实验2-1光源与光纤耦合实验.docVIP

实验报告 课程名称： 光通信技术实验 指导老师： 蒋凌颖 成绩：__________________ 实验名称：光纤基本特性测试（二）实验类型： 基础型 同组学生姓名： 一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填） 七、讨论、心得 实验2-1 光源与光纤耦合实验 一、实验目的 1、了解光源与光纤的耦合方法：直接耦合和透镜耦合法。 2、计算实验中的耦合效率，并比较结果。 二、实验装置 He-Ne激光器、2m多模光纤、短波长光功率计一套（功率显示仪1件、短波光探测器1只）、五维微调节架、10 倍物镜、GRIN透镜、白屏。 三、实验原理 1、直接耦合：将经过处理的光纤端面尽可能靠近光源的发光面(如图1)，用专用设备调整到出射光强最大时固定其相对位置。一般在带尾纤的光源中采用直接耦合方式。 图1. 直接耦合 2、透镜耦合：将光源发出的光通过透镜聚焦到光纤纤芯上，使光源较大的辐射角变成可以被光纤接受的较小球面角，从而提高耦合效率。如图2 所示： 图2. 透镜耦合 3、GRIN 透镜耦合：GRIN 是渐变折射率棒状透镜的缩写，实际上是一根抛物线型渐变折射率玻璃棒。1/4节距透镜可以将平行光束转化为聚焦光束，且焦点正好在输出端面上，这大大有利于将光束耦合进入光纤。目前这种元件在光纤系统中得到广泛应用。 图3 自聚焦棒中光线的轨迹 在输入平面上的物点，无论是轴上或偏轴，都会在距离L/2的平面上重新会聚。原因在于玻璃棒具有径向抛物线型折射率分布: 是轴上的折射率，由相对折射率差及棒半径决定的常数。在这种介质中各条光线都将大致遵循正弦途径，周期而在及等处，从某一指定物点来的光线都成平行态，以便做进一步的准直操作。 4、计算耦合效率： 四、实验步骤 1、按图2准备好各个器件，打开电源； 2、利用功率计直接测量光源输出功率； 3、确定光束通过物镜后的焦平面位置，调节五维微调架，使光纤端面处于物镜焦点上； 4、利用功率计测量光纤输出功率； 5、计算透镜耦合情况下的耦合效率； 6、用 GRIN 代替物镜，重复上述实验过程，测量光纤输出功率，计算GRIN 耦合情况下的耦合效率，比较和。 五、实验数据记录和处理 数据记录: 功率计直接测量激光器输出的功率为P0=3.48mW 透镜耦合(单位mW) GRIN透镜耦合(单位mW) 比较 功率 2.57 2.83 效率 =73.85% =81.32% 数据分析： 通过实验数据，我们发现GRIN透镜的耦合效率比普通透镜耦合效率高。原因分析如下： （1）GRIN透镜是一根渐变折射率棒状透镜，1/4节距GRIN透镜可以将平行光束转化为聚焦光束， 且焦点正好在输出端面上，这大大有利于将光束耦合进入光纤； （2）自聚焦透镜对光线的传输具有特殊的功能，可以在半导体激光器的耦合中得到较好的应用；自聚焦透镜对半导体激光器光束的大发散角、光斑的大小和长度都有明显的压缩作用，在不同情况下,可以通过选取一定的自聚焦透镜长度来得到更高的耦合效率。 误差分析: 实验的误差来源： 1、入射激光没有与光纤端面耦合好，使得激光的入射角超出了光纤端面的接收光锥范围，使得光线不能在光纤内全反射，从而使得输出端测得的光功率很低，降低读数精度，增大误差； 2、光纤耦合端面与轴心不垂直，端面不平 六、思考题 1、分析影响耦合效率的各种因素，以及它们对耦合效率的影响程度。 答：影响耦合效率的因素，对耦合效率的影响程度如下： 1、光源的发散角对光纤耦合的影响比较大，如果激光光束成发散性光束，将导致光纤只能接收到部分光能，接收到的光能与光线截面面积和光束传播到光纤时的光斑面积的比值成正比。因此，发散角愈大，光纤端面离光源的距离越远，则接收到的能量越少，耦合效率越低。 2、光纤的数值孔径对光能量的限制，耦合透镜的数值孔径是另一个影响系统耦合效率的因素。如果透镜的数值孔径和光纤的数值孔径不匹配，将导致部分光能无法耦合到光纤中。本实验中，GRIN透镜的数值孔径偏小，导致GRIN透镜的孔径光阑效果明显，使得一部分光能无法通过GRIN透镜。从而降低了整个系统的耦合效率。而实验中使用的普通透镜，由于数值孔径较大，接收的光能多，合理调节光纤和透镜的位置，其耦合效率反而高于GRIN透镜。 3、光路的准直性能。光路准直可以是光能以光轴为对称轴分布，光纤在接收光能时，容易调节位置。在本实验中，如果光路不正会发现耦合过程中最大的功率偏小，必须摆正光路才能达到比较高的最大功率。 4、光纤耦合效率需要功率计的测量。因而功率计和