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光纤传感实验指导书
光纤传感技术实验指导书
（2004试用版）
燕山大学信息科学与工程学院光电子系
2004年9月
目录
实验一光纤无源器件的特性测试……………………………………1
实验二LED光源I—P特性曲线测试……………………….………13
实验三反射式光纤位移传感实验……………………………………30
实验一光纤无源器件的特性测试
一、实验目的
1、了解光纤活动连接器、光分路器、光耦合器及光波分复用器的工作原理及其结构。
2、掌握光纤活动连接器、光分路器、光耦合器及光波分复用器的正确使用方法。
3、掌握它们的主要特性参数的测试方法。
二、实验仪器
光纤通信原理实验仪、光功率计、光纤活动连接器、光分路器、波分复用器、光纤跳线。
三、实验原理
（一）单模光纤活动连接器
一个完整的光纤线路是由许多光纤接续而成的。
接续分为永久性的和可拆卸的两类，前者是用电弧放电法，使两根光纤端头熔化而连接在一起，后者是通过活动连接器使两根光纤的端面作机械接触。
无论哪种接续，其基本的技术要点都是光纤模斑要匹配，光纤端面要平整，光纤轴线要对准。
好的连接的标准是插入损耗小和反射损耗大。
光纤连接处的插入损耗和反射损耗的定义为
1-2
1-1
式中P1为入射光功率，P2为出射光功率，P3为反射光功率，如图1-1所示。
由于连接处不可免的不连续性，P2＜P1，P3≠0。
实质上，泄漏模和散射光造成Pl＞P2+P3，即使后向反射光P3小到可以略去不计，仍然有P1＞P2，即插入损耗存在。
图1-1光纤连接处的功率关系
光纤活动连接器是可重复拆卸的无源器件。
主要的技术要求除了插入损耗小、反射损耗大外，还有拆卸方便、互换性好、重复性好。
光纤活动连接器种类很多，如平面对接式（FC型）、直接接触式（PC型）和矩形（SC型）活动连接器等。
1．FC型单模光纤活动连接器。
典型的FC型单模光纤活动连接器结构如图2-2所示，它由套筒、插针体a、b和装在插针体中的光纤组成。
将a、b两者同时插入套筒中再将螺旋拧紧，就完成了光纤的对接。
两插针体端面磨成平面，外套一个弹簧对中套筒，使其压紧并精确对准定位。
图1-2FC型单模光纤活动连接器
2．PC型单模光纤的活动连接器。
FC型连接器中的两根光纤处于平面接触状态，端面间不免有小的气隙，从而引起损耗和菲涅尔反射。
改进的办法是把插针体端面抛磨成凸球面，这样就使被连接的两光纤端面直接接触。
FC型和PC型单模光纤活动连接器的插入损耗都小于0．5dB，而PC型结构可将反射损耗提高到40dB，光纤活动连接器的套筒和插针套管采用陶瓷材料后，光纤活动连接器的寿命（插拔次数）可大于10000，而温度范围可扩展至一40～+80℃。
3．SC型单模光纤活动连接器。
SC型单模光纤活动连接器如图1-3所示。
与FC型、PC型活动连接器依靠螺旋锁紧对接光纤不同，SC型活动连接器只需轴向插拔操作，能自锁和开启，体积小，最适宜于高密度安装。
（二）光分路器
光分路器是一种光无源元件，用来将一路输入光功率分配成若干路输出,在光纤电视分配网络中特别需要将光发送机的大功率分配给一系列光接收机。
从性能、可靠性、使用方便和价格等方面考虑，现在无例外地都采用熔锥型单模光纤耦合器构成1XN光分路器。
图1-3SC型单模光纤活动连接器。
将2X2单模光纤耦合器（图1-4）的第4臂剪去，即得1X2光分路器,同法将3X3单模光纤耦合器（图1-5）的第5、6臂剪去即得1X3光分路器。
P1P2
12
43
P4P3
图1-42X2单模光纤耦合器
62P2
P113P3
54P4
图1-53X3单模光纤耦合器
对于n≥4，有两个办法构造1Xn光分路器，其一是若干个1X2的光分路器的级联，其二是若干个1X2光分路器和1X3光分路器级联。
（三）光耦合器
光耦合器又称光定向耦合器，是对光信号实现分路、合路、插入和分配的无源器件。
它们是依靠光波导间电磁场的相互耦合来工作的。
1、光耦合器的分类
光定向耦合器的种类很多，最基本的是实现两波耦合的耦合器。
从结构上说，两个入口的光定向耦合器有如图1-6所示的品种。
第一类为微光元件型。
除了图1-6（a）那样采用微型透镜、半反射透镜的结构外，多数都是以自聚焦透镜为主要的光学构件，如图1-6（b）、（c）、（d）、（e）、（f），利用λ/4的自聚焦透镜能把会聚光线变成平行光线的特点来实现两束光线的耦合。
图1-6几种光定向耦合器的结构示意图
第二类为光纤成形型，如图1-6（g）。
星形耦合器是光纤成形中最典型的形式，可以用两根以上的光纤经局部加热融合而成。
这种光纤耦合器的附加损耗和分光比由光纤选型和熔融拉伸工艺所决定，若人工操作，则成品率不高。
现在已出现自动熔融拉伸设备，可以自动监测分光比和拉伸量，用计算机控制微型喷灯的工作及气流量，这样制得的熔锥型光纤耦合器的平均插入损耗可达0．1dB以下，分光比精度可达1％以下。
熔锥型光纤耦合器的结构如图1-7所示。
图1-7熔锥型光方向耦合器
第三类为光纤对接耦合型。
它是用玻璃加工技术，把光纤磨抛成楔形，将两根光纤的楔形斜面对接胶黏后，再与另一根光纤的端面黏结。
其附加损耗可以低于1dB，隔离度大于50dB，分光比可由1：
1至1：
100。
或者先将两根光纤在一定长度上磨掉近一半，然后把这两半光纤黏结在一起。
如图1-6（h）所示。
第四类为平面波导型。
它是用平面薄膜光刻、扩散工艺制作的，其一致性好，分光比精度也高，但耦合到光纤的插入损耗较大。
如图1-6（i）所示。
在上述各类光耦合器中，熔锥型光纤耦合器制作方便，价格便宜，容易与外部光纤连接为一整体，而且可以耐受机械振动和温度变化，故应用最多。
2、2X2单模光纤耦合器的性能指标
2X2单模光纤耦合器的结构方框图如图1-8所示。
图1-82X2单模光纤耦合器方框图
2X2单模光纤耦合器按应用目的可分别制成分路器和波分复用器，前者工作于一个波长，而后者则工作于两个不同的波长。
当工作于一个波长时，光源接于端口1（或4），光功率除了传输到端口2（或3）外，也耦合到端口3（或2）。
几乎没有光功率从端口1（或4）耦合到端口4（或1）。
另外系统是可互易的，端口1、4可以与端口2、3交换，这种耦合器的主要技术指标如下。
1．工作波长λ0
通常取1．31um或1．55um。
2．附加损耗Le
附加损耗的定义为
1-3
式中Pl为注入端口1的光功率，P2、P3分别为端口2、3输出的光功率。
好的2X2单模光纤耦合器的附加损耗可小于0．2dB。
3．分束比（或分光比）Ri
分束比的定义为
1-4
其值根据应用要求而定。
4．分路损耗Li
分路损耗的定义为
1-5
5．反向隔离度Lr
反向隔离度的定义为
1-6
通常应有Lr>55dB。
测量反向隔离度时，须将端口2、3浸润于光纤的匹配液中，以防止光的反射。
除此以外，尚有机械性能和温度性能指标。
当工作于两个不同的波长时，若两个波长为λ1、λ2的光波都从端口l注入，则端口2为λ1光波的输出口、端口3为λ2光波的输出口。
波分复用器的主要技术指标如下。
1）工作波长λ1、λ2
工作波长λ1、λ2值由应用要求而定，例如1．31um／1．55um…
2）插入损耗Li
插入损耗的定义为
1-7
即波长为λ1输入光功率P1与输出光功率P2之比（化成分贝数）或波长为λ2的输入光功率P1与输出光功率P3之比（化成分贝数）。
优良的波分复用器的插入损耗可小于0．5dB。
3）波长隔离度Lλ
波长隔离度的定义为
1-8
它们是一个波长的光功率串扰到另一波长输出臂程度的度量（化成分贝数）。
Lλ值一般应达到20dB以上。
作为波分复用器的单模光纤耦合器可单向运用，也可双向运用。
在单向运用时，两个不同波长的光波从端口1注入，端口2、3分别有一个波长的光波输出，这是分波器。
反之，两个不同波长的光波分别从端口2、3注人，则端口1有两个波长光波的合成输出，这是合波器。
合波器、分波器分别应用在波分复用光纤传输系统的发送端和接收端，如图1-9所示。
在双向运用时，正方向和反方向传输的光波的波长不同，两个波分复用器分别置于双向光纤传输系统的两端，起按波长分隔方向的作用，如图1-10所示。
图1-9波分复用光纤传输系统
图1-10双向光纤传输系统
（四）各无源器件特性测量框图
1．测试活动连接器插入损耗的实现
向光发机的数字驱动电路送入一伪随机信号（长度为24位），保持注入电流恒定。
将活动连接器连接在光发机与光功率计之间，记下此时的光功率P2；取下活动连接器，再测此时的光功率，记为P1，将P1、P2代入公式1-1即可计算出其插入损耗。
其实验原理框图如图1-11所示。
图1-11活动连接器插入损耗的测量原理图
2．活动连接器的回波损耗
向光发机的数字驱动电路送入一伪随机信号（长度为24位），保持注入电流恒定。
测得此时的光功率记为P1。
将活动连接器按图1-12接入。
测得此时的光功率为P2，将P1、P2代入公式1-2即可计算出其回波损耗。
其测试框图如图24-12所示：
图1-12活动连接器回波损耗的测量
3．波分复用器的光串扰
波分复用器的光串扰即为其隔离度，其测试原理框图如图1-13所示。
图1-13波分复用器光串扰的测量原理图
上图中波长为1310nm、1550nm的光信号经波分复用器复用以后输出的光功率分别为P1、P2，解复用后分别输出的光信号，此时从1310窗口输出13lOnm的光功率为P11，输出1550nm的光功率为P12；从1550窗口输出1550nm的光功率为P21，输出1310nm的光功率为P22。
将各数字代入下列公式：
1-10
1-9
上式中L12、L21即为相应的光串扰。
由于便携式光功率计不能滤除波长13lOnm只测1550nm的光功率，同时也不能滤除1550nm只测1310nm的光功率。
所以改用下面的方法进行光串扰的测量。
测量1310nm的光串扰的方框图如1-14（a）所示，测量1550nm的光串扰的方框图如1-14（b）所示。
图1-14波分复用器光串扰的测量框图
1-12
1-11
式中L12，L21即是光波分复用器相应的光串扰。
四、实验内容及步骤
（一）测量活动连接器的插入损耗
1.关闭系统电源，按图1-11（a）将光发送模块的的光输出端（1310nmTX）、光跳线、光功率计连接好。
2.将1310nm固定速率时分复用接口模块的FY-OUT与1310nm光发送单元的数字信号输入端口P202连接，用导线连接固定速率时分复用单元的D1、D2、D3分别到D_IN1、D_IN2、D_IN3。
3.将单刀双掷开关S200拨向数字传输端。
4.开启系统电源，用光功率计测量此时的光功率P1。
5.将光跳线和活动连接器串入其中，如图1-11（b），测得此时的光功率为P2。
6.代入公式1-1中，计算出活动连接器的插入损耗。
7.关闭电源开关，拆除导线以及光器件。
（二）测量活动连接器回波损耗
1.按图1-12（a）将光发送模块的的光输出端（1310nmTX）、Y型分路器、光功率计连接好。
2.关闭系统电源，保持上一个实验内容的连接不变。
3.打开电源开关，用光功率计测量此时光发端机的光功率P1。
4.再按图1-12（b）连接测试系统，测得此时的光功率为P2。
5.代入式1-2中，计算活动连接器的回波损耗。
6.关闭电源开关，拆除导线及光器件。
（三）测量波分复用器的光串扰
1.测量1310nm的光串扰：
a.如图1-14（a）所示连接导线，关闭系统电源，将1310nm固定速率时分复用接口模块的FY-OUT与1310nm光发送单元的数字信号输入端口P202连接，用导线连接固定速率时分复用单元的D1、D2、D3分别到D_IN1、D_IN2、D_IN3。
b.取一只波分复用器（A），用光跳线将波分复用器的1310端与1310nm光发送端口（1310nmTX）的法兰盘对接，即：
将光纤小心地插入法兰盘，在插入的同时保证光跳线的凸起部分与法兰盘凹槽完全吻合，然后拧紧固定帽即可。
c.将波分复用器的1550端戴好橡胶保护套。
d.用光跳线将波分器（A）的单光纤端与光功率计连接好。
e.开启系统电源，将1310nm光发模块的开关S200拨向数字传输端，将光功率计选择1310nm档，测出图1-14（a）中的光功率P1。
f.关闭系统电源，取另一只波分复用器（B），用光跳线将两只波分器的单光纤端连接好。
g.开启系统电源，用光功率计测出图1-14（a）中的光功率P22。
h.代入式1-11中，算出波分复用器的光串扰。
2.测量1550nm的光串扰：
a.如图1-14（b）所示连接导线，关闭系统电源，将1550nm固定速率时分复用接口模块的FY-OUT与1550nm光发送单元的数字信号输入端口P202连接，用导线连接固定速率时分复用单元的D1、D2、D3分别到D_IN1、D_IN2、D_IN3。
b.取一只波分复用器（A），用光跳线将波分复用器的1550端与1550nm光发送端口（1550nmTX）的法兰盘对接。
c.将波分复用器的1310端戴好橡胶保护套。
d.用光跳线将波分器（A）的单光纤端与光功率计连接好。
e.开启系统电源，将1550nm光发模块的开关S200拨向数字传输端，将光功率计选择1550nm档，测出图1-14（b）中的光功率P2。
f.关闭系统电源，取另一只波分复用器（B），用光跳线将两只波分器的单光纤端连接好。
g.开启系统电源，用光功率计测出图1-14（b）中的光功率P12。
h.代入式1-12中，算出波分复用器的光串扰。
i.做完实验后，关闭系统电源，拆除导线及光学器件，将各实验仪器摆放整齐。
五、实验报告要求
1.记录各实验数据，根据实验结果算出活动连接器的插入损耗，活动连接器的回波损耗以及波分复用器的光串扰。
2.分析活动连接器插入损耗产生原因。
实验二LED光源I—P特性曲线测试
发光二极管简称LED（LightEmittingDiode），是目前比较常用的半导体光源。
它的输出光功率（P）随驱动电流（I）的变化而变化。
因此测量LED光源的I—P特性曲线具有非常重要的理论意义和工程应用意义。
一、实验目的
1、了解“光纤传感实验仪”LED光源及PIN探测器的基本构造和原理；
2、熟悉LED光源的I—P特性，掌握I—P特性曲线的测量方法；
3、测量一组P、I值并绘出I—P特性曲线。
二、实验仪器
光纤传感实验仪主机（图1）、发射—接收光纤（图2），二维调节架（图3）所示。
图1光纤传感实验仪示意图
三、实验原理
1、LED光源的结构及发光机理
LED光源是一种固态P—N结器件，属冷光源，其发光机理是电致发光。
在电场作用下，半导体材料发光是基于电子能级跃迁的原理。
如图4所示，当发光二极管的P—N结上加有正向电压时，外加电场将削弱内建电场，使空间电荷区变窄，载流子扩散运动加强。
图3二维调节架
由能带理论可知，当导带中的电子与价带中的空穴复合时，电子由高能级向低能级跃迁，同时电子将多余的能量以光子的形式释放出来，产生电致发光现象。
光子能量大小取决于半导体材料的禁带宽度Eg（Eg=E1-E0），能量越大，发出光波的波长就越短，即
（2—1）
其中c为光速，h为普朗克常数。
另外，LED光源发出的光谱有一定的宽度。
这是因为：
第一、两个能带都有一定宽度，所以跃迁的起点、终点都有一定范围，导致了光谱具有一定宽度；第二、实际上半导体内的复合是复杂的，除了本征复合（电子直接从导带跃迁到价带，与电子复合，同时发射出光子）之外，还存在导带与杂质能级、价带与杂质能级及杂质能级之间的跃迁。
本实验仪采用的LED光源中心波长为0.89m。
2、PIN型光电二极管的结构和工作原理
光电二极管通常是在反向偏压下工作的光伏效应探测器。
光电二极管的基本结构是PN结。
如图5所示，外加反偏电压方向与PN结内电场方向一致，当PN结及其附近被光照射时就产生光生载流子，光生载流子在势垒区电场作用下漂移过结，参与导电。
当入射光强变化时，光生载流子浓度及通过外电路的光电流也随之变化，这种变化特性在入射光强很大的范围内保持线性关系，从而保证了光功率在很大范围内与电压有如下线性关系
（2—2）
其中P为光功率，U为PN结两端电压，k为比例系数。
图5光电两极管的原理与结构图
本实验所采用的是PIN型二极管。
如图5所示，它主要由P区、I区（本征区）和N区三部分组成，与简单的光电二极管相比，它增加了一个约10m厚的I区。
I区相对于N区和P区而言是高阻区，外加反向偏压的大部分都落在I区，这样就加宽了耗尽区，增大了光电转换的有效工作区域，提高了灵敏度。
I层的存在，还可以起到减小结电容、提高响应度等作用。
四、实验内容及操作要点
1、取出发射—接收光纤，将光源端与LED光源的插接座相连，探测器端与PIN探测器的插接座相连。
2、接通电源，LED驱动电流显示窗上将指示出LED的驱动电流值，（单位：
mA）。
调整电流调节按键使电流达到最小。
3、每隔2.5mA，对应记录下经光电转换放大后的输出电压值（单位：
mV），此电压值正比于光输出功率。
五、数据记录及处理
1、把直接测量数据I、U填入下表，并根据2—2式算出P值。
次数
1
2
3
4
5
6
7
I（mA）
U（mV）
P（W）
8
9
10
11
12
13
14
I（mA）
U（mV）
P（W）
2、根据数据作LED光源的I—P特性曲线。
实验三反射式光纤位移传感实验
光纤传感实验仪是由多种形式的光纤传感器组成，是集教学和实验于一体的传感测量系统，它具有结构简单，灵敏度高，稳定性好，切换方便，应用范围广等特点。
在实验过程中，我们用光纤传感实验仪构成反射式光纤微位移传感器，可用以测量多种可转换成位移的物理量。
一、实验目的
1、了解“光纤传感实验仪”的基本构造和原理，熟悉其各个部件,学习和掌握其正确使用方法；
2、了解一对光纤（一个发光、一个接收光）的反射接收特性曲线；
3、学习掌握最简单、最基本的光纤位移传感器的原理和使用方法。
二、实验仪器
光纤传感实验仪主机（图1）、反射接收光纤（图2）、准三维调节架（图3）所示。
LED—光源输出插座；
PIN—光探测器输入插座；
AUTO—自动步进键；
PRO—编程控制键；
UP、DOWN—配合PRO设定输出电流上下限；
SET—设置键；
UL、DL、mA、mV、W—仪器显示状态指示灯。
图2反射接收光纤组件
图3二维调节架
三、实验原理：
采用的光纤传感器的原理如图4所示。
光纤探头A由两根光纤组成，一根用于发射光，一根用于接受反射镜反射的光，R是反射镜。
系统可工作在两个区域中，前沿工作区和后沿工作区（见图5）。
当在后沿区域中工作时，可以获得较宽的动态范围。
就外部调制非功能型光纤传感器而言，其光强响应特性曲线是这类传感器的设计依据。
该特性调制函数可借助于光纤端出射光场的场强分布函数给出
（1）
式中
为由光源耦合入发送光纤中的光强；
为纤端光场中位置
处的光通量密度；
为一表征光纤折射率分布的相关参数，对于阶跃折射率光纤，
；
为光纤芯半径；
为与光源种类、光纤的数值孔径及光源与光纤耦合情况有关的综合调制参数。
如果将同种光纤置于发送光纤纤端出射光场中作为探测接收器时，所接收到的光强可表示为
（2）
式中
（3）
这里，S为接收光面，即纤芯端面。
在纤端出射光场的远场区，为简便计，可用接收光纤端面中心点处的光强来作为整个纤芯面上的平均光强，在这种近似下，得到在接收光纤终端所探测到的光强公式为
（4）
如图4所示的光纤传感探头，当光纤传感器固定时，反射器可在光纤探头前作垂直于探头方向的移动。
设反射面到探头的间距分别为x，则如图4（b）所示，光纤探头的调制函数为
（5）
对于本系统设计采用的多模光纤，
，光纤芯半径
，两光纤间距
，综合调制参数
。
其归一化理论曲线如图5所示。
图5反射式调制特性曲线
四、实验内容和要求：
1、反射式光纤位移传感器的调制特性曲线的测量
实验步骤：
（1）、将反射式光纤探头卡在纵向微动调节架上，对准反射器并使光纤探头与反射镜间距调到约0.1mm左右；
（2）、接通电源，将LED驱动电流调到指定电流；
（3）、调整纵向微动调节架，将探测光纤推进到与反射镜表面即将接触的位置记录下螺旋测微器的读数，然后停止；
（4）、沿某纵向向远离反射镜的方向旋转微动调节架，每次调节0.1mm并记录螺旋测微器的读数和电压输出值，直至5mm；
（5）、在坐标纸上作出一条曲线。
2、位移传感标定
由理论曲线可以看出，光纤位移传感器可工作在两个区域，既上升沿（前沿）和下降沿（后沿），前沿工作区的灵敏度高但动态范围小，而后沿工作区灵敏度底而动态范围较大，可视需要而定。
在作为光纤传感器使用时，对传感器要进行标定。
标定方法是：
根据调制特性曲线选则线性区，然后在选好的线性区间内给出标定曲线，测试步骤类似于调制特性曲线测试的实验内容。
每隔50m记录下输出电压数值，作出光纤探头和反射镜间距与电压输出的特性曲线。
于是，反射镜与光纤探头间的距离可由曲线的多项式拟合出来。
3、实验扩展
将光纤传感器取下，自行设计一个实验，测量一个可以转换成位移的其它物理量。
如长度的改变、双金属片随温度的变化、膜片随压力的变化等。
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