《光纤通信实验指导书5945933168》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光纤通信实验指导书5945933168（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、实验一 光器件认识和测量一、实验目的1.了解光纤和各种光器件的特点，及他们在光纤通信系统中的应用。2.掌握光功率计的使用方法。二、实验内容1.熟悉光纤及各种光纤器件。2.测量光纤活动连接器的插入损耗。3.测量光可变衰减器的插入损耗和衰减范围。4.测量波分复用器的光串扰。三、实验仪器1.光纤实验系统1台。2.FC/PC型光纤跳线2根。3.光固定衰减器1个。4.光功率计1台。5.光纤活动连接器1个。6.波分复用器2个。7.光可变衰减器1个。四、实验原理一）光纤光纤是光导纤维的简称，它是一种由玻璃或透明聚合物构成的绝缘波导。光被耦合进光纤后只能在其波导内部传播。一般的光纤都是由纤芯、包层和外套涂层三
2、部分组成。其外套涂层作为光纤的保护层，用于加强光纤的机械强度。其光纤结构如图1-1所示：外套包层区纤芯区图1-1 光纤结构示意图1、光纤的分类光纤有很多种分类方法。按其传输光波的模式来分，有单模光纤与多模光纤两大类。它们的结构不同，因而各具不同的特性与用途。1)单模光纤用来传输单一基模光波的光纤称为单模光纤，它要求入射光的波长大于光纤的截止波长，单模光纤的纤芯直径很小，一般为5-10m。单模光纤对于光的传输损耗将是最小的，因为光场只在光纤的中心传导。但是由于纤芯直径很小，对于光纤与光源的耦合及光纤之间的接续将带来明显困难。单模光纤可彻底消除模间色散，在波长为1.27m时，材料色散趋近于零，或者
3、可以使得材料色散与波导色散相抵消。因此，长距离大容量的长途通信干线及跨洋海底光缆线路全部采用单模光纤。由于1.55m波长时单模光纤的损耗更低，人们已研究了使光纤的零色散波长移到1.55m的技术和使激光器（LD）的频谱更窄的技术，以求同时达到最低的损耗及最宽的带宽，从而最大限度地增大中继距离及信息容量。2)多模光纤用来传输多种模式光波的光纤称为多模光纤，模式的数目取决于芯径、数值孔径（接收角）、折射率分布特性和波长。将单模光纤的纤芯增大，光纤将成为多模光纤。多模光纤的纤芯直径远远大于单模光纤，一般为50-200m。在临界角内，各个模式的入射光波分别以不同角度，在光纤内的纤芯与包层的的界面处发生全
4、反射而沿光纤全长传输。突变型多模光纤的纤芯部分折射率保持不变，而在纤芯与包层的界面折射率发生突变。这种光纤模间群时延时差大，一般传输带宽为100MHzKm。常做成大芯径（例如100m）、大数值孔径（例如NA大于0.3）光纤，提高光源与光纤的耦合效率，适用于短距离、小容量的系统。这种光纤的使用相当广泛。3)识别单模光纤与多模光纤的方法识别单模光纤与多模光纤的基本方法是从光纤的产品规格代号中去了解。如我国光纤光缆型号的规格代号的第二部分用J代表多模渐变型光纤，用T代表多模阶跃型光纤，用Z代表多模准阶跃型光纤，用D代表单模光纤。其次是从光纤的纤芯直径去识别。单模光纤的芯径很细，通常芯径小于10m；多
5、模光纤的芯径比单模光纤大几倍。第三种方法是从光纤外套的颜色上识别。通常黄色表示单模光纤，橙色表示多模光纤。本实验系统用的光纤外套是黄色的，故为单模光纤。4)尾纤波长的测试光纤线路的两端一般是通过一段短光纤把线路与光端机连接起来的。这一段短光纤长度为3米或5米、10米，因其位置处于光纤线路的尾部，故称为尾纤。尾纤的传输特性有工作波长、信号传输模式、带宽与损耗等，通常这些通过光纤光缆的型号标志来识别，也可以用仪表来测试。每种光纤都有特定的工作波长，当注入光信号的波长等于工作波长时，光纤损耗最小，反之光纤损耗增大。因此把不同波长的光信号注入光纤，测量光纤损耗，当光纤损耗最小时，该光信号的波长即为尾纤
6、的工作波长。2、成品光纤的主要参数一般光纤成品有以下主要参数：1)光纤的纤芯折射率分布纤芯折射率分布一般分为两类，即梯度型分布及阶跃型分布。一般的多模光纤可采用这两种分布的一种，而单模光纤只有阶跃型分布一种。2)光纤的尺寸一般光纤的外径是125m,单模光纤纤芯芯径是9-10m，多模光纤的纤芯芯径是40-50m，同心度偏差1-5m，这是对光纤通信所用光纤的尺寸。3)光纤的传播损耗引起光纤损耗的原因主要有三方面：（1）瑞利散射，这主要是由于玻璃中密度分布涨落引起的。（2）水吸收带，在玻璃中若残存百万分之一克重量的氢氧根，就会引起对各波长的光波的光损耗。（3）固有损耗，这是由于微观波导的不连续性引起
7、的。4)数值孔径数值孔径是描述光纤受光程度的参数，通常用光从空气入射到纤芯允许的最大入射角的正弦值来描述。5)带宽带宽是光纤的一个重要参数，它使渐变型光纤像一个低通滤波器一样，对光发射机的功率调制产生影响。它使光纤的传输函数的大小随调制频率升高而减小，而在整个频谱内的相关相位失真保持很小。为计算方便，这种频响可以近似为一个等效的高斯低通滤波器，最高带宽仅可能在某一个波长上发生，对于其它波长，带宽将减少下来，那带宽是波长的函数。其低通滤波器的截止频率与玻璃组成材料及剖面折射率分布有关。6)有效截止波长这是描述单模光纤的一个重要参数。它表明，在单模光纤的波长域中仅可以传播的模，所谓截止波长是指基模
8、。测量有效截止波长的方法有多种，一般采用挠曲法，在这种方法中，首先将一段光纤在直线状态下测量一下损耗；然后在弯曲状态下测量损耗。这样可以推算出由于弯曲增加的衰耗，而有效截止波长就是这样定义的，在截止波长下由于弯曲增加的损耗是0.1dB。当工作频率低于这个截止波长所对应的频率时，规定的传播模不能存在，大于截止波长的相应频率的光进入包层区域损耗掉。这个名词是从以前波导理论研究中借用来的。7)模场直径这是单模光纤的另一重要参数，也称为光点尺寸。在单模光纤中主要传送的是基模，而模场直径与基模光斑的大小有关，它以基模场强减少到1/e处的宽度来定标，它表征入纤的光功率分布。二）光连接器光连接器是光纤传输系
9、统中光通路的基础部件，是光纤系统中必不可少的光无源器件。它能实现系统中设备之间、设备与仪表之间，设备与光纤之间以及光纤与光纤之间的活动连接，以便于系统接续、测试、维护。目前，光纤通信对活动连接器的基本要求是：插入损耗小，受周围环境变化的影响小，易于连接和拆卸，重复性、互换性好，可靠性高，价格低廉。光纤通信使用的光连接器按纤芯插针、插孔的数目不同分有单芯活动连接器和多芯活动连接器两类；单芯活动连接器的基本结构是插针和插孔。由光纤连接损耗的计算可知，影响损耗的主要外在因素是相互连接的两根光纤的纤芯之间的错位和倾斜，所以在连接器的结构中，要求插针中的纤芯与插孔有很高的同心度，相连的两根插针在插孔中能
10、精确的对准。按结构不同分有FC型、ST型、SC型、PC型等等。1.FC型活动连接器FC型（平面对接型）光连接器。这种连接器插入损耗小，重复性、互换性和环境可靠性都能满足光纤通信系统的要求，是目前国内广泛使用的类型。FC型连接器结构采用插头转接器插头的螺旋耦合方式。两插针套管互相对接，对接套管端面抛磨成平面，外套一个弹性对中套筒，使其压紧并且精确对中定位。FC型光连接器制造中的主要工艺是高精度插针套管和对中套筒的加工。高精度插针套管有毛细管型、陶瓷整体型和模塑型三种典型结构。对中套筒是保证插针套管精确对准的定位机构。FC型单模光纤连接器一般地分螺旋耦合型和卡口耦合型两种。FC型单模光纤连接器所连
11、接的两根光纤端面是平面对接，端面间的空气气隙会产生菲涅尔反射。反射光反射到激光器会引起额外的噪声和波形失真，而端面间的多次反射还会引起插入损耗的增加。2.PC型光纤连接器PC型（直接接触型）单模光纤连接器。这种连接器是为克服FC型连接器的缺点而设计的。它是将插针套管端面抛磨成凸球面，使被连接的两根光纤的端面直接接触。这样，它的插入损耗小、反射损耗大、性能稳定可靠。PC型光纤连接器用于高速数字传输系统。FC型连接器插针套管的端面也可研磨抛光成凸球面，此时称为FCPC型光纤连接器。3.SC型光纤连接器SC型（矩形）光纤连接器。SC型矩形光纤连接器采用新型的直插式耦合装置，只需轴向插拔，不用旋转，可
12、自锁和开启，装卸方便。它体积小，不需旋转空间，能满足高密封装的要求。它的外壳是矩形的，采用模塑工艺，用增强的PBT的内注模玻璃制造。插针套管是氧化锆整体型，将其端面研磨成凸球面。插针体尾入口是锥形的，以便光纤插入到套管内。SC型矩形连接器的装配一般分：选择套管、光纤处理、光连接器与光纤的连接、套管端面处理等各步骤。4.ST型光纤连接器ST型连接器是一种卡口式的连接器，它采用带键的卡口式紧锁机构，确保每次连接均能准确对中。插针直径为2.5mm，其材料可为陶瓷或金属。它可在现场安装，也可在工厂预装成光纤组件。目前ST型活动连接器的插入损耗典型值为0.3dB，最大值为0.5dB；其后向反射损耗在一般
13、情况下为-31dB，但在端面作精细处理后，可-40dB。单模光纤连接器产品，一般地应标明连接器名称、型号、接光纤类型、工作波长、光纤尺寸、光纤根数、首次使用插入损耗、温度范围、耦合方式（螺旋、卡口、插拔式）以及端面处理、装配方式等等。三）光耦合器光耦合器的功能是把一个或多个光输入分配给多个或一个光输出。这种器件对光纤线路的影响主要是附加插入损耗，还有一定的反射和串扰噪声。耦合器大多与波长无关，与波长相关的耦合器专称为波分复用/解复用器。1.耦合器的类型如下图示出常用耦合器的类型，它们具有不同的功能和用途。分路器（3端口）合路器（3端口）（a）耦合器（3端口）（b）耦合器（4端口）M或NN（c）
14、星状耦合器（d）波分复用器12分波器12合波器1212图1-2常用耦合器的类型图（a）Y型耦合器这是一种3端耦合器，其功能是把一根光纤输入的光信号按一定比列分配给两根光纤，或把两根光纤输入的光信号组合在一起，输入一根光纤。这种耦合器主要用做不同分路器的功率分配器或功率组合器。图（b）4端口耦合器这是一种224端耦合器（又称22星状耦合器），用来完成光功率在不同端口间的分配。它可用做定向耦合器或分路器，但不能做合路器。图（c）星状耦合器这是一种nm耦合器，其功能是把n根光纤输入的光功率组合在一起，均匀地分配给m根光纤，m和n不一定相等。这种耦合器通常用做多端功率分配器。图（d）波分复用器（也称合
15、波器/分波器）前述光耦合器均只涉及光功率的分配，而波分复用器涉及多个不同波长的信号进行结合（合波器）或分离（分波器）的功能，因而不仅涉及光功率的分配，还涉及不同波长的分配，因而可以看做是一种特殊形式的光耦合器。2.基本结构耦合器的结构有许多种类型，其中比较实用和有发展前途的有光纤型、微器件型和波导型。（1）光纤型全光纤型耦合器的制造方法有熔锥和研磨法两种类型。、熔锥型光纤耦合器。把两根或多根光纤排列，用熔拉双锥技术制作的各种器件。这种方法可以构成Y型耦合器、定向耦合器和波分解复用器等。它是将两根或多根光纤，把涂覆盖层去掉清洗干净后，拧绞成麻花状，然后在加热熔融状态下边加热边向两边拉伸而成，中间部位是哑铃状的双锥体。它的工作原理是这样的：在双锥体的前半部，随着光纤逐渐变细，原来在光纤中传播的芯模逐渐变成包层模并向前传播。在双锥体区光信号已使所有光纤“公有化”了，即发生光耦合。在双锥体后半部分，随着光纤逐渐变粗，包层模又逐渐转变为模芯，使光功率分配到各个光纤中，这就是多纤星状耦合器的工作原理。多纤星状耦合器的制造工艺和所选用设备都比较简单，而光纤根数又可任意选定。 、研磨型光纤耦合器研磨型光纤耦合器制作过程是，将两根光纤一边的包
