单模光纤数值孔径的测量
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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：
(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。
横截面
折射率分布 r
输入脉冲 Ai 纤芯
光线传播路径 包层
输出脉冲 Ao
(a)
2b
2a n t r Ai Ao t
(b) 1 25 m
5 0 m
n t r Ai Ao t
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。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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）。
(c)
1 25 m
～10 m
n t t
图 2.2 (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。
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。
g kg 1.0 1.5 2.0 2.5 10 0.881 0.946 0.975 0.988 1 ∞ 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。
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 NA n12 n2 n1 2
NAmax的物理意义是光纤最大可能接受角 的正弦值，反映了光纤收集光的能力。
（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：
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。
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
（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
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。
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：
(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。
横截面
折射率分布 r
输入脉冲 Ai 纤芯
光线传播路径 包层
输出脉冲 Ao
(a)
2b
2a n t r Ai Ao t
(b) 1 25 m
5 0 m
n t r Ai Ao t
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。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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）。
(c)
1 25 m
～10 m
n t t
图 2.2 (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。
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。
g kg 1.0 1.5 2.0 2.5 10 0.881 0.946 0.975 0.988 1 ∞ 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。
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 NA n12 n2 n1 2
NAmax的物理意义是光纤最大可能接受角 的正弦值，反映了光纤收集光的能力。
（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：
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。
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
（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
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。