实习一光纤的处理与数值孔径之量测

光纖的數值孔徑 N.A.可定義為：能在光纖中穩定傳輸的光束， 其最大入射角之半角之 sin 值，如下圖所示：
n2
θc θa
n2 n1
Cladding Core
sin θ c =
n2
n1
sin θ a = n1 cosθ c = n1
2
n1 1− n 2
2
2
N . A. = sin θ a =
θ c 之大小可將 θ 2 以 90 0 代入式 (2)，
sin θ c = n 2 n1
因此，圓柱型之玻璃棒或條狀壓克力其折射率均大於空氣折射率，因 此在適當之條件下 ， 是可允許光束在其內傳輸的 ， 即類似一光波導管。
5.認識光纖數值孔徑 5.認識光纖數值孔徑( 認識光纖數值孔徑(Numerical Aperture，NA)之意義
η=
PO × 100 % PI
以不同之光纖重覆此實驗，比較耦合效率。
4． 4．光纖數值孔徑之測量： 光纖數值孔徑之測量：
a.打開氦氖雷射電源，將光纖耦合器固定於雷射光前，調整光點 剛好入射物鏡之中央。 b.取一已切平端面之光纖，以夾具固定在耦合器上，調整光纖耘 合器使入射至光纖的光達到最強。 c.以白紙作為屏幕分別依 2cm、4cm、6 ㎝、8cm、10 ㎝之距離
2 × 10 −2 1 × 10 −2 2 × 10 −2
衰減值
6-12dB/㎞ （850nm） 3-4dB/㎞ （850nm）
頻寬
25MHz-Km 1GHz-Km
1dB/㎞ 500MHz-Km （1300nm） 0.5dB/㎞ 100GHz-Km
0.0025
（1300nm）
3．塑膠光纖： 塑膠光纖：
其中步驟 2 需俐落的輕擊；然後取出已切割之光纖，並清理 切割刀器上之殘餘光用光纖熔接機之放大鏡觀察光纖切面， 若不平整則必須重新切割。光纖殘渣需立即放入垃圾桶中， 以防扎到人。
3． 3．光纖與氦氖雷射之耦合： 光纖與氦氖雷射之耦合：
a.打開氦氖雷射電源，將光纖耦合器固定於雷射光前，調整光點 剛好入射物鏡之中央。 b.取一已切平端面之光纖，以夾具固定在耦合器上，調整光纖耦 合器使入射至光纖的光達到最強。 c.將光功率錶置於氦氖雷射之輸出光束前，量取未經耦合前之光 功率值 Pi，再用功率錶測量光纖的另一端功率 Po，其耦合效 率為:
所謂塑膠光纖是完全由塑膠材料所製成的光纖，優點是便宜及 使用便利，缺點則是衰減損失(0.14 ~ 0.7dB / m)遠大於玻璃光纖，因 此只限於短距離（1 ~ 200 m）傳輸使用。塑膠光纖的直徑約 lmm，數 值孔徑 0．46。
4．反射定律、 反射定律、折射定律及波導光束： 折射定律及波導光束：
六、問題與討論： 問題與討論：
1.在本實驗中，使用之 He-Ne 雷射光源為 5mW 632.8nm 紅光， 然而光功率量測錶讀取的數值卻不一定讀的到 5mW，試問其 原因為何? 2.在本實驗中，使用之 He-Ne 雷射光源為 5mW 632.8nm 紅光， 要如何調整，才能量測到正確的光功率。 3.在這次的實驗數據中，量測塑膠光纖的數值孔徑 N.A.與出廠時 的數據 N.A.=0.46 是否相同，若不同，原因可能為何? 4.在這次的實驗中，造成量測量數據不精準可能還有那些量測上 的誤差? 5.在本實驗中，有沒有發現任何問題和困難，如何解決的? 6.為何核心(core)與纖殼(cladding)之折射率差變小時，其光纖模態可 由多模態光纖轉變成單模態光纖?
1．玻璃光纖
與頭髮粗細相當的玻璃光纖，其結構基本上是由外層的纖殼 (cladding)及內層的纖心（core）所組成，由於纖心較纖殼具有較高的 折射率，使得在其內之光波因滿足全反射效應而能做長距雜的傳輸。 纖殼大都由純石英 （quartz ，SiO2 ） 所製成 ， 而纖心則因在石英滲(doping) 有一層層之雜質 GeO2 ，因此具有較高之折射率，為了使用上之便利， 在纖殼外常加有多層之保護被覆，最簡單的結構如圖 Fig．1，亦有初 被覆 （pre-coating） 及倍覆 （jacket） 兩層，前者之材質不外乎是 silicon 或 acrylic，而後者大都由 nylon 所製成。 core cladding precoating jacket
Core Cladding
Step index fiber
折射率分佈
Core Cladding
graded index fiber
折射率分佈
Core Cladding
single mode fiber
折射率分佈
Fig.2 常見三種光纖之物理特性圖
折射率差 光纖種類 纖心直徑 纖殼直徑 N.A 比∆
SI Fiber GI Fiber GI Fiber SM Fiber 100 µm 50 µm 62.5 µm 9 µm 140 µm 125 µm 125 µm 125 µm 0.3 0.2 0.3 0.1
在解釋光纖之波導特性時必先對反射及折射定律有所了解。所 謂反射定律即入射光及反射光與法線(normal line)之夾角相等，如圖 Fig.3。
θi
θr
Fig. 3 反射定律
θ i = θ r ．．．．．．．．．．．．．．．．
．(1)
而折射定律又稱為 Senll's 定律，乃是一光束入射於拆射率不 同之另外一介質時，在其交介面會產生光射折射的現象，如圖 Fig.4， 而其關係式可以由下式表示：
Fig. 1 玻璃光纖結構剖面圖
2．玻璃光纖的種類: 玻璃光纖的種類:
光纖依其纖心及纖殼折射率分佈型式之不同而可概分成三種:
步級射率光纖 （step index fiber） 或稱 SI 光纖 ； 斜射率光戡 （graded index fiber）或稱 GI 光戡或 GRIN 光纖；及單模光纖（；SMF）;圖 Fig.2 將三種光纖之一般物理特性以圖來表示。表 1．1 則列出三種光纖的 一般規格及參數值以供比較。
置於塑膠光纖和多模光纖之光源出口處。 d.用筆記下光圈的範圍並量出其直徑。
五、實驗數據： 實驗數據：
1．光源: He-Ne Laser 632.8nm 光纖長度 光纖種類 （㎝） 100/140MMF 62.5/125MMF 9/125 SMF 4/125 SMF Pi（mW） Po（Mw）
η （% ）
100/140MMF 多模光纖 1m 62.5/125MMF 多模光纖 8/125 SMF 4/125 SMF 塑膠光纖 光纖輛合器 玻璃光纖夾具 光學板 固定夾具 光功率錶 物鏡 ×1 ×1 ×1 ×1 ×1 ×1 單模光纖 單模光纖 lm 1m 1m lm
三、實驗原理及說明 ：
本實驗主要是利用光纖切割刀及光纖去皮器來處理光纖端 面，再利用光纖之波導特性。將氦氖雷射光耦合入光鐵之中，同時使 用光功率錶量測其輸入及輸出光功率，並測量光纖的數值孔徑。而玻 璃與塑膠光纖之基本特性及測量光纖數值孔徑之原理如下所述:
2．光源: He-Ne Laser 632.8nm 光纖長度 光纖種類 （㎝） Pi（mW） Po（Mw）
η （% ）
Байду номын сангаас
塑膠光纖
3. 光源: He-Ne Laser 632.8nm 長度 塑膠光纖 多模玻璃光纖（62.5/125）
L（㎝） D（㎝） 2 4 6 8 10 平均值
ϑ
N.A.
D（㎝）
ϑ
N.A.
實習一 光纖的處理與數值孔徑之量測
一、實驗目的： 實驗目的：
1．認識玻璃與塑膠光纖之基本特性。 2．玻璃與塑膠光纖端面之切割與處理練習。 3．光纖與氦-氖雷射之耦合練習。 4．認識光纖數值孔徑之意義。 5．多模光纖數值孔徑量測之實習。
二 、儀器展器材： 儀器展器材：
光纖切割刀 光纖去皮器 ×1 ×1
n1 sin θ 1 = n 2 sin θ 2 ．．．．．．．．．．．．
．(2)
n1
n2
θ1 θ2
Fig. 4 折射定律
由於折射定律可知當一入射光束由折射率較高之介質 n1 入射於 另一較低之介質 n2 時，即會有一臨界角θ c（critical angle） ，當入射角 θ 1 大於臨界角θ c 時，則入射光全部反射回原介質 n1 內，及所謂的內全反 射（total internal reflection） ，這也就是光束在光纖之纖心內做全反射 而達傳輸目的的基本原理(纖心之折射率大於纖衣之折射率)。臨界角
n2 − n1
6．N.A.值量測原理如下圖所示: 值量測原理如下圖所示:
四、實驗步驟： 實驗步驟：
1． 2． 認識光纖的基本結構。 認識光纖的基本結構。(參考實驗原理及說明 參考實驗原理及說明) 原理及說明) 光纖端面之處理及切割: 光纖端面之處理及切割:
a． 將光纖去皮器內之夾縫清理乾淨，使其內部不留殘渣。 b．取一段光纖深入光纖去皮器之夾縫中，將去皮器夾住慢慢向 右移動直到完全去除光纖之保護層，一般去皮約 3 公分。 c． 去除外皮之光纖，以酒精將光纖擦拭一次使其表面乾淨無雜 質。 d． 將已去除保護層之光纖。放入光纖切割器中，擺置光纖需超 出切割刀約 7mm。按切割器標示之步驟 1、2、3、4 依次施為，