單模光纖損耗實驗的研究

郭 鑫 曲延吉 盧 杰

(吉林大學(xué)物理學(xué)院，吉林長春130012）

0 引言

光纖光學(xué)及導(dǎo)波光學(xué)是目前光學(xué)研究的熱點之一[2]，1964 年前香港中文大學(xué)校長高錕就因提出在電話網(wǎng)絡(luò)中以光代替電流，以玻璃纖維代替導(dǎo)線的設(shè)想獲得2009 年諾貝爾物理學(xué)獎。隨著技術(shù)的發(fā)展，光纖已經(jīng)深入到通信、醫(yī)療、傳感等各個領(lǐng)域，國內(nèi)部分高校也較早的開展了相關(guān)的實驗課程。 但由于當(dāng)時光纖及光源等技術(shù)條件的限制，難以在全國范圍內(nèi)開展大面積的實驗教學(xué)。隨著目前光纖制造業(yè)的飛速發(fā)展以及第三代激光技術(shù)的廣泛應(yīng)用，已經(jīng)為光纖光學(xué)實驗課程的大面積開展鋪平了道路。 本文以半導(dǎo)體激光器作為光源，提供了一套測量光纖耦合效率及傳輸損耗率的實驗方案。

1 實驗原理

1.1 光纖的結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，光纖通常由纖芯、包層、涂敷層、護(hù)套組成，其中纖芯的折射率略高于包層，當(dāng)滿足全反射條件時，光束便被包層限定在波導(dǎo)管內(nèi)傳播[1]。

圖1 光纖結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 光纖的損耗

如圖2 所示國際電報電話咨詢委員會(CCIT)將光纖損耗定義為：

（1）式中，P1，P2分別表示被測光纖注入和輸出功率。

圖2 傳統(tǒng)的“剪斷法”裝置的結(jié)構(gòu)圖

2 實驗方案

為得到單色光，早先的測量光纖損耗率的實驗大多采取鹵光燈加單色儀作為光源，其裝置圖3 所示：

圖3 早期測量光纖損耗率的裝置示意圖

該裝置由于當(dāng)時的工藝水品和成本的限制，有兩個缺陷：第一，鹵光燈經(jīng)過單色儀濾光后，其單色亮度已經(jīng)很弱了，這樣的小信號對探測器的要求很高，要求他側(cè)氣必須有極低的響應(yīng)閾值。第二，由于自然光的發(fā)散角極大，就加重了耦合時聚焦系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，使得聚焦系統(tǒng)操作更復(fù)雜， 因而使得部分高校只能以演示實驗的形式開展該實驗，令很多同學(xué)失去了自己動手的機(jī)會。

當(dāng)然，也有直接采用國際電報電話咨詢委員會(CCIT)的剪斷法的方案。 在圖2 中我們不難發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體激光光源被直接熔接在光纖端面，使得整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其簡單可靠，便于大規(guī)模的在實際生產(chǎn)中運(yùn)用。 但由于截斷在熔接過程中需要使用光纖熔接機(jī)等昂貴設(shè)備，便使得大面積教學(xué)又遇到了新的瓶頸。

傳統(tǒng)的“剪斷法”是測量光纖損耗/衰減的經(jīng)典方法。 如圖2 表示典型的剪斷法測量步驟：（a）利用熔接機(jī)將被測光纖輸入端與一端帶有PC 接頭(PC)的引導(dǎo)光纖熔接,連接到穩(wěn)定光源(S-LD)的FC/PC 輸出端。借助對準(zhǔn)裝置(AT)調(diào)整光纖輸出端的位置,精確對準(zhǔn)功率計PM的光電接收器。 在PM 上測得PL2。 （b）剪斷被測光纖,余下2m,用AT重新調(diào)整2m 光纖輸出端對準(zhǔn)PM 的接收器的同一位置,測得PL1。 從(1)式即可計算被測光纖損耗A。

出于簡化結(jié)構(gòu)、降低成本和提高試驗系統(tǒng)可操作性的考慮，本系統(tǒng)借助于新的半導(dǎo)體光源，用顯微物鏡作為聚焦系統(tǒng)。 同時為了讓同學(xué)更好的了解光纖結(jié)構(gòu)，以及熟悉常見的光纖端面的處理方法，該實驗方案選用長飛公司生產(chǎn)的G652b 標(biāo)準(zhǔn)單模石英光纖。其裝置如圖6所示。

3 光纖耦合及損耗率的測量

3.1 處理光纖端面

由于光纖端面的平整度直接影響耦合效率，因而在進(jìn)行實驗之前首先要對光纖端面進(jìn)行處理。

圖4 光纖端面的處理

如圖4 所示，未處理的光纖端面是不平整的，我們首先用光纖鉗剝掉涂敷層，然后用寶石刀切一道平整的端面。 然后用顯微鏡觀察端面的平整度，如果光纖端面不平整，則重復(fù)以上步驟，直至獲得平整光滑的光纖端面。

3.2 光纖的耦合

光束經(jīng)過聚焦后，其光斑直徑d光和發(fā)散角θ光能夠滿足（2）式中的光纖的耦合條件

圖5 光纖的耦合條件

在利用光纖耦合器進(jìn)行幾何對準(zhǔn)時我們要特別注意橫向偏移誤差、縱向偏移誤差和角度誤差。

3.3 損耗測量

如圖6 所示鏈接光路并測量光纖尾端出射的(圖6 中②處)的相對強(qiáng)度IR2，然后從光纖入纖方向2m 處(圖6 中①處)剪斷光纖，處理端面后測量其相對強(qiáng)度IR1，然后帶入公式(3)便可求出光纖的損耗率。

表1 測量光纖損耗數(shù)據(jù)表格

本實驗采用的是波長為551nm 紅光的半導(dǎo)體激光器， 光纖初始長度為4.036km，測量時需要記錄每次剪斷光纖的長度，同時應(yīng)注意盡量避免探測器正對著激光器出射的方向。

圖6 實驗裝置示意圖

5 結(jié)語

由于大規(guī)模實驗教學(xué)的需求，所以本方案不得不考慮成本及可靠性等因素，因而在相當(dāng)程度上犧牲掉了實驗精度。 但是通過對光纖端面的處理及觀察，令同學(xué)們有機(jī)會感性的了解光纖的結(jié)構(gòu)；通過耦合系統(tǒng)的操作，令同學(xué)們掌握了光學(xué)調(diào)節(jié)的一般規(guī)律；通過損耗率的計算；令同學(xué)了解了計算損耗的一般方法。其中，單模石英光纖端面的處理，以及耦合是操作上的難點，在面對非光學(xué)專業(yè)的同學(xué)進(jìn)行實驗教學(xué)時，為減小操作難度和操作時間，可改用大芯徑塑料多模光纖。

［1］廖延彪.光纖光學(xué):原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2010:15-36.

［2］王健.導(dǎo)波光學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2010:3-5.