光纤特性
清华大学物理电子学实验
一、实验目的
1：同感显微镜观察光纤结构
2：掌握光纤传输损耗特性
3：利用光纤弯曲损耗性质设计光纤衰减器
二、实验原理
1.光纤的结构
按传输的模式数量可分为单模光纤和多模光纤。
单模光纤：只能传输一种模式(基模)多模光纤：能同时传输多种模式的光纤模光纤单模光纤和多模光纤的纤芯的尺寸和纤芯-包层的折射率差值不同。
多模光纤的纤芯直径大，直径2a=50~500µm，纤芯-包层折射率差大，∆=(n1-n2)/n1=0.01~0.02。
用于通信的多模光纤有两种：纤芯直径为50µm和62.5µm。
通信用单模光纤纤芯直径一般为9µm。
按纤芯折射率分布的方式可分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤。
阶跃折射率光纤：纤芯折射率是均匀的，在纤芯和包层的分界面处折射率发生突变；渐变折射率光纤：折射率是按一定的函数关系随光纤中心径向距离而变化。
2.光纤的传光原理
子午光线在光纤内应满足全反射条件。
要使光能完全限制在光纤内传输，则应使
光线在纤芯-包层分界面上的入射角ψ大于等于临界角ψ0。
定义：子午面内数值
孔径：NA=n0sinϕ0
3.光纤的损耗特性
光纤的实用化和发展过程一直是围绕着降低损耗来进行的。
从二十世纪60年代到80年代，光纤损耗从100dB/km 减小到0.2dB/km，由于受到光纤制造工艺和光纤材料固有因素的影响，损耗是不可消除的。
各种损耗引起的功率衰减通常定义为(单位为分贝, dB)
其中Pi、Po分别为输入功率和输出功率其损耗主要由材料的吸收损耗和散射损耗确定。
4.弯曲引起的光纤损耗及应用
光纤弯曲时在光纤中传输的导模将由于辐射而损害光功率光纤宏弯曲时，曲率半径大于临界值Rc时，因弯曲引起的附加损耗很小可以忽略不计；小于临界值Rc时，附加损耗按指数规律迅速增加。
单模光纤的临界半径Rc的表达式为：
其中Δ=(n1-n2)/n1为相对折射率，λc为光纤截止波长
三、实验技术
1.光纤端面显微观测
2.光纤熔接
3.光纤损耗的测量
四、器材
多波长半导体激光器、光功率计、显微镜、被测光纤、光法兰、光跳
线、光纤切割刀等等。
五、实验任务
1.利用显微镜观察单模光纤与多模光纤的端面结构并测量其几何尺寸
取一小段光纤（约20cm），将其前端处理成垂直且平整，固定在夹具上，置于显微镜聚焦平面上，调节显微镜，使其在电脑屏幕上显示清晰的光纤端面图像。
存储图片作为实验数据记录，利用看图软件，测出光纤的包层与芯层直径。
2.测量光纤的损耗与损耗系数
利用插入损耗法，测量轮子上的光纤在1550nm和1310nm两种波长下的损耗，根据光纤长度，计算出被测光纤的损耗系数
3.研究光纤的弯曲损耗特性并设计一个光纤衰减器
取一段单模光纤，按图设计制作一个多圈的基于光纤宏弯损耗的衰减器。
用胶带固定，压缩光圈，改变其两端的曲率半径，观察其损耗大小的变化。
将做好的光纤圈的光纤两端各焊接一段光纤接头。
将光纤圈放入衰减器支架，调节旋钮，制成一个可调光衰减器。
测量设计的光衰减器在1550波长下的损耗范围，记录最小损耗值与最大损耗值，计算出损耗范围，尽量减小最低损耗，同时使衰减器动态范围达到40dB.
六、实验数据记录与处理
1.测量单模光纤与多模光纤芯层直径
（1）单模光纤
包层直径：2d=125um；芯层直径：2a=9.12um
（2）多模光纤
包层直径：2d=125um;芯层直径：2a=61.84um
在计算机中得出的图像分别如下：
2.测量光纤的损耗与损耗系数
（1）：数据记录：
光纤长度：L=25.2Km
在λ=1310nm波长下：
P1 (λ)=0.84dBm；P2(λ)=-7.89dBm
在λ=1550nm波长下：
P1 (λ)=1.76dBm；P2(λ)=-4.38dBm
（2）：数据处理
当λ=1310nm时：
损耗A（λ）=P1（λ）-P2（λ）=8.37dB
损耗系数æ（λ）=A(λ)/L=0.35dB/Km
当λ=1550nm时：
损耗A（λ）=P1（λ）-P2（λ）=6.14dB
损耗系数æ（λ）=A(λ)/L=0.24dB/Km
3.研究光纤的宏弯特性并且设计光纤衰减器
当加入当λ=1550nm时：
最小损耗值A1（λ）=1.76-（-0.30）=2.03dB
最大损耗值A2（λ）=1.76-（-44.96）=46.72dB
故其动态范围：A=A2（λ）-A1（λ）=44.69dB
此时将输入改变为λ=1310nm，而保持衰减器的弯曲程度不变：
此时，其最大损耗值A2（λ）=-1.01-（-5.20）=4.19dB
有知道其最小损耗值为A1（λ）=-1.01-（-1.69）=0.69dB
故其动态范围：A= A2（λ）- A1（λ）=3.25dB
七、实验总结
因为是第一次实验，是对第一次的对光纤的观测与实验的实践。
对于第一次的焊接光纤的技术再一次考察，其中，对一次只是对光纤焊接，却没有包装，这次好好感受了一把。
还有对于显微镜真心是感受了一把高大上，中学用的显微镜实在是，真心长知识了。
方便，精确。
先前只是知道，光纤弯曲会有损耗，这次可以定量地测量其损耗，对光纤的了解又上了一个层次。
要使功率计稳定下来，确实需要一定的功夫。
所以，导致读数可能没有那么完完全全的精确。
再第三个实验的时候，因为光纤的长度取得很长，本身的损耗就可能比较大，这也是导致有误差的一个原因。
在老师，以及同学的帮助下，顺利地完成本次实验，学到很多东西。
特别是对于精密仪器，及精密量的测量有深刻的认识。
附：实验原始数据。