光纤通信基础.docx

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1、上海大学精品课程上海市教委重点课程光纤通信基础实验教材王叶 余昺鲲 编著年月物理系电子信息科学与技术专业目录绪论 一 光纤基础知识 二 光学组合仪简介 附录：一些光学和光电子仪器的使用方法 实验一 光纤的操作，光纤数值孔径测量 实验二 半导体光源与光纤耦合 实验三 半导体激光器特性测量 实验四 单模光纤模场测量 实验五 光纤连接器 实验六 光纤耦合器 实验七 保偏光纤拍长测量 实验八 强度调制型光纤传感器 光纤位移传感器光纤液位传感器光纤应力传感器光纤微弯传感器实验九 光纤干涉仪 光纤温度传感器绪论一 光纤基础知识 光纤的构造与制备通常认为，光纤是一根细玻璃丝、一根二氧化硅制成的圆柱体玻璃纤维

2、、一段光频段的波导结构，它的材料组成可能是：纤芯、包层，或着是：纤芯、包层。的意思是在二氧化硅中掺锗，实际上就是使光纤纤芯的折射率大于光纤包层的折射率令光在纤芯与包层的界面上发生全反射而能够长距离传输。图 光纤的结构均匀介质的折射率沿空间各个方向保持常数，光在各个方向的行进轨迹是直线，而当折射率在某处突变或渐变时光线才从它的当初方向发生弯折或弯曲。图显示的是裸光纤剖面（纤芯与包层的横断面）上的折射率沿径向呈不同柱对称分布时光在纤芯中走的行迹。图（）单模阶越折射率光纤，（）多模梯度折射率光纤从图可知，单模阶越折射率光纤的纤芯半径在微米量级，光线基本上沿着中心轴线传播，它的径向折射率分布为其中是纤

3、芯与包层之间的相对折射率差，对于所谓弱导光纤，。多模梯度折射率光纤的芯半径为几十微米，光线在纤芯中的传输路径一般是曲线，它的折射率分布为纤芯中的常取抛物线型其中是纤芯轴线上的折射率。不同取向的光线大致代表光纤中的不同模式，可以预见对于多模阶越折射率光纤来说，光线走的是折线。玻璃光波导的制备现多采用汽相沉积方法，康宁公司（ ）首先使用外部汽相氧化法（）制成损耗低于的光纤，光纤的制作过程如图所示， 图 使用方法制备预制棒与拉纤过程汽相氧化过程是将高纯度的金属卤化物（和等）和氧气反应生成与其它掺杂组分的微粒并沉积在玻璃饵棒上（图），饵棒匀速旋转的同时来回平移使粉尘状玻璃微粒均匀沉积，然后将疏松的粉尘

4、状预制棒烧结成玻璃预制棒（图），直径约为 ，长约 ，最后将它拉制成光纤（图）。除此之外，改进的化学汽相沉积法（）是目前制造低损耗梯度折射率光纤的流行方法，还有与它相似的等离子体活性化化学汽相沉积法（）等。 光纤模式的电磁场理论一般有两种方法用于讨论光在光纤中的传播，建立并解光线路径方程或电磁场方程。实际上前者是后者的短波长极限，由于单模光纤的工作波长已经和其尺寸相比拟，几何光学的处理方式已不合适，而将光在光纤中的传播看作一个电磁场边值问题则能得到一个，几个或一系列严格解，并且此方法对单模和多模光纤都适用。光纤模式就是光纤波导中可能的一个电磁场形式，它必是一个满足电磁场方程与其边界条件的解或场形

5、结构。光传播模式的主体是导波模（亦称传导模或导模）一般可分为）模（）和模（），对应光线理论中子午光线（包含中心轴的平面内的折线）的行为，在发生反射时，波的电场偏振方向不变，波的磁场电场偏振方向不变。）模和模，对应光线理论中偏斜光线（其它方向的空间折线）的行为，每次反射都将产生轴向分量。阶跃折射率光纤的一些较低阶的模式，对应的线偏模（弱导近似）与其归一化截止频率列表如下：表：一些低阶光纤模式（矢量模和线偏模的对应）模式组（矢量解）模式数线偏模，（，），（，）， 模式组显示的是从光纤电磁场方程得出的精确矢量解，每组模式中的每个模式具有相同的归一化截止频率，光纤的归一化频率定义为：它是一个将工作波长

6、，光纤参数和波导属性联系起来的物理量，是光纤的数值孔径。如果已知，可以由光纤特征方程（相当于边界条件）求出导波模的两个横向特征常数，（决定电磁场的径向位相），再由下面的方程确定光纤导波模的纵向特征参数（决定纵向相位）。由此可得电磁场传播的相速度和群速从这个式子出发可以讨论光纤的波长色散。 单模光纤与其模式图 模的光斑图（微米尺度）当归一化频率时，光纤仅以主模运转，其它模式均截止。例如 公司生产的型号为的单模光纤，数值孔径，芯半径 ，工作波长，数为截止波长厂方实测为。工作波长是否越大于截止波长就越好呢？不是的。当波长增加时，数减小，这时由于场形的变化将会有更多的光功率从纤芯转移到包层而导致传输损

7、耗增加。在弱导条件下，阶跃单模光纤模式解的形式可以写成其中是第一类贝塞尔函数，是第二类变态贝塞尔函数，都是零阶，场形与高斯分布非常接近。模可以分解为两个本征线偏振模式和，两者传播的时延差为（对石英光纤） （）其中是单模光纤的双折射，是拍长，即偏振状态经历一个周期变化的光纤长度。的含义是单位距离产生的时差，也就是单位距离的脉冲展宽，它称为偏振模色散（）。 光纤通信一个采用波分复用（）和掺铒光纤放大器（）的数字通信系统如图所示图 光纤通信数字编码信号可以是数字调制信号（比如，最小频移键控）或模拟信号脉码调制（如）等，技术和微波通信系统所用的电载波技术（频分复用）在概念上类似，其目的都是为了增加信道

8、容量，的技术优势在于波长分割与信号格式的无关联性（本质上是光频载波），因此一根光纤上的集群信号实际上是各自独立传输的。波长复用器的作用是将各个独立的数字光调制输出（来自光发射机）复合并耦合进一根光纤，在接收端，解复用器将不同波长的光信号分离并送入各自的检测通道。实际的无源器件一般是星型耦合器或波长选择耦合器（波长复用器），包含熔融光纤，制作光栅等一系列微光和集成光学技术，可完成复用，解复用，分插复用和波长路由等功能。掺铒光纤放大器是一种全光放大器（取代过去的光电光中继器），它在波长处几十纳米内可获得的增益，由掺铒光纤，泵浦激光器（或），无源波长复用器，光隔离器与抽头耦合器组成，如图所示。光隔离

9、器的作用是防止放大光的反馈对原器件的影响（它使噪声增加）。图 同向泵浦掺铒光纤放大器结构光纤通信是一项系统工程，涉与光学，微电子学，信号与系统，机械，计算机与自动控制，材料以与它们之间的交叉，集成和综合，此外还有光网设计，标准化，成本核算等软层面上的工作，比如设计一个单信道光纤通信系统，将系统粗略地划分为发射信道接收三部分，需要考虑的诸多因素如图 所示。图 单信道光纤通信系统设计光纤信道本身是一个复合体，它向前延伸至光发射机，向后和光接收机连接。按照一般通信信道的划分，若不考虑信号编码部分，可以将光发射光纤信道光接收称为光调制信道，如果包括信号编码和解码与其载波调制和解调，则称为编码信道，广义

10、的光纤通信系统应该覆盖整个编码信道。 光纤传感光纤的导光能力是显然的，光纤还能传感其它物理量则不那么明显。从上面有关光纤的基础知识可知，光纤本质上的传输特性完全可以加以变换和利用。例如单纯的光强变化，偏振与相位变化等，光纤传感器就是通过光纤的这些变换特性和外在或联合的传感对象（温度，压力，电流，角度，波导结构，波导模式或方式等）产生相互作用。可以说光纤传感器能够延拓至一切传感器领域，并向着更高级和特有的方向发展，比如光纤陀螺和所谓光纤智能结构，这里将光纤陀螺作为例子展现光纤传感器的潜在价值。光纤陀螺是一种新颖的角速率传感器，年由 和 首次报道，发展至今已逐步应用于飞机、导弹和舰船的导航系统中，

11、是当前最有发展潜力的惯性制导器件，也是最成功的光纤传感器之一。它基于所谓萨格奈克（）效应，如图，由光波的多普勒效应可知，在上（实验室坐标系）观察到的介质内顺时针和逆时针方向的光波频率和分别为 和 （）是光纤切线方向的速度，设为顺时针方向。图 萨格奈克环行光路那么频差就是相位差就是其中是小三角形面积，绕行一周总的相位差为若光纤为匝是光纤总长。图是一种干涉式光纤陀螺的实验装置，光在进入光纤绕组之前用光纤耦合器对光进行均衡的分束，设在入射点返回的两束相干光分别为其中为光波的角频率,为两束光波的相位差，为光波的振幅。当他们发生干涉时，光强可表示为若利用响应时间常数为的探测器检测光强，则探测器上得到的光

12、强为一般有，并且认为在内几乎不变，则有若仅由 相移引起，则有图 光纤陀螺实验装置实际测量时，为了提高测量灵敏度，用对光强进行相位调制，另外还需考虑偏振互易性等问题。二 光学组合仪简介为了提高实验教学水平，我校从美国公司全套引进教学用光学组合仪（ ），其中专为光纤光学和光纤通信设计的基础实验项，内容涉与光纤的基本操作与基本特性，一般光纤无源与有源器件，各类光纤，光纤耦合器，光纤通信链路，光纤波分复用（），光纤传感器和光纤陀螺等。该组合仪的特点是将所有光学，机械，电子仪器或设备在实验时实行工具化的现场组合，工具是分通用性和专门性的，示波器是通用仪器，半导体光源作为常用仪器，既用于光纤通信，又用于光

13、纤传感，但当需要研究通信带宽或光纤传感器的灵敏度时，半导体光源的动态调制特性或光强稳定性就需要深入研究，它就成了专业性要求很高的仪器。一项实验或许很快就能完成，但其实现过程所依托的东西，大到光学平台，程控半导体激光驱动电源，双踪数字示波器，小到偏振分束器，中心转条，自聚焦透镜等，实验者是否掌握了其真谛呢？比如你手中的小尺，在阅读时经常可以用它去遮挡下一行字，但用它去量头发的粗细时反而会感到不妥，工具的意义在于实用和适用，这需要作为主体的实验者去拿捏直到熟练，这样才能赋予仪器设备活的一面，所谓用活。这时，一旦有了新的想法，你就会产生要去实现它的冲动，因为在你的脑子里，原理，公式与其符号参数就是可

14、以看得到，摸得着的东西，剩下的就是通过实验去找寻它们之间的内在联系，并不时判断你当初想法的正确性。“光学组合仪”所含仪器设备（含加配部分比如计算机等）与部件可基本划分为1 常用仪器设备包括光学平台，各类激光器、各类光源与电源，光功率计，数字双综示波器，立体变倍显微镜，多媒体计算机等。2 一般元器件包括一般通信单模，多模光纤，各类光学透镜、棱镜、光学调整架，光纤定位器，光纤连接器等。3 特殊元器件包括特种光纤，各类光纤耦合器、光纤传感器等。4 辅助仪器设备包括光纤切割刀，内六角螺刀，内六角螺丝，红外传感探测器或镜头，专用化学去敷层试剂，激光防护眼镜等。以“光学组合仪”作为硬件平台，我们开发了光学

15、实验多媒体辅助平台应用软件以支持实验教学。基于光学组合仪的光学实验的主线条为：图 实验过程框图问题集所涉与的范畴可能是：实验项目的内容与要求；仪器的组成，存放点与操作方法（光学调整架还涉与到如何装配）；仪器结合相关实验内容的使用方法；光学仪器布局，协调性以与注意事项；光学，机械，电子，电工学原理与参考资料等。光纤通信基础面向本科学生开设的光纤实验如下：1） 光纤的操作，光纤数值孔径测量（ , ）2） 半导体光源与光纤耦合（ ）3） 半导体激光器特性测量（ ）4） 单模光纤模场测量（ ）5） 光纤连接器（ ）6） 分贝光纤耦合器（ ）7） 保偏光纤拍长测量（ ）8） 强度调制型光纤传感器（ ）光

16、纤位移传感器）光纤液位传感器）光纤应变传感器9） 光纤马赫曾德尔干涉仪与其应用（ ）我们在这里倡导实验教学的专业化模式，它是指具有特定作用与效应的模式，它体现普遍的实验教学理念，进而有更明确的整体和系统性要求，它是为同类或专业实验所遵循的，就光纤通信基础整个实验架构而言，每个实验的内容互有内在的联系，任何单一仪器的作用和使用超越了其在某个实验中的孤立地位（这和近代物理实验中某些仪器只具一项用法或只用一次不同），光纤通信基础实验教学遵循的专业化模式或总的标准是：1） 实验项目的开设应是综合性和层次化的结合；2） 仪器安装与调整应是细分化与整体性的统一；3） 实验过程的进行应是重复性与延伸性的并列

17、.第一条是专业化模式的内核，分层的概念不仅在整个实验与每个实验的内容上，而且在仪器的作用与使用复杂性、教学方法套路与作业评价方式等方面都可以展开，专业化模式的概念是笼统的，在实施过程中会形成细则、方案或标准化系统，有些是成文或编制的，有些则是老师的经验或心得，他们贯穿于教学过程中，学生应该在学的同时深入体会并发挥其主观能动性，方能有所领悟。参考文献 著，李玉权等译，光纤通信.电子工业出版社， 著，贾东方等译，光纤光学. 人民邮电出版社，李玉权，崔敏，光波导理论与技术.人民邮电出版社， , Irvine, ，张桂才，王巍译，光纤陀螺仪.国防工业出版社， 附录：一些光学和光电子仪器的使用方法一 光

18、学平台（包括内六角螺刀，内六角螺丝）光学平台是进行高水平光学实验的基本条件，高级光学平台的制作和使用都有严格的要求，在教学与一般应用中，将小型标准光学平台置于稳定桌面上也能满足一定的精度要求，稳定性可达亚微米量级，光学平台上分布着很多螺孔，要用相应大小的螺丝和螺刀将各种光学器械（主要为各种支架、架杆或衬板等）安装在光学平台上，公司提供了整套内六角螺刀和内六角螺丝，可选用其中的规格处理所有直接固定在光学平台上的光学器械的安装问题，因为有些光学器械是组合型的，可能需要一个接一个连起来，这些器械上螺孔大小不一，因此会用到不同规格的内六角螺刀和内六角螺丝，这是一项训练动手能力的活儿。光功率计和其他一些

19、电子仪器也可以放置在光学平台上，但要注意其对稳定性的影响，不要加入额外的震动，放置光学平台的房间应保持适当的干燥度，以免安放在平台上的光学仪器，尤其是光学透镜、棱镜、光栅等受潮损坏，另外温度对平台的机械形变影响较大，在进行与光干涉有关的实验时要特别注意。有关平台螺孔的使用方法见二。二 激光器（美国产品）图 激光，激光器电源，激光器装置实物图1 规格品质激光器型号：，。前一种为非偏振的，后一种为偏振激光。最大输出功率（）：光束直径（束腰，）：发散角（，）： 最小削光比：纵模间隔：最大噪声（）：小时以上相对平均功率的最大漂移：最大模拖贡献：最大预热时间（到达功率）：分钟期望点燃寿命：小时所使用的电

20、源型号：2 警告事项1） 切勿直视激光器出光口2） 勿将眼睛或皮肤置于强激光的照射下3） 严格遵照操作规程使用激光器4） 确定所有的反射镜与光学装置处在合适的位置，避免激光从这些装置上散射和失去控制5） 避免个人用品，如戒指，钢笔等对激光进行反射或散射6） 如果要调整一组光学装置，可先使激光衰减变小以减小杂散光7） 用一块不透明物品终止激光的非用途传播8） 使用良好接地的插座9） 在移走某个光学装置前先关闭电源，这是起码要求，拔掉连接线将更为安全10） 勿自行修理激光器和电源，请使用配套的电源3 使用规程和操作方法1） 将激光器安装于光学平台上 在选定激光器支架杆位于光学平台上的螺孔位置后，按

21、图说明固定住此杆。图 激光器支架杆安装图示 用夹具来夹持激光器支架杆，夹持位置的高低取决于激光出射后的前端光路的高低，它可以绕激光器支架杆水平旋转，因此它决定了激光的出射方向。图 固定激光器底座的夹具 激光器底座用来夹持激光器（激光管），这种型号的夹具是不能调整激光器的倾斜度的，紧固螺丝的松紧程度对以后出射光束的空间方位有一定影响。以保持自然的夹持状态为宜（平稳放入凹槽后夹紧）。图 安插激光器的激光器底座2） 激光器的使用激光管的高压输入插头和激光电源上的插座是所谓型的长短连接器，有唯一的插入方向，使用前务必确认输入电压是否为，钥匙开关是否处于（关闭）状态。型号后面的指输入，该型号激光电源可用

22、于和激光管，都由美国公司生产。开启电源钥匙前应先检查激光管前端面上的出射窗是否已经打开，可以用一把平头螺刀插入凹槽并向逆时针方向旋转即可打开出射窗。在一切连接确认后才能开启激光电源（将钥匙拨至），使用后应与时关闭（将钥匙拨至）。三 半导体激光器装置图 半导体激光器的危险标识（美国标准）图半导体激光器装配图表：半导体激光器装配部件清单（由美国 公司提供型号与其英文名称）部件型号说明数量 英寸反射镜底座 中心转条 英寸立杆 英寸立杆支撑座 半导体激光器板座 底座接板 透镜支撑座 半导体激光器支撑座 准直透镜 半导体激光器 半导体激光器驱动电源 内六角螺丝 内六角螺丝 内嵌固定螺丝 ( )固定螺丝（

23、长） ()固定螺丝（长）弹簧 ( )固定螺丝（长）装配步骤：1） 将激光器安装在激光器板座上（），使激光器上的缺口部分向上。用固定螺丝（）将激光器支撑座（）固定，这样激光器就处于平稳状态。2） 安装准直透镜（），将透镜适配圈从透镜支撑座（）上取下，装入透镜后再装上和拧紧适配圈。3） 用一个内六角螺丝（）从中心转条（）的一个孔内装入并固定到英寸立杆上（）。4） 用另一个内六角螺丝（）从中心转条（）的另一个孔内装入并固定到反射镜底座 （）上。5） 用一个内六角螺丝（）从立杆支撑座（）内部装入并用螺丝刀将其固定于光学平台上。6） 将），）步调好的立杆装置（）插入立杆支撑座（），旋紧旁边的螺丝。7）

24、将）调好的装置（）和底座接板（）连接起来，前面再和）调好的装置（）连接。8） 用一个长螺丝（）穿过透镜支撑座（），再穿过一只弹簧（）和激光器板座连接（）。9） 将激光器透镜组合装置（）通过激光器底座接板（）上的突出物和反射镜底座（）连接，旋紧旁边的内嵌固定螺丝（），注意不要过紧。10） 在激光器的位置（沿滑杆移动）和透镜的位置（弹簧松紧）调整合适后，旋紧固定螺丝（）。11） 看下面的半导体激光器驱动电源使用方法。四 型半导体激光器驱动电源1 电源管理和开通策略1） 总开关（），电路工作2） 管子供电使能开关（ ），该开关控制使能管流输出的极的导通，此开关未开启时，极未导通，加电控制按钮是不起作

25、用的，这样就避免了误加电操作。3） 加电控制按钮（），必须在管子已接好和管子供电使能开关已开的情况下，此按钮才起作用，一旦通电成功，会亮起。2 显示模式1） 预置电流（），在总开关打开以后就可以调节欲输出的电流大小，一般不宜过大，比如。图 预置电流状态2） 供电电流（），这是实际加到管子上去的电流大小，所以只有在管子通电成功后才会显示其值。图 电流供电状态3） 恒定功率（）4） 限流（），显示的是电路所能供给的最大电流，现为，可以调节 改变电流的最大值。3 外调制（），外部信号源通过一个同轴电缆（）接入电路，使得输出电流为内部电流（）和外部调制电流之和，外调制一般来自于函数发生器信号或者一个欲

26、传输的信号，内部电流是一个合适大小的直流（取决于管子的电光特性）。如果外调制信号超过，可将后面板上的（带宽）放到位置。4 和封装类型激光管的连接方法图 电源输出连接线的接线定义接法举例：共阴极接法图半导体激光器管脚图图半导体激光器与电源连接线的接线图具体接法取决于管子的型号，接前一定要仔细检查。五 光功率计图 光电探头实物图光电探头型号：，圆柱型硅，适用于探头与衰减器序列号：，衰减器型号：表：探头响应度与功率计校正因子, 波长: 响应度校正因子不带衰减器带衰减器功率计设置步骤和读数：打开电源开关，按一下按钮设置校正因子，按一下按钮，用螺丝刀调整 ，使示值为恢复 翻到后面板，将指拨开关的，位设为

27、，如图图 后面板上的指拨开关，位为表示低功率，表示高功率；第位为表示校正因子的指数或者是（不带衰减器），或者是（带衰减器）。5 功率读数配置和量程共有三种功率度数配置，每个配置各有六个挡级或量程，原则上应选择小量程测量（至少位有效数字），数据溢出时可换高一级量程，经常使用的是带率减器的低功率配置量程，如图。图 前面板上光功率计量程6 注意事项1） 请勿输入超过 或峰值电压的探头或传感器信号，这会造成电击的可能。2） 勿自行维修内部电路，当电池耗完时立刻用六节 电池替换（在电路板当中），避免电池液泄漏而损坏功率计。3） 操作环境温度，。六 光功率计光电探头型号：，圆柱型硅，适用于探头与衰减器序列

28、号：，衰减器型号：1 探头与校正器的连接公司为每种型号和系列号的探头定配了校正器，这样才能输入至光功率计，如图图 型光电探头与光功率计的连接2 电源开启与自动校正过程1） 打开电源后，首先显示所有的显示功能，2） 显示软件版本号（版本）3） 显示探头与校正器的序列号（如果没有校正器，则显示）4） 显示功率计的当前波长（由上次测量决定，如果没有校正器，则显示）3 前面板功能键与显示字符的含义图 光功率计前面板键盘 远程模式控制字符命令 解释 本地模式使能，在远程模式时通过此按钮激活面板 ， 本地模式时，执行切换，即功能 ， 在以后的所有值中减去当前值，然后显示 在种测量单位间循环设置（） 储存上

29、次测量的值用于以后的或测量 在种采样数值平均（次次次）间切换( ) 波长增加，连按连增。 波长减少，连按连减。 电源开关 ， 设置不同的响应度（探头不带或带率减器） ， 在不同的背景光亮度间切换（暗，中亮，亮） ， 打开或关闭蜂鸣器 ， 设为量程自动切换 增加量程，自动量程功能失效 减小量程，自动量程功能失效其他一些显示字符的含义： 探头序列号 锁定前次采集的 远程控制模式（或接口） 在远程控制模式时，本地模式处于锁定状态，功率计不响应任何面板按键动作 数据溢出，换用或合适的高一级量程测量 信号水平超过了探头饱和电流值，它与具体的探头有关 表示功率计正在进行自动校正4 显示单位（）与计算公式表

30、：光功率计的单位与功率换算公式显示单位 计算公式 说明未未未未其中 探头输出光电流 当按下时显示的背景光电流 探头响应度（） 当按下后采集到的参考光电流5 测量方法1） 光功率测量公式：在获得当前有效功率前一般应将环境杂光置。具体步骤如下a. 选择显示模式，使用量程或自定量程，设置波长。b. 确定是否用衰减器，若用，则按下键。c. 挡住被测光，用键将环境杂光置零。d. 让信号光进入探头，读数。2） 对数化光功率测量 基于参考功率的对数化测量公式：a. 选择 显示模式，使用量程, 设置波长。b. 确定是否用衰减器，若用，则按下键。c. 挡住被测光，用键将环境杂光置零。d. 让参考光进入探头，按下

31、 键e. 让信号光进入探头，读数。 基于参考功率的对数化测量公式：测量范围：（，当探头的响应度为时）a. 选择 显示模式，使用量程, 设置波长。b. 确定是否用衰减器，若用，则按下键。c. 挡住被测光，用键将环境杂光置零。d. 让信号光进入探头，读数3） 相对值测量公式： 测量范围：（，当探头的响应度为时）a. 选择 显示模式，使用量程, 设置波长。b. 确定是否用衰减器，若用，则按下键。c. 挡住被测光，用键将环境杂光置零。d. 让参考光进入探头，按下 键。e. 让信号光进入探头，读数6 注意事项1） 请勿输入超过 或峰值电压的探头或传感器信号，这会造成电击的可能。2） 勿自行维修内部电路。

32、7 远程控制应用如图为功率计的远程应用界面，左图是虚拟面板，右图是实际控制场景。图 光功率计远程控制桌面与场景图按钮含义： 开启远程控制模式（先执行软件）， 关闭远程控制模式， 单次数据采集和显示。其他虚拟按钮与本地模式的用法基本相同，数据采集视不同的实验而定（选取不同的标签页），并以文本格式存盘。七 型数字双综示波器图 数字双综示波器操作关键步骤：1） 确认输入信号线是否接好，信号通道是否接对2） 开启电源开关3） 信源（信号通道）选择图 信源选择设置4） 测量值类型选择类型选择和显示是每按一次按钮滚动进行的，比如从无开始依次为：无频率周期平均值峰峰值均方根值，具体设哪一个要看需要而定，现在

33、自上而下共有四个测量数值的显示选择，你可以将上面三个先通过）的信源选择设为通道，然后在这里分别设为平均值、周期和峰峰值，这样就同时得到通道波形的三个特征值。图 测量值类型选择设置5） 量程选择垂直量程调节可用来设置合适的量程或精度，从。具体设为哪一个取决于信号大小和精度要求，一般测量小信号时用小量程档，信号变大了再换档。如果不知道信号大小，可以按一下自动量程设置，示波器会根据输入的信号大小自动设置一个量程。其他一些按钮的使用可参阅说明书进行。图 示波器面板上一些按钮的含义八 光纤切割刀 在进行光纤切割之前应对光纤切割部分作去敷层（保护层）处理，一种方法是用专用化学试剂，比如二氯甲烷浸泡一段时间

34、，等敷曾层溶解后再进行切割，另一种方便的方法是用打火机小心、快速烧去敷层，接下来按照图的步骤进行。参考文献1 公司提供的操作说明书与官方网站信息2 公司提供的操作说明书3 提供的操作说明书4 , Irvine, 实验一 光纤的操作，光纤数值孔径测量实验目的1 掌握光纤与其端面的处理技术，包括去除敷层，切割光纤等。2 测量通信级光纤的数值孔径。实验原理1. 光纤的几何构造一般裸光纤具有纤芯，包层与敷层（套）的三层结构，芯和包层由硅玻璃组成（参看光纤基础知识一节），典型单模光纤的芯径为，多模光纤为，几何形状为圆对称，包层直径一般达百微米以上，敷层是一个保护外套，直径一般达百微米或几百微米，由塑料制

35、成，也有用极薄的清漆或丙烯酸制作。图 光纤结构2. 光纤的机械特性在测量光纤的数值孔径之前，需要对光纤端面进行处理，即获得一个垂直平整端面。这将采用划裂拉断方法完成，原理是先用刀片在去除敷层后的光纤上沿垂直方向划开一个小裂口，然后从光纤两头贴近裂口处沿水平方向拉动光纤，使裂口穿过光纤并使光纤断裂，在垂直于光纤轴方向形成平整截面，如图所示。图 光纤切割方法图示切割后光纤端面的一些情况如图所示，实验中可以通过显微镜进行观察。理论上,玻璃光纤的开裂强度可达 （）。 但由于光纤的不均匀性和缺陷（比如裂口），强度会降低。当裂口顶端的应力等于理论断裂强度时，断裂即发生。裂口可从顶端开始引起原子键的连续断裂

36、。这就是直的裂口产生平的开裂的光纤端面的原因。图切割准确，切割后产生了裂缝，切割不平，产生了边唇当光纤保持柔性时（比如弯曲状态）,光纤需要有高的强度。而光纤弯曲时裂缝通常出现在高应力点,当一根半径为的光纤弯曲到曲率半径时（如图），光纤上的表面应力是光纤表面的延长除以弧长，即应力是。尽管光纤可经受百分之几的应力，为保证实地光缆中光纤不受损伤，一般可将应力上限设为。如果采用作为适当的量值,这意味着直径的光纤能够承受半径为的弯曲。图 光纤弯曲时的应力情况3. 光纤的数值孔径和一般的集光元件或发光器件一样，它们的数值孔径在光学系统中的作用非常重要。下面的讨论虽然是在某一平面内进行，但数值孔径是一个和空

37、间角度有关的概念。特别地，有些特种光纤并不是完全圆对称的，折射率分布也不是简单阶跃型的，端面也不是平的，这些因素都会使数值孔径的描述变得复杂。现在就最简单的阶跃折射率光纤中的子午光线展开推导，假设光线以入射角进入纤芯，如果纤芯的折射率比包层折射率稍大，则进入纤芯的光线在纤芯与包层界面上有可能发生全反射，设这个临界角为，应有图 阶跃光纤的数值孔径设数值孔径角，由定理因此光纤的数值孔径如同对微透镜或成像透镜的数值孔径定义一样，是入射介质的折射率与最大收光角正弦的乘积。这与上式同义，故有定义分数折射率差弱导时有此即为弱导近似下，阶跃型光纤数值孔径理论公式。图为公司生产的多模光纤测得的曲线，图 多模光

38、纤数值孔径测量曲线（ ）建议，根据接收光功率最大值的取值。典型的通信级多模光纤的,这满足的弱导近似条件，对硅制备的光纤近似为，可以算出。这在图中给出的最大入射角为，全锥角为。单模光纤值约为，通信级多模光纤为，大芯径光纤约为。实验仪器表：部件清单（由美国 公司提供型号与其英文名称）（部件）说明数量 （激光器装置）夹具 短棒（激光器支架杆）ULM 激光器底座 毫瓦氦氖激光器 氦氖激光电源. （入纤发射装置） , 多模光纤，米 光纤定位器 英寸立杆支撑座英寸立杆 微型立杆支撑座 微型立杆 转角台. （出纤装置） 光纤定位器 英寸立杆支撑座英寸立杆 （检测装置） 大面积光电探头 英寸立杆支撑座英寸立杆

39、 光功率计 （附加仪器） 光纤切割刀 光纤剥离器另配立体变倍显微镜或显微视频装置实验内容按照表的仪器部件分列装配各个单元装置（激光器、入纤、出纤、探测装置），根据图所示光路合理布局各个单元的位置。图 数值孔径测量光路操作要点：1 光纤处理借助立体变倍显微镜完成光纤端面的制备，两个端面在显微镜下观察比较平整。2 光路粗调务必将处理好的光纤入端位于调角仪的中心线上（可以用一把直角尺量），调整激光束的上下位置和偏转角度使其平行入射光纤，在光纤出端得到一个较好的圆光斑，如否需从新处理或调整光纤。3 光功率计调整打开光功率计，将带有衰减器的探头（）对准光纤出端，调整光纤出端的光纤定位器三维坐标使光纤出射

40、光斑完全进入探头光敏区。4 光路细调用一块黑板挡住光源，将光功率计调至灵敏度最高档，调零将环境光去掉，打开光路，将光功率计调至合适档级（尽量提高灵敏度），调整光纤入端的光纤定位器坐标使光功率计的示值达最大，转动调角仪的调角旋纽进一步使光功率计的示值达最大，此时即对应光功率极值点也就是入射零度角的位置，记录此时的调角仪的角度和光功率值。5 入射角的测量先朝一个方向转动调角仪，每隔一度测一次光功率值直到最大值的 以内，将调角仪回到初始位置后在朝另一个方向转动调角仪重复上面的过程。6 实验曲线以入射角的正弦为横坐标，光功率的常用对数为纵坐标画出拟和曲线，确定最大光功率的 所对应的两个对称的横坐标的值

41、，以它们各自绝对值的平均值作为实际测得的光纤数值孔径值。预习与思考1 光纤入射端面为何要位于调角仪的中垂线上？2 光纤入射端面倾斜将对数值孔径的测量值有何影响？3 激光的注入情况（光源的数值孔径和光斑的大小）对测量结果有何影响？注意事项1 光学镜面或光敏面千万勿触摸。2 小心勿直视激光（包括其反射光）。参考文献 , Irvine, 实验二 半导体光源与光纤耦合实验目的1 研究注入型激光二极管和发光二极管与光纤的耦合。2 判断耦合的效果。3 实现调制信号的光纤传输。实验原理1 光源类型与光发射特性光纤光学系统使用的半导体光源有两种，发光二极管和注入型激光二极管，此类器件与其发光机制的理论请参阅有关资料。任何光源可以用从它的表面所发的所有可能的光线的光功率分布来说明其发光特性，朗伯型光源是指其面单元在所有的方向上发射光，而准直光源是指其发射的光束在空间的发散角非常小。一般，光源亮度的角分布可表示为是离开光发射法线的最大角，由光源的几何形状决定。对漫射光源，对准直光源，为大值，中间为部分准直光源，的辐射远场以典型的发散，呈扇形分布。这是由于