工程光学实验指导书 实验三 光电探测器直流特性测试
实验四 光纤衰减系数的测试
一、实验目的
1、掌握实现模式稳态分布的方法； 2、了解光纤衰减的几个因素；
3、掌握用“截断法”测量光纤衰减系数的方法。
二、实验内容
1、稳态模分布的获得。 2、光纤衰减系数的测试。
三、实验仪器
1、待测单模光纤 1.5km 2、稳定光源 1台 3、光功率计 1台 4、光纤切割刀 1台 5、光纤剥皮钳 1把 6、FC-FC裸纤适配器 2个 7、扰模器 1个
四、实验原理
光纤是一种利用全反射原理，使光线沿着弯曲路径从一端传输到另一端的光学元件。由折射定律可知，只要满足一定角度入射的光束就可以在光纤中全反射传输，最终以等于入射角的角度射出，常用光纤数值孔径反映这种特性。理论上只要满足以上条件的光线都可以在光纤中传输下去，但是实际上光束在光纤中传输会产生一定的能量损耗，这些损耗限制了光信号的传输距离，以及在接收端的输出信号的大小。在光纤的传输特性中，衰减是多模光纤和单模光纤共有的最重要的指标之一，它表明了光纤对光能的传输损耗，对光纤通信系统的中继距离有着决定性的影响。
1、光纤的衰减
光能在光纤中传输时，除了由于吸收、散射而使光能损失外，由于成缆敷设造成的光纤微弯曲和宏弯曲，光纤的耦合和接续，都会使光能产生附加的损失。归纳起来，产生衰减的原因大致可以分为三大类：吸收损耗，散射损耗，附加损耗。他们与光纤的材料组成、传输
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工程光学实验指导书 实验四 光纤衰减系数的测试 波长和工作情况有关。
2、衰减系数
光纤中平均光功率沿光纤长度减少的规律为：
???Z/10? P?Z??P?0?10
式中P?Z?和P?0?分别为轴向距离Z处和Z?0处的光功率；?是衰减系数，定义为单位长度光纤引起的光功率衰减，单位为dB/km。当Z?L时，
??????10P?Z?logLP?0?dB/km
这里????表示在波长?处的衰减系数。
3、衰减系数测试方法－截断法
光纤衰减系数测量的目的是为了提供单根光纤的衰减，以便将单根光纤的衰减加起来确
??定连接长度的总衰减。衰减值应在室温下测量，即10C~35C之间，CCITT G.650、G.651
都规定截断法为基准测试方法，背向散射法为替代测试方法。
本实验采用“截断法”测量光纤的损耗。“截断法”只作两次测量，一次在光纤的输出端测量输出功率。另一次在距离输入端1～3m处剪断一截光纤，测量这一小截光纤的输出功率。两次测量结果的比值，得出剩余长光纤的损耗。“截断法”的优点是测试简便，能得到光纤的频谱衰减特性（任意波长下的损耗系数）和具有较高的精度（一般可以达到0.2dB）。“截断法”衰减系数测试框图如图4.1所示。
稳定光源被测光纤FC型裸纤适配器绕模器包层模剥除器包层模剥除器FC型裸纤适配器光功率计
图4.1 截断法测定光纤衰减系数系统装置
4、稳态损耗系数测量
为了保证高精度的测量，要求①测试系统高度稳定；②合适的注入条件；③高质量的光纤端面。
注入条件是指从稳定光源输出到被测光纤的输入间的一段，对多模光纤来说是非常重要的。我们知道，光波是电磁波，在光纤中满足全部边界条件的波导方程的本征解称为模式。在多模光纤中可以激励成百上千个模，由于耦合条件不同，各模携带的初始能量亦不同；传播过程中，由于模变换、模耦合和模衰减，各模携带的能量比例不断变化，只有经过很长的传输距离后，各模传输能量的比例才能固定下来，这时，我们说达到了平衡模分布或稳态模分布。下面的方法可以得到稳态模分布：
这种方法是 “扰模法”，这也是常用的方法。这种方法是在光源与光纤之间插入一米左
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工程光学实验指导书 实验四 光纤衰减系数的测试 右的短光纤，使它受到会引起强模式耦合的机械扰动。这种装置称为“扰模器”。这样只要传播相当短的距离，就能达到稳态分布。一般采用弯曲法，即沿一排等距离插销穿插光纤，使其产生正弦型弯曲，就能得到扰模器， 如图4.2所示：
图 4.2 扰模器
五、实验步骤
1、稳态模分布的获得
1）取一根短光纤（长约5米）按照实验四的方法处理好光纤两端面；
2）将两个FC型裸纤适配器装在此短光纤的两端，并分别接上光源的输出端和光功率计的输入端；
3）保持输入、输出状态不变，在距离光源输出端1m处加光纤扰模器，将光纤盘绕在扰模器上，观察光功率的变化。
4）当光功率变化很小时，即趋向于稳态模分布。记录下此时的光纤在扰模器上盘绕的匝数N和光功率P0。
表4.1 稳态分布参数
稳态分布光功率 光纤盘绕匝数N 2、光纤衰减系数的测试
1）取一长光纤（约1km）按照实验四的方法对两端面进行处理； 2）将短光纤换为长光纤，在扰模器上绕N匝，获得稳态分布； 3）在保持输入、输出状态不变的条件下，记下此时的光功率P1。 4）将P0、P1代入以下公式即可计算出光纤的衰减系数：
??????10P?1?logLP?0?dB/km
式中，L是被测长光纤的长度。
六、思考题
1、用长光纤替换短光纤后，加扰模器会使输出光功率如何变化？为什么？
2、本实验的测试精度受到哪些因素的影响？说明其中最重要的两种。
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工程光学实验指导书 实验四 光纤衰减系数的测试
实验五 光电倍增管特性参数的测试
一、实验目的
1、了解光电倍增管的基本特性。
2、学习光电倍增管基本参数的测量方法。 3、学会正确使用光电倍增管。
二、实验内容
1、暗电流的测量 2、阴极灵敏度的测量 3、阳极灵敏度的测量
4、光电倍增管放大倍数的测量
三、实验仪器
1、光电倍增管实验仪 1台 2、双踪示波器 1台
四、实验原理
1、工作原理
光电倍增管是一种真空光电器件，它主要由光入射窗、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极组成。其工作原理为：(1) 光子透过入射窗入射到光电阴极上；(2) 光电阴极上的电子受光子的激发，离开表面发射到真空中；(3) 光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增极上，倍增极将发射出比入射电子数目更多的二次光电子;(4)入射电子经N级倍增极倍增后，光电子就放大N次；(5)经过倍增后的二次电子由阳极收集起来，形成阳极光电流，在负载上产生信号电压。
电倍增管的特性和参数
光电倍增管的特性参数包括灵敏度、电流增益、光电特性、阳极特性、暗电流等。下面介绍本实验涉及到的特性和参数。
1）灵敏度
灵敏度是衡量光电倍增管探测光信号能力的一个重要参数，一般是指积分灵敏度，其单位为uA/Lm。光电倍增管的灵敏度一般包括阴极灵敏度、阳极灵敏度。
2）阴极光照灵敏度SK
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工程光学实验指导书 实验五 光电倍增管特性参数的测试 阴极光照灵敏度SK是指光电阴极本身的积分灵敏度。定义为光电阴极的光电流Ik除以入射光通量Φ所得的商
Sk?IK(?A/Lm)?
光电倍增管阴极灵敏度的测量原理如图所示。入射到阴极K的光照度为E，光电阴极
的面积为A，则光电倍增管接受到的光通量为
??E?A
由式可以计算出阴极灵敏度。
入射到光电光电阴极的光通量不太大，否则由于光电阴极层的电阻损耗会引起测量误差。光通量也不能太小，否则由于欧姆漏电流影响光电流的测量精度，通常采用的光通量的范围为10-5～10-2Lm。
阴极K面积为A 光照度E G -VH 图5.1 光电倍增管阴极电流的测量
3） 阳极光照灵敏度Sp
阳极光照灵敏度Sp定义是指光电倍增管在一定工作电压下阳级输出电流与照射阴极上光通量的比值
Sp?Ip?(A/Lm)
4） 放大倍数(电流增益)G
放大倍数G(电流增益)定义为在一定的入射光通量和阳极电压下，阳极电流Ip与阴极电流IK间的比值。
G?IpIK
由于阳级灵敏度包含了放大倍数的贡献，于是放大倍数也可以由在一定工作电压下阳极灵敏度和阴极灵敏度的比值来确定，即
G?SpSK
放大倍数G取决于系统的倍增能力，因此它是工作电压的函数。 5） 暗电流Id
当光电倍增管在完全黑暗的情况下工作时，在阳极电路里仍然会出现输出电路，称为暗电流，暗电流与阳极电压有关，通常是在与指定阳极光照灵敏度相应的阳极电压下测定的。引起暗电流的因素有：热电子发射，场致发射、放射性同位素的核辐射，光反馈、离子反馈、极间漏电等。
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