单模光纤数值孔径的测量

单模光纤数值孔径的测量

电科091蒋文辉实验目的：1.熟悉光纤的结构特点及分类2.掌握光纤数值孔径的定义的测量方法实验原理：1.光纤的结构图

光纤的结构：光纤（OpticalFiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1>n2。光纤的分类：（1）单模光纤（singlemodefider,SMF） 单模光纤纤芯折射率n1保持不变,包层折射率为n2，纤芯与包层界面有一个折射率突变或阶跃。纤芯直径只有8~10um,包层直径为125um，写成8/125,9/125等形式。光线以直线形状沿着纤芯中心轴线方向传播，这种光纤只能传输一个模式。光纤的分类：（2）多模阶跃折射率光纤（stepindexfiber,SIF） 多模阶跃折射率光纤折射率分布和单模光纤一样，纤芯直径为50~180um，包层直径为125um，如50/125（欧洲标准），62.5/125（美国标准）。光线以折射形状沿着纤芯中心轴方向传播。光纤的分类：（3）多模梯度折射率光纤(gradedindexfiber,GIF) 在纤芯中心轴线上折射率最大为n1，沿着径向r向外围逐渐变小，直到包层变为n2，这样光纤纤芯直径一般为50um。光线以正弦形状沿着纤芯中心轴方向传播。

光纤的分类：(4)还有一些特殊光纤，如医疗和低速网络中使用的光纤，参数为100/140和200/230，以及98/1000规格的塑料光纤。

图2.2三种基本类型的光纤(a)多模阶跃折射率光纤；(b)多模梯度折射率光纤；（c）单模光纤

光纤的数值孔径：数值孔径NA

光纤数值孔径（NA）是光纤能接收光辐射角度范围的参数，同时它也是表征光纤和光源、光检测器及其它光纤耦合时的耦合效率的重要参数，同时对连接损耗、微弯损耗以及衰减温度特性、传输带宽等都有影响。图12.1中表示出阶梯多模光纤可接收的光锥范围。

光纤的数值孔径大小与纤芯折射率，及纤芯－包层相对折射率差有关。从物理上看，光纤的数值孔径表示光纤接收入射光的能力。NA越大，则光纤接收光的能力也越强。从增加进入光纤的光功率的观点来看，NA越大越好，因为光纤的数值孔径大些对于光纤的对接是有利的光纤的数值孔径：但是NA太大时，光纤的模畸变加大，会影响光纤的带宽。因此，在光纤通信系统中，对光纤的数值孔径有一定的要求。通常为了最有效地把光射入到光纤中去，应采用其数值孔径与光纤数值孔径相同的透镜进行集光。

数值孔径是多模光纤的重要参数，它表征光纤端面接收光的能力，其取值的大小要兼顾光纤接收光的能力和对模式色散的影响。CCITT建议多模光纤的数值孔径取值范围为0.18～0.23，其对应的光纤端面接收角θc=10°～13°。

光纤的数值孔径：（1）最大理论数值孔径NAmax 无论是阶跃光纤，还是梯度光纤，最大理论数值孔径定义都是：NAmax的物理意义是光纤最大可能接受角的正弦值，反映了光纤收集光的能力。（2）远场强度有效数值孔径NAeff 远场强度有效数值孔经定义为光纤远场辐射图上光强下降到最大值5%处的半张角的正弦值。一般对于幂次分布的折射率抛面的光纤，有如下关系：

其中，g为折射率分布指数；为与n有关的比例系数（表12.1）给出了g不同的取值kg的值。

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