光纤耦合与特性测试实验介绍
一、实验目的
光纤耦合与特性测试实验旨在实现光源与光纤高效连接，并精准测量光纤传输特性，为光通信、光纤传感等领域研究及应用提供基础数据。通过实验，可掌握光纤耦合技术，熟悉光纤特性测试方法，理解影响光纤性能因素，助力相关技术优化。
二、实验原理
(一)光纤耦合原理
1.模场匹配：单模光纤仅传输基模 LP01，光从光纤出射场分布近似高斯分布。当入射高斯激光束在光纤入口场分布与光纤模场匹配最佳时，耦合效果最优。为达此效果，激光束耦合器需产生衍射极限光斑与光纤模场匹配，匹配内容包括模场大小、轴向位置、横向位置、角度方向等。例如，对于直径为 ? 的激光束，理想透镜焦距应为\(f = ??/(2 NAe??)\) (\(NAe??\)为有效光纤数值孔径)，实际需选接近此理想值的衍射极限透镜。
2.偏振匹配(针对保偏光纤)：标准单模光纤无法保持传输激光偏振态，保偏单模光纤(PM 光纤)若光束偏振方向与光纤两主轴之一对齐，就能保持线偏振态。因保偏光纤内置应力元件具旋转非对称性，光在 “快” 轴或 “慢” 轴传输，精确耦合进轴的线偏振光偏振态可保持。
(二)光纤特性测试原理
1.损耗测试原理
剪断法：测量长光纤输出光功率\(P1\)，剪断部分光纤后再测剩余光纤输出光功率\(P2\)，根据公式\(?± = 10lg(P1/P2)/L\)(\(L\)为剪断光纤长度)计算损耗，此为基准测试法，结果准确但有损光纤。
背向散射法(OTDR)：向光纤发射光脉冲，测量背向散射光强度和时间，分析散射光信号了解光纤损耗、故障位置等信息。光脉冲在光纤中传输，遇杂质、缺陷等产生背向散射，散射光返回探测器，根据时间差和光速计算位置，强度反映损耗。
2.色散测试原理
相移法：通过测量不同频率正弦调制光信号在光纤中传输相移，计算群时延差，进而得到色散值。不同频率光在光纤中传输速度不同，产生群时延差，相移与群时延差相关。
脉冲时延法：发射窄光脉冲，测量其在光纤中传输时延，计算群时延差和色散。窄脉冲经光纤传输展宽，测量输入输出脉冲时延差，结合光纤长度计算色散。
三、实验器材
1.光源：单模或多模激光光源，如波长 1550nm 的单模 DFB 激光器，用于产生稳定光信号，作为光信号输入源。
2.光纤：多种类型光纤，如标准单模光纤(SMF)、多模光纤(MMF)、保偏光纤(PMF)，满足不同实验需求。
3.光功率计：用于测量光信号功率，精度达 nW 级别，以获取光纤传输前后光功率数据计算损耗。
4.光时域反射仪(OTDR)：可进行光纤损耗、故障定位测量，能显示光纤损耗分布曲线和故障点位置。
5.光谱分析仪：分析光信号光谱特性，测量范围覆盖可见光到近红外波段，分辨率达 pm 级。
6.光纤耦合器：将光源与光纤连接，有自由空间耦合器、光纤准直器等，实现高效耦合。
7.光学平台及调整架：提供稳定光学实验环境，调整架用于精确调整光学元件位置和角度。
四、实验步骤
(一)光纤耦合步骤
1.安装与对准：将光源、光纤耦合器安装在光学平台调整架上，调整高度使光轴共轴。通过显微镜观察，粗调光源与耦合器位置，使光束大致对准耦合器输入口。
2.模场匹配调整
轴向位置调整：调节耦合器聚焦装置，改变光学元件与光纤入口距离，通过光功率计监测输出光功率，达最大时轴向位置最佳。
横向位置调整：利用调整架微调旋钮，横向移动光源或耦合器，使输出光功率最大，完成横向位置匹配。
角度方向调整：倾斜调节耦合器，使光学元件轴与光束中心对准，光功率最大时角度匹配完成。
3.保偏光纤偏振匹配(若使用)：对于保偏光纤，旋转耦合器使光纤偏振轴与光源偏振方向一致，通过监测光功率或偏振态分析仪确定最佳旋转角度。
4.固定与验证：耦合调整完成后，固定各光学元件，再次测量光功率，确认耦合稳定性和效率。
(二)光纤特性测试步骤
1.损耗测试
剪断法：用光纤切割刀制备长光纤样品，连接光源与光纤，光功率计测输出光功率\(P1\)；在光纤合适位置剪断，重新连接剩余光纤，测输出光功率\(P2\)，计算损耗。
OTDR 测试：将 OTDR 与光纤连接，设置测量参数(如测量范围、脉冲宽度、平均次数)，启动测量，分析 OTDR 曲线得光纤损耗和故障信息。
2.色散测试
相移法：搭建实验装置，用正弦信号调制光源，通过相位计测量不同频率调制光信号在光纤传输前后相移，计算色散。
脉冲时延法：发射窄光脉冲，用高速探测器和示波器测量输入输出脉冲时延，计算色散。
3.其他特性测试(如需要)：连接光谱分析仪与光纤，分析输出光信号光谱，得光纤光谱特性；测量不同波长光在光纤传输特性，分析色散随波长变化情况。
五、实验数据处理与分析
1.损耗数据处理：根据剪断法或 OTDR 数据，绘制光纤损耗随长度变化曲线，分析损耗分布均匀性，计算平均损耗。对比不同类型光纤损耗数据，总结规律。
2.色散数据处理：根据相移法或脉冲时延法数据，计算光纤色散系数，绘制色散随波长变化曲线，分析光纤色散特性对光通信系统传输距离和带宽影响。
3.耦合效率分析：计算光纤耦合前后光功率比值得耦合效率，分析影响耦合效率因素(如模场失配、偏振失配、连接损耗)，提出提高耦合效率措施。
六、实验注意事项
1.光学元件保护：避免手指触摸光学元件表面，防止污染和划伤。拿取光纤时小心，避免折断。
2.安全操作：实验中激光可能对眼睛有害，严禁直视激光束，佩戴防护眼镜。
3.测量准确性：测量前校准仪器，保证测量准确性。测量过程中保持实验环境稳定，减少外界干扰。
4.光纤连接：光纤连接时确保端面清洁，使用匹配液减少连接损耗。
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