第一章光器件认识实验实验一光纤结构和分类一、实验目的1.了解光纤的分类与各种光纤的特点。2.了解光纤的各种性能参数。二、实验内容1.介绍光纤的构成与分类。2.成品光纤的主要参数的介绍。3.测量光纤的插入损耗。三、实验仪器1.光纤实验系统1台。2.光纤跳线1根。3.光固定衰减器1个。4.光功率计1台四、实验原理光纤是光学纤维的简称，它是一种由玻璃或透明聚合物构成的绝缘波导。光被耦合进光纤后只能在其波导内部传播。一般的光纤都是由纤芯、包层和外套涂层三部分组成。其外套涂层作为光纤的保护层，用于加强光纤的机械强度。其光纤结构如图1-1所示：纤芯区包层区外套图1-1光纤结构示意图1、光纤的分类光纤有很多种分类方法。按其传输光波的模式来分，有单模光纤与多模光纤两大类。它们的结构不同，因而各具不同的特性与用途。11
11 第一章 光器件认识实验 实验一 光纤结构和分类 一、实验目的 1.了解光纤的分类与各种光纤的特点。 2.了解光纤的各种性能参数。 二、实验内容 1.介绍光纤的构成与分类。 2.成品光纤的主要参数的介绍。 3.测量光纤的插入损耗。 三、实验仪器 1.光纤实验系统 1 台。 2.光纤跳线 1 根。 3.光固定衰减器 1 个。 4.光功率计 1 台 四、实验原理 光纤是光学纤维的简称，它是一种由玻璃或透明聚合物构成的绝缘波导。光被耦合进光纤 后只能在其波导内部传播。一般的光纤都是由纤芯、包层和外套涂层三部分组成。其外套涂 层作为光纤的保护层，用于加强光纤的机械强度。其光纤结构如图 1-1 所示： 图 1-1 光纤结构示意图 1、光纤的分类 光纤有很多种分类方法。按其传输光波的模式来分，有单模光纤与多模光纤两大类。它 们的结构不同，因而各具不同的特性与用途。 纤芯区 包层区 外套
1)单模光纤用来传输单一基模光波的光纤称为单模光纤，它要求入射光的波长大于光纤的截止波长单模光纤的纤芯直径很小，一般为5-10um。单模光纤对于光的传输损耗将是最小的，因为光场只在光纤的中心传导。但是由于纤芯直径很小，对于光纤与光源的耦合及光纤之间的接续将带来明显困难。单模光纤可彻底消除模间色散，在波长为1.27um时，材料色散趋近于零，或者可以使得材料色散与波导色散相抵消。因此，长距离大容量的长途通信干线及跨洋海底光缆线路全部采用单模光纤。由于1.55um波长时单模光纤的损耗更低，人们已研究了使光纤的零色散波长移到1.55um的技术和使激光器（LD）的频谱更窄的技术，以求同时达到最低的损耗及最宽的带宽，从而最大限度地增大中继距离及信息容量。2)多模光纤用来传输多种模式光波的光纤称为多模光纤，模式的数目取决于芯径、数值孔径（接收角）、折射率分布特性和波长。将单模光纤的纤芯增大，光纤将成为多模光纤。多模光纤的纤芯直径远远大于单模光纤，一般为50-200um。在临界角内，各个模式的入射光波分别以不同角度，在光纤内的纤芯与包层的的界面处发生全反射而沿光纤全长传输。突变型多模光纤的纤芯部分折射率保持不变，而在纤芯与包层的界面折射率发生突变。这种光纤模间群时延时差大，一般传输带宽为100MHzKm。常做成大芯径（例如100um）、大数值孔径（例如NA大于0.3）光纤，提高光源与光纤的耦合效率，适用于短距离、小容量的系统。这种光纤的使用相当广泛。C3)识别单模光纤与多模光纤的方法识别单模光纤与多模光纤的基本方法是从光纤的产品规格代号中去了解。如我国光纤光缆型号的规格代号的第二部分用代表多模渐变型光纤，用T代表多模阶跃型光纤，用Z代表多模准阶跃型光纤，用D代表单模光纤。其次是从光纤的纤芯直径去识别。单模光纤的芯径很细，通常芯径小于10um：多模光纤的芯径比单模光纤大几倍。例如本实验系统的尾纤外套上标出它的芯径为62.5um，故可识别出它是多模光纤。第三种方法是从光纤外套的颜色上识别。通常黄色表示单模光纤，橙色表示多模光纤。本实验系统用的光纤外套是黄色的，故为单模光纤。4)尾纤波长的测试光纤线路的两端一般是通过一段短光纤把线路与光端机连接起来的。这一段短光纤长度12
12 1)单模光纤 用来传输单一基模光波的光纤称为单模光纤，它要求入射光的波长大于光纤的截止波长， 单模光纤的纤芯直径很小，一般为 5-10μm。单模光纤对于光的传输损耗将是最小的，因为光 场只在光纤的中心传导。但是由于纤芯直径很小，对于光纤与光源的耦合及光纤之间的接续 将带来明显困难。 单模光纤可彻底消除模间色散，在波长为 1.27μm 时，材料色散趋近于零，或者可以使得 材料色散与波导色散相抵消。因此，长距离大容量的长途通信干线及跨洋海底光缆线路全部 采用单模光纤。由于 1.55μm 波长时单模光纤的损耗更低，人们已研究了使光纤的零色散波长 移到 1.55μm 的技术和使激光器（LD）的频谱更窄的技术，以求同时达到最低的损耗及最宽 的带宽，从而最大限度地增大中继距离及信息容量。 2)多模光纤 用来传输多种模式光波的光纤称为多模光纤，模式的数目取决于芯径、数值孔径（接收 角）、折射率分布特性和波长。将单模光纤的纤芯增大，光纤将成为多模光纤。多模光纤的纤 芯直径远远大于单模光纤，一般为 50-200μm。在临界角内，各个模式的入射光波分别以不同 角度，在光纤内的纤芯与包层的的界面处发生全反射而沿光纤全长传输。 突变型多模光纤的纤芯部分折射率保持不变，而在纤芯与包层的界面折射率发生突变。 这种光纤模间群时延时差大，一般传输带宽为 100MHz•Km。常做成大芯径（例如 100μm）、 大数值孔径（例如 NA 大于 0.3）光纤，提高光源与光纤的耦合效率，适用于短距离、小容量 的系统。这种光纤的使用相当广泛。 3)识别单模光纤与多模光纤的方法 识别单模光纤与多模光纤的基本方法是从光纤的产品规格代号中去了解。如我国光纤光 缆型号的规格代号的第二部分用 J 代表多模渐变型光纤，用 T 代表多模阶跃型光纤，用 Z 代 表多模准阶跃型光纤，用 D 代表单模光纤。 其次是从光纤的纤芯直径去识别。单模光纤的芯径很细，通常芯径小于 10μm；多模光纤 的芯径比单模光纤大几倍。例如本实验系统的尾纤外套上标出它的芯径为 62.5μm，故可识别 出它是多模光纤。 第三种方法是从光纤外套的颜色上识别。通常黄色表示单模光纤，橙色表示多模光纤。 本实验系统用的光纤外套是黄色的，故为单模光纤。 4)尾纤波长的测试 光纤线路的两端一般是通过一段短光纤把线路与光端机连接起来的。这一段短光纤长度
为3米或5米、10米，因其位置处于光纤线路的尾部，故称为尾纤。尾纤的传输特性有工作波长、信号传输模式、带宽与损耗等，通常这些通过光纤光缆的型号标志来识别，也可以用仪表来测试。每种光纤都有特定的工作波长，当注入光信号的波长等于工作波长时，光纤损耗最小，反之光纤损耗增大。因此把不同波长的光信号注入光纤，测量光纤损耗，当光纤损耗最小时，该光信号的波长即为尾纤的工作波长。2、成品光纤的主要参数一般光纤成品有以下主要参数：1)光纤的纤芯折射率分布纤芯折射率分布一般分为两类，即梯度型分布及阶跃型分布。一般的多模光纤可采用这两种分布的一种，而单模光纤只有阶跃型分布一种。2)光纤的尺寸一般光纤的外径是125um单模光纤纤芯芯径是9-10um，多模光纤的纤芯芯径是40-50μm，同心度偏差1-5um，这是对光纤通信所用光纤的尺寸。3)光纤的传播损耗引起光纤损耗的原因主要有三方面（1）瑞利散射，这主要是由于玻璃中密度分布涨落引起的（2）水吸收带，在玻璃中若残存百万分之一克重量的氢氧根，就会引起对各波长的光波的光损耗。ech（3）固有损耗，这是由于微观波导的不连续性引起的。4)数值孔径数值孔径是描述光纤受光程度的参数，通常用光从空气入射到纤芯允许的最大入射角的正弦值来描述。5)带宽带宽是光纤的一个重要参数，它使渐变型光纤像一个低通滤波器一样，对光发射机的功率调制产生影响。它使光纤的传输函数的大小随调制频率升高而减小，而在整个频谱内的相关相位失真保持很小。为计算方便，这种频响可以近似为一个等效的高斯低通滤波器，最高带宽仅可能在某一个波长上发生，对于其它波长，带宽将减少下来，那带宽是波长的函数。其低通滤波器的截止频率与玻璃组成材料及部面折射率分布有关。13
13 为 3 米或 5 米、10 米，因其位置处于光纤线路的尾部，故称为尾纤。 尾纤的传输特性有工作波长、信号传输模式、带宽与损耗等，通常这些通过光纤光缆的 型号标志来识别，也可以用仪表来测试。 每种光纤都有特定的工作波长，当注入光信号的波长等于工作波长时，光纤损耗最小， 反之光纤损耗增大。因此把不同波长的光信号注入光纤，测量光纤损耗，当光纤损耗最小时， 该光信号的波长即为尾纤的工作波长。 2、成品光纤的主要参数 一般光纤成品有以下主要参数： 1)光纤的纤芯折射率分布 纤芯折射率分布一般分为两类，即梯度型分布及阶跃型分布。一般的多模光纤可采用这 两种分布的一种，而单模光纤只有阶跃型分布一种。 2)光纤的尺寸 一般光纤的外径是 125μm,单模光纤纤芯芯径是 9-10μm，多模光纤的纤芯芯径是 40-50μm，同心度偏差 1-5μm，这是对光纤通信所用光纤的尺寸。 3)光纤的传播损耗 引起光纤损耗的原因主要有三方面： （1）瑞利散射，这主要是由于玻璃中密度分布涨落引起的。 （2）水吸收带，在玻璃中若残存百万分之一克重量的氢氧根，就会引起对各波长的光波 的光损耗。 （3）固有损耗，这是由于微观波导的不连续性引起的。 4)数值孔径 数值孔径是描述光纤受光程度的参数，通常用光从空气入射到纤芯允许的最大入射角的 正弦值来描述。 5)带宽 带宽是光纤的一个重要参数，它使渐变型光纤像一个低通滤波器一样，对光发射机的功 率调制产生影响。它使光纤的传输函数的大小随调制频率升高而减小，而在整个频谱内的相 关相位失真保持很小。为计算方便，这种频响可以近似为一个等效的高斯低通滤波器，最高 带宽仅可能在某一个波长上发生，对于其它波长，带宽将减少下来，那带宽是波长的函数。 其低通滤波器的截止频率与玻璃组成材料及剖面折射率分布有关
6)有效截止波长这是描述单模光纤的一个重要参数。它表明，在单模光纤的波长域中仅可以传播的模，所谓截止波长是指基模。测量有效截止波长的方法有多种，一般采用挠曲法，在这种方法中，首先将一段光纤在直线状态下测量一下损耗：然后在弯曲状态下测量损耗。这样可以推算出由于弯曲增加的衰耗，而有效截止波长就是这样定义的，在截止波长下由于弯曲增加的损耗是0.1dB。当工作频率低于这个截止波长所对应的频率时，规定的传播模不能存在，大于截止波长的相应频率的光进入包层区域损耗掉。这个名词是从以前波导理论研究中借用来的。7)模场直径这是单模光纤的另一重要参数，也称为光点尺寸。在单模光纤中主要传送的是基模，而模场直径与基模光斑的大小有关，它以基模场强减少到1/e处的宽度来定标，它表征入纤的光功率分布。五、实验注意事项1.在实验过程中切勿将光纤端面对着人，切勿带电进行光纤的连接2.由于光纤的损耗很小，一般为0.2～5dB/km，为了使实验效果明显，则至少需要数千米的光纤，实现起来比较困难，所以在实验中用光固定衰减器来代替。六、实验步骤1.关闭实验系统。按以下方式用连信号连接导线连接：数字信号源模块1310数字光发模块P300—P100（数字信号输出一（数字光发信号输入）2.用光纤跳线连接1310nm光发模块的光纤活动连接器和光功率计的光纤活动连接器。3.将1310nm数字光发模块的拨码开关J100第一位拨到ON状态，第二位拨到OFF状态，将1310nm数字光发模块的手调电位器向左旋到最大。4.打开系统电源。将数字信号源输第一路的拨码开关U311全拨到OFF状态，即输入到1310nm数字光发模块的信号始终为1"。5.观察光功率计的读数P1。6.关闭系统电源。在光纤跳线和光功率计之间插入一个光固定衰减器。然后再用光纤跳线连接光固定衰减器和光功率计。7.打开系统电源。观察光功率计的读数P2。14
14 6)有效截止波长 这是描述单模光纤的一个重要参数。它表明，在单模光纤的波长域中仅可以传播的模， 所谓截止波长是指基模。 测量有效截止波长的方法有多种，一般采用挠曲法，在这种方法中，首先将一段光纤在 直线状态下测量一下损耗；然后在弯曲状态下测量损耗。这样可以推算出由于弯曲增加的衰 耗，而有效截止波长就是这样定义的，在截止波长下由于弯曲增加的损耗是 0.1dB。 当工作频率低于这个截止波长所对应的频率时，规定的传播模不能存在，大于截止波长 的相应频率的光进入包层区域损耗掉。这个名词是从以前波导理论研究中借用来的。 7)模场直径 这是单模光纤的另一重要参数，也称为光点尺寸。在单模光纤中主要传送的是基模，而 模场直径与基模光斑的大小有关，它以基模场强减少到 1/e 处的宽度来定标，它表征入纤的光 功率分布。 五、实验注意事项 1.在实验过程中切勿将光纤端面对着人，切勿带电进行光纤的连接。 2.由于光纤的损耗很小，一般为 0.2～5dB/km，为了使实验效果明显，则至少需要数千米 的光纤，实现起来比较困难，所以在实验中用光固定衰减器来代替。 六、实验步骤 1.关闭实验系统。按以下方式用连信号连接导线连接： 数字信号源模块 （数字信号输出一） P300—P100 ————→ 1310 数字光发模块 （数字光发信号输入） 2.用光纤跳线连接 1310nm 光发模块的光纤活动连接器和光功率计的光纤活动连接器。 3.将 1310nm 数字光发模块的拨码开关 J100 第一位拨到 ON 状态，第二位拨到 OFF 状态， 将 1310nm 数字光发模块的手调电位器向左旋到最大。 4.打开系统电源。将数字信号源输第一路的拨码开关 U311 全拨到“OFF”状态，即输入到 1310nm 数字光发模块的信号始终为“1”。 5.观察光功率计的读数 P1。 6.关闭系统电源。在光纤跳线和光功率计之间插入一个光固定衰减器。然后再用光纤跳线 连接光固定衰减器和光功率计。 7.打开系统电源。观察光功率计的读数 P2
8.关闭系统电源，拆除实验导线，将各实验仪器摆放整齐。七、实验报告1.记录实验参数P1、P2。按公式P=P1-P2，得到光纤的插入损耗P。2.换1550nm光发端。然后再测量插入损耗。Lab Tech15
15 8.关闭系统电源，拆除实验导线，将各实验仪器摆放整齐。 七、实验报告 1.记录实验参数 P1、P2。按公式 P=P1-P2，得到光纤的插入损耗 P。 2.换 1550nm 光发端。然后再测量插入损耗