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WGX-7光纤信息与光通信实验系统实验讲义


WGX-7 型 光纤信息与光通信实验系统

实验讲义
V1.0

天津市拓普仪器有限公司





注意事项 ..............................................................................

................................................................. 1 实验一 光纤光学基本知识演示实验................................................................................................. 2 实验二 光纤与光源耦合方法实验..................................................................................................... 3 实验三 多模光纤数值孔径(NA)性质及参数测量实验 ............................................................... 5 实验四 光纤传输损耗特性及参数测量实验..................................................................................... 7 实验五 Mach-Zehnder 光纤干涉实验 .............................................................................................. 9 实验六 光纤压力传感原理实验....................................................................................................... 10 实验七 光纤温度传感原理实验....................................................................................................... 11 技术服务 ............................................................................................................................................. 12

注意事项

1. 每次开始实验时请先打开机箱上的总电源开关, 再打开所需要光源的开关。 切勿 在光源开关打开的状态下打开总电源开关,以免造成光源永久性损坏。 2. 结束实验时先关闭所有光源的开关, 再关闭总电源开关。 切勿在光源开关打开的 状态下关闭总电源,以免造成光源永久性损坏。 3. 每次连接光纤跳线时,请用镜头纸蘸取酒精将光纤端面擦拭干净。 4. 每次做完实验,请及时将法兰盘和跳线上的防尘帽盖上,以免灰尘进入。 5. 请勿用肉眼直视各个光源,以免对眼睛造成损伤。 6. 仪器长期不使用时,请切断电源,并保持仪器的干燥和清洁。

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实验一 一. 实验目的

光纤光学基本知识演示实验

了解光纤光学中的基础知识和常用器件。

二.

实验原理

光纤是工作在光波波段的一种介质波导,为双层圆柱形,内层为纤芯,外层为包 层,纤芯折射率略大于包层。光被约束在光纤中进行传播。由于边界条件的限制, 光波的电磁场解是非联系的,这种不连续的场解构成模式。 由于光纤纤芯细小, 光纤通信中常用的激光器发出的激光需要耦合装置才能进入 到光纤中。 在光纤中传播的光束控制通过光纤器件完成, 如用于光纤连接的跳线, 用于分束 的光纤耦合器,允许光单向传播的光隔离器,改变光传播通道的光开关,改变光能 量的光衰减器等。 本实验系统涵盖了光纤光学中的常用器件。 并对相应的器件进行介绍以及对部分 参数进行测量。

三.

实验装置:

实验主机、光纤 1 段、光纤切割刀 1 把、手持式光功率计 1 台、WGN-1 型激光 功率指示仪 1 台、光纤跳线 1 根、法兰盘。

四.

实验内容及步骤

a) 实验内容: 认识光纤器件,对应实物讲解光纤光学基础知识。 b) 实验步骤: 1.介绍单模光纤,多模光纤,光纤切割刀; 2.介绍光纤跳线,法兰盘; 3.介绍光功率计。

2

实验二 一. 实验目的

光纤与光源耦合方法实验

初步掌握光纤切割技术,光源与光纤耦合技术,体会透镜数值孔径对耦合效率 的影响。

二.

实验原理

光纤作为无源器件,是光纤传感器中基本组成部分。其端面处质量的好坏,直 接影响与光源的耦合效率及光信号的采集。 光纤端面的处理可分为两种形式,即平面光纤头和透镜光纤头,本次实验主要 是平面光纤头的制作。 光耦合是将光源发出的光,注入到光纤中的一个过程。光耦合效率与光纤端面 质量和耦合透镜的数值孔径有关,当光纤端面处理的质量较好,其数值孔径与耦合 透镜数值孔径相匹配时可得到最佳耦合效率。 耦合效率

??

Pf P0

(1)

Pf 为光纤输出功率,P0 为光源输出功率。 光纤耦合原理如附图 1 所示:

附图 1 光纤耦合原理图

三.

实验装置:

主机、GY-24 型 He-Ne 激光器 1 台、WGN-1 型激光功率指示仪 1 台、光纤切割 刀 1 把、光纤剥线钳 1 把、多模光纤 1 段、酒精泵 1 个、镜头纸 1 本。

四.

实验内容及步骤

a) 实验内容:切割光纤端面;测量耦合效率。
3

b) 实验步骤: 1、剪一段多模光纤; 2、用剥线钳剥去涂敷层,用镜头纸蘸取适量酒精擦干净剥出的裸纤; 3、用光纤切割刀在裸光纤外壁上轻刻一小口,然后轻轻敲断,端面应垂直, 无毛刺; 4、将切好的光纤夹持在光纤卡头上,然后将光纤卡头放进五维调整架中; 5、打开 He-Ne 激光器,预热几分钟,用激光功率指示仪测量激光器的输出功 率 P0,并记录下 P0 数值; 6、将光路调至与主机箱上板平行,同时调整 10×显微物镜与光路同轴;调整 五维调整架,让激光通过 10×显微物镜汇聚后打在光纤的端面上,使光耦 合进入光纤。 观察另一端输出情况, 并用激光功率指示仪测量输出功率 Pf, 并记录下 Pf 的数值; 7、将 P0、Pf 的值代入公式(1) ,计算耦合效率。

五.

实验报告要求

按照实验内容和步骤反复测量 5 次,将实验测量结果填入下列表格,并计算 出 5 次的平均耦合效率 η。 数据 1 数据 2 数据 3 数据 4 数据 5 P0 Pf η 5 次 η 平均值

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实验三 一. 实验目的

多模光纤数值孔径(NA)性质及参数测量实验

1. 掌握测量多模光纤数值孔径的一种方法。 2. 了解光纤数值孔径的物理意义。

二. 实验原理
光纤数值孔径 NA 是表征光纤集光能力的主要参数,其理论表达式为:
2 1 NA ? [n1 ? n2 2] 2

式中:n1—纤芯折射率,n2—包层折射率。 可见光纤的数值孔径与直径无关。 在实际测量中,一般采用“远场法” 。 “远场法”的定义是:光纤远场辐射强度 分布下降到最大的 5%时,远场辐射半角的正弦定义为数值孔径 NAeff=Sinθ ,与理 论值关系为:NAeff=KNA,K 为比例因子。 测量原理如附图 2 所示:

附图 2

NA 测量原理图

三. 实验装置:
主机、GY-24 型 He-Ne 激光器 1 台、WGN-1 型激光功率指示仪 1 台、光纤切割 刀 1 把、光纤剥线钳 1 把、多模光纤 1 段、酒精泵 1 个、镜头纸 1 本。

四. 实验内容及步骤
1. 打开 He-Ne 激光器,校正实验系统; (1) 调整 He-Ne 激光器,使激光束平行于主机上面板; (2) 取待测光纤, 对其两端做切割处理, 一端经五维调整架与激光束耦合 (参 考实验二) ,一端夹持于白屏前,并与接收屏保持垂直;
5

2.

测试输出孔径角 ? mo

(1) 固定光纤输出端; (2) 置白屏与距光纤输出端 L 处,则在接收屏上显示出光纤输出光斑,其直 径为 D。 (3) 测量 L 和 D 值,则得输出孔径角为:

θ mo ? tg 1[D /(2L)]
3. 计算光纤数值孔径: NA=Sin ? mo 4. 关闭 He-Ne 激光器电源,实验结束。

五. 实验报告要求
按照实验内容及步骤反复测量 5 次,记录下测量结果,求出 5 次的平均值。 数据 1 数据 2 数据 3 数据 4 数据 5 L D

? mo
NA 5 次 NA 平均值

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实验四 一. 实验目的

光纤传输损耗特性及参数测量实验

1. 掌握“插入法”光纤损耗测量技术; 2. 了解光纤稳态功率分布概念及其对光纤损耗的影响; 3. 了解光纤损耗与波长之间的关系和光纤通信“窗口”的实际意义。

二. 实验原理
在光纤传输过程中,光信号能量损失的原因是复杂的,有本征的和非本征的。 在实际应用中最关心的是它的传输总损耗。光信号沿光纤传输时,光功率的损耗叫 做光纤的衰减。为满足精确、可重复的测量结果,测量时应保证光纤中的功率分布 是稳定的。实际光纤中因为存在各种不均匀等因素,将引起模耦合,而不同的模和 群速度各不相同。因此在多模情况下,需要保证稳态注入条件,如使用扰模器。单 模光纤由于只有一个模式,则没有稳态功率分布问题。光纤衰减损耗的另外一个影 响因素是波长,不同波长的衰减是不同的。 衰减是以分贝(dB)为单位的,因此,在波长λ 上光沿光纤传输距离 L 后的衰减

A?? ? 定义为:

A(? ) ? 10lg

P1 (dB) P2

(1)

式中,P1、P2 分别是注入端和输出端的光功率。 对于一根均匀的光纤就可以定义单位长度 ( 通常是 1km) 的衰减叫做衰减系数

? (? ) :
P A( λ ) 1 ? 10lg 1 (dB / km) L L P2

α( λ ) ?

(2)

光纤的衰减系数是一个与长度无关的参数。 测量原理如图所示:

附图 3 光纤传输损耗实验原理图
7

其中两断点 P1、P2 处为光纤活动连接器,在这两点处分别测取光功率。

三. 实验装置:
主机、手持式光功率计 1 台、WGN-1 型激光功率指示仪 1 台、光纤跳线 1 根、单 模光纤 1 盘、法兰盘 1 个。

四. 实验内容及步骤
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 将主机上的 1550 光源与手持式光功率计用一根光纤跳线连接起来; 打开 1550 光源电源,用光功率计测取光纤跳线输出端的光功率 P1; 保持输入状态不变,将 1 盘单模光纤的一端与光纤跳线用法兰盘连接; 用光功率计测取这盘单模光纤另一端输出光功率 P2; 将 P1、P2 代入公式(2)中,计算出损耗衰减系数; 换用主机中的 650 光源;重复实验步骤 2-5(650 光源的功率用 WGN-1 型 激光功率指示仪测量) ; 关闭电源,实验结束。

五. 实验报告要求
分别测量 1550 光源、650 的损耗衰减系数,将实验结果记录下来。 1550 光源 650 光源 P1 P2
α( λ )

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实验五 一. 实验目的

Mach-Zehnder 光纤干涉实验

1. 掌握光纤 Mach-Zehnder 干涉仪的基本原理; 2. 实验操作调试 Mach-Zehnder 干涉仪并进行性能测试。

二. 实验原理
以光纤取代传统 Mach-Zehnder 干涉仪的空气隙, 就构成了光纤型 Mach-Zehnder 干涉仪。这种干涉仪可用于制作光纤型光滤波器、光开关等多种光无源器件和传感 器,在光通信、光传感领域有广泛应用,其应用前景非常好。 光纤型 Mach-Zehnder 干涉仪实际上是由分束器构成。当相干光从光纤型分束 器的输入端输入后,在分束器输出端的两根基本长度相同的单模光纤汇合处产生干 涉,形成干涉场。干涉场的光强分布(干涉条纹)与输出端两光纤的夹角即光程差 相关。令夹角固定,那么外界因素改变的光程差直接和干涉场的光强分布(干涉条 纹)相对应。

附图 11 Mach-Zehnder 干涉实验原理图

三. 实验装置:
主机、光纤跳线 1 根。

四. 实验内容及步骤
1.将主机中的“650 光源”端口与“光源输入”端口用 1 根光纤跳线连接起来。 2.打开光源,观察毛玻璃窗上的干涉条纹。 3.打开上盖,观察内部光路结构,分析观察到的现象。

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实验六 光纤压力传感原理实验 一.实验目的
1. 了解光纤传感的原理及意义。 2. 实际操作观察光纤压力传感的现象。

二.实验原理
光纤传感的工作原理是,被测量的量改变了光纤的传输参数或载波参数,这些 参数随待测信号的变化而变化。光信号的变化反映了待测物理量的变化。 本实验系统所进行的传感原理是 Mach-Zehnder 光纤干涉原理。 Mach-Zehnder 干 涉属于双光束干涉原理,由双光束干涉院里面可知,干涉场的干涉光强为: I∝(1+cosδ ) δ 为干涉仪两臂的光程差对应的相位差,δ 等于 2π 整数倍时为干涉场的极大值。 压力改变了干涉仪其中一臂的光程,于是改变了干涉仪两臂的光程差,即位相差, 位相差的变化由按上式规律变化的光强反映出来。

附图 12 光纤压力传感原理图

三.实验装置:
主机、光纤跳线 1 根。

四.实验内容及步骤
本实验中传感量是压力,压力改变了光波的位相,通过对位相的测量来实现对 压力的测量。 具体的测量技术是运用干涉测量技术把光波的相位变化转换为 (振幅) 变化,实现对压力的检测。操作方案采用光纤干涉仪进行对压力传感的测量,利用 干涉仪的一臂作参考臂,另一臂作为测量臂(改变应力) ,配以检测显示系统就可 以实现对压力传感的观测。本实验只对压力引起光波参数改变作定性的观测,即观 察压力的改变引起观测屏上干涉条纹的移动。 注意事项:每次做完实验,请将螺旋测微头旋至 10mm 刻度以外。
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实验七 一. 实验目的

光纤温度传感原理实验

1. 了解光纤传感的原理及意义。 2. 实际操作观察光纤温度传感的现象。

二. 实验原理
光纤传感的工作原理是,被测量的量改变了光纤的传输参数或载波参数,这些 参数随待测信号的变化而变化。光信号的变化反映了待测物理量的变化。 本实验系统所进行的传感原理是 Mach-Zehnder 光纤干涉原理。Mach-Zehnder 干 涉属于双光束干涉原理,由双光束干涉院里面可知,干涉场的干涉光强为: I∝(1+cosδ ) δ 为干涉仪两臂的光程差对应的相位差,δ 等于 2π 整数倍时为干涉场的极大值。 温度改变了干涉仪其中一臂的光程,于是改变了干涉仪两臂的光程差,即位相差, 位相差的变化由按上式规律变化的光强反映出来。

附图 13 光纤温度传感原理图

三. 实验装置:
主机、光纤跳线 1 根。

四. 实验内容及步骤
本实验中传感量是温度,温度改变了光波的位相,通过对位相的测量来实现对 温度的测量。具体的测量技术是,运用干涉测量技术把光波的相位变化转换为强度 (振幅)变化,实现对温度的检测。操作步骤参考实验八。光纤 Mach-Zehnder 型 干涉仪进行对温度传感的测量,利用干涉仪一臂作为参考臂,另一臂作测量臂(改 变温度) ,配以检测显示系统可以实现对温度传感的观测。本实验只对温度引起光 波参数改变作定性的观测,即观察温度的改变引起观测屏上干涉条纹的移动。

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技术服务
尊敬的用户:感谢您选择《WGX 系列光纤信息及光通信实验系统》产品,如 果您在使用过程中,遇到有关使用或技术方面的困难,或有什么建议和要求,请 及时与我们联系,我公司将尽最大努力为您提供优质的服务。 我们的联系方式: 地址:天津市河西区灰堆东 天津市光学仪器厂内 邮编:300222 电话:022-88289916, 88289918 传真:022-28113917 网址:http://www.tjtp.com

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