单模光纤损耗实验的研究

郭 鑫 曲延吉 卢 杰

(吉林大学物理学院，吉林长春130012）

0 引言

光纤光学及导波光学是目前光学研究的热点之一[2]，1964 年前香港中文大学校长高锟就因提出在电话网络中以光代替电流，以玻璃纤维代替导线的设想获得2009 年诺贝尔物理学奖。随着技术的发展，光纤已经深入到通信、医疗、传感等各个领域，国内部分高校也较早的开展了相关的实验课程。 但由于当时光纤及光源等技术条件的限制，难以在全国范围内开展大面积的实验教学。随着目前光纤制造业的飞速发展以及第三代激光技术的广泛应用，已经为光纤光学实验课程的大面积开展铺平了道路。 本文以半导体激光器作为光源，提供了一套测量光纤耦合效率及传输损耗率的实验方案。

1 实验原理

1.1 光纤的结构

如图1 所示，光纤通常由纤芯、包层、涂敷层、护套组成，其中纤芯的折射率略高于包层，当满足全反射条件时，光束便被包层限定在波导管内传播[1]。

图1 光纤结构示意图

1.2 光纤的损耗

如图2 所示国际电报电话咨询委员会(CCIT)将光纤损耗定义为：

（1）式中，P1，P2分别表示被测光纤注入和输出功率。

图2 传统的“剪断法”装置的结构图

2 实验方案

为得到单色光，早先的测量光纤损耗率的实验大多采取卤光灯加单色仪作为光源，其装置图3 所示：

图3 早期测量光纤损耗率的装置示意图

该装置由于当时的工艺水品和成本的限制，有两个缺陷：第一，卤光灯经过单色仪滤光后，其单色亮度已经很弱了，这样的小信号对探测器的要求很高，要求他侧气必须有极低的响应阈值。第二，由于自然光的发散角极大，就加重了耦合时聚焦系统的负担，使得聚焦系统操作更复杂， 因而使得部分高校只能以演示实验的形式开展该实验，令很多同学失去了自己动手的机会。

当然，也有直接采用国际电报电话咨询委员会(CCIT)的剪断法的方案。 在图2 中我们不难发现半导体激光光源被直接熔接在光纤端面，使得整套系统结构及其简单可靠，便于大规模的在实际生产中运用。 但由于截断在熔接过程中需要使用光纤熔接机等昂贵设备，便使得大面积教学又遇到了新的瓶颈。

传统的“剪断法”是测量光纤损耗/衰减的经典方法。 如图2 表示典型的剪断法测量步骤：（a）利用熔接机将被测光纤输入端与一端带有PC 接头(PC)的引导光纤熔接,连接到稳定光源(S-LD)的FC/PC 输出端。借助对准装置(AT)调整光纤输出端的位置,精确对准功率计PM的光电接收器。 在PM 上测得PL2。 （b）剪断被测光纤,余下2m,用AT重新调整2m 光纤输出端对准PM 的接收器的同一位置,测得PL1。 从(1)式即可计算被测光纤损耗A。

出于简化结构、降低成本和提高试验系统可操作性的考虑，本系统借助于新的半导体光源，用显微物镜作为聚焦系统。 同时为了让同学更好的了解光纤结构，以及熟悉常见的光纤端面的处理方法，该实验方案选用长飞公司生产的G652b 标准单模石英光纤。其装置如图6所示。

3 光纤耦合及损耗率的测量

3.1 处理光纤端面

由于光纤端面的平整度直接影响耦合效率，因而在进行实验之前首先要对光纤端面进行处理。

图4 光纤端面的处理

如图4 所示，未处理的光纤端面是不平整的，我们首先用光纤钳剥掉涂敷层，然后用宝石刀切一道平整的端面。 然后用显微镜观察端面的平整度，如果光纤端面不平整，则重复以上步骤，直至获得平整光滑的光纤端面。

3.2 光纤的耦合

光束经过聚焦后，其光斑直径d光和发散角θ光能够满足（2）式中的光纤的耦合条件

图5 光纤的耦合条件

在利用光纤耦合器进行几何对准时我们要特别注意横向偏移误差、纵向偏移误差和角度误差。

3.3 损耗测量

如图6 所示链接光路并测量光纤尾端出射的(图6 中②处)的相对强度IR2，然后从光纤入纤方向2m 处(图6 中①处)剪断光纤，处理端面后测量其相对强度IR1，然后带入公式(3)便可求出光纤的损耗率。

表1 测量光纤损耗数据表格

本实验采用的是波长为551nm 红光的半导体激光器， 光纤初始长度为4.036km，测量时需要记录每次剪断光纤的长度，同时应注意尽量避免探测器正对着激光器出射的方向。

图6 实验装置示意图

5 结语

由于大规模实验教学的需求，所以本方案不得不考虑成本及可靠性等因素，因而在相当程度上牺牲掉了实验精度。 但是通过对光纤端面的处理及观察，令同学们有机会感性的了解光纤的结构；通过耦合系统的操作，令同学们掌握了光学调节的一般规律；通过损耗率的计算；令同学了解了计算损耗的一般方法。其中，单模石英光纤端面的处理，以及耦合是操作上的难点，在面对非光学专业的同学进行实验教学时，为减小操作难度和操作时间，可改用大芯径塑料多模光纤。

［1］廖延彪.光纤光学:原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2010:15-36.

［2］王健.导波光学[M].北京:清华大学出版社,2010:3-5.