光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂的工艺拉制而成，从横截面上看基本组成有三部分，即折射率较高的芯区、折射率较低的包层和表面涂层。

【实验目的】

(1)了解单模光纤的工作原理及相关特性;

(2)掌握阶跃型光纤截止波长的测量方法。

【实验原理】

1. 光纤的结构与导波特性

根据芯区折射率径向分布的不同，可分为两类光纤: 折射率在纤芯与包层界面突变的光纤称为阶跃光纤; 折射率在纤芯内按某种规律逐渐降低的光纤称为渐变光纤，不同的折射率分布，传输特性完全不同。图10.1给出了这两种光纤横截面的折射率分布，其典型尺寸为: 单模光纤纤芯直径2a=8～12μm，包层直径2b=125μm; 多模光纤2a=50μm，2b=125μm。对单模光纤，2a与λ处同一量级，由于衍射效应，模场强度有相当一部分处于包层中，不易精确测出2a的精确值，因而只有结构设计上的意义，在应用中并无实际意义，实际应用中常用模场或模斑直径(MFD)表示。

图10.1 阶跃光纤(a)与渐变光纤(b)的横截面和折射率分布

图10.2所示为阶跃光纤剖面，入射光在纤芯和包层的界面发生全反射，所有满足全反射条件的光线都将被限制在纤芯中，这是光纤约束和导引光传输的基本机制。图10.3所示为渐变光纤剖面，渐变光纤的芯区折射率不是一个常数，它从芯区中心的最大值n1逐渐降低到纤芯-包层界面的最小值n2，大部分渐变光纤按二次方规律下降。在阶跃光纤中光线以曲折的锯齿形式向前传播，而在渐变光纤中则以一种正弦振荡形式向前传播。如图10.3所示，类似于阶跃光纤，入射角大的光线路径长，由于折射率的变化，光速在沿路径变化，虽然沿光纤轴线传播路径最短，但轴线上折射率最大，光传播最慢，而斜光线的大部分路径在低折射率的介质中传播，虽然路径长，但传输得快，因而合理设计折射率分布，可使所有光线同时到达光纤输出端，降低了多径或模间色散。

图10.2 光在光纤中的传播途径

图10.3 渐变光纤中的光线轨迹

光纤是光纤通信的传输媒质，用石英材料制成，属于介质波导，可将光线限制在光纤芯子中传播。光纤的主要特性是损耗、色散和非线性。

2. 光纤的损耗特性

光纤损耗是通信距离的固有限制性因素，在给定发送功率和接收机灵敏度条件下，它决定了从光发送机到光接收机之间的最大距离，损耗过大将严重影响通信系统的性能。

光纤的衰减机理主要有三种: 光能量的吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。吸收损耗与光纤材料有关，散射损耗则与光纤材料及光纤中的结构缺陷有关，而辐射损耗则由光纤几何形状的微观和宏观扰动引起。光纤的损耗用衰减系数α表示:

图10.4为光纤衰减系数随波长的变化曲线，图10.5为光纤衰减研究的进展情况。早期，由于技术上的原因光纤通信只能利用0.8～0.9μm的短波长波段，因为这个波段的损耗最小，且可得到与之匹配的光源与光电探测器。随着光纤杂质浓度的降低，光纤衰减大为减小。1.3μm和1.5μm是光纤的另两个低损耗窗口。目前，在1.3μm波段，商品光纤的衰减为0.35dB/km，而在1.5μm波段为0.25dB/km，已接近光纤固有损耗的极限。当更进一步减小光纤损耗时，可以得到在1.45～1.6μm波段的低损耗，这将极大地扩展光纤的可用带宽。

图10.4 单模光纤的损耗谱特性

图10.5 光纤衰减研究的进展情况

3. 阶跃光纤的截止波长测量

光纤是一种介质波导，在光纤内传输的导波有各种不同模式。对于一定波长的光，它在光纤内传输时包含哪些模式，取决于光纤的内部结构(n1、n2、a和b的数值)。在光纤传输理论中，通常以归一化频率V来表征光纤的特性，理论分析表明，各模式在V逐渐变小达到某一数值时将会截止，即V小于某一数值以后，该种模式将不能在光纤中传输，弱波导纤维各低阶模式的截止归一化频率如下:

LP01模 Vc=0

LP11模 Vc=2.405

LP21模 Vc=3.832

LP02模 Vc=3.832(www.daowen.com)

从以上数据可以看出，LP01模的截止频率等于0，即不论V等于什么数值，它都可以在光纤内传输，所以称为基模; 在V＜2.405时，光纤中只有单一的基模传输。在这一范围内工作的光纤称为单模光纤，它具有色散小、信息容量大等特点。对于一根特定的光纤(a，n1，A已确定)，只要波长充分长，总可以单模方式传输。开始实现单模传输的波长称为截止波长λC，λ＞λC时，只有基模传输，各高阶模都被截止。

光纤弯曲时，在光纤内传输的光有一部分辐射到光纤之外，光纤内导波的强度将发生衰减。经过理论分析可知，由弯曲而引起的附加损耗在各模的截止点附近特别显著，而在偏离截止点稍远处附加损耗却很小。附加损耗与波长的关系如图10.6所示。测量附加损耗与波长的关系，就可以定出光纤的截止波长(λC对应于波长最大的那个附加损耗峰)。

图10.6 光纤弯曲损耗与波长的关系

【实验仪器】

实验装置如图10.7所示: CA9005信息光电子综合实验系统、溴钨灯、光谱仪、光纤连接线

图10.7 光纤截止波长测量实验装置图

【实验内容及步骤】

(1)实验装置连接

①按图10.7所示光路连接实验装置，溴钨灯电源连接至LVS输出，缓慢增加LVS输出电压至12V。

②将实验仪主机背板通信接口用串行通信电缆连接至计算机主机COM1口，打开实验仪主机电源后再运行计算机上的测试软件。

(2)单模光纤截止波长测量

①将溴钨灯辐射光束耦合进入单模光纤，单模光纤输出接入光谱分析器，输出狭缝置2mm。

②保持单模光纤为自然伸展状态，将光谱分析器功率探头输出连接至PD，OPM-MOD置PD/mW，量程(OPMRTO)置10nW档。

③测量单模光纤输出光谱，波长范围900～1300nm，波长间隔1nm。

④将此光谱设为损耗谱计算基准。

⑤将单模光纤按直径30mm绕5圈，测量此时的单模光纤输出光谱。

⑥求单模光纤弯曲损耗谱，确定单模光纤截止波长。

【思考题】

(1)光纤的衰减机理主要有几种? 各与什么有关?

(2)阶跃光纤单模传输的条件是什么?

【注意事项】

(1)将单模光纤绕5圈时，要注意不能将光纤折断。

(2)溴钨灯温度较高，使用过程中要注意防止烫伤。