光纤技术基础 实验指导书.docx

1、光纤技术基础 实验指导书光纤技术基础实验指导书编写：刘安玲 陈 英 长沙学院电子与通信工程系光电信息科学与工程教研室光电通信实验室2013年9月注：本课程实验学时为10学时，选开实验中必选1个。GCS-FIB 光纤技术基础实验仪简介一、实验仪组件型号、名称与规格序号型号名称规格1DH-HN250HeNe内腔激光器632.8 nm、2 mW、TEM002GCSO-310301台式光纤视频放大器放大倍率400，600线CCD接收，FC/PC接口3GCI-1601监视器靶面尺寸1/3 CCD，灵敏度0.5lux，传输速率40MB/S 分辨率768 576 24Bit（PAL）四路复合视频输入1 路S

2、-Video4DH-JG2功率指示器6波长标定650/632.8/532/514.5/488/473nm，量程2W/20W/200W/2mW/20 mW/200mW5GCX-L010-FCPC-f40AC光纤输出准直镜10mm光斑6GCC-401102宽带分光棱镜25.4，450-650nm7GCX-XMM-多模光纤跳线62.5/125-FC/PC-FC/PC-1m8GCX-XSM-4/单模光纤跳线125-FCPC- FCPC-1m9GC0-2105显微物镜40倍，L45mm10其他配件：裸光纤夹持器、可调棱镜支架、侧升降台、二维精密平移台、光纤调整架、多孔固定板、干板架、调节支座、支杆及底座

3、。二、使用注意事项1、光纤及光纤跳线皆为易损物品，严禁大力拉扯和剧烈弯折。跳线插拔时应手握卡口轻拉轻拔，使用完毕应大于10cm直径规则缠绕并妥善放置。2、各种光学镜头和光纤端面皆为易污染表面，严禁直接用手触摸和擦抹。清洁需用脱脂棉或镜头纸蘸少许乙醚与酒精混合液轻轻擦拭，禁止大力、来回反复擦拭。3、禁止用尖锐物品接触监视器和光学镜头。4、各种精密调整架和平移台都有一定的调整行程，请勿超出行程使用，以免损坏。实验一 光纤的端面处理与直径测量预习要求：要求能回答下列问题：1、光纤平端面处理的目的是什么？2、切割光纤前，为什么要先剥除涂覆层并清洁光纤头？3、清洁光纤时，为什么不能来回反复擦拭？4、光纤

4、端面处理合格的标志是什么？一、实验目的了解光纤的基本结构；掌握光纤平端面的处理方法，会用高倍显微镜观察光纤端面处理效果。掌握利用GCS-FIB实验仪测量光纤的纤芯直径、包层直径和模场直径的方法。二、实验原理 1、裸光纤的结构图1.1 光纤结构示意图裸光纤的结构如（图1.1）所示，由纤芯、包层和涂敷层三部分组成。以阶跃型光纤为例，纤芯的折射率大于包层折射率，光以某一角度进入光纤后，在纤芯和包层的界面上发生全反射，从而沿光纤全长传输。2、裸光纤平端面的处理方法本实验采用“切割法”制作裸光纤的平面光纤头。“切割法”又称“刻痕拉断法”。它是利用钻石或金刚石特制的光纤切割刀先在光纤侧表面垂直于纤轴轻轻刻

5、一小口，然后施加弯曲应力拉动光纤使其折断。因为石英的自然解理面为光滑的平面，利用这种方法制备平面光纤头的成功率一般较高，稍加训练即可获得满意的效果，因此已成为目前最常用的光纤头处理技术。3、光纤模场直径（MFD）在光纤中，光能量不完全集中在纤芯中传输，部分能量在包层中传输（如图1.2所示），纤芯直径不能反映光纤中的能量分布。所以用模场直径(MFD-Mode Field Diameter) 来表征在单模光纤中的基模光分布状态。基模在纤芯区域轴心线处光强最大，并随着偏离轴心线的距离增大而逐渐减弱。一般将模场直径定义为光强降低到轴心线处最大光强的1/(e2)的各点中两点最大距离。如图1.3所示。模场

6、直径的大小与所使用的波长有关系，随着波长的增加模场直径增大。 图1.2 电场强度在光纤中的分布 图1.3 模场直径定义三、实验所需器件GCS-FIB实验仪、高倍率读数显微镜裸光纤（单模光纤、多模光纤、塑料光纤）光纤跳线（单模、多模）乙醚与酒精混合液光纤切割刀（金刚刀）、双口光纤剥线钳（CFS-2型）V型槽脱脂棉四、实验步骤（1）裸光纤平端面的处理及观察1、观察。取单模光纤、多模光纤、塑料光纤的裸纤各10cm，在显微镜下观察其结构。从外观认识不同材质的光纤，区分石英光纤和塑料光纤。2、剥除涂覆层。用光纤剥线钳剥除单模光纤及多模光纤的预涂覆层(约20 mm长)。方法是：将裸光纤压在光纤剥线钳的V形

7、槽口上，垂直于剥线钳所在平面拉动光纤，使光纤的包层裸露出来。（朔料光纤无涂覆层，无需进行剥除。）3、清洁。用脱脂棉蘸乙醇与乙醚混合液包住光纤头，沿同一方向拉动光纤，切记不可来回重复擦拭。需要注意的是：操作者的手、金刚刀、V型槽亦应一并清洁。4、“切割法”制备平面光纤头。将清洁干净的光纤水平放置于V型槽内，用光纤切割刀先在光纤侧表面垂直于纤轴方向轻轻刻一小口，然后施加弯曲应力掰断光纤。5、检验光纤头质量。照亮高倍率显微镜视场并调整焦距使成像清晰，首先正面观察光纤端面其表面应均匀、无裂纹，圆周轮廓清晰；然后侧面观察光纤并转动光纤，其端部边缘应齐整，无凹陷或尖劈，且边缘与纤轴垂直。若不理想，则应重复

8、步骤25，直至满意为止。（检验平面光纤端面的另一个方法是向光纤中注入He-Ne激光，观察由光纤输出的光束质量，即可判定光纤端面的质量。一个好的光纤端面，其输出光斑应是圆对称的边缘清晰且与光纤轴线方向垂直；如果端面质量不高，则输出光斑就会发生散射或倾斜。）（2）直径的观测1、单模与多模光纤纤芯直径和包层直径的观测将单模光纤跳线一端的FC/PC接口与光纤视频观察仪连接，打开电源开关，观察仪与视频监视器连接，即可在屏幕上观察到光纤端面。细调对焦旋钮，使端面图像最清晰。观察端面是否清洁完好无破损，边缘是否整齐，分别辨识纤芯和包层，用纸和笔画出纤芯与包层的屏显位置，再用游标卡尺进行测量并记录其屏显数据。

9、测完后将单模光纤跳线换成多模光纤跳线，重复上述步骤。2、单模光纤的模场直径的观测将单模光纤跳线的FC/PC端与光纤视频观察仪接口连接，另一端与HeNe激光器或其他任意有光亮的地方对上，保证有一点点光能够进入纤芯，此时在屏幕上应该能够看到变亮的纤芯，观察此时变亮部分和之前没有光的时候直径大小是否有变化，用纸和笔画出变亮部分的屏显位置（光能分布范围），再用游标卡尺测量记录其屏显直径。3、将实验测得的屏显数据除以系统的放大倍率，得到实际的纤芯直径、包层直径和基模模场直径。体会模场直径的意义，分析此种方法测量的模场直径是否准确。五、实验数据纤芯屏显直径（游标卡尺数据）纤芯直径（换算后的数据）包层屏显直

10、径（游标卡尺数据）包层直径（换算后的数据）屏显模场直径（游标卡尺数据）模场直径（换算后的数据）单模光纤多模光纤附录：光纤及光纤端面处理的基本知识光纤主要由纤芯、包层和涂覆层三部分构成。纤芯位于光纤的中心部位，其主要成分是高纯度的二氧化硅（纯度高达99.99999%），其余成分为掺入的少量掺杂剂（作用是提高纤芯的折射率）。纤芯的直径一般为550微米。单模光纤的纤芯直径较小，一般为410微米；多模光纤的纤芯直径约为50微米。包层也是含有少量掺杂剂的高纯度二氧化硅（作用是降低包层的折射率），其直径一般为125微米。包层的外面涂覆一层很薄的涂覆层，通常需进行两次涂覆，涂覆层材料一般为环氧树脂或硅橡胶。

11、涂覆层的作用是增强光纤的韧性和机械强度，同时防止光纤收到损伤。在光纤的各种应用中，光纤端面处理是一种最基本的技术。光纤端面处理的形式可分为两种：平面光纤头与微透镜光纤头，前者多用于各种光无源器件以及光纤的连接与接续；后者则多用于光纤和各种光源及光探测之间的耦合。光纤端面处理的基本步骤为：涂覆层剥除，光纤头制备，光纤头检验。1、涂覆层剥除在制备光纤头之前，首先要剥除一段光纤的套塑层与预涂覆层(约2030mm长)，使光纤的包层裸露出来。剥除套塑层的方法之一是用刀片(如剃须刀片)切削；使光纤头与刀口之间成一小角度，用左手拇指将光纤头压在刀口上，右手拉动光纤即可剥除套塑层。预涂覆层的剥除也可采用类似的

12、方法进行。目前，已有专门的工具对套塑层合涂覆层进行剥除，如本实验中用到的双口的光纤剥线钳（CFS-2型）。在剥除套塑和预涂覆层之后，要用脱脂棉蘸乙醇乙醚混合液将光纤头清洗干净，才能进行下一步光纤头的处理。 2、光纤头制备(I) 平面光纤头的制备 对于平面光纤头的基本要求是，光纤端面应是一个平整的镜面，且须与光纤纤轴垂直。因此，将光纤简单地“一刀两断”是不行的，必须根据光纤的材料与品种选择合适的端面处理技术。对于石英系光纤，制备平面光纤头的常用方法有：加热法、切割法和研磨法。“加热法”是一种最原始也最简单的方法，同时在一般情形下也是行之有效的，且尤为适合于100 m以上直径的粗光纤。这种方法依据

13、的原理是光纤受局部加热产生的应力突变会使其沿直径方向解理，从而形成所需镜面制作时，首先将已剥除套塑层和预涂覆层的裸光纤头在电弧(或其它热源，如酒精灯下均匀加热，然后迅速用镊子(或相当的工具)夹住光纤端部弯曲折断即可利用这种方法制备光纤头的成功率一般较低，需要有相当的经验才能获得满意的效果。“切割法”又称“刻痕拉断法”。因为它是利用钻石或金刚石特制的光纤切割刀先在光纤侧表面垂直于纤轴轻轻刻一小口，然后施加弯曲应力拉动光纤使其折断利用这种方法制备平面光纤头的成功率一般较高，稍加训练即可获得满意的效果，因此已成为目前最常用的光纤头处理技术。而且技术人员已利用切割法”的原理制成了光纤切剥钳”，集剥除与

14、切割于一体，使用十分方便。“研磨法”是一种更为精密的光纤端面制备技术，它不仅可以使光纤端面更为接近于理想镜面，而且还可以克服“切割法”和“加热法”不易保证光纤端面与纤轴垂直的缺憾，使光纤端面倾斜角降至几十秒以下。“研磨法”涉及到极为复杂的光学加工技术，其基本过程为： a)套管加固：将剥除了涂覆层的光纤套入保护套管之中制成光纤插针；以备光学加工。保护套管一般分为内套管、中间过渡套管与外套管三层。内套管采用精密拉制的玻璃毛细管，其内径与光纤包层直径相当，外径与过渡套管内径相当；过渡套管与外套管一般采用特制的不锈钢管，对其内、外径几何尺寸与公差有较苛刻的要求。在每一层套管之间用环氧树脂胶加固，并需要

15、精密调节对中，以保证光纤与各层套管同轴。但由于调节环节较多，光纤在套管中的角向偏移仍不可避免。目前，人们已经采用了一种更为先进的“陶瓷套管”加固技术，利用特殊配方的陶瓷和精密模具成型技术直接制成内径125 m，外径2.8 mm的精密套管，消除了在套管中的角向偏移。以这种方法制备的光纤插针已经问世并获应用。 b)模具加工：已制成的光纤插针要用合适的模具固定夹持才能进行光学冷加工。模具的质量是影响光纤端面倾斜度的重要因素。模具材料的硬度要与光纤材料相匹配，央持机构要保证插针与模具盘研磨面垂直并便于安装和拆卸。 c)研磨抛光：一般可采用常规的光学冷加工技术对光纤端面进行研磨与抛光，使之成为完美的镜面

16、。在加工过程中，要随时检测光纤端面的垂直度，以获得最小的端面倾斜角。 (II)微透镜光纤头的制备 所谓微透镜光纤头是指在光纤端部制作一微透镜，以提高光纤接收光源功率或使光纤输出光功率更有效地会聚于光探器的光敏面上微透镜制备方法可分为两种：“烧球”和“点球”。“烧球”是对已制备好的平整光纤面进行加热(用电弧放电或其它方法)，使端部软化并成为一半球形微透镜。在加热过程中往复移动加热源和改变加热温度，可以获得不同曲率半径的透镜。“点球”是将已制备好的平整光纤端面浸入熔融的石英玻璃或光学环氧树脂胶之中“点缀”一微透镜。通过控制浸入深度与提升速度，可获得不同形状的微透镜。通过改变微透镜材料，还可获得不同

17、的透镜折射率，以适应不同场合光纤耦合的需要。 为了进一步提高光纤微透镜的耦合效率，还可将光纤头先拉制成锥形，然后再在锥端部制作微透镜这样可使得透镜的曲率半径大为减小，会聚能力大大提高光纤拉锥的方法有三种：第一种是“磨削法”，采用特殊的加工工艺将光纤的包层磨削成锥体，使锥端直径等于或略大于纤芯直径；第二种是“腐蚀法”，将光纤头浸入氢氟酸(或其它酸性溶剂)之中，由于腐蚀作用会使光纤头成为尖锥形状，然后对锥端进行切割处理；第三种是“加热拉锥法”，利用电弧放电加热光纤，同时向两侧拉动光纤直至断开，即可形成锥形光纤头。在后一种方法中，光纤的纤芯也会随包层一起变细而成为锥体从而使得在其中传播的光波场分布及

18、传播待性发生改变。 不同参数的光纤微透镜，其耦合效率有很大差异。应精心设计光纤锥长和微透镜曲率半径，以提高耦合效率。此外，光纤微透镜的反馈作用对LD的不利影响也是一个应考虑的重要因素。往往耦合效率高的透镜其光反馈也强，因此在两者之间要进行合理的选择。 3、光纤头质量的检验 光纤微透镜质量的好坏可依据其与LD耦合时损耗的大小来判定。方法是：取一横模特性好的LD芯片作为光源，首先测试其输出光功率，记为P1；然后保持该功率恒定不变(通常应对LD施行温度与功率自动控制)，用微调架调整光纤微透镜使其与LD芯片对准，在光纤的输出端进行扰模与滤模以剔除包层模和高阶模功率，然后测试光纤输出光功率，并精心调节使

19、其达到最大，记为P2则光纤的耦合损耗为： log(P2P1) （1-1）越小则光纤微透镜质量越好。检验平面光纤端面的最直观的方法是向光纤中注入HeNe光，观察由光纤输出的光束质量，即可判定光纤端面的质量。一个好的光纤端面，其输出光斑应是圆对称的边缘清晰且与光纤轴线方向垂直；如果端面质量不高，则输出光斑就会发生散射或倾斜。另一种更为精密的方法是利用高倍率显微镜来进行检验。首先正面观察光纤端面其表面应均匀、无裂纹，圆周轮廓清晰；然后侧面观察光纤并转动光纤，其端部边缘应齐整，无凹陷或尖劈，且边缘与纤轴垂直。实验二 光纤数值孔径测量预习要求：要求能回答下列问题：1、本实验采用什么方法测量光纤的数值孔径

20、？此法测量的结果是否准确？2、本实验对光纤和光源有何要求？什么情况下测量结果更准确？3、如何判断光源与光纤是否耦合好？一、实验目的掌握测量光纤数值孔径的一种方法；理解光纤数值孔径的物理意义；学习并实践光纤与光源的耦合。二、实验原理光纤数值孔径（NA）是光纤端面临界入射角的正弦值，表示光纤采光能力的大小，也是表征光纤和光源、光检测器及其他光纤耦合器耦合时耦合效率的重要参数。数值孔径越大，则光纤与光源或和其他光纤的耦合就越容易。但数值孔径过大，则光纤的相对折射率差也大，这会增加光纤的传输损耗，故数值孔径应取适当的值。实验上，常采用两种方法来测试光纤的数值孔径：“近场法”和远场法”。 “近场法”是根

21、据数值孔径的定义式，测出折射率n1和n2。 (2-1)其中nl和n2分别是纤芯中心最大折射率和包层折射率。由这种方法测得的数值孔径称为“标称数值孔径”或“理论数值孔径”。该方法对光纤测试样品的要求严格，测量系统所需组建较多，对仪器设备的要求也较高，需要强度可调的非相干稳定光源、具有良好线性的光检测器等，应用不便。 “远场法”又分为“远场光强法”和“远场光斑法”。“远场光强法”测量原理是，光纤在均匀激励下，其远场功率角向分布与理论数值孔径有着如下关系： （2-2）Ka为比例因子，由下式给出： （2-3）式中P(0)与P()分别是0和处远场辐射功率。g为光纤折射率分布参数。计算结果表明，若取P()

22、P(0)5，在g2时Ka的值大于0. 975。因此可将对应于P()曲线上功率下降到中心最大值的5处的角度c的正弦值定义为光纤的数值孔径。称之为有效数值孔径： (2-4)如图2.1所示。所谓远场光辐射功率，是指在远离光纤出射端面且与光纤轴心线垂直的远场平面上测试到的光功率，其最大值是在远场平面与轴心线的相交处。“远场法”要求光纤被均匀激励，也就是要求光源与光纤匹配（光源的数值孔径NAi和被测光纤的数值孔径NAf相等）或满注入（NAiNAf）。这是因为对于一段足够长的光纤，在匹配和满注入的情况下，在入射端面处所有的传导子午线都能进入光纤内部，若传导子午线以入射角i投射到光纤入射端面，则在光纤出射端面处，从光纤内部折射到空气一侧后，与光纤出射端面法线方向的夹角等于i。反之，若光纤不能被均匀激励，即欠激励（NAiNAf）或欠注入（NAiNAf）条件下，被测点与注入点的距离要大于或等于光纤的耦合长度(L1Lc)，才能获得稳态模式分布。只有在稳态模式分布的条件下，才能得到惟一代表光纤本征特性的衰减系数。Lc有多长？由于现代光纤拉制技术水平的提高，光纤芯与包层间界面的均匀度已相当高所以需要Lc25km时，光纤才能达到稳态模式功率分布。Lc这样长，在实验室测量时很不方使在实