[摘要]

本实验通过在光学平台上对光纤特性的研究，从而得到光源与塑料光纤的耦合效率为0.609，又利用“截断法”测得光纤损耗系数为507.3dB/km。之后由光的折射定律和光的全反射以及在输出端测量数值孔径的“远场光斑法”，测出商务光纤的数值孔径NA为0.123。接着利用光的干涉原理研究光纤温度传感器是一种相位调制型光纤传感器。最后使用通信电路板和示波器观察通信系统中各部信号变化，模拟语音电话光通信。

[关键词]

光纤 全反射 光纤温度传感器 光纤耦合

一、 [引言]

光线是光导纤维的简称。它是工作在光波波段的一种介质波导，它能利用光学全反射原理将光的能量约束在波导界面内，并引导光波沿着光纤轴线方向传播。

1966年，华裔科学家高锟博士发表的《光频率的介质纤维表面波导》论文中首次明确提出“只要设法降低玻璃纤维中的杂质，就能够获得能用于通信的、传输损耗较低的光导纤维”。1970年，美国康宁玻璃公司率先研制成功了损耗为20dB/km的石英光纤，实现了高锟的想法。如今光纤的损耗已经可以达到0.2dB/km。没有光纤就没有今天的互联网时代。

光纤通讯之所以发展迅猛，主要源于它具有以下几个特点：通信用量大、传输距离远；信号串扰小、保密性能好；抗电磁干扰、传输质量佳；光纤尺寸小、重量轻，便于敷设和运输；材料来源丰富，节约了大量有色金属铜；耐化学腐蚀，光缆适应性强，寿命长。

光纤除了在现代通信系统中有着重要的应用外，在传感器技术方面，也有着独特的优势。

本实验的目的是：了解光纤光学的基础知识；学习测量光线数值孔径和损耗特性的方法；了解光纤温度传感器的工作原理；了解光纤语音通信的基本原理和系统构成。

二、 [实验原理]

1．光纤的构造：光纤主要由纤芯、包层、涂敷层及套塑四部分构成。

2．光纤的模式：光纤的模式分为矢量模和标量模两大类。

m=0,1,2,3,…

n=1,2,3,4,…

下标m表示该模式的场分量沿光纤横截面圆周方向的最大值有m对；下标n表示 该模式下的场强分量沿光纤横截面径向有n对最大值。

不同m和n的电磁场的结构形式是不同的。严格的求解矢量波动方程得到的矢量模。矢量模包括横电模、横磁模、混合模和。在弱导波近似情况下得到的为标量模，标量模可以认为矢量模的线性叠加，所以标量模是简并模。

标量模又称线性偏振模可以用来表示。

3．光源与光纤的耦合效率

耦合效率定义为： （1）

式中，是光纤输入功率，P是经光纤耦合后的输出功率。

对He-Ne激光器的耦合方法为：仔细选择透镜的焦距f，使经透镜耦合后的高斯光束的束腰与纤芯直径相等，即2，如图1所示。

图1 光纤与He-Ne激光器的耦合

4．光纤的数值孔径

光纤的数值孔径NA是表示光纤集光能力大小的重要参数。

(2)

式中角是入射光线与光纤轴之间的交角，h为光纤端面与观察屏间的距离，R为观 察屏上光斑半径 ，如图2 所示。

图2 远场光斑法测试装置简图

5．光纤的损耗

光功率以指数形式逐渐衰减：

(3)

由（3）式可的光纤损耗定义式：

(db) (4)

光纤的损耗系数定义为单位距离上的损耗：

(5)

引起光纤损耗的原因大致可以分为三类：吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。在光纤传输过程中，光信号能量损失的原因是复杂的，有本征的和非本征的，在实际应用中将各种可能的损耗都算在一起，称为总损耗。

“截断法”是按照光纤损耗的定义建立起来的测量方法。首先，在稳定的光强输入条件下，测量长度为L的整根光纤的输出功率；然后，保持耦合条件不变，在离光纤输入端l处阶段光纤，测量此段光线的输出功率。当L远大于l时，短光纤损耗可以忽略，故可以近似认为和是被截断光纤（长度为L-l）的输入功率和输出功率。这样，按照（4）式和（5）式便可以求出损耗和损耗系数。

6．光纤温度传感器

本实验研究的光纤温度传感器是一种相位调制型光纤传感器，它的工作原理基于光纤双光束干涉相位的变化。

由激光器发出的相干光，经光纤分束器分别送入两根长度基本一致的光纤中，其中一根为探测臂，另一根为参考臂。从两根光纤输出的激光光束叠加后产生干涉条纹。由双光干涉理论可知，干涉场的光强I∞(1+cos),是相位差，表达式为：

n(T)L(T) (6)

式中，为波长；n为光纤折射率，一般为1.458；L是光纤长度；T是温度。当=2k时，干涉场光强取极大值；当=（2k,干涉场光强取极小值。

当外界的温度作用在探测臂上时，光纤在温度场作用下，长度和折射率都将发生变化，使得相位也发生变化：

(L (7)

位相变化导致干涉条纹产生移动。

7．音频电话光通信

光纤音频电话通信的基本原理是：把语音以一定的方式调制到载运信息的光波上，经光纤传输到远端的接收器，再经解调将信息还原并输出。模拟语音电话光纤传输系统有光发射端机、光缆、中继器、光接收端机构成。基本构造如图3。

本实验中采用了波分复用技术，所谓波分复用技术是将一系列载有信息、但波长不同的光信号合成一束，沿着单根光纤传输；在接收端在用某种方法，将各个不同波长的光信号分开的通信技术。采用波分复用技术可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使容量迅速扩大。波分复用器是一种用来合成或分离不同波长的光信号的无源器件。其工作原理是，将若干条光纤拉成锥形并熔融在一起，或者采用去除包层研磨、抛光、粘接的方法，促使光纤中的光场见发生耦合，从而达到分波和合波的目的。

三、 [实验仪器]

本实验使用光纤光学与光通信实验系统（CSY-10型），其光学平台分布如图5所示。实验所使用的仪器有各类光学元件（反射镜、显微物镜、五维调整架等）、各类光纤、He-Ne激光器、电源、波分复用器、光功率计、电话机及光纤处理工具。

四、 [实验内容]

1、 光纤端面处理

采用专用的设备对光纤表面和端口进行处理，使其达到实验要求。

2、 光源与光纤耦合

利用光学调节脚和光纤固定装置，实现光源与塑料光纤间的耦合。并记录光纤输入功率和

3、 截断法测量光纤的损耗系数

选取一段长度为1.5-2米的塑料光纤，确定光源与塑料光纤间的耦合良好之后，根据截断法的原理分别测量和，并计算光纤的损耗系数。

4、 远场光斑法测量数值孔径

在调整好光源与商务光线的耦合之后，观察在不同耦合条件下，光线的传输模式。利用公式（2）测量光纤的数值孔径。

5、 温度传感器的测量

将光纤接入光纤分束器，使光分别送入长度相同的光纤，使其在监视器上发现干涉条纹。缓慢调节一根光纤上的温度，观察干涉条纹的变化，确定其变化和温度变化的关系。

6、 模拟语音电话光通信

观察通信系统中各部分的信号变化。

五、 [数据处理和实验分析]

1、 光纤耦合效率和光纤损耗

测得光纤长度为L=2.24m

由公式（1）得=0.609

由公式（4）和公式（5）得=1.136（dB）

507.3（dB/km）

耦合率较为理想，不是太高的原因应该是端面没有处理平滑，没有严格找到耦合点。

而光纤损耗系数太大则可能由于中间人为弯曲较多，而且光功率计不能很准确的收集从光纤中光信号。

2、 光纤的数值孔径

测得h=8.5cm 2R=2.1cm 由公式=0.123

3、 光纤温度传感器

经过初步画图，得出在温度上升时，44℃——40℃的数据明显不符合实验要求，而在温度下降时，30℃——34℃的数据明显不符合实验要求，而其它数据基本符合移动条纹书随温度呈线性变化如图6

出现一开始的数据不能很好的满足温度与条纹移动数的线性关系，应该是由于仪器的滞后性导致。

对照温度上升和温度下降，可以发现，当起始温度改变后，温度与条纹移动数的线性方程将会改变，温度上升时为y = 13.57x - 324.3，下降时为y = -16.70x + 796.5，但两方程的斜率基本保持不变，从而突出了相位调制型传感器的优点是灵敏度高，但是只能是进行相对测量，而无法定量的测出当前的具体温度。

但是，上升和下降的斜率绝对值并不是完全一样，说明实验还是存在着很大的误差，原因可能为：1）光纤对外界的影响非常敏感，而在读取数据时不能保证一个相对安静的环境，而且对桌子的触碰也会影响到光纤对温度的测量2）人为的眼花也是导致实验误差的另一个原因。

4、 音频电话光通信

对于1313nm路：原始信号和接收信号波形基本一致，每路信号振幅不变，为调频传输，且原始信号比接收信号振幅大，信号强，通话质量好。

对于1550nm路：原始信号和接收信号波形稍有差别，同为调频传输，且原始信号比接收信号振幅小，信号弱，通话质量差。

通过开光各个控制开关得到语音通信基本信息:

PA401控制1313nm路，PA601控制1550nm路，当PA401和PA601同时打开时为双向通信。

六、 [结论与建议]

实验在光学平台上完成了对光纤耦合、数值孔径大小测量和光纤损耗测量的实验，从而得到光纤耦合损耗系数为0.609，数值孔径大小为0.123以及光纤损耗系数为507.3（dB/km）。并通过双光束干涉原理了解光纤温度传感器工作原理，以及初步得出温度和干涉条纹移动的关系。最后，通过示波器对音频电话光通讯的测量，以及现象观察，从而对光纤通讯有更深刻的理解。

建议：在切割光纤端面时，眼睛千万不能离太近；一开始一定要用白屏初步确定激光经过透镜之后的焦点，之后再进行光源与光纤的耦合。

[参考文献]

《近代物理实验补充讲义》 熊俊 主编 北京师范大学出版社

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/a9103daddd3383c4bb4cd273.html