光纤特性量测
一、实验目的
1. 以氦氖雷射为光源观察单模（Single mode）及多模（Multimode）光纤的数值孔径（Numerical Aperture）之不同。
2. 利用光纤微弯器（Mode Scrambler）探讨外加应力对单模及多模光纤的光功率传输损耗之影响。
二、实验步骤与实验结果、分析讨论
(1) 光纤数值孔径实验：
在这个实验中，我们准备了单模光纤与多模光纤，经由观察光通过光纤之后在方格屏幕绕射光投影的大小来计算并比较单模光纤与多模光纤数值孔径之不同。实验步骤如下：
首先利用光圈将氦氖雷射调成与桌面同一水平高度，接下来准备我们所需要使用的单模及多模光纤，裁剪适当长度的光纤约一到二公尺，将光纤两端的纤壳（cladding）利用光纤剥皮剪（Fiber Stripper）去除适当长度约五到十公分，为确保光纤断面的平整，我们使用光纤切割机（Fiber Cleaver）来切平光纤断面[注 ]，将光纤两端之断面处理妥当之后，将一端固定於光纤夹柱之中，将光纤放进光纤夹柱沟槽内并使用固定铁片固定光纤，光纤切面需突出光纤夹柱一些以便於将雷射光源耦合进光纤，将以固定光纤之光纤夹柱放置於显微物镜后之固定孔中并以攻芽螺丝固定，光纤另一端以光纤夹架固定，并且将光纤切面放至於距离方格屏幕五公分处。
启动氦氖雷射并将光源入射显微物镜，适当调整显微物镜距离将光源耦合进入光纤纤核（core）中，并适度微调水平及左右位置，使光更容易耦合进入光纤，可在光纤输出端利用光功率计观察是否耦合良好（至少30 % 耦合效率），光源经过光纤后输出光ZX尽量对准方格屏幕之ZX，并使光源ZX在移动平移台时不会有明显偏移，在光源距离屏幕五公分时纪录其输出光直径（方格屏幕一格为1mm），此后每一公分纪录一次光直径，纪录至光源离屏幕十公分时为止，然后画出其输出光直径对距离的分布图形，并计算其Z大出射角度 及数值孔径NA = ，其中 为空气的折射率。
光纤输出端与屏幕之距离 单模光纤
输出光直径 (mm) 多模光纤
输出光直径 (mm)
5 cm
6 cm
7 cm
8 cm
9 cm
10 cm
NA
(2) 光纤微弯实验：
在此实验中，我们将氦氖雷射光耦合进入单模或多模光纤，在光纤的中段放置一个光纤微弯器，观察光纤受到挤压后输出光功率如何受到影响。
首先将氦氖雷射调整水平於桌面，取一适当长度光纤，两端去掉纤壳并使用光纤切割器将断面切割平整，光纤输入端使用光纤夹柱固定并使用显微物镜将光源耦合进入光纤，光纤输出端利用裸光纤转接器（bare fiber adaptor）将裸露光纤转换成FC/PC连接头并且连接至光功率计。(注意：裸光纤转接器中有一小缝隙，需小心缓慢将光纤穿过，若无把握可请助教指导。)
实验光源的氦氖雷射输出功率为15 mW，在尚未加上光纤微弯器时，尽量调整显微物镜和光纤输入端的耦合情况，使输出光功率越高越好（至少30 % 耦合效率），如此在光纤经过微弯后之效应较为明显，在光纤中段架上光纤微弯器，此光纤微弯器每转动一小格之移动量为12.5 m。因为光纤微弯器转到底将会将光纤夹断，所以转动不可过急，在输出光功率即将开始有所影响后，再转动10格，也就是再移动125 m左右，大约就是极限值。调整光纤微弯器之移动量在输出光功率即将开始有所影响之处，开始纪录其输出光功率，然后每转动一小格，纪录一次输出光功率，总共纪录十一次后，绘出其输出光功率对移动量之损耗曲线图。
转动格数 移动量 (m) 单模光纤
输出光功率 (mW) 多模光纤
输出光功率 (mW)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
三、问题与讨论
1. 请推导证明：步阶折射率（Step Index）光纤的数值孔径NA = 。
其中 为空气的折射率， 为纤核的折射率， 为纤壳的折射率。
Ans：
2. 在光纤微弯实验中，当受到相同的应力时，单模及多模光纤的光功率传输损耗何者较大？为什麼？
Ans：
四、心得与感想
