光纤通信
姓名徐礼学号200911141926
试验时间2011年9月20日指导老师何琛娟摘要：
本实验通过使用截断法测得塑料光纤的损耗系数
() 2.15
dB
km
αλ=
,并由此测定了光纤的耦
合效率
32%
γ=。通过使用远场光斑法测定了商用光纤的数值孔径NA=0.229。测定了相位
调制型光纤传感器的传感特性。最后通过实际操作，了解了光纤音频电话通信的基本工作原理和工作电路。
关键词光纤损耗系数数值孔径温度传感器耦合效率
一．引言
光纤是光导纤维的简称，它是工作在光波波段的一种介质波导，它能利用光学全反射原理将光的能量约束在波导界面内，并引导光波沿着光纤轴线方向传播。从原理上看,构成光纤通信的基本物质要素是光纤、光源和光检测器。光纤通信的应用领域是很广泛的，主要用于市话中继线，光纤通信的优点在这里可以充分发挥，逐步取代电缆，得到广泛应用。还用于长途干线通信过去主要靠电缆、微波、卫星通信，现以逐步使用光纤通信并形成了占全球优势的比特传输方法；用于全球通信网、各国的公共电信网。
本实验我们采用光拍法测定光速，通过实验使我们加深了对光拍频波的的概念的理解，了解了声光效应的原理及驻波法产生声光频移的实验条件和实验特点，掌握了光拍法测量光速的技术。
二．实验原理
1.光纤的基础知识
A.光线的构造和分类
光纤主要有纤芯、包层、涂敷层及套塑四部分组成。纤芯一般由直径为5~50μm、掺
有少量和的高纯度构成，掺杂的作用是提高纤芯的折射率。包层也主要是由
高纯度构成，不过掺有少量的氟和硼以降低其折射率。包层外的涂敷层一般为环氧树脂或硅橡胶，起作用是增强光纤的机械强度。光纤最外层的套塑大道是采用尼龙或者聚乙烯，起作用是加强光纤的机械强度，没有套塑的光纤称为裸光纤。
光纤的分类主要是从折射率分布、传输模式、原材料和制造方法上区分的，主要种类如（1）折射率分布：阶跃型、近阶跃型、渐变型、其它（如三角型、W型、凹陷型等）。
（2）传输模式：单模光纤（含偏振保持光纤、非偏振保持光纤）、多模光纤。
（3）原材料：石英玻璃、多成分玻璃、塑料、复合材料（如塑料包层、液体纤芯等）、
红外材料等。按被覆材料还可分为无机材料（碳等）、金属材料（铜、镍等）和塑料等。
（4）制造方法：预塑有汽相轴向沉积、化学汽相沉积等，拉丝法有管律法和双坩锅法等。
B.光纤的模
光是电磁波，它具有电磁波的通行。因此光波在光纤中传输的一些基本性质，都可以从电磁场的麦克斯韦方程组中推导出来。所谓光纤的模式，就是可以在光纤中稳定传输的电磁场结构，可以有麦克斯韦方程组和边界条件严格求解。光纤的模式可以分成两大类及矢量模和标量模。图1
给出了常见矢量模和标量模的简并关系及他们的场结构图
图1常见矢量摸和标量模的简并关系
2.光纤特性
a)光源与光纤偶和效率
光源与光纤耦合时，为了降低耦合损耗，使更多的光功率注入光纤，获得最大的耦合效率，必须考虑光纤和光源的特性以及具体耦合方法。He-Ne 激光器输出的高斯光束经过透镜后任然为高斯光束。仔细选择透镜的焦距f ，使经透镜耦合后的高斯光束的束腰与纤芯直径相等，如图2，即，只要将光纤的端面置于高斯光束的焦点处，即可获得最佳耦合
效率。
耦合效率定义为0
p p γ=
式中，
0p 是光纤输入功率，p 是经光纤耦合后的输出功率。
图2光纤耦合效率示意图b)光纤的数值孔径
入射到光纤端面的光并不能全部被光纤所传输，只是在某个角度范围内的入射光才可以。这个角度就称为光纤的数值孔径。光纤的数值孔径（NA ）是表征光纤集光能力大小的重要参数。由于光纤传播具有可逆性，因此数值孔径既反映了光纤的入射性质，也反映了光纤的出射性质。NA 越大，则光纤端面接收或会聚光的能力越强。设max φ为入射到光纤端面
的光线能被光纤捕捉的最大角度。阶跃型光纤的数值孔径为常数。
图3跃阶光纤数值孔径的推导
如图3所示，φ角是入射光纤与光轴之间的夹角，则
sin NA φ
=由于φ一般比较小因此sin NA φ=，由折射定律及上图的角度关系可得
sin NA φ==值得注意的是，基于几何光学的数值孔径概念，只是
用于芯径比较大的多模光纤。
实验中，我们采用远场光斑法测量光纤的数值孔径，原理图如图4所示。此方法是基于光路的可逆性，光纤的数值孔径可以在光纤的输入端测量。测量出光纤端面与观察屏之间距离h 以及观察屏上的光斑直径2R 后，
则
sin NA φ==
图4远场光斑法测量数值孔径
c)光纤的损耗
光纤对光波产生的衰减作用称为光纤损耗。光波在光纤的实际传输过程中，随着传播距离的增加，光功率以指数的形式逐渐衰减，即
()()(0)L
p L p e αλ−=式中，(0)p 为光纤的输入功率,()p L 为光波传输L 距离后光纤的输出功率，()αλ为损耗系数。在光通信中，光信号的损耗一般以分贝（dB ）为单位，并采取一下损耗定义式：
(0)
()10lg
()()
p A dB p L λ=光纤损耗系数定义为单位距离上的损耗，即
()a()()A d L λλ=
Ｂ
ｋｍ
在本实验中，采用“截断法”测量损耗系数。首先，在稳定的光强输入条件下，测量长度为L 的整根光纤的输入功率２ｐ；然后保持耦合条件不变，在理光纤输入端约l 处截断光纤，
测量此段光纤的输出功率
１ｐ，当时，短光纤的损耗可以忽略，故可以近似认为
１２ｐｐ是
被截断光纤的输入功率和输出功率，求出损耗和损耗系数。
3、光纤温度传感器
本实验研究的光纤温度传感器是一种相位调制型光纤传感器，它的工作原理基于光纤双光束干涉相位的变化。由激光器发出的相干光，从两根光纤输出的激光速叠加后将产生干涉，
形成干涉条纹。有双光束干涉理论可知，干涉长的光强cos αϕ+∆Ｉ（１）,ϕ∆是相位差，表
达式为
(8)
式中，为波长，n 是光纤折射率，是光纤的长度差，T 是温度。当时，干
涉长光强取极大值，当
时，干涉场光强取极小值。
当外界的温度作用在其中一根光纤（探测臂）上使，光纤在温度场作用下，长度和折射都将发生变化，这使得相位也会发生变化，位相变化将导致干涉条纹长生移动，通过测量干涉条纹移动可以测出温度的变化。4、音频电话光通信
光纤音频电话通信的基本工作原理：将语音按一定的范式调制到载运信息的光波上，经光纤传输到远端的接收器，再经解调将信息还原并输出。模拟语音电话光纤传输系统有光发射端机、光缆、中继器、光接收端机构成。一、实验内容
实验装置如下图所示
