光纤信息及光通信实验

光 纤 信 息 及 光 通 信 系 列 实 验

一、实验目的:

通过光纤信息及光通信系列的实验，了解和掌握该领域的基本知识和方法，为后续的实验打下坚实的基础。

二、实验系统仪器及配件：

光纤干涉演示仪 1台（633nm单模分束器1个；温度控制系统；，压力控制系统；GY-10型

He-Ne激光器1套；光纤耦合架 1个；SZ-42型调整架 1个，光纤架1个，SZ-13C型调整架 1个。）633nm单模光纤 2米；633nm多模光纤 2米； 633nm单模光纤（一端带有FC/PC接头）2米；普通通讯光纤1盘（1km）； 光纤切割笔 1支。

接收系统： SGN—1光能量指示仪1台； 三、实验项目

实验1 光纤光学基本知识演示

实验目的

通过具体演示，使实验者对光纤光学有基本的认识，为以后的实验打下基础。

实验仪器用具

光纤干涉演示仪 1台（633nm单模分束器1个；温度控制系统；压力控制系统；光纤耦合架 1个；SZ-42型调整架 1个，光纤架1个，SZ-13C型调整架 1个）；GY-10型He-Ne激光器1套；手持式光源1台；SGN—1光能量指示仪1台； 633nm单模光纤1米；光纤切割刀1套。 学习和实验内容

演示1 观察光纤基模场远场分布

操作 取一根约1米长的633nm单模光纤，剥去其两端的涂敷层，用光纤切割刀切制光学端面，然后参照图1示意，由物镜将激光从任一端面耦合进光纤，用白屏接收光纤输出端的光斑，观察光场分布。其中，中心亮的部分对应纤芯中的模场，外围对应包层中的场分布。

演示2 观察光纤输出的近场和远场图案

操作 取一根普通通信光纤（单模、多模皆可，相对633nm为多模光纤），参照演示1的操作步骤，将He-Ne激光器的输出光束经耦合器耦合进入光纤，用白屏接收出射光斑，分别观察其近

He-Ne激光器 五维微调架 光纤耦合架 单模光纤 光纤支架 输出光 白屏 图1 光纤基模场远场分布 场和远场图案。

演示3 观察光纤输出功率和光纤弯曲（所绕圈数及圈半径）的关系

操作 取一根约3米长的普通通信光纤，将光源输出的光耦合进光纤，由SGN—1光能量指示仪

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检测光纤输出光的功率，并记录此时的功率读数；将光纤绕于手上，改变绕的圈数和圈半径，观察并分析光纤输出功率与所绕圈数及圈半径大小的关系。

实验2 光纤与光源耦合方法实验

实验目的

1． 学习光纤与光源耦合方法的原理； 2．实验操作光纤与光源耦合。

实验仪器用具

光纤干涉演示仪 1台；GY-10型He-Ne激光器1套；SGN—1光能量指示仪1台；633nm单模光纤1米；光纤切割刀1套。 学习和实验内容 1． 耦合方法

光纤与光源的耦合有直接耦合和经聚光器件耦合两种。聚光器件有传统的透镜和自聚焦透镜之分。自聚焦透镜的外形为“棒”形（圆柱体），所以也称之为自聚焦棒。实际上，它是折射率分布指数为2（即抛物线型）的渐变型光纤棒的一小段。

直接耦合是使光纤直接对准光源输出的光进行的“对接”耦合。这种方法的操作过程是：将用专用设备使切制好并经清洁处理的光纤端面靠近光源的发光面，并将其调整到最佳位置（光纤输出端的输出光强最大），然后固定其相对位置。这种方法简单，可靠，但必须有专用设备。 如果光源输出光束的横截面面积大于纤芯的横截面面积，将引起较大的耦合损耗。

经聚光器件耦合是将光源发出的光通过聚光器件将其聚焦到光纤端面上，并调整到最佳位置（光纤输出端的输出光强最大）。这种耦合方法能提高耦合效率。耦合效率η的计算公式为

p1p2100% ， 或 10lgp1p2(dB)

式子中P1为耦合进光纤的光功率（近似为光纤的输出光功率）。P2为光源输出的光功率。 2．实验操作

（1）直接耦合

A．切制处理好光纤光学端面，然后按图2示意进行耦合操作。 B．计算耦合效率，对自己的工作进行评估。 （2）透镜耦合

He-Ne激光器 光能量指示仪 光纤输入端面 输出光 图2 直接耦合原理示意图 A．切制处理好光纤光学端面，然后按示意图3进行耦合操作； B．计算耦合效率，对自己的工作进行评估； C．比较、评估两种耦合方法的耦合效率。

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He-Ne激光器 五维微调架 光能量指示仪 光纤耦合架 光纤 输出光 图3 聚光器件耦合原理示意图 实验3 多模光纤数值孔径（NA）测量实验

实验目的

1．学习光纤数值孔径的含义及其测量方法；

2．实验操作远场光斑法测量多模光纤的数值孔径。

实验仪器用具

光纤干涉演示仪 1台；GY-10型He-Ne激光器1套；SGN—1光能量指示仪1台；633nm多模光纤1米；光纤切割刀1套。

数值孔径（NA）是多模光纤的一个重要参数。它表示光纤收集光的本领的大小以及与光源耦合的难易程度。光纤的NA大，收集、传输能量的本领就大。 学习和实验内容

1． 光纤数值孔径的几种定义 (1) 最大理论数值孔径NA max,t NA max,t的数学表达式为

22NAmax,tn0sinmaxin1n2n12式中maxi为光纤允许的最大入射角，n0为周围介质的折射率，空气中为1，n1和n2分别为光纤纤芯中心和包层的折射率，最大入射角的正弦值决定。

(2) 远场强度有效数值孔径NA（NAeff）

远场强度有效数值孔径是通过测量光纤远场强度分布确定的，它定义为光纤远场辐射图上光强下降到最大值的5%处的半张角的正弦值。CCITT（国际电报电话咨询委员会）组织规定的数值孔径指的就是这种数值孔径NA，推荐值为（0.18—0.24）±0.02。 2．光纤数值孔径的测量

(1) 远场光强法

远场光强法是CCITT组织规定的G.651多模光纤的基准测试方法。该方法对测试光纤样品的处理有严格要求，并且需要很高的仪器设备：强度可调的非相干稳定光源；具有良好线性的光检测器等。 (2) 远场光斑法

n1n2n1为相对折射率差。最大理论数值孔径NA max,t由光纤的

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这种测试方法的原理本质上类似于远场光强法，只是结果的获取方法不同。虽然不是基准法，但简单易行，而且可采用相干光源。原理性实验多半采用这种方法。其测试原理如图4所示。

测量时，在暗室中将光纤出射远场投射到白屏上（最好贴上坐标格纸，这样更方便），测量光斑

L d He-Ne激光器 五维微调架 光纤耦合架 633nm多模光纤 输出光 图4 远场光斑法原理图 直径（或数坐标格），通过下面式子计算出数值孔径。 NAkd

式子中k为一常数，可由已知数值孔径的光纤标定；d为光纤输出端光斑的直径。例如，设光纤输出端到接收屏的距离为50cm，k =0.01，d =20cm，立即可以算出数值孔径为0.20。

对于未知的k ，我们可以由上述的距离和光斑直径根据=arctg(d/2L)求出，再由NA=sin求出NA的近似值。建议我们在实验中采用该方法。 注：本实验提供的多模光纤的数值孔径为0.275±0.015。

实验4 光纤传输损耗性质及测量实验

实验目的

1．学习光纤传输损耗的含义、表示方法及测量方法； 2．实验操作截断法测量光纤的传输损耗。

实验仪器用具

He-Ne 激光器1套；光能量指示仪1台；光纤干涉演示仪1套；光纤切割刀1套。 学习和实验内容

1．光纤传输损耗特性和测量方法 （1）光纤传输损耗的含义和表示方法

光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，光波强度（或光功率）将逐渐减弱，这就是传输损耗。光纤的传输损耗与所传输的光波长相关，与传输距离L成正比。

通常，以传输损耗系数()表示损耗的大小。光纤的损耗系数为光波在光纤中传输单位距离所引起的损耗，常以短光纤的输出光功率P1和长光纤的输出光功率P2之比的对数表示，即 ()1L10lgP1P2(dBkm)

光纤的传输损耗是由许多因素所引起的，有光纤本身的损耗和用作传输线路时由使用条件造成的损耗。

（1）光纤的传输损耗的测量方法

光纤传输损耗测量的方法有截断法、介入损耗法和背向散射法等多种测量方法。

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A．截断法

这是直接利用光纤传输损耗系数的定义的测量方法，是CCITT组织规定的基准测试方法。在不改变输入条件下，分别测出长光纤的输出光功率和剪断后约为2米长的短光纤的输出光功率，按传输损耗系数()的表示式计算出()。这种方法测量精度最高，但它是一种“破坏性”的方法。

B．介入损耗法

介入损耗法原理上类似于截断法，只不过用带活动接头的连接线替代短光纤进行参考测量，计算在预先相互连接的注入系统和接收系统之间（参考条件）由于插入被测光纤引起的光功率损耗。显然，光功率的测量没有截断法直接，而且由于连接的损耗会给测量带来误差。因此这种方法准确度和重复性不如截断法。 C．背向散射法

背向散射法是通过光纤中的后向散射光信号来提取光纤传输损耗的一种间接的测量方法。只需将待测光纤样品插入专门的仪器就可以获取损耗信息。不过这种专门仪器设备（光时域反射计—OTDR）价格昂贵。

2．实验操作截断法测量光纤的传输损耗

本操作以截断法做原理性的实验。如示意图5。

He-Ne激光器 五维微调架 光能量指示仪 光纤耦合架 待测光纤 光输出

图5 截断法测量光纤传输损耗原理示意图；

实验5 M—Z光纤干涉实验

实验目的

1． 了解M—Z干涉的原理和用途；

2．实验操作调试M—Z干涉仪并进行性能测试。

实验仪器用具

He-Ne 激光器1套；光纤干涉演示仪1套；633nm单模光纤1根；光纤切割刀1套。 学习和实验内容

1．M—Z干涉仪的原理和用途

以光纤取代传统M—Z（马赫-泽得尔）干涉仪的空气隙，就构成了光纤型M—Z干涉仪。这种干涉仪可用于制作光纤型光滤波器、光开关等多种光无源器件和传感器，在光通信、光传感领域有广泛的用途，其应用前景非常美好。

光纤型M—Z干涉仪实际上是由分束器构成。当相干光从光纤型分束器的输入端输入后，在分束器输出端的两根长度基本相同的单模光纤会合处产生干涉，形成干涉场。干涉场的光强分布（干涉条纹）与输出端两光纤的夹角及光程差相关。令夹角固定，那么外界因素改变的光程差直接和干涉场的光强分布（干涉条纹）相对应。 2． 实验操作

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（1）按图6所示仔细将光耦合进光纤分束器的输入端，此时可用光能量指示仪监测，固定好

位置；精心调试分束器输出端两根光纤的相对位置，使其在会合处产生干涉条纹。 （2）固定调试好的相对位置，分析观察到的现象。

He-Ne激光器 五维微调架 分束器 显示屏幕 光纤耦合架 光纤耦合端面 输出光

图6 聚光器件耦合原理示意图

实验6 光纤压力传感原理实验

实验目的

1． 了解传感的意义；

2． 操作光纤压力传感原理实验。

实验仪器用具

He-Ne 激光器1套；光纤干涉演示仪一套；633nm单模光纤1根；光纤切割刀一套。 学习和实验内容

1． 光纤M—Z型压力传感原理

M—Z干涉仪型传感器属于双光束干涉原理，由双光束干涉的原理可知，干涉场的干涉光强为 δ为干涉仪两臂的光程差

对应的位相差，δ等于2I(1cos)л整数倍时为干涉场的极大值。压力改变了干涉仪其中一臂的光程，于是改变了干涉仪两臂的光程差，即位相差，位相差的变化由按上式规律变化的光强反映出来。

2．实验操作

本实验中传感量是压力，压力改变了光波的位相，通过对位相的测量来实现对压力的测量。具体的测量技术是运用干涉测量技术把光波的相位变化转换为强度（振幅）变化，实现对压力的检测。操作方案采用光纤干涉仪进行对压力传感的测量，利用干涉仪的一臂作参考臂，另一臂作测量臂（改变应力），配以检测显示系统就可以实现对压力传感的观测。本操作只对压力引起光波参数改变作定性的干涉图案的变化观测。详细的量化可参考专门资料。

注：变形光纤长度为60mm。

压力控制箱 测量臂 He-Ne激光器 五维微调架 分束器 图象显示 光纤耦合架 参考臂 图7 压力传感原理示意图 6

实验7 光纤温度传感原理实验

实验目的

1．了解传感的意义；

2．操作光纤温度传感原理实验。

实验仪器用具

He-Ne 激光器1套；光纤干涉演示仪一套；633nm单模光纤1根；光纤切割刀一套。 学习和实验内容

1．传感的意义和传感器定义

在信息社会中，人们的一切活动都是以信息的获取和信息的交换为中心的。传感器是信

息技术的三大技术之一。随着信息技术进入新时期，传感技术也进入了新阶段。“没有传感器技术就没有现代科学技术”的观点已被全世界所公认，因此，传感技术受到各国的重视，特别是倍受发达国家的重视，我国也将传感技术纳入国家重点发展项目。

传感器定义 能感受规定的被测的量，并按照一定规律转换成可用的输出信号的器件或装置称为传感器。

光纤传感器有两种，一种是通过传感头（调制器）感应并转换信息，光纤只作为传输线路；另一种则是光纤本身既是传感元件，又是传输介质。光纤传感器的工作原理是，被测的量改变了光纤的传输参数或载波光波参数，这些参数随待测信号的变化而变化。光信号的变化反映了待测物理量的变化。 2．实验操作

本实验中传感量是温度，温度改变了光波的位相，通过对位相的测量来实现对温度的测量。具体的测量技术是，运用干涉测量技术把光波的相位变化转换为强度（振幅）变化，实现对温度的检测。操作步骤参考实验五。光纤M—Z型干涉仪进行对温度传感的测量，利用干涉仪的一臂作参考臂，另一臂作测量臂（改变温度），配以检测显示系统就可以实现对温度传感的观测。本操作只对温度引起光波参数改变作定性的干涉图案的变化观测。详细的量化可参考专门资料。

温控箱 测量臂 He-Ne激光器 五维微调架 分束器 图象显示 光纤耦合架 光纤耦合端面 参考臂 图8 温度传感原理示意图

注：受温变化光纤长度为360mm。

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