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1、目 录试验一LD/LED 的P-I-V 特性曲线测试试验二光电管光照特性测试试验三单模光纤衰减系数的测试试验四单模光纤几何参数测量试验五OTDR 测量仪应用试验六 单模光纤模场半径测量试验七 微孔直径的衍射测量试验八 图像信息处理的光电实现试验九 光纤传感的温度测量试验试验十 光纤传感的压力测量试验说明：一次试验 3 课时，分两批试验，周一晚 6：00，周五晚 6:00试验一、二、三，比较根底,同学都要做。试验四十相对专业一点，需花费较多的时间。为保证质量,承受分组主攻一个或 两个试验，同时适当了解其他试验的方式来做。23试验一LD/LED 的 P-I-V 特性曲线一试验目的1. 测试 LD/
2、LED 的功率电流P-I特性曲线和电压电流V-I特性曲线，计算阈值电流I 和外微重量子效率。th2. 了解温度T对阈值电流I 和光功率P的影响。th二试验仪器1 LD激光二极管带尾纤输出，FC型接口1只2 LED发光二极管1只3 LD/LED电流源1台4 温控器可选1台5 光功率计1台6 积分球可选1个7 万用表2台三试验原理激光二极管LD 和发光二极管LED 是光通讯系统中使用的主要光源。LD 和 LED 都是半导体光电子器件，其核心局部都是 P-N 结。因此其具有与一般二极管相类似的V-I 特性曲线， 如以以下图：VVTI图 1 LD/LED 的 V-I 特性曲线由 V-I曲线我们可以计算
3、出LD/LED 总的串联电阻R 和开门电压VT。PLDLEDIth图 2 LD/LED 的 P-I 特性曲线在构造上，由于 LED 与 LD 相比没有光学谐振腔。因此，LD 和 LED 的功率与电流的2P-I 关系特性曲线则有很大的差异。LED 的P-I 曲线根本上是一条近似的线性直线。从图中可以看出 LD 的 P-I 曲线有一阈值电流 I ，只有在工作电流 I I局部，P-I 曲线th才近似一根直线。而在IfT1)Ith1Ith2I图 3 LD 的温度特性曲线四 试验步骤1. 按图示线路连接 LD/LED，留意不要将极性接反！假设没有配积分球，可直接将LD 与光功率计连接，将 LED 在暗室
4、内放入光功率计的接口处。试验时，假设不使用积分球，将只会影响到LED 各参数的测量精度，对LD 各参数的测量不会影响。LD/LED电流源光功率计图 4 没有使用积分球和温控器的连接框图23LD/LED电流源光功率计温控器3. 假设试验中用到温控器，启动温控器电源，并将温度调到200C。I(mA)U(V)P(uW)P(dB)0510152025354. 开启 LD 的驱动电源，缓慢调整电流旋纽渐渐增加工作电流。每隔确定电流间隔，记录LD 的电压值和光功率值。绘制LD 的P-I 曲线和V-I 曲线。表格 1 LD 的 P-I-V 试验测试数据5. 开启 LED 的驱动电源，缓慢调整电流旋纽渐渐增加
5、工作电流。每隔确定电流间隔，记录 LED 的电压值和光功率值。绘制LED 的P-I 曲线和 V-I 曲线。I(mA)0102030405060U(V)P(uW)P(dB)表格 2 LED 的 P-I-V 试验测试数据6. 调整温控器，上升LD 的工作温度，重复试验步骤3，记录LD 的P-I 曲线和V-I 曲线。比较在不同温度下，LD 的特性曲线变化。T()I(mA)U(V)P(uW)P(dB)020254060表格 3 温度特性测试数据五思考题1. 串联电阻R 对于LD/LED 的应用性能有何影响？2. 为什么LD/LED 的输出特性有较大差异？4试验二光电管光照特性测试一.试验目的1. 把握
6、光电二极管的工作原理和使用方法。2. 了解光电二极管的光照特性和伏安特性。二.试验仪器1.照度计1 台2.积分球可选1 个3.光电探测器1 只4.卤素灯光源1 台5.万用表2 台10. 照度计1 台三.试验原理光电二极管是结型半导体光伏探测器。当入射光子能量大于材料禁带宽度时，半导体吸取光 子能量将产生电子空穴对，在PN 结区的电子空穴对被内建电场加在光电二极管上的电压是反向偏压分别，形成光生电势，产生光生电流。光电二极管与一般二极管相比，有很多共同之处， 它们都有一个P-N 结。因此，他们都属于单向导电的非线性元件。但是光电二极管是一种光电器件，在构造上有其特别的地方。光电二极管目前度承受硅
7、或者锗为原料，但锗器件暗电流的温度 系数远大于硅器件，工艺不如硅器件成熟。下面着重介绍硅光电二极管。1. 硅光电二极管的构造和工作原理硅光电二极管的构造如以以下图：图 1 环形光电二极管构造示意图为了消退外表漏电流，在器件的 SiO2 外表保护层中间集中一个环形 P-N 结，称为环极。在有环极的光电二极管中，通常有三根引出线。对于N+P 构造器件，N 侧电极称为前极，P 侧电极称为后极。环极接电源正极，后极接电源负极，前极通过负载接电源正极。由于环极电位高于前 极，在环极形成阻挡层阻挡外表漏电流的通过。可以使得负载 R 的漏电流很小一般小于 0.05A。假设不用环极也可以将其悬空。硅光电二极管
8、的封装刻承受平面镜和聚焦透镜作为入射窗口。承受凸透镜有聚光的作用，有利于提高灵敏度。由于聚焦位置与入射光方向有关，因此能减小杂散背景光的干扰，但也引起灵敏度随入射光方向而变化。承受平面镜作窗口，虽然没有对准的问题，但易受到杂散光的干扰。2. 伏安特性5硅光电二极管总是在反向偏压下工作。这样可以减小载流子渡越时间及二极管的极间电 容，以提高探测器的响应的灵敏度和频率。但是方向偏压不能太高，以免引起雪崩反向击穿。光电二极管在无光照时的暗电流I 就是二极管的反向饱和电流I。有光照时产生的光生电流dSO与IIPSO同一方向。不同光照下硅光电二极管的电压与电流的关系如图：图 2 硅光电二极管伏安特性曲线
9、由图可见，在低反压下电流随光电压变化格外敏感。这是由于反向偏压增加使耗尽层加宽、 结电场增加，它对于结区光的吸取率及光生载流子的收集效率影响很大。当反向偏压进一步增大 时，光生载流子的收集已经到达极限，光电流趋向饱和。这时间电流与外加的反向偏压几乎无关， 而取决于入射光功率。光电二极管在较小负载电阻下，入射光功率与光电流呈现较好的线性关系。3. PIN 光电二极管图 3 光电二极管输出特性曲线前面争论的集中型P-N 结光电二极管，由于它的相应时间主要取决于P-N 结两侧的光生少数载流子集中到结区所需的时间。因此，受到集中时间和集中过程中的复合所造成的噪声的影响。这些影响限制了这种光电二极管的应
10、用范围，特别是在长波波段的响应速度。因此在P-N 结中间参与了一层本征层I 层，这种器件称为 PIN 光电二极管，也叫耗尽型光电二极管。只要适当把握本征层的厚度，使它近似等于反偏压下耗尽层的宽度，就可以使响应波长范围和频率响应得到改善。6图 4 PIN 管的构造示意图PIN 硅光电二极管是常用的耗尽层光伏探测器PIN 光电二极管中的本征层对提高器件灵敏度和频率响应有格外重要的作用。由于本真层相对于 P 区和N 区是高阻区，反向偏压主要集中在侧一区域，形成高电场区域。高电阻使暗电流明显减小。本征层的引入加大了耗尽层区，展宽了光电转换的有效工作区域，从而提高了灵敏度。由于I 层的存在，P 区又格外
11、薄，入射光子只能在I 层被吸取，产生电子空穴对。I 区产生的光生载流子在强电场的作用下加速运动，所以载流子的渡越时间格外短。同时耗尽层的加宽也明显削减了结电容，使电容的时间常数减小，改善了光电二极管的频率响应特性。性能良好的PIN 光电二极管，集中与漂移时间一般在10-10s 量级，相当于千兆赫兹的频率响应。四.试验步骤试验装置原理框图如下：照度计毫安表电压源灯毫伏表R图 5 光电二极管光照特性测试装置1. 调整调压变压器的电压值，转变光照度。测量光电二极管的光生电流，绘制光生电流与照度的特性曲线。P照度值E 光生电流I表格 1 偏压恒定下光照度与光生电流的试验数据2. 光照度恒定不变，转变光
12、电二极管的偏压值，测量光电二极管的光生电流值，绘制确定照度下的V-I 特性曲线。3. 转变光照度，屡次测量光电二极管的V-I 特性曲线。4.7照度值E测量值偏压值光电流偏压值光电流偏压值光电流表格 2 光电二极管伏安特性测试数据五.思考题a) 负载电阻会给测量的数据带来何影响？b) 反向电压的大小会给测量带来何影响？8试验三光纤衰减系数的测试一试验目的1. 把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. 把握用“截断法”测量光纤衰减系数的方法。二试验仪器1 光纤3.3km2 稳定光源1台3 光功率计1台4 光纤切割刀1台5 光纤剥皮钳1把6 剪刀1把7 裸纤适配器2个8 扰模器
13、1个9 包层模剥除器2个10 酒精泵灯1个三试验原理光纤是一种利用全反射原理，使光线沿着弯曲路径从一端传输到另一端的光学元件。由折射 定律可知，只要满足确定角度入射的光束就可以在光纤中全反射传输，最终以等于入射角的角度 射出，常用光纤数值孔径反映这种特性。理论上只要满足以上条件的光线都可以在光纤中传输下 去，但是实际上光束在光纤中传输会产生确定的能量损耗，这些损耗限制了光信号的传输距离， 以及在接收端的输出信号的大小。在光纤的传输特性中，衰减是多模光纤和单模光纤共有的最重 要的指标之一，它说明白光纤对光能的传输损耗，对光纤通信系统的中继距离有着打算性的影响。1. 光纤的衰减光能在光纤中传输时，
14、除了由于吸取、散射而使光能损失外，由于成缆敷设造成的光纤微弯曲和宏弯曲，光纤的耦合和接续，都会使光能产生附加的损失。归纳起来，产生衰减的缘由大致可以分为三大类：吸取损耗，散射损耗，附加损耗。他们与光纤的材料组成、传输波长和工作状况有关。（1） 吸取损耗吸取损耗主要来自三个方面：光纤材料的本征吸取、材料中杂质吸取和构造中原子缺陷造成 的吸取。由于吸取作用使光能变成热能而损失掉。本征吸取是由于紫外区的电子能级跃迁和红外 区的分子振动能级的跃迁所引起，这是不行避开的；杂质吸取主要是铁、钴、镍、铜、锰、铬、 钒、铂等过渡金属元素和 OH 离子产生的吸取；构造中原子缺陷的吸取是由于在光纤制造过程中， 玻
15、璃受到某种热鼓舞，或在某些状况下受到强辐射而感生的。（2） 散射损耗散射损耗是以光能的形式把能量辐射出光纤之外的一种损耗，它包括瑞利散射、波导散射、受激拉曼散射和受激布里渊散射。瑞利散射属于固有散射，是由于光纤材料种折射率不均匀造成的；波导散射是与光纤波导构造缺陷有关的散射。（3） 附加损耗附加损耗是光纤成缆之后产生的损耗。实际线路中，光纤不行避开地要受到微弯曲和宏弯曲，9其结果是传导模变换为辐射模而导致光能损耗。综上所述，瑞利散射和本征吸取最终限制了通信光纤的衰减极限。图1 示出了有OH 离子存在时的衰减系数与波长的特性曲线。图2 示出了无OH 离子时的衰减系数与波长的特性曲线。衰减dB /
16、 km2.01.51.00.50.01.0001.2001.4001.600波长nm图 1 有 OH 离子时衰减系数与波长关系曲线衰减 dB / km1210864200.60.81.01.21.41.61.82.0波长nm图 2 无OH 离子时衰减系数与波长关系曲线（4） 衰减谱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。其曲线如下：10图 3 光纤的衰减谱2. 衰减系数光纤中平均光功率沿光纤长度削减的规律为：P(Z )= P(0)10 -(aZ /10)式中 P(Z )和 P(0)分别为轴向距离Z 处和
17、 Z = 0 处的光功率；a 是衰减系数，定义为单位长度光纤引起的光功率衰减，单位为dB / km 。当 Z = L 时，( )a(l)= - 10 log P(Z )LP 0这里a(l)表示在波长l 处的衰减系数。dB / km3. 衰减系数测试方法光纤衰减系数测量的目的是为了供给单根光纤的衰减，以便将单根光纤的衰减加起来确定连接长度的总衰减。衰减值应在室温下测量，即10o C 35o C 之间，CCITT G.650、G.651 都规定截断法为基准测试方法，背向散射法为替代测试方法。背向散射法是通过光纤中后向散射光信号来提取光纤衰减及其它信息，诸如光纤光缆的光学 连续性、物理缺陷、接头损耗
18、和光纤长度等。利用背向散射原理做的仪表称为光时域反射计，简 称 OTDR，用OTDR 可直接测量出光纤的衰减系数。以以以下图是一典型的OTDR 曲线，如图 4 所示。1115234dBVBVAA曲线上A-B 间的衰减是：B长度图 4 典型的 OTDR 曲线AA-B(l )= 1 (VA2- VB )VA、VB 是以对数刻度的背向散射功率电平。平均衰减系数为Aa =L另外，从曲线上还可以分析很多现象：1 为光纤输入端耦合器件产生的菲涅尔反射；2 斜率为一常数的区间；3 由于局部缺陷、连续或耦合造成的不连续性；4 由于介电波导本身缺陷引起的反射；5 光纤尾端的菲涅尔反射，利用这一反射可以测量光纤的
19、长度。本试验承受“截断法”测量光纤的损耗。“截断法”只作两次测量，一次在光纤的输出端测 量输出功率。另一次在距离输入端 13m 处剪断一截光纤，测量这一小截光纤的输出功率。两次测量结果的比值，得出剩余长光纤的损耗。“截断法”的优点是测试简便，能得到光纤的频谱衰 减特性任意波长下的损耗系数和具有较高的精度一般可以到达 0.2dB。“截断法”衰减系数测试框图如图 5 所示。稳定光源FC型裸纤适配器绕模器包层模剥除器被测光纤包层模剥除器FC型裸纤适配器光功率计图 5 截断法测定光纤衰减系数系统装置12为了保证高精度的测量，要求测试系统高度稳定；适宜的注入条件；高质量的光纤端面。注入条件是指从稳定光源
20、输出到被测光纤的输入间的一段，对多模光纤来说是格外重要的。我们知道，光波是电磁波，在光纤中满足全部边界条件的波导方程的本征解称为模式。在多模光纤中可以鼓舞成百上千个模，由于耦合条件不同，各模携带的初始能量亦不同；传播过程中，由于模变换、模耦合和模衰减，各模携带的能量比例不断变化，只有经过很长的传输距离后，各模传输能量的比例才能固定下来，这时，我们说到达了平衡模分布或稳态模分布。有三种方法可以得到稳态模分布：第一种方法是在光源和待测光纤之间参与一根长光纤。由于经过长距离的传输，只有一个损耗最低的稳态模式被保存，其他模式均由于损耗被衰减掉，从而到达稳态分布。实际上，在这一长光纤的输出端输出的稳态模
21、式是有效光源。但是，这在试验中造成了很大的不便，就是所需的长光纤的长度大约在 1km 以上。该长光纤与待测光纤的稳态分布不行能完全一样，长光纤会起滤波器的作用，使某些波段大大衰减。其次种方法是 “扰模法”，这也是常用的方法。这种方法是在光源与光纤之间插入一米左右的短光纤，使它受到会引起强模式耦合的机械扰动。这种装置称为“扰模器”。这样只要传播相 当短的距离，就能到达稳态分布。一般承受弯曲法，即沿一排等距离插销穿插光纤，使其产生正弦型弯曲，就能得到扰模器， 如图 7 所示：图 7 扰模器第三种方法是通过适当的光学系统，使注入的光本身就接近于光纤的稳态分布。利用一个可变光阑和一个透镜，调整注入光束
22、的两个参量：光斑直径和孔径，使这两个参量与光纤中的稳态分布模式相匹配。四试验步骤1. 稳态模分布的获得a) 取一根短光纤长约 5 米依据试验四的方法处理好光纤两端面；b) 将两个FC 型裸纤适配器装在此短光纤的两端，并分别接上光源的输出端和光功率计的输入端；c) 保持输入、输出状态不变，在距离光源输出端1m 处加光纤扰模器，将光纤盘绕在扰模器上，观看光功率的变化。d) 当光功率变化很小时，即趋向于稳态模分布。记录下此时的光纤在扰模器上盘绕的匝数N 和光功率P0 。稳态分布光功率光纤盘绕匝数N表格 1 稳态分布参数132. 光纤衰减系数的测试i. 取一长光纤约 1km依据试验四的方法对两端面进展
23、处理；ii. 将短光纤换为长光纤，在扰模器上绕N 匝，获得稳态分布；1iii. 在保持输入、输出状态不变的条件下，登记此时的光功率P 。将10iv. P 、 P 代入以下公式即可计算出光纤的衰减系数：a(l)= - 10 logP(1)dB / kmLP(0)式中，L 是被测长光纤的长度。五思考题1. 用长光纤替换短光纤后，加扰模器会使输出光功率如何变化？为什么？2. 本试验的测试精度受到哪些因素的影响？说明其中最重要的两种。14试验四光纤几何参数测量一试验目的1. 把握CCD 成象技术的计算机实时处理与应用的根本技能和方法2. 运用CCD 器件来测量单模光纤的各个几何参数.二试验仪器i.线阵
24、CCD 器件1 个ii.金相透反式显微 20MHz 双踪模拟示波器1 台iii.三计算机试验原理1 台线阵 CCD 像传感器具有构造精细、体积小、工作电压低、噪声低、响应度高等优点，被广泛运用于运动图像传感、机械量非接触检测、图像数据自动猎取等多领域。线阵 CCD 像传感器是利用 CCD 所具有的光电转换和移位存储功能进展图像传感和信息处理。利用光电转换功能 CCD 将入射到CCD 摄像区的光信号转换为与之强度相对应的电荷包的空间分布，然后利用 CCD 的移位存储功能将这些大小不一的电荷包“自扫描”到同一输出端，形成幅度不等的实时脉冲序列，经过处理便可复原成原来的光学图像。1. 驱动电路原理两
25、相线阵CCD 的驱动电路应有三个要求：1满足四路脉冲时序要求；2对CCD 供给的脉冲应满足确定的电压幅度+12V和功率要求800mW；3CCD 输出信号便于和外电路连接。于是得到驱动电路原理框图：时钟CCD射极跟随器时序规律电路电平转换电路图 5 驱动电路原理图要满足图 4 中驱动脉冲的时序要求最常用的方法是用同一时钟对几路脉冲进展把握，以保证相互间确定的时间关系。再用分频器对时钟脉冲进展分频以产生各路脉冲所需要的波形。4. 单模光纤几何参数单模光纤正越来越广泛地应用于通信，集成光学和传感技术等科技领域。单模光纤本钱低， 损耗小和带宽宽的优点使其成为通信系统中最有期望的传输介质。无论是光纤的生
26、产厂家，还是用户都需要对光纤特性参数进展测量，几何参数是其中很重要的一类，主要包括纤芯和包层的直径和不圆度，纤芯相对于包层的同心度误差。假设包层截面是一个严格的圆，其中心并不难确定，但实际上由于制造工艺的限制其截面不行能确定圆，因此必需利用测得的边缘点分布信息拟合一个和包层边缘最接近的圆，然前方可确定其中心。对于纤芯，状况稍策简洁一些，依据波动光学理论，单模光纤在进展能量传输时纤芯与包层的接合处应满足确定的边界连续条件，所以光纤截面上纤芯的光强分布在纤芯与包层交界 处无明显的跳动点。因此一般常用模场半径，折射率分布外形或照明光的强度分布来确定纤芯的中心，进而计算出同心度误差。一般在用近场法测量
27、光纤的几何参数时常承受照明光强度分布来确定纤芯边界。光纤的几何尺寸格外小，特别单模光纤的纤芯直径仅约为 9 10um，因此在用近场法测量光15结的几何参数时常利用显微镜将光纤的截面象放大后再用不同技术进展测量。如图6 所示:图 6单模光纤构造示意图:5. 几何参数测量装置光纤几何参数测量装置如图 7 所示，包括光学，CCD 和计算机数据处理 3 个局部。单模光纤的包层直接承受反射光照明，而纤芯则承受透射光照明。图 7几何参数测量装置示意四、试验步骤1. 光纤样品预备依据附录所示方法预备好光纤样品，并用专用光纤切割刀处理好光纤端面，放在显微镜下观看，要求完整度达 95%以上。2. 初步测量开启
28、CCD 电源，并执行测量装置应用软件。CCD 的最高区分率为 1600*1200，可依据测量的精度要求承受不同的采样区分率，以最大限度地压缩数据处理量。选用适当倍数的物镜(40X 左右)，调好焦距，并调整好光纤的位置。开启，截取一贞抱负的CCD 像如图 7 所示，用 编程，设定一个合理的阈值电平值，将万个彩色像素点的值一律转为黑白两种灰度如图所示，再运用特定的算法从 CCD 的万像素中猎取光纤包层或纤芯的边缘几16何坐标信息,绘图重现光纤端面的边缘轮廓如图所示。由于光纤截面的外形近似为一个圆，因此 可以依据回归的根本思想，用获得的图象边缘坐标信息来拟合一个最接近光纤截面的圆。我们可以运用数学的
29、方法，先将二次的标准圆方程转化为一次线性方程，然后用最小二乘法原理求出光纤截面中心坐标的最正确拟合值和最正确拟合直径。然后将它看作一个不圆度很小的椭圆，经过一系列简洁的、近似的数学推道, 用一个极坐标方程来近似拟合，再次运用最小二乘法原理经过一系列运算即可求得半长轴A，半短轴B，和不圆度E。图 7光纤包层CCD 像图 光纤包层CCD 黑白灰度像17图 光纤包层的边缘轮廓3. 平滑处理受切割条件的限制，光纤样品端面要保准 100%完整往往比较困难，但缺口的存在会大大影响拟合效果。因此在第一次拟合完成后，可依据的圆心坐标和半径再参照缺口周边的坐标， 运用确定的算法来补上缺口局部的近似坐标值，如图8
30、 所示，经过平滑处理以后，光纤端面的几何坐标更接近于真实值，拟合的可信度更高。图 8数据平滑处理示意4. 依据平滑以后的数据再次进展圆拟合和椭圆拟合。5. 关闭反射光源，开启透射光源，调整合理的输入光强，依据步骤 24 测量光纤纤芯的几何参数。汇总光纤包层和纤芯的全部几何参数，并作为文件保存起来。留意事项：1. 线阵 CCD 摄像器件的工作电压不能超过 15V，在确认电源电压为 15V 前方能接通 CCD进展测量。2. 由于 CCD 是 MOS 型器件，对静电格外敏感。在测量各电波形时，不能对地短路，防止静电击穿。18试验五OTDR 测量仪应用参见 OTDR 相关资料试验六单模光纤模场半径测量
31、参见单模光纤模场半径测量论文单模光纤模场半径快速测量仪的设计及制作*摘要: 用 FPGA 可编程把握器来把握步进电机带动放置在光纤端面远场区域的一个透光圆孔屏障沿光轴线移动，从而调整 PIN 光电管接收到的光信号强度。用锁相放大器来提高光电信号的信噪比，信号被快速采样后输入 FPGA 把握器，经过数据处理后显示所测单模光纤的模场半径。测量仪具备较好的测量精度和重复精度。关键词: 单模光纤 模场半径 远场Abstract: A barrier with circular-hole is placed in far-field area of a fiber, and the source lig
32、hts intensity received by PIN tube is adjusted by moving the barrier along light-axes with a electromotor, which is controlled by FPGA chip. A phase-locked amplifier is used to improve the signal-to-noise ratio of photoelectricity signal, and the FPGA chip is also utilized to incept the sampling sig
33、nal and calculate the mode-field radius of single-mode optical fibers quickly. The device has good measuring and repeating precision.Keywords: single-mode optical fibers,mode-field radius,far-field area1 引言单模光纤自问世以来，由于其低本钱，小损耗 和宽带宽的突出优点，目前已成为通信系统中最主 要的传输介质1。但由于光纤生产工艺的限制和本身固有的衰减因素，实际应用中的通信光缆每隔百公 里左右就
34、需进展一次连接和放大，其性能的好坏受 到很多因素的影响，模场半径就是其中最重要的一 个参数。利用模场半径可以很便利地确定光纤的激 发效率，连接损耗，微弯曲损耗及波导色散等等2,3*。对于模场半径的定义，目前国际上尚无统一的 标准，从而导致也没有统一的方法来测量模场半径， 目前国际上常用的有场分布法和横向位移法。场分横向位移法具有仪器简洁，精度高等特点，但需要 细心预备光纤样品，测量花费时间较长4,5。我们尝 试了光纤端面远场辐射光强调整的方法，即通过改 变固定在光轴线上的透光圆孔的大小6，或移动透光圆孔的位置来调整PIN 光电管接收到的光信号强度， 再通过一系列的电路处理和计算机的运算处理，即
35、 求得模场半径。整个测量装置简洁易操作，自动化 程度较高，能到达较好的测量精度和重复精度。把 计算机把握和处理程序下载到 FPGA 可编程把握器上，整个测量装置即可成为一台一体化的单模光纤 模场半径快速测量仪。2 测量根本原理布法测量的原理比较简，但由于插入损耗大，需要对于实际应用的阶跃型折射率分布单模光纤， 较宽的测量动态范围，因此测量系统造价比较高；其基模的场分布可以用图 1 所示高斯分布来近似：* 基金工程: 国家自然科学基金资助工程(60272034)19等式现边换项后分别取对数得：-= -Pa2a 2Ln1Pmax代入公式4即得w2 (z)Ln1 -Pa2p 2 w2 = -Gn a
36、 28Pmaxl2z在远场测量条件下，我们可用数值孔径sin q 来图 1基模的高斯场分布近似到示a。随着圆孔位置的转变，PIN 管接收到nz在弱导近似()条件下，光纤基模的电磁场的光功率Pa 也转变，可以画出sin 2q 与- Ln1 - Pa Pmax构造相比照较简洁，三个电场重量中的一个，比方的函数关系图，即一条斜率为 2p 2 w2的直线，所以GEX，远大于其他两个重量，这样沿 Z 轴正方向传播l2的 电 场 空 间 分 布 可 由 EX近 似 描 述 ：只要求出直线的斜率即可算出模长半径。r 21E (r, z) = E (0, Z ) exp-xxw2 (z) 记E (0,z)=E
37、(z), 则1式可简洁描述为：x3 测量装置设计3.1 移动圆孔光学系统由于单模光纤的纤芯很小模长半径 5um 左r 2E (r, z) = E (z) exp-xw2 (z) 由光纤电磁场理论可知：w23右，光纤端面的出射光即使在远场区域光斑尺寸也不行能很大，因此透光圆孔的半径 a 不能太大，否则不能有效拦截光信号强度；圆孔 a 也不能太小，太小易引发衍射效应，从而引起系统误差。E (z) =G Ew(z)0我们加工了一条 40cm 长的光学导轨，将光纤调zw (z) =w zGr=l z4pnwG节架，圆孔屏障，凸透镜和 PIN 光电接收管固定在导轨上，四个器件的中心均在光轴上。光纤端面和
38、式中WG 为高斯光束的束腰，也即光纤的模场半径，而Wz为Z 截面处的光束半径。相应于电场重量中占主导地位的 EX，磁场重量中占主导地位的PIN 管光敏面分别定位于透镜的 2 倍焦距处，圆孔又固定在步进电机驱动装置上，可在计算机把握下进展匀速或定点移动，其示意图如图 2 所示。依据光就为HH：y(r, z) =yn E (r, z)5exz0学成像原理，光纤端面出射光通过圆孔后正好又聚焦于 PIN 管光敏面上，而圆孔位置的转变正好有效地调整了透过圆孔的光强度。式中 ne 为有效折射率，Z0=377为自由空间波阻抗。由于基模的波阵面为平面且垂直于光轴，因此时间平均强度矢刃仅含有平行于光轴的玻印亭矢
39、刃：圆孔 透镜光纤a2f2fL探测器L 2S= 1 R (E E* ) = ne E 2 (r, z)60L x0z2exy2zXL 1假设在离光纤端光 Z 处放置一半径为 a 的圆孔屏障，则通过圆孔的光功率为：步进电机图 2移动圆孔光学系统示意pn w2 E(z)2a2a 27Pa = S 2prdR =eG1- exp(-)0z4z0记pn w2 E(z)2w2 (z) 依据 CCITT 的要求，选用波长为 1.310um 的半导体内调制激光器作测试光源，用波长为 0.6328umP= S 2prdR =e Gmax0z4z0的可见光来对准光路，定位光学系统四点成一线。)则2a 2Pa = P1 - exp(-max w2 (z) 经过屡次试验，圆孔屏障的半径 a 以 4mm 左右为佳， 凸透镜参数可选用直径 30mm，焦距 25mm。203.2 整体测量装置我们设计的模场半场快速测量装置整体框图如图 3 所示。输出波长为 0.6328um 的 He-Ne 激光器用于对准光路，而输出波长为 1.310um 的内调制半导体激光器用作测试光源，其 1KHZ 的内调制频率同时也用作锁相放大