1、上海大学精品课程上海市教委重点课程光纤通信基础实验教材王叶 余昺鲲 编著2006 年 6 月物理系电子信息科学与技术专业1目录绪论 2一 光纤基础知识 2二 Newport 光学组合仪简介 9附录：一些光学和光电子仪器的使用方法 11实验一 光纤的操作，光纤数值孔径测量 25实验二 半导体光源与光纤耦合 31实验三 半导体激光器特性测量 41实验四 单模光纤模场测量 54实验五 光纤连接器 59实验六 3dB 光纤耦合器 66实验七 保偏光纤拍长测量 73实验八 强度调制型光纤传感器 791光纤位移传感器2光纤液位传感器3光纤应力传感器4光纤微弯传感器实验九 光纤Mach-Zehnder干涉仪
2、 89光纤温度传感器2绪论一 光纤基础知识1 光纤的构造与制备通常认为，光纤是一根细玻璃丝、一根二氧化硅制成的圆柱体玻璃纤维、一段光频段的波导结构，它的材料组成可能是：纤芯 、包层 ，或着是：纤芯2SiOGe2Si 、包层 。 的意思是在二氧化硅中掺锗，实际上就是2SiO232SiOB2i使光纤纤芯的折射率大于光纤包层的折射率令光在纤芯与包层的界面上发生全反射而能够长距离传输。图 1 光纤的结构均匀介质的折射率沿空间各个方向保持常数，光在各个方向的行进轨迹是直线，而当折射率在某处突变或渐变时光线才从它的当初方向发生弯折或弯曲。图 2 显示的是裸光纤剖面（纤芯与包层的横断面）上的折射率沿径向呈不
3、同柱对称分布时光在纤芯中走的行迹。（a） （b）图 2（a）单模阶越折射率光纤， （b）多模梯度折射率光纤从图 2 可知，单模阶越折射率光纤的纤芯半径在微米量级，光线基本上沿着中心轴线传播，它的径向折射率分布为arnr)1()(2（1）其中 是纤芯与包层之间的相对折射率差，对于所谓弱导光纤，21n3。多模梯度折射率光纤的芯半径为几十微米，光线在纤芯中的传输路径一12,n般是曲线，它的折射率分布为arnr)()(12（2）纤芯中的 常取抛物线型)(rnarnarrn)21(0)(21（3）其中 是纤芯轴线上的折射率。不同取向的光线大致代表光纤中的不同模式，可以预见对1n于多模阶越折射率光纤来说，
4、光线走的是折线。玻璃光波导的制备现多采用汽相沉积方法，康宁公司（Corning Glass Work）首先使用外部汽相氧化法（OVPO）制成损耗低于 20dB/km 的光纤，光纤的制作过程如图 3 所示，图 3 使用 OVPO 方法制备预制棒及拉纤过程汽相氧化过程是将高纯度的金属卤化物（ 和 等）和氧气反应生成 及其它4SiCl4Gel 2SiO掺杂组分的微粒并沉积在玻璃饵棒上（图 3a） ，饵棒匀速旋转的同时来回平移使粉尘状玻璃微粒均匀沉积，然后将疏松的粉尘状预制棒烧结成玻璃预制棒（图 3b） ，直径约为 1025 mm，长约 60120 cm，最后将它拉制成光纤（图 3c） 。除此之外，改
5、进的化学汽相沉积法（MCVD ）是目前制造低损耗梯度折射率光纤的流行方法，还有与它相似的等离子体活性化化学汽相沉积法（PCVD）等。2 光纤模式的电磁场理论4一般有两种方法用于讨论光在光纤中的传播，建立并解光线路径方程或电磁场方程。实际上前者是后者的短波长极限，由于单模光纤的工作波长已经和其尺寸相比拟，几何光学的处理方式已不合适，而将光在光纤中的传播看作一个电磁场边值问题则能得到一个，几个或一系列严格解，并且此方法对单模和多模光纤都适用。光纤模式就是光纤波导中可能的一个电磁场形式，它必是一个满足电磁场方程及其边界条件的解或场形结构。光传播模式的主体是导波模（亦称传导模或导模）一般可分为1）TE
6、 模（ ）和 TM 模（ ） ，对应光线理论中子午光线（包含中心轴的平面0zE0zH内的折线）的行为，在发生反射时，TE 波的电场偏振方向不变，TM 波的磁场电场偏振方向不变。2）EH 模和 HE 模，对应光线理论中偏斜光线（其它方向的空间折线）的行为，每次反射都将产生轴向分量。阶跃折射率光纤的一些较低阶的模式，对应的线偏模（弱导近似）及其归一化截止频率列表如下：表 1：一些低阶光纤模式（矢量模和线偏模的对应）模式组（矢量解） cV模式数 线偏模1HE0 21=2 01LP， ，0T0M212.405 1121=4（ ， ） ，133.832 212121=6 ，2102，2EH415.136
7、 2121=4 3LP， ，0T025.520 1121=4 12，31516.380 2121=4 4（ ， ） ，2EH23E7.016 212121=6 ，2LP03，41617.588 2121=4 51模式组显示的是从光纤电磁场方程得出的精确矢量解，每组模式中的每个模式具有相同的归一化截止频率，光纤的归一化频率 V 定义为：aNAknkak010210 （4）1NA（5）它是一个将工作波长，光纤参数和波导属性联系起来的物理量，NA 是光纤的数值孔径。如果已知 V，可以由光纤特征方程（相当于边界条件）求出导波模的两个横向特征常数5U，W（决定电磁场的径向位相） ，再由下面的方程确定光纤
8、导波模的纵向特征参数 （决定纵向相位） 。2120aUnk（6）由此可得电磁场传播的相速度21anVcvp（7）和群速dancdvg21（8）从这个式子出发可以讨论光纤的波长色散。3 单模光纤及其 模式01LP图 4 模的光斑图（微米尺度）01LP当归一化频率 时，光纤仅以主模 运转，其它模式均截止。例如 N 5.20V1HEewport 公司生产的型号为 F-SV 的单模光纤，数值孔径 0.11，芯半径 2 ，工作波长m633nm，V 数为 84.0263.NAa截止波长 nmVc574.厂方实测为 580nm。工作波长是否越大于截止波长就越好呢？不是的。当波长增加时，V数减小，这时由于场形
9、的变化将会有更多的光功率从纤芯转移到包层而导致传输损耗增加。在弱导条件下，阶跃单模光纤 模式解的形式可以写成01LP6（9）arUJAE)(01WK)()02（10）其中 是第一类贝塞尔函数， 是第二类变态贝塞尔函数，都是零阶，场形与)(0J)(0高斯分布非常接近。 模可以分解为两个本征线偏振模式 和 ，两者传播的时01LPxLP01y延差为（对石英光纤） pyxygx cBkddv )(0（11）其中yxypxnvcB（12）是单模光纤的双折射， 是拍长，即偏振状态经历一个周期变化的光纤长度。 的含义pL 是单位距离产生的时差，也就是单位距离的脉冲展宽，它称为偏振模色散（PMD） 。4 光纤
10、通信一个采用波分复用（WDM）和掺铒光纤放大器（ EDFA）的数字通信系统如图 4 所示图 5 WDM-EDFA 光纤通信数字编码信号可以是数字调制信号（比如 MSK，最小频移键控）或模拟信号脉码调制（如PCM）等，WDM 技术和微波通信系统所用的电载波 FDM 技术（频分复用）在概念上类似，其目的都是为了增加信道容量，WDM 的技术优势在于波长分割与信号格式的无关联7性（本质上是光频载波 FDM） ，因此一根光纤上的集群信号实际上是各自独立传输的。波长复用器的作用是将各个独立的数字光调制输出（来自光发射机）复合并耦合进一根光纤，在接收端，解复用器将不同波长的光信号分离并送入各自的检测通道。实
11、际的 WDM 无源器件一般是星型耦合器或波长选择耦合器（波长复用器） ，包含熔融光纤，制作光栅等一系列微光和集成光学技术，可完成复用，解复用，分插复用和波长路由等功能。掺铒光纤放大器是一种全光放大器（取代过去的光-电- 光中继器） ，它在 1550nm 波长处几十纳米内可获得 3dB 的增益， EDFA 由掺铒光纤，泵浦激光器（980 或 1480nm） ，无源波长复用器，光隔离器及抽头耦合器组成，如图 5 所示。光隔离器的作用是防止放大光的反馈对原器件的影响（它使噪声增加） 。图 6 同向泵浦掺铒光纤放大器结构光纤通信是一项系统工程，涉及光学，微电子学，信号与系统，机械，计算机与自动控制，材
12、料以及它们之间的交叉，集成和综合，此外还有光网设计，标准化，成本核算等软层面上的工作，比如设计一个单信道光纤通信系统，将系统粗略地划分为发射-信道- 接收三部分，需要考虑的诸多因素如图 6 所示。图 7 单信道光纤通信系统设计光纤信道本身是一个复合体，它向前延伸至光发射机，向后和光接收机连接。按照一般通信信道的划分，若不考虑信号编码部分，可以将光发射-光纤信道- 光接收称为光调制信道，如果包括信号编码和解码及其载波调制和解调，则称为编码信道，广义的光纤通信系统应该覆盖整个编码信道。5 光纤传感8光纤的导光能力是显然的，光纤还能传感其它物理量则不那么明显。从上面有关光纤的基础知识可知，光纤本质上
13、的传输特性完全可以加以变换和利用。例如单纯的光强变化，偏振及相位变化等，光纤传感器就是通过光纤的这些变换特性和外在或联合的传感对象（温度，压力，电流，角度，波导结构，波导模式或方式等）产生相互作用。可以说光纤传感器能够延拓至一切传感器领域，并向着更高级和特有的方向发展，比如光纤陀螺和所谓光纤智能结构，这里将光纤陀螺作为例子展现光纤传感器的潜在价值。光纤陀螺是一种新颖的角速率传感器，1976 年由 Vali 和 Shorthill 首次报道，发展至今已逐步应用于飞机、导弹和舰船的导航系统中，是当前最有发展潜力的惯性制导器件，也是最成功的光纤传感器之一。它基于所谓萨格奈克（Sagnac）效应，如图
14、 7，由光波的多普勒效应可知，在 上（实验室坐标系）观察到的介质内顺时针和逆时针方向的光波频dl率 和 分别为cw和 )1(cvcw )1(cvcw（13）R（14）是光纤切线方向的速度，设为顺时针方向。v图 8 萨格奈克环行光路那么频差就是cRvcw2（15）相位差就是dAclcdl 22842（16）其中RdlA21（17）是小三角形面积，绕行一周总的相位差为 cLL RAcdcd222 )(88（18）9若光纤为 N 匝ccRLNR424（19）L 是光纤总长。图 8 是一种干涉式光纤陀螺的实验装置，光在进入光纤绕组之前用 3db 光纤耦合器对光进行均衡的分束，设在入射点返回的两束相干光分别为)cos(tAt和（20）其中 为光波的角频率, 为两束光波的相位差，A 为光波的振幅。当他们发生干涉时，光强可表示为2)sin(ittI（21） 若利用响应时间常数为 的探测器检测光强，则探测器上得到的光强为dtIItd)(1（22） 一般有 ， 并且认为 在 内几乎不变，则有1)cos1( )cos1()2(cs242I AdtAtd（23）若 仅由 sagnac 相移引起，则有)cos1(Id（24）
