光纤实验讲义_第二版

光纤技术实验讲义曾维友编审湖北汽车工业学院目录实验一光纤基本实验 (1)实验二多模光纤NA测量和光纤传输损耗测量 (5)实验三光纤分束器、衰减器及隔离器参数测量 (9)实验四半导体激光器/发光二极管特性测试 (13)实验五数字信号光纤传输实验 (19)实验六模拟信号光纤传输和电话语音光纤传输 (24)实验七时分复用和波分复用 (28)实验八图像光纤传输与系统眼图抖动实验 (39)实验九计算机自环光纤通讯实验 (45)实验十图像、声音单/双光纤传输实验 (48)实验十一光纤活动连接器、光波分复用器 (50)实验十二多路数据+1路图像单/双光纤传输实验 (58)实验十三光纤传感器设计与应用实验 (69)实验十四光纤线路接口码型HDB3编译码实验 (73)附录A THKEGC-2型实验箱接口定义 (79)附录B ZY12OFCom23BH1开关、电位器功能说明 (82)实验一光纤基本实验一、实验目的1、了解光纤的基本结构；2、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；3、学习光纤端口处理方法及焊接过程；4、学习光纤与光源耦合的方法。

二、实验内容1、观察光纤基模远场分布；2、观察多模光纤输出的近场与远场图案；3、观察光纤输出功率与光纤弯曲的关系；4、学习光纤端面的制备，光纤的焊接及光纤与光源的耦合。

三、实验仪器He-Ne激光器 1台光纤实验系统SGQ-3/SGQ-4 1台SGN-1光功率计 1台光纤切割刀 1套光纤熔接机TYPE-39 1台633nm单模、多模光纤 1米普通通信光纤跳线 3米手持式光源 1台手持式光功率计 1台四、实验原理光纤的基本结构包括纤芯、包层和套层，光在光纤中传输时，其传输特性与光纤的折射率分布形式、光纤的芯径及光波的波长密切相关。

模场分布属于光纤的本值特征，与外界激励条件无关。

光纤的输出近场是光纤输出端面光功率沿光纤半径r的分布，如果光纤中各导模的损耗相同，又无模式耦合，则输出近场与光纤输入端面光功率分布相同。

光纤的输出远场分布是在距光纤输出端面足够远处，光纤的输出光功率沿孔径角 的分布，远场分布与光纤的数值孔径有关。

光纤与光源的耦合方法分为直接耦合和用聚光器件耦合两种。

直接耦合是使光纤直接对准光源接收光功率，这种方法的操作过程是：将用专用设备切制并经清洁处理的光纤端面靠近光源的发光面，调整位置使光纤输出光功率最大，然后将其固定。

这种方法结构简单，成本低廉，但耦合效率通常比较低。

聚光器件有传统的透镜和自聚焦透镜之分。

用聚光器件耦合是将光源发出的光通过聚光器件将其聚焦到光纤端面上，并调整位置使光纤输出光功率最大。

这种耦合方法由于对光源的输出光束进行了变换，使之能与光纤匹配，因而可以提高耦合效率。

耦合效率由下式定义：()2211100% 10logP P dB P P ηη=⨯=-或 (1-1)式中P 2为耦合进光纤的光功率（近似为光纤的输出光功率），P 1为光源的输出光功率。

光纤焊接是所有光纤接头技术中性能最稳定，应用最普遍的一种。

在光纤熔焊中，一般是首先剥除光纤的保护涂层，然后利用刻痕拉断法处理光纤端面，再调节光纤使其相互对准，最后用电弧、等离子焊枪或氢氧焊枪对准光纤接合部位加热，使两根光纤熔接。

利用熔焊技术可以得到损耗很低的光纤接头，对于芯径为50μm 的多模光纤其一般的平均连接损耗在0.02dB 左右；对于单模光纤连接损耗也可降至0.05dB 。

当然，焊接质量还与操作者的个人技术及光纤横向错位有关。

五、实验步骤1、观察光纤基模场远场分布取一根长约1米的633nm 单模光纤，剥去其两端的涂覆层，用光纤切割刀切制光纤端面，然后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，如图1-1所示。

其中，光斑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。

光纤支架白屏镜图1-1 光纤基模场远场分布2、观察多模光纤输出的近场与远场分布取一根普通通信光纤（相对于633nm 为多模），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光纤，用白屏接收出射光斑，分别观察其近场和远场图案。

3、观察光纤输出功率与光纤弯曲（所绕圈数与圈半径）的关系取一根3米长的普通通信光纤（有FC/PC 接口），用其连接手持式光源与手持式光功率计，记录功率计读数；将光纤绕于手上，观察光纤输出功率与所绕圈数及圈半径大小的半系。

4、光纤与光源的直接耦合先直接测量出激光器的输出功率P 1；然后切制并处理好光纤输出端面；将处理好的光纤按图1-2进行耦合操作，测量输出功率P 2；根据式（1-1）计算耦合效率，并对自己的工作进行评估。

光纤图1-2光纤与光源直接耦合示意图5、光纤与光源用透镜系统耦合切制处理好光纤光学端面，然后按图1-3进行耦合操作，测量输出功率P2，根据式（1-1）计算耦合效率，并对自己的工作进行评估。

光纤耦合架透镜图1-3透镜耦合原理示意图6、光纤的熔接操作步骤如下：(1)接通TYPE-39电源，检查其状态；(2)用剥线钳剥去光纤涂覆层，剥去长度为40mm，同样剥去另一根光纤的涂覆层；(3)用浸满高纯度酒精的纱布，自涂覆与裸光纤的交界面开始，朝裸光纤方向，一边按圆周方向旋转，一边清扫涂覆层的碎屑；(4)使用光纤切割刀（FC-6S）切割光纤，切断长度为8～16mm。

不要用纱布等物品清洁已切割好的光纤，同时为防止划伤或弄脏光纤断面，准备工作结束后，应尽快将光纤放置在TYPE-39上；(5)用同样的方法处理好另一根光纤，并将其放置在TYPE-39上，然后合上TYPE-39的防风盖；(6)为实现低损耗、稳定性高的光纤熔接，在正式开始接续前要进行放电试验，熔接机会根据光纤熔量自动设定放电强度；(7)将保护套管插进光纤，然后按（2）～（5）的步骤作正式接续准备；(8)正式接续；(9)对熔接质量进行评价，对不合格的再次接续；(10)对接续部位加热补强，最后对保护套管收缩质量进行评价，如没有出现未收缩、气泡、涂覆位置等方面的问题时，光纤的熔接就完成了。

六、数据处理1、分析光纤输出功率与光纤弯曲的关系；2、计算直接耦合和透镜耦合的效率，比较、评估两种耦合方法；3、根据自己熔接光纤的操作过程，叙述切制光纤端面的步骤，并对熔接机的操作进行总结。

七、思考题1、查阅相关资料，找出光纤与光源耦合的其它方法并进行比较。

2、分析光纤熔接过程中，可能影响熔接质量的各种因素及相应的防范措施。

实验二 多模光纤NA 测量和光纤传输损耗测量一、实验目的1、学习光纤数值孔径（NA ）的含义；2、掌握光纤数值孔径的测量方法；3、学习光纤传输损耗的含义、表示方法及测量方法；4、学会用剪断法测量光纤的传输损耗。

二、实验内容1、运用远场光斑法测量多模光纤的数值孔径；2、测量多模光纤的损耗。

三、实验仪器He-Ne 激光器1台 光纤实验系统SGQ-3/SGQ-41台SGN-1光功率计 1台 光纤切割刀1套 633nm 多模光纤1米普通通信光纤1千米四、实验原理1、光纤数值孔径的定义数值孔径（NA ）是多模光纤的一个重要参数，它表示光纤收集光的本领的大小以及与光源耦合的难易程度。

光纤的NA 值越大，则光纤收集、传输光能的本领也越大；但NA 值增大，会减小光纤的带宽及传输速率，因此设计光纤时应综合考虑，选取比较合适的数值孔径。

光纤数值孔径的定义有多种形式，最大理论数值孔径m ax,t N A 和远场强度有效数值孔径eff N A 是其中的两种。

最大理论数值孔径定义为：max,0max,sin t t NA n n θ==≈ (2-1)式中m ax ,t θ为光纤允许的最大入射角，0n 为周围介质的折射率，1n 和2n 分别为光纤纤芯中心和包层的折射率，()121n n n ∆=-为相对折射率差。

最大理论数值孔径是由光纤的最大入射角的正弦值决定的。

远场强度有效数值孔径是通过测量光纤远场强度分布确定的，它定义为光纤远场辐射图上光强下降到最大值的5%处的半张角的正弦值。

CCITT （国际电报电话咨询委员会）规定的数值孔径指的就是这种，其推荐值为（0.18～0.24）±0.02。

2、光纤数值孔径的测量（1）远场光强法远场光强法是CCITT 规定的G .651多模光纤的基准测试方法。

该方法对测试光纤样品的处理有严格要求，并对测试仪器要求很高：强度可调的非相干稳定光源；具有良好线性特性的光检测器等。

（2）远场光斑法这种测试方法的原理本质上类似于远场光强法，只是对结果的获取方法不同。

虽然这种方法不是基准法，但其简单易行，而且可采用相干光源。

原理性实验多采用这种方法。

其测试原理如图2-1所示。

白屏图2-1远场光斑法原理图3、光纤损耗机理光纤的损耗是光纤传输特性中多模光纤与单模光纤共有的最重要的指标之一，它表明了光纤对光能的传输损耗，对光纤通信系统的中继距离有着决定性的影响。

损耗的降低依赖于生产工艺的改进和对光纤材料的研究。

对于光纤来说，产生损耗的原因比较复杂，光在光纤中传输时，除了由于吸收、散射而使光能损失外，由于光缆敷设过程造成的光纤微弯与宏弯，光纤的耦合与接续，都会使光能产生附加的损失。

归纳起来，产生衰减的原因大致可分为三大类：吸收损耗，散射损耗，附加损耗。

这些损耗又可以分为两种不同的情况：一是石英光纤的固有损耗，比如石英材料的本征吸收和瑞利散射，这类损耗限制了光纤所能达到的最小损耗极限；二是杂质材料和工艺所引起的非固有损耗，这类损耗可以通过提纯材料或改善工艺而减小甚至消除，如杂质的吸收、波导散射等等。

通常，以传输损耗系数()αλ表示光纤损耗的大小，定义为每单位长度光纤光功率衰减的分贝数，即：()()10log out in P dB km L P αλ⎛⎫=-⎪⎝⎭(2-2) 这里in P 和out P 分别是注入光纤的有效功率和从光纤输出的光功率；L 是光纤的长度。

4、光纤传输损耗的测量方法测量光纤损耗的方法很多，CCITT 建议的基准测试方法为剪断法，插入法为第一替代法，背向散射法为第二替代法。

剪断法是直接利用光纤传输损耗系数的定义进行测量的方法。

其测量过程是：在不改变输入的条件下，分别测出待测光纤的输出光功率和剪断后约为2米长的短光纤的输出光功率，然后按定义式（2-2）计算出光纤的损耗。

这种方法测量精度最高，但它是一种“破坏性”的方法。

插入法原理上类似于剪断法，只不过该方法是用带活动接头的连接跳线替代短光纤进行参考测量，计算在预先相互连接的注入系统和接收系统之间（参考条件）由于插入被测光纤引起的光功率损耗。

显然，光功率的测量没有剪断法直接，而且由于活动接头的损耗会给测量带来误差。

因此这种方法的准确度及重复性不如剪断法。

背向散射法是通过光纤中的后向散射光信号来提取光纤传输损耗的一种间接测量方法。