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实验一 光纤数值孔径(NA)性质与参数测量实验
实验一 光纤数值孔径（NA）性质与参数测量实验
一、实验目的
1、学习光在光导纤维中传播的基本原理
2、掌握测量通信石英光纤的数值孔径
2、熟练光学调节技术及熟悉光功率计
二、实验仪器
1、光源 1台
2、读数旋转台 1个
3、三维微调架 1个
4、光纤两根（单模、多模各一根） 2根
5、光纤适配器 1个
6、光斑屏 1个
7、光功率计 1个
三、实验原理
1、 光纤的基本构造
光纤的构造如图1－1所示。它主要有纤芯、包层、涂敷层及套塑四部分组成。
(1) 纤芯 纤芯位于光纤的中心部位。它主要成分是高纯度的二氧化硅，其纯度高达
99.99999%，其余成分为掺入的少量掺杂剂，如五氧化二磷(P2O5)和二氧化锗（GeO2）。掺杂剂的作用是提高纤芯的折射率。纤芯的直径一般为5~50微米。
(2) 包层 包层也是含有少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。掺杂剂有氟和硼。
这些掺杂剂的作用是降低包层的折射率。包层的直径2b一般为125微米。
(3) 涂敷层 包层的外面涂敷一层很薄的涂敷层。通常进行两次涂敷，涂敷层材料一般为环氧树脂或硅橡胶。该层的作用是增强光纤的机械强度。
(4) 套塑 涂敷层之外就是套塑。套塑的原料大都是采用尼龙或聚乙稀。
它的作用也是加强光纤的机械强度。一般没套塑层的光纤称为裸光纤。

2、光纤的传光原理
（1）光纤的传光原理：采用几何光学来分析时主要包括光的反射、折射和全反射等。采用波动理论分析时主要包括导模、模数、双折射等。
（2）光在光纤中的传播主要有二种类型，如图1－2所示。
（a）阶跃型光纤 其光纤折射率呈阶跃型分布。该种光纤的纤芯折射率均匀且比包层高，以保证传输光能在纤芯和包层的界面上实现全反射，光传输轨迹为锯齿形。当光纤NA大时，反射次数多、损耗大。阶跃光纤是光纤应用的基本类型。
（b）渐变型光纤 其纤芯的折射率呈曲面分布，使传输光的轨迹为光滑曲线（如正弦函数曲线），也称蛇形传光。其优点是NA大，色散和损耗较小，传输距离大，但价格高。
另外，在单模光纤中，纤芯的直径很小，光线几乎是沿着光纤轴传播的。
3、光纤的传输模式
对于阶跃光纤，光纤中的传输模式与波导参数V有关。波导参数V的定义为：
V=2pa(NA)/l (1-1)
式中a —— 光纤纤芯的半径；NA—— 光纤的数值孔径；l —— 入射光波长。
在光纤NA保持一定的情况下，光纤的芯径越大，则波导参数越大。光纤能传播的模式也越多，当V≤2.4的时候光纤就只能传播单一模式，这种光纤称为单模光纤；当V>2.4时能传播多种模式，例如V≤3.8时，光纤就传输四种模式()，在这种光纤输出端可观测到对应于这4种模式的4种光斑类型，所以一般V>2.4的光纤就称为多模光纤。图1-4是光脉冲在多模光纤和单模光纤中的传输性能示意图。
由图1-4可见，多模光纤损耗大、色散较强，因而脉冲畸变严重；而单模光纤损耗和色散性能都较佳，对光脉冲的影响较小。光纤长距离通讯中的光纤是用单模光纤，就是这个原因。
4、光纤的光学参数和特性
（1）光纤的数值孔径
数值孔径（NA）是衡量一根光纤当光线从其端面入射时，它接收光能大小的一个重要参数，也就是说它是反映光纤捕捉光线（或聚光）能力大小的一个参数。
如图六所示，通常我们考虑的是光纤中子午光线的数值孔径。设θc为光纤内产生全反射时的临界角，则可知Sinθc=n2/n1.因为光是从空气（n0=1）入射到光纤端面的，所以根据图五，可得由此又可得
(1-2)
通常，通讯中用的光纤为弱导光纤，其纤芯和包层的折折率差很小，可近似认为n1+n2≈2n1，若定义相对折射率差为△=(n1-n2)/n1,则
(1-3)
这就是光纤的数值孔径的定义式，称之为光纤的最大理论数值孔径。
光纤的数值孔径的测试通常采用方法有：“近场法”和“远场法”。
A、“近场法”是根据数值孔径的定义，测出折射率n1和n2，求得数值孔径NA为。由这种方法测出的数值孔径称为“理论数值孔径”或“标称数值孔径”。
B、“远场法”如实验所述的测量光纤的数值孔径（NA）的两种方法。
光纤数值孔径（NA）是光纤能接收光辐射角度范围的参数，同时它也是表征光纤和光源、光检测器及其它光纤耦合时的耦合效率的重要参数。图1－6示出了阶梯多模光纤可接收的光锥范围。因此光纤数值孔径就代表光纤能传输光能的大小，光纤的NA大，传输能量本领大。
NA的定义式是
no*Sinθ= （1－4）
式中n0为光纤周围介质的折射率，θ为最大接受角。n1和n2分别为光纤纤芯和包层的折射
率。光纤在均匀光场下，其远场功率角分布与理论数值孔径有如下关系：
（1－5）
其中θ是远场辐射角，Ka是比例因子，由下式给出：
（1－6）
式中P（0）与P（θ）别分θ=0和θ=θ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（θ）/P（0）=5%，在g≥2时Ka的值大于0.975。因此可将对应于P（θ）曲线上光功率下降到中心值的5%处的角度θe的正弦值定义为光纤的数值孔径，称之为有效数值孔径：
（1－7）
本实验正是根据上述原理和光路可逆原理来进行的，实验系统如图1－7所示。

三、实验步骤
试验内容包括：校正调试训练、测量输出孔径角与输入孔径角。实验步骤如下：
1、He-Ne激光器和光功率计的电源，调整实验系统；
a. 调整激光管，使激光束平行于实验平台面；
b. 调整旋转台，使转盘刻度置于0；
c. 取待测光纤，一端经旋转台上的光纤架与激光束耦合，另一端与光功率计相连；
d. 仔细调节光纤架及配合调节激光管支撑螺钉，使光纤输出功率最大（该项须由指导老师指导下进行）。
2、测试输入孔径角；
(1) 光纤输出端于光功率计的探头相连；
(2) 旋转读数平台，改变光束入射角，记录不同旋转角度θ下的输出光功率值；
(3) 绘制P-θ曲线，取P（θ）下降到中心值的5%时所对应的θ值作为。

3、测输出数值孔径角θo，实验系统图如图1－7所示；
a. 把光功率计上的光纤接头接到光斑屏前的光线适配器上；
b. 置观察屏于距光纤端面L距离处，则在观察屏上可见光纤输出圆光斑，其直径为D；
c. 调三维微调架，准确测量L和D的值，得输出孔径角为：
(11-8)
4、目测数值孔径角；
a. 调节步骤同1项四个步骤；
b. 除去光纤输出端的光功率计，可在观察屏观测到一输出圆光斑；
c. 转动读数旋转台，直到观察屏上的光斑消失，读此时的旋转台旋转角度。
5、计算光纤数值孔径；
计算公式为：
（11-9）
其中θ即上一步骤测得的、和。
5、 关激光器和光功率计的电源，整理实验仪器，结束实验。
四、实验数据和记录
表1 方法一测量所得的实验数据和结果
光纤端面入射角
（度）
光纤输出光功率值
（微瓦）
输出光功率相对值
（以=0时的值为1）

顺时针旋转测的数值孔径角

逆时针旋转测的数值孔径角

平均数值孔径角θi（度）

光纤的有效数值孔径NAoff

表2 方法二测量所得的实验数据和结果
测量参数
第一次测量
第二次测量
光斑直径W（mm）

屏与光纤端头距离L（mm）

数值孔径角θo=arctan[D/(2L)]

光纤数值孔径NA=Sinθo

平均数值孔径

表3 方法三测量所得的实验数据和结果
次数

第一次
第二次
第三次
第四次
第五次

五、思考题
1、光纤数值孔径的物理意义是怎么？谈谈本实验的测量精度取决于那些因素？
2、用三种方法测得的结果是否一样？若不一样，请说明原因。
3、为什么在测输入孔径角时要保证光纤输入端面位于旋转轴心上？图1-3、光纤的径向折射率分布
图1-2、光纤中的子午光线传输
θa
渐变光纤
阶越光纤
θ
c

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