光在光纤中传输时受到衰减，称为光纤损耗。产生衰减的原因很多，一般可归纳为三大类: 吸收损耗、散射损耗、附加损耗。

【实验目的】

(1)掌握实现模式稳态分布的方法;

(2)了解光纤衰减的几个因素;

(3)掌握用“截断法”测量光纤衰减系数的方法。

【实验原理】

光纤的损耗是随波长的不同而变化的，即不同波长的光在同一根光纤中传输，其损耗也是不同的。表示损耗随波长变化的曲线称为光纤的损耗谱曲线。图4.1给出三种实用光纤和一种优质单模光纤测量的损耗谱曲线。从曲线可以看出:

①只有波长在0.8～1.6μm范围内的光才能在光纤中较少损耗地传输;

②从多模突变型(SⅠF)、多模渐变型(GⅠF)光纤到单模(SMF)光纤，损耗依次减小，在0.8～1.55μm波段内，除吸收峰外，光纤损耗随波长增加而迅速减小;

③GⅠF光纤和SMF光纤，在1.39μm吸收峰两侧1.31μm和1.55μm处存在两个损耗极小的波长“窗口”。

图4.1 光纤损耗谱曲线

由于引起光纤损耗的原因较多，较复杂，至今尚没有一个适宜的公式指导分析和计算，通常均采用实验测量，方法有截断法和反向散射法，这里采用截断法。

截断法测光纤损耗

①平均损耗系数α和稳态损耗系数αW: 只要光源激励的数值孔径足够大，则在光纤输入端即可激励起所有导波模，在离开输入端相当长的一段光纤内，被传输的各导波模之间的功率分布是不稳定或者说是不平衡的，而且各导波模经受的功率损耗也不同，高次模衰减大，低次模衰减小; 因此可以断定，在这段距离内，单位长度的光功率损耗系数不是常数，它应是传输长度l和光波波长λ的函数，即α(λ，l)，这时距输入端L处的光功率可表示为

两边取对数得

则损耗系数平均值为

传播过程中，由于各导波模间的频繁耦合或功率交换以及高次模的不断衰减，经过一段较长的传输距离后，模功率分布将趋于统计平衡，这时，我们说达到了平衡模分布或稳态模分布。只有稳态模分布时，单位长度的光功率损耗系数不再随光纤长度变化，仅仅是波长λ的函数。对于确定的波长，光损耗系数为一常数，称稳态损耗系数，它才代表光纤的本征特性。

稳态时，任意两点间光功率的关系可表示为

因此有

②稳态损耗系数的测量: 令光纤达到稳态模功率分布的长度为Lc，则式(4.4)为

可见，要测量光纤的稳态损耗系数∂W(λ)，需要测两组数据，一是被测光纤输出端的光功率P(λ，L)及相应的长度L，一是达到稳态分布时的光功率P(λ，LC)以及相应的长度LC。因此，首先要测出P(λ，L)及L，然后再测LC，并在LC处将光纤截断，测出此处输出的P(λ，LC)，这正是截断法名称的由来。显然，在这种测量中，需确知LC值的大小。由于现代光纤拉制技术的提高，光纤芯子与包层界面均匀度已达到相当高的程度，因此LC很长，可达25km，测量很不方便，在实际测量装置中置入扰模器，可使LC的长度缩短为2m左右。

扰模器如图4.2所示，采用弯曲法，即沿一排等距离插销穿插光纤，使其产生正弦型弯曲，只要传播相当短的距离，就能达到稳态分布。

图4.2 扰模器扰模示意图

图4.3所示为截断法测量光纤稳态损耗系数的框图。光源一般采用谱线宽度足够窄的单色光源，波长最好选择光纤的窗口波长。在整个测量过程中，光源强度、位置和波长应保持稳定。

图4.3 截断法测量光纤稳态损耗系数(www.daowen.com)

【实验仪器】

待测单模光纤4.2km、稳定光源1台、光功率计1台、光纤切割刀1台、光纤剥皮钳1把、FC-FC裸纤适配器2个、扰模器1台

【实验内容及步骤】

1. 稳态模分布的获得

取一根与待测光纤性能相同的短光纤(长约5m)，按下列步骤处理好光纤两端面:

①用光纤剥皮钳或刀片将两端的涂敷层除掉，保证除掉涂敷层的光纤长约3cm;

②用光纤切割刀切割光纤头，要保证除掉涂敷层的光纤长为11mm;

③用脱脂棉蘸乙醇/乙醚混合溶液清洗光纤头;

④在显微镜下检查光纤两端面，要保证没有裂痕;

⑤将光纤头插入FC型裸纤适配器，将光纤拉至与适配器插针端面平齐(最多伸出量不得超过0.1mm);

⑥将两个FC型裸纤适配器分别接入光源的1310nm输出端和光功率计的输入端;

⑦将光源和光功率计均调至1310nm，微调光纤头插入适配器的深度，使输出功率最大;

⑧在距离光源输出端约1m处将光纤盘绕在扰模器上，观察光功率的变化，当光功率变化缓慢时，表示已趋于稳态模分布。记录下此时的光纤在扰模器上盘绕的匝数N和光功率P(λ，LC)，则短光纤的长度即为LC(单模光纤因为只传导一个模，没有稳态模功率分布问题，所以衰减测量不需要扰模)。

2. 光纤衰减系数的测试

①将待测光纤两端面进行处理，并插入FC型裸纤适配器，处理方法与短光纤一样;

②测量此时光纤输出的光功率P(λ，L);

③将P(λ，LC)、P(λ，L)代入式(4.5)计算出光纤在此波长下的衰减系数;

④改变光源的波长重复上述测量，比较两波长下的衰减系数。

【思考题】

(1)分析本实验的测试精度受到哪些因素的影响。

(2)光在光纤中传输时受到衰减，产生衰减的主要原因分为哪几类?

【注意事项】

(1)将光纤头插入FC型裸纤适配器，要注意不要让光纤折断在里面。

(2)当裸纤适配器堵塞时，要用光纤通针疏通，不能太用力，防止通针弯曲。