光纖耦合與特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)介紹
 

　　一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br /> 

　　光纖耦合與特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)旨在實(shí)現(xiàn)光源與光纖高效連接，并精準(zhǔn)測(cè)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(shí)驗(yàn)，可掌握光纖耦合技術(shù)，熟悉光纖特性測(cè)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(shí)驗(yàn)原理
 

　　(一)光纖耦合原理
 

　　1.模場(chǎng)匹配：?jiǎn)文９饫w僅傳輸基模 LP01，光從光纖出射場(chǎng)分布近似高斯分布。當(dāng)入射高斯激光束在光纖入口場(chǎng)分布與光纖模場(chǎng)匹配最佳時(shí)，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(chǎng)匹配，匹配內(nèi)容包括模場(chǎng)大小、軸向位置、橫向位置、角度方向等。例如，對(duì)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(shí)際需選接近此理想值的衍射極限透鏡。
 

　　2.偏振匹配(針對(duì)保偏光纖)：標(biāo)準(zhǔn)單模光纖無(wú)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(duì)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(duì)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(cè)試原理
 

　　1.損耗測(cè)試原理
 

　　剪斷法：測(cè)量長(zhǎng)光纖輸出光功率\(P1\)，剪斷部分光纖后再測(cè)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(zhǎng)度)計(jì)算損耗，此為基準(zhǔn)測(cè)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(cè)量背向散射光強(qiáng)度和時(shí)間，分析散射光信號(hào)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(cè)器，根據(jù)時(shí)間差和光速計(jì)算位置，強(qiáng)度反映損耗。
 

　　2.色散測(cè)試原理
 

　　相移法：通過測(cè)量不同頻率正弦調(diào)制光信號(hào)在光纖中傳輸相移，計(jì)算群時(shí)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(shí)延差，相移與群時(shí)延差相關(guān)。
 

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

　　三、實(shí)驗(yàn)器材
 

　　1.光源：?jiǎn)文；蚨嗄＜す夤庠?，如波長(zhǎng) 1550nm 的單模 DFB 激光器，用于產(chǎn)生穩(wěn)定光信號(hào)，作為光信號(hào)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(shí)驗(yàn)需求。
 

　　3.光功率計(jì)：用于測(cè)量光信號(hào)功率，精度達(dá) nW 級(jí)別，以獲取光纖傳輸前后光功率數(shù)據(jù)計(jì)算損耗。
 

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

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

　　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(shí)現(xiàn)高效耦合。
 

　　7.光學(xué)平臺(tái)及調(diào)整架：提供穩(wěn)定光學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)步驟
 

　　(一)光纖耦合步驟
 

　　1.安裝與對(duì)準(zhǔn)：將光源、光纖耦合器安裝在光學(xué)平臺(tái)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(duì)準(zhǔn)耦合器輸入口。
 

　　2.模場(chǎng)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(jì)監(jiān)測(cè)輸出光功率，達(dá)最大時(shí)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(dòng)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(duì)準(zhǔn)，光功率最大時(shí)角度匹配完成。
 

　　3.保偏光纖偏振匹配(若使用)：對(duì)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(cè)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(yàn)證：耦合調(diào)整完成后，固定各光學(xué)元件，再次測(cè)量光功率，確認(rèn)耦合穩(wěn)定性和效率。
 

　　(二)光纖特性測(cè)試步驟
 

　　1.損耗測(cè)試
 

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

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

　　2.色散測(cè)試
 

　　相移法：搭建實(shí)驗(yàn)裝置，用正弦信號(hào)調(diào)制光源，通過相位計(jì)測(cè)量不同頻率調(diào)制光信號(hào)在光纖傳輸前后相移，計(jì)算色散。
 

　　脈沖時(shí)延法：發(fā)射窄光脈沖，用高速探測(cè)器和示波器測(cè)量輸入輸出脈沖時(shí)延，計(jì)算色散。
 

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

　　五、實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)度變化曲線，分析損耗分布均勻性，計(jì)算平均損耗。對(duì)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(shí)延法數(shù)據(jù)，計(jì)算光纖色散系數(shù)，繪制色散隨波長(zhǎng)變化曲線，分析光纖色散特性對(duì)光通信系統(tǒng)傳輸距離和帶寬影響。
 

　　3.耦合效率分析：計(jì)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(chǎng)失配、偏振失配、連接損耗)，提出提高耦合效率措施。
 

　　六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)
 

　　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(shí)小心，避免折斷。
 

　　2.安全操作：實(shí)驗(yàn)中激光可能對(duì)眼睛有害，嚴(yán)禁直視激光束，佩戴防護(hù)眼鏡。
 

　　3.測(cè)量準(zhǔn)確性：測(cè)量前校準(zhǔn)儀器，保證測(cè)量準(zhǔn)確性。測(cè)量過程中保持實(shí)驗(yàn)環(huán)境穩(wěn)定，減少外界干擾。
 

　　4.光纖連接：光纖連接時(shí)確保端面清潔，使用匹配液減少連接損耗。