光纤的熔接实验北京交通大学.docx
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光波技术基础实验
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光波技术基础实验
实验一 光纤熔接实验
一、 实验目的
熟悉光纤,了解切割仪器和熔接仪器的使用,进行光纤熔接并测
量熔接点的损耗(dB)。
二、 实验仪器
一段光纤,酒精,绵纸,切割仪器,自动熔接机,剥线钳。
三、 实验步骤
1. 取两段需要固定连接的光纤跳线,在其中的一段跳线的一端
套上热缩管;
2. 用剪刀等工具去除松套管和尼龙加强材料,露出光纤紧套管;
3. 用光纤紧套管剥除工具去除紧套管,露出光纤涂敷层;
4. 用光纤剥线钳剥去大约 10 厘米的光纤涂敷层,露出光纤包层;
5. 用绵纸蘸酒精把剥好的光纤擦干净;
6. 左手拿光纤把脱去涂敷层的一端放入切割仪器靠近自己一边
的凹槽里,切割点到有涂敷层的地方大约留半厘米,感觉放
平后按下切割机的盖子开始切割,听到轻微的“咔踏”一声
后,切割完毕;
7. 切割好的光纤放入光纤熔接机一侧的光纤夹持器;
8. 另一段光纤跳线重复进行 2.至 6.的操作,放入光纤熔接机另
一侧的光纤夹持器;
9. 两段切割好的光纤放入熔接机后,观察熔接机屏幕,当显示
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光波技术基础实验
光纤切割口整齐才可以开始焊接,否则重新做 2.至 8. 的操作;;
10. 屏幕显示光纤已经切割合格并放置正确后,推上熔接机保护
盖,按下自动焊接旋钮,熔接开始自动进行,屏幕上会显示
光纤自动对齐和熔接过程;
11. 熔接结束后,熔接机根据屏幕拍摄的熔接点热图像,利用光
纤耦合模理论编制的程序,自动分析熔接点的损耗大小;
12. 拍摄你所熔接的光纤的接点损耗情况;
13. 打开熔接机保护盖,打开两侧的夹持器,小心推(拉)热缩
管到裸光纤位置并将其放置于热炉中;
14. 按下热炉加热开关,热炉到达预定时间会自动停止加热;
15. 取出带有热缩管保护的光纤,观察熔接和保护情况是否合格;
根据你所拍摄的热图和你熔接的损耗值,分析损耗产生的大致原
因,写入实验报告。
四、 基本原理
利用光纤熔接机将光纤接续,光纤熔接机上光纤的对准可以是自
动的也可以是人工的,并通过远端功率监控或本地电视摄像监控对准
效果和熔接效果。
光纤损耗(或衰减)是表征光纤传输性能的一个非常重要的参数。
对光纤衰减的测量是光纤测量领域的一个重要内容。
由于熔接光纤操作的不完善,将产生光纤的耦合损耗。
光纤的耦合损耗是光纤连接的主要损耗。
光纤作为光波导遇到不
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光波技术基础实验
连续点就产生损耗和反射,无论是固定接头还是活动接头作为光纤通
路,都是一种特定的不连续点。
入射端光纤和接收端光纤的相对位置,
光纤端面情况和光纤本身特性参数的匹配情况,都会产生连接损耗。
如果发射光纤和接收光纤特性参数完全匹配,并且端面完全理想,几何
位置配合很好,则其连接损耗就会很小,反之则损耗增大。
当两根光纤的轴线保持平行,但分开了距离 d 时的几何偏移称为
轴线横向偏移或侧向偏移。
当两根光纤的轴线在一条线上时,但它们
的两个端面之间存在距离 s 时的几何偏移称为纵向偏移。
当两根光纤
的轴线成某个角度时,以致两个端面不再平行时的偏移称为角度偏移
以及端面不平整等如图 1.1 所示。
无论是横向偏移还是纵向偏移或角度
偏移,都会引入连接损耗,其损耗大小与光纤参数及光纤端面处理情
况有关。
在上述三种偏移中横向偏移引入的损耗最大。
d
s
q
图 1.1 光纤非理想对接
若入射光纤的功率为 Pt ,接收光纤的功率为 Pr ,则耦合有效传输系
数T为
T =
Pr
Pt
(1.1)
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光波技术基础实验
有时也用耦合损耗L表示耦合时的功率损失
L = -10 log T == -10 logçç r
÷
ø
æ P
è Pt
ö
÷
(1.2)
r = (- 1/ 2)ò dq ò Re(E1 ´ H2* )rdr
对于理想光纤耦合, Pr = Pt ,T=1,L=0。
对于两段完全相同的
光纤,要得到这样理想的结果必须使两光纤的端面平整,完全接触,
无横向偏移无角度偏移,这些条件是无法完全满足的,因此光纤的连
接损耗无法避免。
如果两根光纤的参数不同还要引入额外的功率损失。
对以上引起耦合损耗的机制进行严格的解析分析是很困难的,下面在
假定为理想单模光纤的条件下,讨论某个原因引起的耦合损耗。
所得
结果与实际情况虽有差别,但可近似估计每种损耗所引起的误差。
光
纤中场的激发效率可表示为
2p ¥
0 0
( )
= (- 1/ 2)ò dq ò Re Ey1H x*2 rdr
2p ¥
0 0
(1.3)
式中 H2 为接收光纤中基模场的磁场强度的共轭。
而 E1代表发射光纤在
*
接收光纤端面上的基模电场强度。
Hx2 、 E y1代表相应的场分量。
各场量
取归一化值。
由激发效率可得传输系数
T =|r|2 (1.4)
将两光纤的基模场采用高斯近似可使光纤中场的激发效率大为简
化。
高斯场的表达式为
× çç
÷
ø
expçç - 2
÷
ø
E y = -
Z 0 H x
n2
=
2
S0
æ Z 0
è pn2
ö
÷
1/ 2
æ r 2
è s0
ö
÷
(1.5)
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光波技术基础实验
下面给出三种情况下的所得的功率传输系数。
(1)光纤端面纵向分离损耗
由于端面分离,光束离开发射光纤端面后即散开,部分光线不能
照到接收光纤芯子的端面上,于是引起耦合损失。
当间隙加大时,耦
合损失也随之增加。
一般两光纤中的基模场有不同的模场半径,设各
为 S1 、 S2 。
光纤端面的纵向分离距离为D。
定义归一化分离距离为
Z = D k0n3 S1S2 ,n3 为空隙的介质折射率指数。
则传输系数为
4[4Z 2 + (S1 S2 ) ]
[4Z + (S ) S ] + [4Z (S
+ S
S1 )
T =
1 2 2
2 2 2 2 2 2
2
2
2
]
(1.6)
当两光纤的端面完全接触时,D=0,Z=0,则
T = ê
(
)
é 2S1S2 ù
ë S1 + S2 û
2 2 ú
2
(1.7)
如果两根光纤的模场半径相同, S1 = S2,T = T0 = 1。
这是理想情况。
除了上述由光束发散所引起的损耗外,还有在光纤芯子与空气交界面
上的反射损耗。
空气的折射率指数为 n
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= n 0 = 1 ,设光纤芯子折射率为
n = 1.5,则在两者的界面上功率反射系数为 R = [(n1 - n0 ) (n1 + n0 )] = 0.04 ,相
2
应的耦合损耗为 L=0.177dB。
发射光纤端面与接收光纤端面的反射损耗
相同,所以总反射损耗为 0.35dB。
在两端面之间加折射率匹配液可以
减小这种损耗。
(2)光纤横向偏移损耗
如两根光纤横向位移为 d,则功率传输系数为
T = T exp[-2 d / (S + S )]
2 2 2
0 1 2
(1.8)
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光波技术基础实验
T0 为无横向偏移时的功率传输系数,如式(1.7)。
定义当传输功率
[( ) ]
2
2
时横向偏移为 de = S1 + S2 2
减小到无横向偏移的
1 e
1 2
,Te = T0 e ,
在 S1 = S2 = S 的情况下,de = S 。
可见该距离恰为模场半径,利用
这一原理可进行光纤模场半径的测量。
(3)方向倾斜损耗
如两根光纤以轴向偏移角q 倾斜,则功率传输系数为
T = T0 exp{- 2(pn2S1S2q )
] [(S
2
2
1
+ S2 )l2 ]}
(1.9)
T0 为q = 0的功率传输系数。
当功率减小为Te = T0 e 时,相应的倾斜
角为
[(S
) ]
+ S22 2
qe =
2
1
pn2S1S2
1 2
l
(1.10)
五、 实验结果
在对光纤进行熔接之前,我们先对光纤做了处理,包括去除松套
管和尼龙加强材料、去除紧套管,以及剥去光纤涂敷层,露出光纤包
层,然后进行切割和最后的熔接。
实验结果如下图所示:
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光波技术基础实验
从图中可以看出,光纤已完成了熔接。
熔接的损耗约为 0.07dB。
六、 实验结果分析
1. 影响光纤熔接损耗的因素较多,大体可分为光纤本征因素和非本征
因素两类。
光纤本征因素是指光纤自身因素,主要有四点:
(1)光纤模场直径不一致;
(2)两根光纤芯径失配;
(3)纤芯截面不圆;
(4)纤芯与包层同心度不佳。
非本征因素即接续技术。
包括以下几点:
(1)轴心错位:
单模光纤纤芯很细,两根对接光纤轴心错位会影
响接续损耗。
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(2)轴心倾斜:
当光纤断面倾斜 1°时,约产生 0.6dB 的接续损
耗,如果要求接续损耗≤0.1dB,则单模光纤的倾角应为≤0.3°。
(3)端面分离:
活动连接器的连接不好,很容易产生端面分离,
造成连接损耗较大。
(4)端面质量:
光纤端面的平整度差时也会产生损耗,甚至气泡。
(5)接续点附近光纤物理变形:
光缆在架设过程中的拉伸变形,
接续盒中夹固光缆压力太大等,都会对接续损耗有影响。
2. 减小损耗的办法:
(1)选用品质较高的合格光纤。
(2)实验过程不随意弯曲光纤,保持实验环境整洁,尤其是切割
刀和熔接机电弧放电机构部分;光纤严格用酒精清洁。
(3)实验者熟悉操作流程,放置光纤的过程不能再次污染光纤和
仪器。
(4)光纤的断面切割要整齐,要求放置光纤时需要严格置于 V 形
槽内