光纤光学与应用
摘要 本实验主要测量了光纤的耦合效率、数值孔径、损耗特性和光纤的温度特性。实验
测得的光纤的数值孔径为0.1011，损耗系数α(λ) 为1.138⨯10dB /cm ，耦合效率为38.7%。实验发现，激光干涉形成的条纹数目与外界温度成线性关系。
关键词 光纤通信 数值孔径 光纤温度传感器
-2
1. 引言
1966年，科学家高锟发表题为《光频率的介质纤维表面波导》的论文，提出，“只要设法降低玻璃纤维中的杂质，就能够获得用于通信的、传输损耗较低的光导纤维”。现在，光纤的损耗可以达到0.2dB/Km，光纤已广泛用于通信行业，发展迅猛。光纤通信具有通信容量大、传输距离远；信号串扰小、保密性能好；抗电磁干扰、传输质量佳等优点。另外，光线在传感器方面也有独特优势，具有损耗低，信息量大，可用于各种物理量的测量。本实验主要了解光纤光学基础知识，学会测量光纤的数值孔径和损耗系数方法。了解光纤温度传感器工作原理。
2. 原理
2.1 光纤构造和分类
纤芯由掺有少量P2O5和GeO2的高纯度SiO2构成，掺杂剂用来提高纤芯折射率。包层主要高纯度SiO2构成，掺有少量氟
图1 光纤构造示意图
和硼降低折射率。涂覆层一般
为环氧树脂或硅橡胶，增强光线的机械强度。套塑采用尼龙或聚乙烯，加强光纤机械强度。按照纤芯折射率分布形式分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤。还可以按照光纤中光的传播模式和工作波长等分类。 2.2 耦合效率
耦合效率定义为
γ=
P
（1） P O
P O 是光纤输入功率，P 是光纤耦合后的输出功率。He-Ne 激光器输出光束是高斯
光束，经过透镜后仍是高斯光束。选择透镜焦距，使得经过透镜耦合后的高斯光束的束腰与纤芯直径相等。将光纤端面置于高斯光束焦点处，获得最佳偶和效率。 2.3 光纤的数值孔径
是表征光纤集光能力大小的参数。数值孔径NA 越大，光纤端面接收或会聚光的能力越强。只有入射角度小于某个角度的光才能进入光纤内部传播。设角度为θ。数值孔径定义为
NA =sin θ （2） 对于阶跃光纤，设n 1、n 2分别是纤芯和包层的折射率。则数值孔径为
sin θ （3）
由于光路可逆性，可在输出端测量数值孔径。原理如图2，光纤出射的光照射到观察屏上，设光斑直径为2R ，观察屏到光纤距离为h 。则有
NA =sin θ=
2.4 光纤的损耗
图 2 远场光斑法测数值孔径
（4）
光纤对光波产生的衰减作用称为光纤损耗。广播在实际传输过程中，随着传播距离增加，光功率以指数形式衰减，即 P (L ) =P (0)e
-α(λ) L
（5）
α(λ) 为损耗系数。 P (0) 为光纤输入功率，P (L ) 为广播传输距离L 后光纤输出功率，
光纤损耗定义为
A (λ) =10lg
P (0)
(dB ) （6）
P (L )
α(λ) =
A (λ)
(dB /Km ) （7）
L
光纤损耗可分为吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。散射损耗主要包括瑞利散射损耗，
由材料的密度不均匀和折射率不均匀引起；波导效应散射损耗，由于波导结构不规则，导致高阶模的辐射形成损耗；非线性效应损耗，主要由受激的喇曼散射和布里渊散射引起。吸收损耗，主要包括材料的本征吸收损耗、杂质吸收损耗。辐射损耗由于光纤弯曲引起。光纤弯曲，在纤芯和包层的界面上，入射角小于临界角，破坏全反射条件，导波变成辐射波，能量沿着光纤弯曲半径方向向外部辐射。 2.5 光纤温度传感器
光纤温度传感器工作原理基于光纤双光束干涉相位的变化。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相同的光纤内，其中一根叫探测臂，另一根叫探测臂。从两根光纤输出的激光束叠加后产生干涉，形成干涉条纹。干涉场光强
I ∞(1+cos ∆ϕ) ，∆ϕ是相位差。
∆ϕ(T ) =
2π
λ
n (T ) ∆L (T ) （8）
λ是波长，n 是光线折射率；∆L 是光线的长度差，T 是温度。∆ϕ=2k π时，干
涉场光强去极大值；∆ϕ=(2k +1) π，干涉场光强去极小值。外界温度作用在探测臂上，光线在温度场作用下，长度和折射率发生变化，相位发生变化，导致干涉条纹产生移动。通过测量干涉条纹的移动可以测出温度的变化。
3. 实验
本实验使用光纤光学与光通信实验系统，实验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，电话机和光纤工具。采用“截断法”测量光纤的损耗系数。在稳定光强条件下，测量长度为L 的整个光纤的输出功率P 在离光纤输入端约l 处截断光纤，测量此短2。保持耦合条件不变，光纤输出功率P 1。当L l ，短光纤损耗可以忽略，可近似认为P 1、P 2是被截断光纤的输入输出功率，按照定义求出损耗系数。采用“远场光斑法”测量光纤的数值孔径，原理图如图2，按照（4）式计算数值孔径。对于光纤温度传感器，调节光纤端面的位置，使得从光纤输出端输出的光强达到最大值。调节两根光纤的位置，通过CCD 装置来观察条纹的移动。
4. 数据处理和实验结果分析
实验测量数据和相关计算结果如下表所示
表 1 耦合效率和损耗系数
表 2 数值孔径
表 3 条纹移动数目与温度
图 3 条纹移动数目和温度关系图
由表1知，实验测量的耦合系数为38.67%，耦合效率较低，可能原因有光纤端面未放入显微物镜焦点处，激光器发出的激光进入光纤中数量较少；光纤端面与激光未达到完全垂直；光纤端面处理时有错误，光纤端面切的不垂直。这些原因都可能导致耦合效率较低。实验测量损耗系数为1.138×10 -2，光纤的数值孔径为0.1011。对于计算数值孔径测量的光纤输出端面离观察屏的距离测量较为准确，但对光斑的测量误差较大。确立光斑直径误差较大，对于同一个光斑，从不同位置处，测量的直径不同。为了减小误差，可以从不同位置处测量光斑的直径，取其平均值作为光斑的直径，减小测量误差。如图3，可以看出，升温和降温过程中，干涉条纹移动数目与温度之间都是线性关系，与理论分析结果相同。而且可以看出，降温过程中，线性关系的比例系数比升温过程中的线性比例系数绝对值稍大，可能原因升温过程中温度升高，在降温过程中产生余留效果，导致系数较大一点，也有可能是实验测量误差较大导致的结果。
5. 结论与建议
本实验主要利用远场光斑法测量光纤的数值孔径，光纤的耦合效率，并用“截断法”测量了光纤的损耗系数，研究了光纤温度传感器，得到了干涉条纹数目和温度之间的线性关系结论。
参考文献
近代物理实验补充讲义 北京师范大学物理教学中心 2007.9
光纤光学与应用
摘要 本实验主要测量了光纤的耦合效率、数值孔径、损耗特性和光纤的温度特性。实验
测得的光纤的数值孔径为0.1011，损耗系数α(λ) 为1.138⨯10dB /cm ，耦合效率为38.7%。实验发现，激光干涉形成的条纹数目与外界温度成线性关系。
关键词 光纤通信 数值孔径 光纤温度传感器
-2
1. 引言
1966年，科学家高锟发表题为《光频率的介质纤维表面波导》的论文，提出，“只要设法降低玻璃纤维中的杂质，就能够获得用于通信的、传输损耗较低的光导纤维”。现在，光纤的损耗可以达到0.2dB/Km，光纤已广泛用于通信行业，发展迅猛。光纤通信具有通信容量大、传输距离远；信号串扰小、保密性能好；抗电磁干扰、传输质量佳等优点。另外，光线在传感器方面也有独特优势，具有损耗低，信息量大，可用于各种物理量的测量。本实验主要了解光纤光学基础知识，学会测量光纤的数值孔径和损耗系数方法。了解光纤温度传感器工作原理。
2. 原理
2.1 光纤构造和分类
纤芯由掺有少量P2O5和GeO2的高纯度SiO2构成，掺杂剂用来提高纤芯折射率。包层主要高纯度SiO2构成，掺有少量氟
图1 光纤构造示意图
和硼降低折射率。涂覆层一般
为环氧树脂或硅橡胶，增强光线的机械强度。套塑采用尼龙或聚乙烯，加强光纤机械强度。按照纤芯折射率分布形式分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤。还可以按照光纤中光的传播模式和工作波长等分类。 2.2 耦合效率
耦合效率定义为
γ=
P
（1） P O
P O 是光纤输入功率，P 是光纤耦合后的输出功率。He-Ne 激光器输出光束是高斯
光束，经过透镜后仍是高斯光束。选择透镜焦距，使得经过透镜耦合后的高斯光束的束腰与纤芯直径相等。将光纤端面置于高斯光束焦点处，获得最佳偶和效率。 2.3 光纤的数值孔径
是表征光纤集光能力大小的参数。数值孔径NA 越大，光纤端面接收或会聚光的能力越强。只有入射角度小于某个角度的光才能进入光纤内部传播。设角度为θ。数值孔径定义为
NA =sin θ （2） 对于阶跃光纤，设n 1、n 2分别是纤芯和包层的折射率。则数值孔径为
sin θ （3）
由于光路可逆性，可在输出端测量数值孔径。原理如图2，光纤出射的光照射到观察屏上，设光斑直径为2R ，观察屏到光纤距离为h 。则有
NA =sin θ=
2.4 光纤的损耗
图 2 远场光斑法测数值孔径
（4）
光纤对光波产生的衰减作用称为光纤损耗。广播在实际传输过程中，随着传播距离增加，光功率以指数形式衰减，即 P (L ) =P (0)e
-α(λ) L
（5）
α(λ) 为损耗系数。 P (0) 为光纤输入功率，P (L ) 为广播传输距离L 后光纤输出功率，
光纤损耗定义为
A (λ) =10lg
P (0)
(dB ) （6）
P (L )
α(λ) =
A (λ)
(dB /Km ) （7）
L
光纤损耗可分为吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。散射损耗主要包括瑞利散射损耗，
由材料的密度不均匀和折射率不均匀引起；波导效应散射损耗，由于波导结构不规则，导致高阶模的辐射形成损耗；非线性效应损耗，主要由受激的喇曼散射和布里渊散射引起。吸收损耗，主要包括材料的本征吸收损耗、杂质吸收损耗。辐射损耗由于光纤弯曲引起。光纤弯曲，在纤芯和包层的界面上，入射角小于临界角，破坏全反射条件，导波变成辐射波，能量沿着光纤弯曲半径方向向外部辐射。 2.5 光纤温度传感器
光纤温度传感器工作原理基于光纤双光束干涉相位的变化。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相同的光纤内，其中一根叫探测臂，另一根叫探测臂。从两根光纤输出的激光束叠加后产生干涉，形成干涉条纹。干涉场光强
I ∞(1+cos ∆ϕ) ，∆ϕ是相位差。
∆ϕ(T ) =
2π
λ
n (T ) ∆L (T ) （8）
λ是波长，n 是光线折射率；∆L 是光线的长度差，T 是温度。∆ϕ=2k π时，干
涉场光强去极大值；∆ϕ=(2k +1) π，干涉场光强去极小值。外界温度作用在探测臂上，光线在温度场作用下，长度和折射率发生变化，相位发生变化，导致干涉条纹产生移动。通过测量干涉条纹的移动可以测出温度的变化。
3. 实验
本实验使用光纤光学与光通信实验系统，实验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，电话机和光纤工具。采用“截断法”测量光纤的损耗系数。在稳定光强条件下，测量长度为L 的整个光纤的输出功率P 在离光纤输入端约l 处截断光纤，测量此短2。保持耦合条件不变，光纤输出功率P 1。当L l ，短光纤损耗可以忽略，可近似认为P 1、P 2是被截断光纤的输入输出功率，按照定义求出损耗系数。采用“远场光斑法”测量光纤的数值孔径，原理图如图2，按照（4）式计算数值孔径。对于光纤温度传感器，调节光纤端面的位置，使得从光纤输出端输出的光强达到最大值。调节两根光纤的位置，通过CCD 装置来观察条纹的移动。
4. 数据处理和实验结果分析
实验测量数据和相关计算结果如下表所示
表 1 耦合效率和损耗系数
表 2 数值孔径
表 3 条纹移动数目与温度
图 3 条纹移动数目和温度关系图
由表1知，实验测量的耦合系数为38.67%，耦合效率较低，可能原因有光纤端面未放入显微物镜焦点处，激光器发出的激光进入光纤中数量较少；光纤端面与激光未达到完全垂直；光纤端面处理时有错误，光纤端面切的不垂直。这些原因都可能导致耦合效率较低。实验测量损耗系数为1.138×10 -2，光纤的数值孔径为0.1011。对于计算数值孔径测量的光纤输出端面离观察屏的距离测量较为准确，但对光斑的测量误差较大。确立光斑直径误差较大，对于同一个光斑，从不同位置处，测量的直径不同。为了减小误差，可以从不同位置处测量光斑的直径，取其平均值作为光斑的直径，减小测量误差。如图3，可以看出，升温和降温过程中，干涉条纹移动数目与温度之间都是线性关系，与理论分析结果相同。而且可以看出，降温过程中，线性关系的比例系数比升温过程中的线性比例系数绝对值稍大，可能原因升温过程中温度升高，在降温过程中产生余留效果，导致系数较大一点，也有可能是实验测量误差较大导致的结果。
5. 结论与建议
本实验主要利用远场光斑法测量光纤的数值孔径，光纤的耦合效率，并用“截断法”测量了光纤的损耗系数，研究了光纤温度传感器，得到了干涉条纹数目和温度之间的线性关系结论。
参考文献
近代物理实验补充讲义 北京师范大学物理教学中心 2007.9