光纤数值孔径小研究

光纤专题 论文

光纤数值孔径小研究

学院：

专业：

姓名：

学号：

摘要：

在此次专题实验中我们测试了一个非常重要的光纤性能参数，光纤的数值孔径。经过查找资料，光纤数值孔径对光信号耦合、传输方面起到很大影响。而由于数值孔径的不同，光纤又可分为单模光纤与多模光纤。借此机会我查阅了相关资料，对数值孔径的作用以及单模双模光纤之间的区别做一个研究。

关键字：

数值孔径 单模光纤 多模光纤

正文：

在进行光源与光纤特性这个实验时，我们进行了一个对光纤数值孔径的测量。测量步骤是先耦合好光纤，将功率探头紧贴光纤输出端面，记下此时功率值。再向后移动探头，在不同位置记录功率值。当测到的最大功率为初始功率的90%时，便可记下此时探头与光纤输出端面距离H，由此来算出光纤数值孔径。

那么数值孔径的含义是什么？由实验我们可以发现，在探头后移的过程中，功率值逐渐减小，也就是说光纤输出端面发出的光信号消失了一部分。我们已知光波是利用光全反射原理进行传播的，当光纤端面光线入射角大于某一值时该束光线便不能在光纤中传播。对于对称圆柱结构的光纤，出射光角度与入射光角度相同，所以通过对H的测量，可以测出何时探头无法接收到全部信号，也就可以算出入射光角度与出射光角度i0。由实验我们可以推断，i0越小，表示光纤的

光纤专题 论文

可入射角度越小，即光纤越难以耦合，聚光能力越强；反之i0越大，光纤的入射角越大，光纤越容易耦合，聚光能力越弱。通过课本我们得到光纤数值孔径公式

NA=n0 sini0

所以光纤数值孔径是用来表征光纤的聚光能力与光源耦合的难易程度的参量。

当数值孔径很小时，表示对入射光角度要求很高，光纤不易耦合，但是聚光性得到保障，这种光纤在信号传输时准确度较高。当光纤数值孔径变大时，入射光角度要求降低，光纤更易耦合，表示可以同时容纳多种模式的光信号，但同时由于聚光性变差，这种光纤在传输时信号衰减很快。通过数值孔径的不同，光纤可分为单模光纤与多模光纤。

单模光纤顾名思义，只许一种模式的光信号传播。这种光纤中心玻璃纤芯很细，大概只有9-10微米，因此模间色散很小，适宜远程通讯。工作波长在1310-1550纳米之间，耦合时困难。

多模光纤中心玻璃纤芯较粗，大概有50-60微米，可传输多种模式的光，但由于色散很大，所以传输距离较近。工作波长在850-1310纳米之间，耦合相对容易。

多模与单模光纤可以很直观的从玻璃芯的直径来区分。单模光纤玻璃纤芯直径很小，只传输主模态，避免了模态色散，带宽很宽，传输容量很大，适用于远距离大容量的光纤通讯，是未来光纤通讯与光波技术发展的必然趋势。然而此种光纤制造工艺要求很高，而且一根光纤只传输一个模态，成本很高。多模光纤又可分为多模突变型光纤和多模渐变型光纤。前者玻璃纤芯直径较大，传输模态较多，因而带宽较窄，传输容量较小；后者纤芯中折射率随着半径的增加而减少，可获得比较小的模态色散，因而频带较宽，传输容量较大，目前一般都应用后者。

单模光纤传输时的距离损失比多模的小。研究表明，在头3000英尺的距离下，多模光纤可能损失其LED光信号强度的50%，而单模在同样距离下只损失其激光信号的6.25%。如果只有几公里距离，那么多模光纤更为合算，因为多模光纤光源要求较低，成本更为低廉。如果距离很长，那么单模光纤便是唯一的选择。近年来信息技术不断提高，对光纤传输带宽的要求也日益增长，所以长远看来，单模光纤的发展潜力远大于多模光纤。

光纤专题 论文

结论：

数值孔径这一参数是光纤的重要参数，它直接影响了光纤的耦合效率、光纤的传输效率。单模光纤与多模光纤的外观区别只是玻璃纤芯的尺寸不同，但在实际应用方面却有很大区别。多模光纤价格低廉，耦合性好，适于近距离通讯，也适用于课堂实验。单模光纤传输效率很高，容量很大，但由于价格昂贵，是今后光纤的发展方向。

不足：

这篇小论文对单模与多模光纤的区别研究只限制于查询资料，并没有进行实验。在专题实验中，由于实验条件的制约，我们只实验了一种光纤的耦合，如果能够找到多种模式的光纤进行实验，相信我们会使用自己的数据，对单模与多模光纤之间的区别理解的更直观更深刻。

参考：《大学物理实验》

百度百科