光纤通信实验讲义.doc

光信息处理专业实验光 纤 通 信 实 验实验指导书内部资料二O一二年五月目 录实验1光纤数值孔径测量实验..........................................2实验2光无源器件传输特性研究实验....................................7实验3光纤衰减及损耗测试实验........................................23实验4光纤耦合技术分析与测试实验....................................30实验5光波分复用及误码测试实验...........36实验6光纤光栅传感器原理及应用.......................................44实验7端场光纤传感器原理及应用..........59实验1 光纤数值孔径测试实验光纤的数值孔径NA是光纤的一个重要光学参数，它在一定程度上表征光纤集光能力和与光源耦合的难易程度，同时对连接损耗及衰减特性也有影响。

它与光纤传输系数的计量有密切的关系，对光纤的传输带宽有着很大的影响 本实验通过对光纤的数值孔径进行测量，熟悉光纤的结构特点及光纤数值孔径的定义，掌握数值孔径的测量原理，熟悉光路调整方法通过反射式和对射式光纤位移传感器实验，重点研究光纤位移传感器的工作原理及其应用电路设计实验目的】1. 了解光纤位移传感器工作原理及其特性2. 了解并掌握光纤位移传感器测量位移的方法3. 光纤数值孔径测量【实验原理】一、数值孔径测量1. NA数值孔径 的定义当光线射到2种不同的界面上时将产生反射和折射在纤芯包层界面上，临界角φc（及折射角为90o时的入射角）按斯涅尔折射定律可得出：φc= arcsin（n2/n1）若光源发出的光经空气后耦合到光纤中，那么满足光纤中全反射条件的光的最大入射角θmax满足：sinθmax= n sin（90o-φc）= 定义光纤的最大理论数值孔径（数值孔径表示光纤的集光能力）：NAmax=≈n1 式中：Δ=（n1- n2）/n1对于梯度光纤，n1是光纤中心处最大折射率，n2是包层折射率光纤数值孔径的另一种定义是远场强度有效数值孔径远场强度有效数值孔径是通过测量光纤远场强度分布来确定的。

它被定义为光纤远场辐射图上光强值下降到最大值的5%处半张角的正弦值，CCITT规定的就是这种数值孔径，如图：图中数值孔径为： NA= sinθa=d/式中：z为入射光纤端面和接收光纤端面正对时的两光纤端面间的距离；d为当z一定时，接收光强下降到最大值的5% 时，入射光纤的出射光在投影屏幕上所形成的光斑的半径二、光纤位移传感器位移测量原理1. 如图是反射式线性位移测量装置光从光源耦合到输入光纤射向被测物体，再被反射回另一光纤，由探测器接收设两根光纤的距离为d，每根光纤的直径为2a，数值孔径为N，如图所示，这时 由于，所以式可以写为 很显然，当时，即接收光纤位于光纤像的光锥之外两光纤的耦合为零，无反射进入接收光纤；当时，即接收光纤位于光锥之内，两光纤耦合最强，接收光纤达到最大值d的最大检测范围为 如果要定量的计算光耦合系数，就必须计算出输入光纤像的发光锥体与接收光纤端面的交叠面积，如图所示，由于接收光纤芯径很小，常常把光锥边缘与接收光纤芯交界弧线看成是直线通过对交叠面简单的几何分析，不难得到交叠面积与光纤端面积之比即 本实验采用的传光型光纤，它由两束光纤混合后组成，两光束混合后的端部是工作端亦称探头，它与被测体相距X，由光源发出的光传到端部出射后再经被测体反射回来，由另一束光纤接收光信号经光电转换器转换成电量，而光电转换器的电量大小与间距X有关，因此可用于测量位移。

2.2对射式光纤测距采用两根光纤，一根用于将光源发出的光传导发射，另一根用于接收发射光传导给探测器当两根光纤发射面与接收面距离改变时，探测器探测到的光强度会发生变化，从而起到测量位移的作用两根光纤完全相同，既可以做发射光纤也可以做接收光纤实验内容与步骤】一、光学系统组装调试实验1、安装对射式光纤传感装置二维平移台由两个一维平移台组成，其中每个一维平移台上面有五个固定螺孔，将其中一个连接杆架固定在左边平移台上靠右的螺孔上，另一个连接杆架固定在右边平移台上靠左的螺孔上，这样两个杆架相隔最近注意：安装第二个杆架需要取下杆架上面的紧固螺钉，否则冲突不能安装 对射式光纤传感器为两根单独的光纤，各自通过连接杆，插入连接杆架，通过杆架上面的紧固螺钉固定，并通过调节上下位置，保证光纤发射面和另一根光纤接收面在同一水平面上二束光纤分别插入实验仪左侧发射和接收端发射和接收孔内已和发光二极管及光电探测器相接2、调节左边位移台上测微丝杆，使两根光纤端面同轴心调节右边位移台上测微丝杆，使两根光纤端面刚好接触3、将发射和接收部分的测试孔用导线按颜色对应接入电路上发射、接收端测试孔；探测器输出信号处理电路不接调零电路，即绿色测试孔和其下方黑色测试孔（系统地）用导线连接。

输出端（Uo）及其下方测试孔（系统地）按照颜色对应接入电压表输入端“+”、“-”，电压表选择20V档4、打开电源开关，调节右边平移台上测微丝杆使两根光纤传感器端面离开，观察电压表显示变化，对射式光纤传感系统组装完成学习通过调节位移台控制两根光纤端面的对准及横向和纵向偏离5、关闭电源，取下两根光纤，连接杆取下6、安装反射式光纤传感装置 反射式光纤传感器上光纤为二束，其中一束由单根光纤组成，实验时对应插入发射孔；另一束由16根光纤组成，实验时对应插入接收孔通过连接杆，插入连接杆架平面反射镜通过另一根连接杆接入另一个连接杆架，通过调节上下位置，保证光纤发射面和平面反射镜中心在同一水平面上，铜鼓杆架上面的紧固螺钉固定反射式光纤和平面反射镜7、调节左边位移台上测微丝杆，使光纤端面与平面反射镜同轴心调节右边位移台上测微丝杆，使光纤端面与平面反射镜刚好接触8、打开电源开关，调节右边平移台上测微丝杆使两根光纤传感器端面离开，观察电压表显示变化，反射式光纤传感系统组装完成9、关闭电源如果继续进行下面的实验光纤位移装置和连线可不拆除二、发光二极管驱动及探测器接收实验1、安装光纤位移传感实验装置以及连线请参照实验1）的步骤。

对射式和反射式任选一种即可2、打开电源开关，取出发射端光纤，观察发光二极管发光，发光二极管发出的光很耀眼，不要用眼直视慢慢插入发射端光纤到底，插入过程智能光观察电压表变化，并分析变化原因3、电压表选择20V档，电路输出端（Uo）连线拆掉，对应接入发射测试孔两端（红借蓝、黑接黑），电压表显示值即为发光二极管工作电压根据实验仪面板上发光二极管驱动电路图示分析发光二极管驱动原理4、电压表选择200mV档，电路输出端（Uo）及其下方测试孔（系统地）按照颜色对应接入电压表输入端“+”、“-”调节螺旋测微丝杆，观察电压表显示变化根据实验仪面板上探测器接收电路图示，分析光电探测器使用原理5、关闭电源拆除所有连线，如果继续进行下面的实验，可不拆除光纤位移装置三、光纤位移传感器输出信号处理实验1、安装光纤位移传感实验装置以及连线请参照实验1）的步骤对射式和反射式任选一种即可2、将发射和接收部分的测试孔用导线按颜色对应接入电路上发射、接收端测试孔；探测器输出信号处理电路不接调零电路，即绿色测试孔和其下方黑色测试孔（系统地）用导线连接输出端（Uo）及其下方测试孔（系统地）按照颜色对应接入电压表输入端“+”、“-”，电压表选择2V档。

3、打开电源开关，调节螺旋测微丝杆，调节增益调节旋钮，观察电压表显示变化根据实验仪上面探测器放大电路图示分析放大电路工作原理4、关闭电源拆除所有连线，如果继续进行下面的实验，可不拆除光纤位移装置四、光纤位移传感器输出信号误差补偿实验1、安装光纤位移传感实验装置以及连线请参照实验1）的步骤对射式和反射式任选一种即可2、将发射和接收部分的测试孔用导线按颜色对应接入电路上发射、接收端测试孔；探测器输出信号处理电路不接调零电路，即绿色测试孔和其下方黑色测试孔（系统地）用导线连接输出端（Uo）及其下方测试孔（系统地）按照颜色对应接入电压表输入端“+”、“-”，电压表选择2V档3、将接收光纤从接收孔中拔出，并用手指封住接收孔4、打开电源开关，观察电压表显示值，并分析原因5、关闭电源增加补偿调零电路绿色测试孔与黑色测试孔的连线拆除，补偿调零调节旋钮的测试孔按照颜色对应接入电路中测试孔（黄接黄、绿接绿、蓝接蓝）6、打开电源，用手封住接收孔，调节补偿调零旋钮，将电压表显示值调节为零分析不成调零电路原理及其好处7、关闭电源拆除光纤位移装置及连线五、光纤数值孔径测量实验1、参照实验1）步骤安装对射式光纤传感器实验装置。

2、将发射和接收部分的测试孔用导线按颜色对应接入电路上发射、接收端测试孔；探测器输出信号处理电路接上调零电路3、调节位移台，使两光纤端面距离为1.5mm，及z=1.5mm，并使得探测器输出电压最大（此时两根光纤同轴心）4、径向移动接收光纤至接收光强接近于零，沿该方向继续旋转位移调节器200um，然后反向旋转位移调节器100um，以消除螺旋测微器可能存在的空程误差5、平移探测光纤，每50um记一个光强对应的电压输出，知道光强最好减小到不再改变，停止计数根据记录数据作出光强分布曲线6、根据曲线求出d值，并计算出光纤的数值孔径值7、关闭电源如果继续进行下面的实验，可不拆除连线和光纤位移装置六、光纤位移传感器测距原理实验（对射式）1、参照实验1）步骤安装对射式光纤传感器实验装置2、将发射和接收部分的测试孔用导线按颜色对应接入电路上发射、接收端测试孔；探测器输出信号处理电路接上调零电路3、调节位移台，使两根光纤端面同轴心并接触此时探测器输出电压最大4、打开电源开关，调节平移台使两根光纤端面渐渐离开，每隔0.1mm读出数显表值，记录40组数据5、根据记录数据绘制曲线6、分析7、关闭电源拆除所有连线和光纤位移装置。

七、光纤位移传感器测距原理实验（反射式）1、参照实验1）步骤安装反射式光纤传感器实验装置2、将发射和接收部分的测试孔用导线按颜色对应接入电路上发射、接收端测试孔；探测器输出信号处理电路接上调零电路3、调节位移台，使反射式光纤传感器端面与平面反射镜接触，此时探测器输出电压应该为零，若不为零，调节调零旋钮使其归零4、打开电源开关，调节平移台使光纤端面渐渐离开平面反射镜，每隔0.1mm读出数显表值，记录40组数据5、根据记录数据绘制曲线6、分析7、关闭电源拆除所有连线和光纤位移装置注意事项】1、不得随意摇动和插拔面板上元器件和芯片，以免损坏，造成实验仪不能正常工作2、不要光纤传感器弯曲半径不得小于3cm，以免折断3、在使用过程中，出现任何异常情况，必须立即关机断电以确保安全。