⼲涉的原理和⽤途；了解传感器原理；3.实测光纤温度传感器实验数据。
⼆、实验仪器激光器及电源，光纤夹具，光纤剥线钳，激光功率计，五位调整架，显微镜，光纤传感实验仪，CCD及显⽰器，等等三、实验原理(1)光纤的基础知识光纤的基本结构如图1，它主要包括三层（⼯程上有时有四层或五层，图中是四层结构）：1.纤芯；2.包n 层；3.起保护作⽤的涂敷层；4.较厚的保护层。
纤芯和包层的折射率分别是1和2n ，如图2，为了使光线在光纤中图1.光纤剖⾯图传播，纤芯的折射率（1n ）必须⽐包层(2n )的折射率⼤，这样才会产⽣全反射。
光线1以θ⾓⼊射在光纤端⾯上，光线经折射后进⼊光纤，以?⾓⼊射到纤芯和包层间的光滑界⾯上。
只要我们选择适当的⼊射⾓θ，总可以使?⾓⼤于临界⾓m ?，m ?的⼤⼩由公式)/arcsin(12n n m =?决定，使光线1在界⾯上发⽣全反射。
光纤光学讲义三PPT课件
放大光信号，提高传输距离和可靠性。
半导体光放大器（SOA）和掺铒光纤放大器（EDFA）
SOA通常用于信号处理和逻辑门，EDFA则广泛应用于长距离通信。
光纤通信系统的性能指标
带宽与色散
带宽决定了传输速率，色散则 影响信号质量。
损耗与增益
光纤的损耗和增益对系统性能 有重要影响。
噪声与信噪比
噪声会影响信号质量，信噪比 则是衡量信号质量的重要参数 。
塑料光纤
由塑料材料制成，具有成本低、柔软 易弯曲的特性，通常用于短距离照明 、显示等领域。
光纤的损耗与色散特性
损耗特性
光纤传输光信号时会因为吸收、散射等原因产生能量损耗。石英光纤的损耗较 低，而塑料光纤的损耗较高。
色散特性
光信号在光纤中传输时会产生时延，导致信号畸变。石英光纤的色散较小，适 用于长距离通信；而塑料光纤的色散较大，适用于短距离应用。
05
光纤光学的未来发展
光子晶体光纤与光子束纤维
光子晶体光纤
光子晶体光纤是一种新型的光纤，其纤芯由光子晶体构成。由于其具有高非线性、低损耗、易于制作 等优点，因此在光通信、光学传感、激光器等领域具有广泛的应用前景。
光子束纤维
光子束纤维是一种能够传输高功率光束的特种光纤。它具有高强度、高光束质量、高稳定性等优点， 因此在激光武器、激光雷达、高能物理等领域具有重要的应用价值。
光纤互联网
利用光纤传输技术，实现全球范围内的互联互通，提供高速 、稳定的网络服务。
光纤物联网
通过光纤网络连接各种物联网设备，实现智能化、远程控制 等功能。
光纤传感技术及其应用
光纤传感原理
利用光纤的传光特性，感知外界物理 量（如温度、压力、位移等）的变化。
实验3.6 光纤光学基础实验
实验人：刘颖，合作人：彭梦然（中山医学院，临床八年2012级物理班，学号12980082）2014年4月13日摘要：本实验主要通过测量、对比直接耦合与加上聚焦透镜后光纤耦合两者不同的光纤耦合效率η来了解光纤端面耦合方法的区别，并尝试了解光纤端面制备方法；同时，通过测量并计算多模光纤的数值孔径进一步了解光纤性质。
最后，通过对光纤压力、温度传感器的工作性质进行定量分析，了解光纤传感器的工作原理以及光纤在实际生活中的应用。
关键词：光纤耦合效率 数值孔径 光纤传感器一. 引言光纤（即光导纤维，optical fiber ）是20世纪70年代发展起来的一种新型光电子材料，最初用于通信，70年代末用于传感技术。
普通光纤由高纯度石英玻璃在高温下拉制而成，有传输损耗低、频带宽、纤径小、重量轻、抗干扰性好、耐腐蚀、耐高温等优点。
本实验通过光纤端面处理、光纤耦合系数、数值孔径的测量、光纤传感器等实验，了解光纤传播的基本特性，学习光纤光学的基础知识。
二．实验方法和装置【实验原理】 1. 光纤的传播模式光波在光纤中的传播，主要是交变的电场和磁场在光纤中向前传播。
电磁场的各种不同分布形式，称为“模式”（mode ）。
任何在光纤中传输的光波必须满足在纤芯和包层界面上应用 M axwell 波动方程的边界条件，其结果是，光纤中的光波只能形成独特的一个或多个模式。
单模光纤是只能传输一种模式的光纤，在光纤的横截面上只存在一种电磁场分布模式；而多模光纤能传输多个模式，在光纤横截面上允许多个电磁场分布模式同时存在。
2. 光纤的数值孔径在均匀折射率光纤中，光是依靠在纤芯和包层两种介质分界面上的全反射向前传播的。
射入光纤的光线有两种，一种是穿过光纤纤芯轴线的光线，叫子午光线，如图 3.6. 3（a ）所示，子午光线在光纤内沿锯齿形的折线前进。
另一种是弧矢光线，不穿过纤芯的轴线，如图 3.6. 3（b ）所示，从光纤的横剖面上看，弧矢光线的传播轨迹呈多边形折线状。
光纤光学实验报告
光纤光学实验报告光纤光学实验报告引言：光纤光学实验是一项重要的实验，它涉及到光的传输、衰减、折射等基本光学原理。
通过实验，我们可以更好地理解光纤的工作原理以及光的传输特性。
本文将围绕光纤光学实验展开讨论，从实验前的准备工作、实验步骤和实验结果等方面进行详细介绍。
实验前的准备工作：在进行光纤光学实验之前，我们需要做一些准备工作。
首先，我们需要准备好实验所需的材料和仪器，包括光纤、光纤连接器、光纤光源、光纤功率计等。
其次，我们需要熟悉光纤的基本原理和相关的光学知识，这样才能更好地理解实验的过程和结果。
最后，我们需要做好实验的安全措施，确保实验过程中的安全。
实验步骤：1. 实验的第一步是连接光纤。
我们首先需要将光纤连接器连接到光纤的两端，确保光纤的连接牢固。
在连接光纤时，我们需要注意光纤的方向，确保光信号能够正常传输。
2. 实验的第二步是测量光纤的衰减。
我们可以使用光纤功率计来测量光纤的衰减情况。
将光纤光源连接到一端的光纤连接器上，然后将光纤功率计连接到另一端的光纤连接器上，通过测量功率计的读数，我们可以得到光纤的衰减情况。
3. 实验的第三步是观察光纤的折射现象。
我们可以使用一束光线照射到光纤的一端，然后观察光线在光纤中的传播情况。
通过观察光线的弯曲程度和传播路径，我们可以了解光纤的折射特性。
4. 实验的第四步是测量光纤的传输损耗。
我们可以使用光纤功率计来测量光纤的传输损耗。
将光纤光源连接到一端的光纤连接器上，然后将光纤功率计连接到另一端的光纤连接器上，通过测量功率计的读数，我们可以得到光纤的传输损耗情况。
实验结果：通过实验，我们可以得到以下几个结果：1. 光纤的衰减情况：根据测量的结果，我们可以得知光纤的衰减程度，这对于实际应用中的光纤传输非常重要。
2. 光纤的折射特性：通过观察光线在光纤中的传播情况，我们可以了解光纤的折射特性，这对于光纤的设计和应用都有重要意义。
3. 光纤的传输损耗：通过测量光纤的传输损耗，我们可以了解光纤的传输效率，这对于光纤的使用和维护都非常重要。
光纤光学教学课件-第二讲
(limited by CD and PMD - see next slides)
n
1.465 1.460
2019/10/31 © HUST 2012
r
2019/10/31
光纤的设计与制作
2019/10/31 © HUST 2012
2019/10/31
1、光纤的设计
如何改善光纤的传输特性：减少OH- ，降低损耗； 改变芯经和结构参数，色散位移； 改变折射率分布，降低非线性。
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2019/10/31
forbidden range of angles
Cartoon picture of light guidance in BGF
forbidden range of angles
forbidden range of angles
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2019/10/31
波动光学方法：
是一种严格的分析方法，从光波的 本质特性电磁波出发， 通过求解电磁波所遵从的麦克斯韦方程，导出电磁波的场分布。
优点：具有理论上的严谨性，未做任何前提近似，因此适用于 各种折射率分布的单模和多模光纤。 缺点：分析过程较为复杂。
光纤芯径远大于光波波长λ0时, 可以近似认为λ0→0，从而将 光波近似看成由一根一根光线所构成, 因此可采用几何光学方法来分 析光线的入射、传播(轨迹) 以及时延(色散) 和光强分布等特性，这 种分析方法即为光线理论。
优点：简单直观，适合于分析芯径较粗的多模光纤。 缺点：不能解释诸如模式分布、包层模、模式耦合以及光场分 布等现象，分析单模光纤时结果存在很大的误差。
物光光纤实验讲义硕士讲义
物理光学实验华中科技大学光电子科学与工程学院2013.9前言本实验教材是根据光电子科学与工程学院物理光学教学大纲中规定的实验要求选编的。
本实验教材共选入8个实验。
内容涉及光的干涉、衍射、偏振等方面。
本实验教材所列实验项目均选自本院物理光学实验室参编及长期使用的《物理光学实验》，适用于光电子信息类专业学生使用，亦可作为非光电类专业学生的选修教材。
光学实验室的一般规则光学实验要求测量精度高，所用仪器和装置比较精密，对测量条件、周围环境以及对实验者的实验技能都有较高的要求。
因此，在做实验之前，除必须认真阅读实验教材及有关资料，了解清楚实验的目的、原理、方法、步骤和要求外，进入实验室后还必须自觉遵守实验室的规则和对某些实验的特殊要求。
现将实验室的一般规则叙述如下：1.光学仪器多是精密贵重仪器。
取放仪器时，思想要集中，动作要轻、慢。
在没有了解清楚仪器的使用方法之前，切勿乱拧螺丝，碰动仪器或随意接通电源。
2.大部分光学元件用玻璃制成，光学面经过精细抛光，一般都具有Ra0.010的粗糙度。
使用时要轻拿轻放，勿使元件相互碰撞，挤压，更要避免摔坏；暂时不用的元件，要放回原处，不要随意乱放，以免无意中将其扫落地面导致损坏。
3.人的手指带有汗渍脂类分泌物，用手触摸光学面会污染该光学面，影响其透光性和其它光学性质。
因此，任何时候都不能用手去触摸光学表面，只能拿元件的磨砂面。
正确的姿势如图所示。
4.不要对着光学元件和光学系统讲话，打喷嚏和咳嗽，以免涎液溅落镜面造成污痕。
5.光学面若落有灰尘，应先用干净、柔软的脱脂毛刷轻轻掸除，或用“橡皮球”吹除。
严禁用嘴去吹。
一般不能随意擦拭光学表面。
必要时可用脱脂棉球蘸上酒精乙醚混合液轻轻擦拭，切忌用布直接擦拭。
6.光学面上若沾有油污等斑渍时，不要立即动手擦拭。
因为很多光学表面镀有特殊的光学薄膜，在擦拭之前，一定要了解清楚情况，然后再在教师或实验工作人员指导下，采取相应的措施，精心处理。
光纤光学4章讲义
2、散射损耗
特点：不可能消除的损耗
光纤技术
2、散射损耗
特点：产生新的频率分量 受激拉曼散射和受激布里渊散射的阈值，对于不同光纤
多模光纤的阈值：约为500W和2.5W； 单模光纤的阈值：降为500mW与2.5mW
光纤技术
3、散射和吸收损耗的对比
长波长区域： 损耗主要来自吸收的影响。玻璃中的OH-1的吸收在长 波长去急剧增加，1.65m外很少用于通信系统
– 弯曲光纤中的场可以看成某一等效折射率分布下直光纤 – 产生相移exp(-ibLz)=exp(-iθ) 由几何关系：Z=(Rc+rcosφ)θ 在纤轴处，场不变，bL=b，Z=Rcθ，bRc 可得：
bL b[1 (r / Rc ) cos]
光纤技术
过渡弯曲损耗
– 满足波导场方程
[
2 r2
1 r
光纤技术
8、偏振模色散
理想光纤，两种不同的偏振模没法区分，是 简并的
产生原因：由于光纤内部应力和外界压力引起 折射率的微小差别，造成双折射，因而有了偏 振模色散
偏振模色散不是传输长度的简单累加
因为 1、双折射沿光纤是随机变化 2、两种偏振模间的转化是随机的
因此脉冲展宽是一种统计量，随光纤长度的平方根增 大
光纤技术
多模色散－GIOF
渐变折射率分布光纤的纤芯中,折射率n(r)是径向
距离r的函数； n2 (r ) nn2212 1 2(r / a)g
ra ra
g=1: 三角分布 g=2: 平方率分布 g=： 阶跃分布
光纤技术
多模色散－GIOF
不计纤芯与包层材料的色散差，最佳折射率 分布参数为: g 2 2.4
pout pin x L
光纤光学原理实验报告
### 光纤特性及传输实验报告#### 实验目的1. 学习音频信号光纤传输系统的基本结构和各部件的选配原则。
2. 熟悉光纤传输系统中电光/光电转换器件的基本性能。
3. 训练如何在音频信号光纤传输系统中获得较好的信号传输质量。
#### 实验仪器- TKGT-1型音频信号光纤传输实验仪- 信号发生器- 双踪示波器#### 实验原理光纤，又称光导纤维，是20世纪70年代为光通信而发展起来的一种新型材料。
它具有损耗低、频带宽、耐高温、绝缘性好、抗电磁干扰、光学特性好等优点。
1970年，美国康宁公司率先研制出了世界上第一根传输衰减损耗小于20dB/km的石英光纤。
目前，普通单模光纤的传输损耗在工作波长为1550纳米窗口损耗小于/km，在1310纳米窗口小于dB/km。
商用光纤制作工艺多为渐变折射率芯层光纤。
#### 光纤类型从传输模式来说，光纤分为单模和多模两种；从结构上来说，分为普通光纤和特殊光纤，普通光纤包括单模和多模光纤，特殊光纤包括保偏光纤、单偏振光纤和塑料光纤等。
普通光纤的外径为125微米，单模光纤芯径为5-10微米，多模光纤芯径为50、80、100微米，加护套总直径约为1毫米。
目前通信干线用光纤一般为单模光纤，光纤工作波长为1550纳米。
#### 实验步骤1. 搭建音频信号光纤传输系统：根据实验要求，搭建音频信号光纤传输系统，包括信号发生器、光纤传输线路、电光/光电转换器件等。
2. 测试电光/光电转换器件性能：通过实验仪器对电光/光电转换器件的基本性能进行测试，包括转换效率、响应时间等。
3. 信号传输质量评估：在实验过程中，通过示波器观察信号传输过程中的变化，评估信号传输质量，包括信号幅度、失真度等。
#### 实验结果与分析1. 电光/光电转换器件性能：通过实验测试，得出电光/光电转换器件的基本性能参数，如转换效率、响应时间等。
2. 信号传输质量：根据示波器观察到的信号传输过程中的变化，分析信号传输质量，包括信号幅度、失真度等。
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光纤通信实验 光纤通信就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信的目的。
光纤通信是现代通信网的主要传输手段，主要通过在发送端把传送的信息（如话音）变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度（频率）变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。
因此构成光纤通信的基本要素是光源、光纤和光检测器。
半导体激光器可以作为光纤通信的主要光源，其具有超小型、高效率和高速工作的优异特点，到如今，它是当前光通信领域中发展最快、最为重要的激光光纤通信的重要光源.光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。
前香港中文大学校长高锟和George A. Hockham 首先提出光纤可以用于通讯传输的设想，高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖。
光检测器:把光发射机发送的携带有信息的光信号转化成相应的电信号并放大、再生恢复为原传输的信号的器件。
【实验目的】1. 了解和掌握半导体激光器的电光特性和测量阈值电流2. 了解和掌握光纤的结构和分类以及光在光纤中传输的基本规律。
3. 对光纤本身的光学特性进行初步的研究，对光纤的使用技巧和处理方法有一定的了解。
4. 了解光纤通信的基本原理。
【实验仪器】导轨，半导体激光器+二维调整，三维光纤调整架+光纤夹，光纤，光探头+二维调整架，激光功率指示计，一维位移架，专用光纤钳、光纤刀，示波器，音源等。
【实验原理】一、半导体激光器的电光特性实验采用的光源是半导体激光器，由于它的体积小、重量轻、效率高、成本低，已进入了人类社会活动的多个领域。
因此对半导体激光器的了解和使用就显得十分重要。
本实验对半导体激光器进行一些基本的实验研究，以掌握半导体激光器的一些基本特性和使用方法。
半导体激光器的发光原理是基于受激光发射。
要使半导体激光器产生相干的受激光需满足两个条件：既粒子数反转与阈值条件。
粒子数反转就是使处于高能态的粒子（半导体能带中的电子）数多于低能态的粒子数，达到这个条件，工作物质就产生增益。
阈值条件要求粒子数反转必须反转到一定的程度，即达到由于粒子数反转所产生的增益能克服有源介质的内部损耗和输出损耗（激光器输出对有源介质来说就是一种损耗），此后的增益介质就具有净增益。
半导体激光器和其他激光器一样，激光器结构都包括三部分，即能产生粒子数翻转的工作物质；使光子不断反馈的振荡，从而实现光增益达到阈值的光谐振腔及激励起粒子数反转的电源。
本实验主要进行半导体激光器的电光特性和测量阈值电流，阈值是激光器的属性，它标志这激光器的增益和损耗的平衡点。
由于半导体激光器是电子-光子转换器，因此其阈值常用电流来表示。
阈值电流的测定可通过直线拟合法来实现。
当半导体激光器电流小于某值时，输出功率很小，一般我们认为输出的不是激光，只有当电流大于一定值（I 0），使半导体增益系数大于阈值时，才能产生激光，电流I 0称之为阈值电流。
半导体激光器的电流与光输出功率的关系如图1所示，曲线在阈值以上的直线部分延长而与电流坐标轴的相交点所对应的电流即为阈值电流。
当电流大于I 0时，激光输出功率急剧增大。
激光输出功率急剧增大。
激光工作时电流大于I 0，但也不可过大，以防损坏激光管（本实验加了保护电路，防止功率过载）。
对激光器的调制电流应在I 0附近，此时光功率对电流变化的灵敏度较高。
二、光纤的结构与分类一般裸光纤具有纤芯、包层及涂敷层（保护层）的三层结构，如图2所示。
①纤芯：由掺有少量其他元素（为提高折射率）的石英玻璃构成，对于单模光纤。
直径约为9um 。
而对于多模光纤，纤芯直径一般为50um 。
②包层：由石英玻璃构成，但由于成分的差异它的折射率比纤芯的折射率略微低一些，以形成全反射条件。
直径约为125um 。
③涂覆层：为了增加光纤的强度和抗弯性、保护光纤，在包层外涂覆了塑料或树脂保护层。
其直径约250um 。
激图2 b 阶跃型多模光纤 n n a 阶跃型单模光纤光主要在纤芯和包层中传播。
光纤具有以下独特的优点。
1.光纤具有良好的传光特性，他对光波的损耗目前可低到0.2dB/Km.2.频带宽，信息量大因为光纤传输的是光，现在使用的光纤的频率在1014~1015Hz的范围内，比微波高5个数量级，即光的频率高。
3.光纤本身是一种敏感元件，光在光纤中传输时，光的特性如振幅、相位、偏振态等将随检测对象发生变化而相应变化。
4.光纤的电绝缘性好，它不受电磁干扰，无火花，能在易燃、易爆的环境中使用。
5.光纤极细，可塑性好。
光纤的总直径为100~200um，可放置在小孔和缝隙等被监测点，而且对测量点扰动小。
6.光纤原料资源丰富，价格低廉。
按纤芯径向介质折射率分布的不同，可将光纤分为均匀和非均匀两类。
如图3，均匀光纤的纤芯与包层介质的折射率分别呈均匀分布，在分界面处折射率有一突变，故又称阶跃型光纤；非均匀光纤纤芯的折射率沿径向成梯度分布，而包层的折射率为均匀分布，故又称为梯度折射率型光纤。
按照传输特性的不同，又可将光纤分为单模和多模两种。
单模光纤较细，只允许一种传播状态（模式）；多模光纤较粗，可允许同时存在多种传播状态（模式）。
三、光纤的传光原理当光线从折射率为n1的介质入射到n2的介质时，在介质分界面上将产生折射现象，其规律是：入射角与折射角的正弦之比与两种介质的折射率成反比，即，其中n 1为线芯的折射率，n2为包层介质的折射率。
因则,当入射角增大到某一角度时，折射角将等于90o，发生了全反射，于是光便在光纤中沿轴向前传播，这就是光纤的导光原理。
不满足全反射条件的光线，由于在界面上只能部分反射，势必有一些能量会辐射到包层中，致使光能量不能有效传播，溢出光纤，造成光无法传输。
对于一定的光纤结构和光波长，在光纤中能够传播的模式数目是有限的。
理论证明：可以传播的传播模数为，其中, 通常V称为归一化频率，为光波导的半径。
对于确定结构的单模光纤，通常V 2.405的光波长。
对于确定结构的多模光纤，通常V 2.405的光波长。
由归一化频率表达式很容易得到截止波长为，因此在光纤中，当传播的光波长时，将处于单模工作；而当时，处于多模工作状态。
三、光纤的数值孔径由于全反射临界角i c 的限制，光纤对自其端面外侧入射的光束相应的存在着一个最大的入射孔径角，参考图4。
假设光纤端面外侧介质的折射率为n 0，自端面外侧以i 0角入射的光线进入光纤后，其到达纤芯与包层分界面处的入射角i 1刚好等于临界角i c 。
那么当端面外侧光线的入射角大于i 0时，进入光纤时将不满足全反射条件。
因此，i 0就是能够进入光纤且形成稳定光传输的入射光束的最大孔径角。
可以证明，对于阶跃型光纤，有： ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=022210arcsin n n n i （1） 一般用光纤端面外侧介质折射率与最大孔径角正弦的乘积n 0sin i 0,表征允许进入光纤纤芯且能够稳定传输的光线的最大入射角范围，称为光纤的数值孔径。
对于阶跃型光纤数值孔径大小为： 222100sin n n i n NA -== （2） 光纤数值孔径的另一种定义是远场强度有效数值孔径。
远场强度有效数值孔径是通过测量光纤远场强度分布来确定的。
它被定义为光纤远场辐射图上光强下降到最大值的1/e 2处的半角的正弦值，如图5所示。
当远场辐射强度达到稳态分布时，测量光线最大出射的光功率分布曲线及光纤端与探测界面的距离，利用光强下降到最大值的1/e 2处的半张角的正弦值，计算光纤的数值孔径。
n 0为空气中的折射率，n 0≈1。
图4l 光纤端 P r r R 图5i 0 i c n 0 n 1 n 22200sin r l r i n NA +== （3）四、模式 根据光的波导理论，光在光纤中的传播，应可用电磁波的麦克斯韦方程来描述，在特定的边界条件下麦克斯韦方程有一些特定的解，这些解代表着一些可在光纤中长期稳定传输的光束，这些光束或解即被我们称为模式。
理论可以证明，对于波长为1310nm 或1550nm 的光波当纤芯小于10um 时，我们所使用的光线中只有一个基模可以稳定传输。
它沿径向的光强分布为高斯分布。
这种光纤被我们称为单模光纤。
光纤中的模式除了与光纤本身的参数折射率、直径有关外，还与光的波长有关。
在本实验中采用的是单模光纤，但此“单模”是针对1310-1550nm 波长的，而本实验采用的是650nm 的可见激光，因此有时光纤中耦合模式将不是单模，而是一个简单的多模（如梅花状），各模式间可能有不同的传输路径和偏振态。
不同的传输路径将导致光信号的脉冲展宽（色散）。
五、光纤的耦合和耦合效率光纤的耦合是指将激光从光纤端面输入光纤，以使激光可沿光纤进行传输。
一般来说，将激光的不对称发射光束与圆对称的光纤进行最优耦合，需要在光纤和光源之间插入透镜，即所谓的直接耦合。
直接耦合技术上比较简单，但耦合效率比较低。
实验采用五个自由度的调整机构来进行光纤的耦合。
（半导体激光器被固定在一个二个自由度的角度调整架上，光纤固定在一个三自由度的直线调整架上）。
通过五个自由度的反复、细致的调整，使经过聚焦的激光焦点尽量准确地、垂直地落在光纤端面上，以使尽量多的激光进入光纤。
由于激光焦点和光纤的端面过于明亮和细小，因此无法用肉眼来判断耦合的情况。
从光纤的另一端（输出端）通过观察输出光的强弱（光功率）和光斑的情况来判断耦合情况。
当将激光耦合进光纤后，会在输入端面后的一段光纤壁上看到一些泄漏的激光（光纤成红色）这是一些不满足光纤全反射条件的光，从光纤壁上泄漏出来的结果。
也可在光纤的任何一段通过强烈弯曲光纤来观察到这种泄漏情况。
这是由于强烈的弯曲破坏了该处光纤的轴方向，使一部分光线的全反射条件被破坏，激光从光纤芯中泄漏出来进入了涂覆层中。
光纤的弯曲会改变光纤中光的传输模式、光强和偏振状态。
可以通过观察输出端的光斑来观察这些现象。
耦合效率η反应了进入光纤中的光的多少。
定义如下：%10001⨯=P P η （4） 其中P 1为进入光纤中的光功率，P 0为激光的输出功率。
η在理论上与光纤的几何尺寸，数值孔径等光纤参数有着直接的关系，在实际操作中它还与光纤端面的处理情况和调整情况有着更直接的关系。
在本实验中采用光功率计直接测出P 1和P 0来求出η。
η同操作者的操作情况有很大关系。
六、光纤的损耗光纤的损耗是通信距离的固有限制，在给定发射功率和接收灵敏度条件下，它决定了从光发射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。
光纤的损耗用衰减系数表示单位是dB/km,对于光纤损耗的测量方法最简便的和可靠的是剪断法。
剪断法是在耦合好的光纤输出端测量输出功率P 2，然后再保持如何功率不变的前提下，在剪断一截长为L 的光纤，再测量输出端的光功率P 1 则光纤的损耗定义为：，光纤的损耗与光纤材料及光纤的结构有关，也与光纤的几何形状和缠绕方式等有关。