单模光纤模场测量.doc

实验目的
在单模光纤中激发导波模(或传导模,简称导模)
观察,分析激发场的场形及位形对光纤耦合输出的影响
测量模的远场分布
实验原理
单模光纤导模场分布的高斯近似
说明光纤波导特性的重要的物理量是光纤的数,它表示为
是自由空间波数,是纤芯半径,是其数值孔径,数可用于说明哪些波导模被允许在一个特殊的波导结构中传播,当满足
时,光纤中只存在模,如果光纤是弱导阶越型的,我们用线偏振模来表示(右图左上角),它是横截面内两个垂直线偏振的简并,在传播过程中维持振动方向不变,模的截止波长由下式给出
模的电场分布(径向)在纤芯内为零阶贝塞尔函数,在包层内为第二类变态贝塞尔函数,与高斯分布相似,因此,当用高斯场去激励阶越单模光纤时,一个匹配的模场半径可以使功率耦合达最大,这样得到模场半径的经验公式为
工程上的实际做法是,先从实验上测得单模光纤的截止波长,在范围内选用工作波长,这样可使模场半径的误差不超过1%,同时考虑到的数值对模在纤芯及包层中的功率分配起关键作用,越小,功率将越多的转到包层中去,因此,-,工作波长一般比截止波长大2%-20%,
单模光纤的耦合与导模的激发
如图,先不考虑使用透镜L,单纯由入纤耦合器的显微物镜聚焦(焦距f),由He-Ne激光器输出的高斯光束的腰斑直径,发散角,波前抵达聚焦物镜的距离近似为z,入瞳直径为,因为,所以像方腰斑位置就在其像方焦平面上,直径为
其中
如果使,则激发场(高斯模场)和单模光纤的模场相匹配而使入纤功率大部分变成导模功率(纤芯功率),如果能使入纤功率损耗小于2dB(小于37%),则认为耦合效果尚佳。
实验仪器
4 mw He-Ne激光器及电源。
光-光纤耦合器(含40倍或20倍显微物镜和光纤定位器)。
出纤光纤夹具及调整架。
一维光学平移装置及步进控制系统。
光功率计或毫伏电表。
硬件控制软件及多媒体教学辅助软件
实验内容
先处理型号为F-SS的阶跃单模光纤,然后调整入射光路及耦合,观察光纤的出射场形,当入射情况(即激发场位形方向等)改变时注意出射场形的变化,试作讨论。
换用型号为F-SV的阶跃单