光纖耦合與特性測試實驗介紹
 

　　一、實驗?zāi)康?br /> 

　　光纖耦合與特性測試實驗旨在實現(xiàn)光源與光纖高效連接，并精準(zhǔn)測量光纖傳輸特性，為光通信、光纖傳感等領(lǐng)域研究及應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過實驗，可掌握光纖耦合技術(shù)，熟悉光纖特性測試方法，理解影響光纖性能因素，助力相關(guān)技術(shù)優(yōu)化。
 

　　二、實驗原理
 

　　(一)光纖耦合原理
 

　　1.模場匹配：單模光纖僅傳輸基模 LP01，光從光纖出射場分布近似高斯分布。當(dāng)入射高斯激光束在光纖入口場分布與光纖模場匹配最佳時，耦合效果最優(yōu)。為達(dá)此效果，激光束耦合器需產(chǎn)生衍射極限光斑與光纖模場匹配，匹配內(nèi)容包括模場大小、軸向位置、橫向位置、角度方向等。例如，對于直徑為 ? 的激光束，理想透鏡焦距應(yīng)為\(f = ??/(2 NAe??)\) (\(NAe??\)為有效光纖數(shù)值孔徑)，實際需選接近此理想值的衍射極限透鏡。
 

　　2.偏振匹配(針對保偏光纖)：標(biāo)準(zhǔn)單模光纖無法保持傳輸激光偏振態(tài)，保偏單模光纖(PM 光纖)若光束偏振方向與光纖兩主軸之一對齊，就能保持線偏振態(tài)。因保偏光纖內(nèi)置應(yīng)力元件具旋轉(zhuǎn)非對稱性，光在 “快” 軸或 “慢” 軸傳輸，精確耦合進(jìn)軸的線偏振光偏振態(tài)可保持。
 

　　(二)光纖特性測試原理
 

　　1.損耗測試原理
 

　　剪斷法：測量長光纖輸出光功率\(P1\)，剪斷部分光纖后再測剩余光纖輸出光功率\(P2\)，根據(jù)公式\(?± = 10lg(P1/P2)/L\)(\(L\)為剪斷光纖長度)計算損耗，此為基準(zhǔn)測試法，結(jié)果準(zhǔn)確但有損光纖。
 

　　背向散射法(OTDR)：向光纖發(fā)射光脈沖，測量背向散射光強(qiáng)度和時間，分析散射光信號了解光纖損耗、故障位置等信息。光脈沖在光纖中傳輸，遇雜質(zhì)、缺陷等產(chǎn)生背向散射，散射光返回探測器，根據(jù)時間差和光速計算位置，強(qiáng)度反映損耗。
 

　　2.色散測試原理
 

　　相移法：通過測量不同頻率正弦調(diào)制光信號在光纖中傳輸相移，計算群時延差，進(jìn)而得到色散值。不同頻率光在光纖中傳輸速度不同，產(chǎn)生群時延差，相移與群時延差相關(guān)。
 

　　脈沖時延法：發(fā)射窄光脈沖，測量其在光纖中傳輸時延，計算群時延差和色散。窄脈沖經(jīng)光纖傳輸展寬，測量輸入輸出脈沖時延差，結(jié)合光纖長度計算色散。
 

　　三、實驗器材
 

　　1.光源：單模或多模激光光源，如波長 1550nm 的單模 DFB 激光器，用于產(chǎn)生穩(wěn)定光信號，作為光信號輸入源。
 

　　2.光纖：多種類型光纖，如標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(SMF)、多模光纖(MMF)、保偏光纖(PMF)，滿足不同實驗需求。
 

　　3.光功率計：用于測量光信號功率，精度達(dá) nW 級別，以獲取光纖傳輸前后光功率數(shù)據(jù)計算損耗。
 

　　4.光時域反射儀(OTDR)：可進(jìn)行光纖損耗、故障定位測量，能顯示光纖損耗分布曲線和故障點位置。
 

　　5.光譜分析儀：分析光信號光譜特性，測量范圍覆蓋可見光到近紅外波段，分辨率達(dá) pm 級。
 

　　6.光纖耦合器：將光源與光纖連接，有自由空間耦合器、光纖準(zhǔn)直器等，實現(xiàn)高效耦合。
 

　　7.光學(xué)平臺及調(diào)整架：提供穩(wěn)定光學(xué)實驗環(huán)境，調(diào)整架用于精確調(diào)整光學(xué)元件位置和角度。
 

　　四、實驗步驟
 

　　(一)光纖耦合步驟
 

　　1.安裝與對準(zhǔn)：將光源、光纖耦合器安裝在光學(xué)平臺調(diào)整架上，調(diào)整高度使光軸共軸。通過顯微鏡觀察，粗調(diào)光源與耦合器位置，使光束大致對準(zhǔn)耦合器輸入口。
 

　　2.模場匹配調(diào)整
 

　　軸向位置調(diào)整：調(diào)節(jié)耦合器聚焦裝置，改變光學(xué)元件與光纖入口距離，通過光功率計監(jiān)測輸出光功率，達(dá)最大時軸向位置最佳。
 

　　橫向位置調(diào)整：利用調(diào)整架微調(diào)旋鈕，橫向移動光源或耦合器，使輸出光功率最大，完成橫向位置匹配。
 

　　角度方向調(diào)整：傾斜調(diào)節(jié)耦合器，使光學(xué)元件軸與光束中心對準(zhǔn)，光功率最大時角度匹配完成。
 

　　3.保偏光纖偏振匹配(若使用)：對于保偏光纖，旋轉(zhuǎn)耦合器使光纖偏振軸與光源偏振方向一致，通過監(jiān)測光功率或偏振態(tài)分析儀確定最佳旋轉(zhuǎn)角度。
 

　　4.固定與驗證：耦合調(diào)整完成后，固定各光學(xué)元件，再次測量光功率，確認(rèn)耦合穩(wěn)定性和效率。
 

　　(二)光纖特性測試步驟
 

　　1.損耗測試
 

　　剪斷法：用光纖切割刀制備長光纖樣品，連接光源與光纖，光功率計測輸出光功率\(P1\)；在光纖合適位置剪斷，重新連接剩余光纖，測輸出光功率\(P2\)，計算損耗。
 

　　OTDR 測試：將 OTDR 與光纖連接，設(shè)置測量參數(shù)(如測量范圍、脈沖寬度、平均次數(shù))，啟動測量，分析 OTDR 曲線得光纖損耗和故障信息。
 

　　2.色散測試
 

　　相移法：搭建實驗裝置，用正弦信號調(diào)制光源，通過相位計測量不同頻率調(diào)制光信號在光纖傳輸前后相移，計算色散。
 

　　脈沖時延法：發(fā)射窄光脈沖，用高速探測器和示波器測量輸入輸出脈沖時延，計算色散。
 

　　3.其他特性測試(如需要)：連接光譜分析儀與光纖，分析輸出光信號光譜，得光纖光譜特性；測量不同波長光在光纖傳輸特性，分析色散隨波長變化情況。
 

　　五、實驗數(shù)據(jù)處理與分析
 

　　1.損耗數(shù)據(jù)處理：根據(jù)剪斷法或 OTDR 數(shù)據(jù)，繪制光纖損耗隨長度變化曲線，分析損耗分布均勻性，計算平均損耗。對比不同類型光纖損耗數(shù)據(jù)，總結(jié)規(guī)律。
 

　　2.色散數(shù)據(jù)處理：根據(jù)相移法或脈沖時延法數(shù)據(jù)，計算光纖色散系數(shù)，繪制色散隨波長變化曲線，分析光纖色散特性對光通信系統(tǒng)傳輸距離和帶寬影響。
 

　　3.耦合效率分析：計算光纖耦合前后光功率比值得耦合效率，分析影響耦合效率因素(如模場失配、偏振失配、連接損耗)，提出提高耦合效率措施。
 

　　六、實驗注意事項
 

　　1.光學(xué)元件保護(hù)：避免手指觸摸光學(xué)元件表面，防止污染和劃傷。拿取光纖時小心，避免折斷。
 

　　2.安全操作：實驗中激光可能對眼睛有害，嚴(yán)禁直視激光束，佩戴防護(hù)眼鏡。
 

　　3.測量準(zhǔn)確性：測量前校準(zhǔn)儀器，保證測量準(zhǔn)確性。測量過程中保持實驗環(huán)境穩(wěn)定，減少外界干擾。
 

　　4.光纖連接：光纖連接時確保端面清潔，使用匹配液減少連接損耗。