光导纤维中光速的测定
【目的要求】
1. 学习光纤中光速测定的基本原理
2. 了解数字信号电光/光电变换及再生原理
3. 熟悉数字相位检测器原理、特性测试方法
4. 掌握光纤光速测定系统的调试技术
【仪器设备】
1． OFE―A型光纤传输及光电技术综合实验仪一套
2． 双迹示波器一台
【实验原理】
光纤中光速的测定是一个十分有趣的实验，通过这一实验能使学生亲身感受到光在介质中传播的真实物理过程和深刻了解介质折射率的物理意义。在通常的光纤光速测量系统中，对被测光波均采用正弦信号对光强进行调制。在此情况下，为了测出调制光信号通过一定长度光纤后引起的相位差，必须采用较为复杂的由模拟乘法电路及低通滤波器组成的相位检测器，这种相位检测电路的输出电压不仅与两路输入信号的相位差有关，而且也与两路输入信号幅值有关。这里提出一种采用方波调制信号，应用具有异或逻辑功能的门电路进行相差测量的巧妙方法。由这种电路所组成的相位检测器结构简单、工作可靠、相位――电压特性稳定。在光纤折射率n1已知（或近似为1.5）的情况下，利用这种方法还可测定光纤长度。
一、 光纤传光原理及光在光纤中的速度
光导纤维的结构如图1示，它由纤芯和包层两部分组成，纤芯半径为α，折射率为n1（p），包层的外半径为b，折射率为n2，且n1(p)> n2。从物理光
学的角度考虑，光波实际上是一种振荡频率很高的电磁波，当光波在光导纤
维中传播时，光导纤维就起着一种光波导的作用。应用电磁场理论中Ｅ矢量和H矢量应遵从的麦克士威尔方程及它们在芯纤和包层面处应满足的边界条件可知：在光导纤维中主要存在着两大类电磁场形态。一类是沿光纤横载面呈驻波状，而沿光导纤维轴线方向为行波的电磁场形态，这种形态的电磁场其能量沿横向不会辐射，只沿轴线方向传播，故称这类电磁场形态为传导模式；另一类电磁场形态其能量在轴线方向传播的同时沿横向方向也有辐射，这类电磁场形态称为辐射模。利用光导纤维来传输光信息时就是依靠光纤中的传导模式。随着光导纤维芯径α的增加，光导纤维中允许存在的传导模式的数量也会增多，纤芯中存在多个传导模式的光纤称为多模光纤；当光纤芯径小到某一程度后，纤芯中只允许称为基模的一种电磁场形态存在，这种光纤就称为单模光纤。目前光纤通讯系统上使用的多模光纤纤芯直径为50μm，包层外径为125μm。单模光纤的芯径为5～10μm范围内，包层外径也为125μm。在纤芯范围内折射率不随径向坐标ρ变化，即n1（p）= n1=常数的光纤，称为阶跃型光纤，否则称渐变型光纤。对于上述各种光纤的传光原理及传光性能的详尽理论分析见文献[1]。
…… …… 余下全文