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1、光纤光学与半导体激光器的电光特性20世纪70年代光纤制造技术和半导体激光器技术的突破性发展，光纤通信已成为现代社会最主要的通信手段之一。本实验利用通信用单模光纤和可见光（红光）半导体激光器对光通信过程进行了一个开放的、原理性的模拟，以期通过实际操作，对光纤本身的光学特性和半导体激光器的电光特性进行一个初步的研究。使学生对光纤和半导体激光器有一个基本的了解和认识。一实验目的1理解和巩固光学的基本原理和知识；2了解掌握光纤的使用技巧和处理方法；3了解掌握半导体激光器的使用方法和电光特性；4、了解掌握光纤的一些光学特性和参数测量方法。二基本原理光纤通信的光学理论是建立在光的全反射理论和波导理论上的。
2、现代光通信中使用的光纤一般分为单模光纤和多模光纤两种。它们在结构上的区别主要在于纤芯的几何尺寸上，图1是光纤结构图。它由三层结构构成：（1）纤芯：由掺有少量其他元素的石英玻璃构成（为提高折射率），对于单模光纤，直径约9.2 mm，而对于多模光纤，纤芯直径一般为50 mm。这是它们在结构上的最主要区别。（2）包层：由石英玻璃构成，但由于成分的差异它的折射率比纤芯的折射率略微低一些，以形成全反射条件。直径约为125 mm。（3）涂覆层：为了增加光纤的强度和抗弯性、保护光纤，在包层外涂覆了塑料或树脂保护层。其直径约245 mm。激光主要在纤芯和包层中传播。 图1 光纤结构示意图1光纤端面的处理为了使
3、激光在输入光纤和输出 光纤时有一个理想的状态，如较高的耦合效率，均匀对称的光斑和模式。一般均需要对光纤的端面进行较为细致的处理。一般光纤端面的处理有两种主要方法。一种是使用专用刀具进行切割。另一种为研磨处理。在本实验中，采用较为简单的手工刀具切割，以使光纤端面较为平整。2光纤的耦合和耦合效率在本实验中，光纤的耦合是指将激光从光纤端面输入光纤，以使激光可沿着光纤进行传输。在这里采用了一套有五个自由度的调整机构来进行光纤的耦合。（半导体激光器被固定在一个二个自由度的角度调整架上，光纤固定在一个三自由度的直线调整架上）首先，将经过端面处理的光纤放入光纤夹中压紧。然后装入三维光纤调整架中固定。通过五个
4、自由度的反复、细致的调整，使经过聚焦的激光，焦点尽量准确地、垂直地落在光纤端面上，以使尽量多的激光进入光纤。由于激光焦点和光纤的端面过于明亮和细小，无法用肉眼来判断耦合的情况。实验是从光纤的另一端（输出端）通过观察输出光的强弱（光功率）和光斑的情况来判断耦合情况。当将激光耦合进光纤后，会在输入端面后的一段光纤壁上看到一些泄漏的激光（光纤成红色）这是一些不满足光纤全反射条件的光，从光纤壁上泄漏出来的结果。同时，也可在光纤的任何一段通过强烈弯曲光纤来观察到这种泄漏情况。这是由于强烈的弯曲破坏了该处光纤的轴方向，使一部分光线的全反射条件被破坏，激光从纤芯中泄漏出来进入了涂覆层中。光纤的弯曲会改变光纤
5、中光的传输模式、光强和偏振状态。对此，可以通过观察输出端的光斑来观察这些现象。这也是光纤扰模的理论依据。耦合效率反应了进入光纤中的光的多少。定义如下：（）其中为进入光纤中的光功率，为激光的输出功率。在理论上与光纤的几何尺寸，数值孔径等光纤参数有着直接的关系，在实际操作中它还与光纤端面的处理情况和调整情况有着更直接的关系。在本实验中采用光功率计直接测出和来求出。当然这个同操作者的操作水平有很大关系。2.模式根据光的波导理论，光在光纤中传播，应可用电磁波的麦克斯韦方程来描述。在一特定的边界条件下麦克斯韦方程有一些特定的解，这些解代表着一些可在光纤中长期稳定传输的光束，这些光束或解即称为模式。理论可
6、以证明，对于波长为1310nm或1550nm的光波当光芯小于10m时，所使用的光纤中将只有一个基模可以稳定传输。它沿径向的光强分布为高斯分布。这种光纤称为单模光纤。光纤中的模式除了与光纤本身的参数如折射率、直径有关外，还与光的波长有关。本实验中采用的是单模光纤，但是是针对1310-1550nm光波的。而实验中采用的是650nm的可见激光，因此有时光纤中的模式将不是单模，而是一个简单的多模（如梅花状）而各模式间可能有不同的传输速度、传输路径和偏振态。不同的传输速度将导致光信号的脉冲展宽（色散）。这也是为什么干线网（宽带网）多采用单模光纤，而局域网多采用多模光纤的一个原因。3.光在光纤中的传播时间
7、和速度由于光在介质中的传播速度反比于介质的折射率（）因此可以断定光在光纤中的传播速度小于光在空气中的传播速度。本实验通过测量一串光脉冲信号在一定长度光纤中的传播时间，来求出光在光纤中的传播速度，从而算出光纤的平均折射率。我们在光纤的输入端输入一连串稳定的光脉冲信号，并在光纤的输出端接受这些信号，由于光纤的长度引起一个脉冲信号的时间延迟（）其中为光在光纤中的速度，L为光纤长度，如果我们测出了则再由，可求出。其中为光在光纤中的速度，为光在空气中的速度，为空气的折射率。4.光纤的数值孔径数值孔径是光纤的光学结构参数，它表示了光纤收集光的能力，如图2所示，它被定义为刚满足全反射条件的光束的入射角的正弦
8、与n0的乘积，即大于入射的光线将从包层中泄漏出去，而小于入射的光线将有可能被约束在光纤中长距离传输。可以证明主要由纤芯折射率和包层折射率决定。本实验是通过测量输出光斑的发散角来算出的。图2 光在光纤中的传播情况5.光通讯在现实的光通讯中，有一部分传输的是声音的信号，如语言、音乐等。本实验将观察通过光纤传输声音信号的过程。从音频信号源（录音机）发出的信号，从示波器上观察是一串幅度、频率随声音变化的近似正弦波信号。该信号经调制电路调制后加载在一个80KHz的方波上,对其相位（频率）进行了调制，并以此调制信号驱动半导体激光器，使激光器发出一连串经声音调制的光脉冲。该光脉冲进入光纤后经过光纤的传输，从
9、光纤出光端输出，被光电二极管接收，经过放大、还原成电信号。这时可以从示波器上观察到一串与驱动信号相对应的脉冲信号，这种脉冲信号经解调电路的解调，再还原成近似正弦波的电信号。这时，可以从示波器上观察到一系列与音频信号源输出信号相对应的波形。这个近似正弦波的电信号经功率放大后驱动扬声器，便可以听到声音了。6.半导体激光器的电光特性半导体激光器是近年来发展最为迅速的一种激光器。由于它的体积小，重量轻，效率高，成本低已进入了人类社会活动的各个领域。因此对半导体激光器的了解和使用就显得十分重要。本实验对半导体激光器进行了一些基本的研究，以掌握半导体激光器的一些基本特性和使用方法。 一般半导体激光器的电流
10、与光输出功率的关系如图3，当电流小于时输出功率很小，一般认为输出的不是激光；而当电流大于时，激光输出功率急剧增大，即为阈值电流。激光器工作时电流应大于，但也不可过大，以防损坏激光管（本实验已加了保护电路，防止功率过载）。而对激光器的调制电流应在附近，此时光功率对电流变化的灵敏度较高。 图3 电流与光输出功率的关三实验仪器GX1000光纤实验仪，半导体激光器，光功率指示计，光纤若干，光纤刀，信号纤，光纤夹。四实验内容（一）半导体激光器的电光特性。1、将实验仪功能档置于“直流”档。用功率指示计探头换下三维光纤调整架。2、打开实验仪电源，将电流旋钮顺时针旋至最大。3、调整激光器的激光指向，使激光进入
11、功率指示计探头，使显示值达到最大。4、逆时针旋转电流旋钮，逐步减小激光器的驱动电流，并记录下电流值和相应 的光功率值。5、绘出电流功率曲线，即为半导体激光器的电光特性曲线。曲线斜率急剧变 化处所对应的电流即为阈值电流。注意：为防止半导体激光器因过载而损坏，实验仪中含有保护电路，当电流过大时，光功率会保持恒定，这是保护电路在起作用，而非半导体激光器的电光特性。（二）光纤的端面处理和夹持。1、用光纤剥皮钳剥去光纤两端的涂覆层（如没有剥皮钳，可用刀片小心的刮去 涂覆层），长度约10mm。2、在5mm处用光纤刀刻划一下。用力不要过大，以不使光纤断裂为限。3、在刻划处轻轻弯曲纤芯，使之断裂。处理过的光纤
12、不应再被触摸，以免损坏 和污染。4、将光纤的一端小心的放入光纤夹中，伸出长度约10mm，用簧片压住，放入三 维光纤架中，用锁紧螺钉锁紧。5、将光纤的另一端放入光纤座上的刻槽中，伸出长度约10mm，用磁吸压住。（三）光纤的耦合与模式。1、将实验仪功能档置于直流档。2、调整激光的工作电流，使激光不太明亮，用一张白纸在激光器前前后移动， 确定激光焦点的位置。（激光太强会使光点太亮，反而不宜观察。）3、通过移动三维光纤调整架和调整Z轴旋钮，使光纤端面尽量逼近焦点。4、将激光器工作电流调至最大，通过仔细调整三维光纤调整架上的X轴、Y轴、 Z轴旋钮和激光器调整架上的水平、垂直旋钮，使激光照亮光纤端面并耦合
13、 进光纤。用功率指示计监测输出光强的变化，反复调整各旋钮，直到光纤输 出功率达到最大为止。5、记下最大功率值。此值与输入端激光功率之比即为耦合效率（不计吸收损耗）。6、取下功率指示计探头，换上显示屏，轻轻转动各耦合调整旋钮，观察光斑形 状变化（模式变化）。7、轻轻触动或弯曲光纤，观察光斑形状变化（模式变化）。（四）传输时间的测量。1、如实验（二）、（三）1-4步所述，将激光耦合进光纤，并使输出达到最大。2、用二维可调光探头取代原来的功率指示计探头。3、用信号线将实验仪发射板中输出波形与双踪示波器的CH1通道相连。4、用信号线将实验仪接收板中输入波形（解调前）与示波器的CH2通道相连。5、示波器
14、触发拨到CH1通道，显示键置于双踪同时显示（Dual）。6、将实验仪功能键置于“脉冲频率”档，电流置于最大。7、打开示波器电源，CH1的电压旋钮置于“2V/Div”档上，时间 周期旋钮置于 10S/Div，旋转“脉冲频率”旋钮，在示波器上应可看到一定频率的方波。8、调整实验仪上的“脉冲频率”旋钮，使脉冲频率约为50KHz。9、CH2的电压旋钮也置于“2V/Div”档上，观察CH2通道上的波形，并同时调 整二维可调光探头的位置和光纤输出端面之间的距离，使CH2的波形尽量成 为矩形波。10、将“扫描频率”置于1S/Div档，仔细调整“脉冲”频率旋钮，使示波器 CH1通道上只显示一个周期。11、再仔
15、细调整二维可调光探头的前后位置，使CH2上升沿波形尽量前移（以波 形幅度的90%处为准）并记录下此时的位置。12、取下三维光纤调整架，直接将二维可调光探头置于激光头前，使部分激光进 入探头（注意：不要使探头饱和、波形严重失真）。13、观察示波器上CH2通道的波形，并同时调整二维可调光探头，使波形尽量与 11步中的波形近似，且上升沿尽量靠前，记录下上升沿的位置（以波形幅度 的90%处为准）。14、将11与13步骤中的上升沿位置相比较，其时间差即为光在光纤中的传输时 间。15、用光纤长度除以传输时间，即为光在光纤中的传输速度，并由此求出光纤芯 的折射率（五）模拟（音频）信号的调制，传输和解调还原1
16、、按实验（二）（三）1-4步耦合好光纤。2、将实验仪的功能档置于音频调制档。3、将示波器的CH1和CH2通道分别与“输出波形”和“输入波形”相连。4、将示波器“扫描频率”置于10S/Div档，示波器显示应为近似的稳定矩形 波5、从“音频输入”端加入音频模拟信号，这时可观察到示波器上的矩形波的前 后沿闪动。6、打开实验仪后面板上的“喇叭”开关，应可听到音频信号源中的声音信号。7、可分别观察实验仪发射板“调制”前后的波形和接收板“解调”前后的波形。 观察、了解音频模拟信号的调制、传输、解调过程和情况。“喇叭”开关平时应处于“关”状态，以免产生不必要的噪声。（六）光纤数值孔径的测量。A）光斑扫描测量
17、法：1、如实验（二）（三）1-4步耦合光纤。2、用显示屏观察输出光斑形状，并仔细调整各耦合旋钮，尽量使输出成为明亮、 对称、稳定的高斯分布。3、将数值孔径测量附件置于光纤输出端面前40-80mm处。4、将探头光栏置于0.5或1mm档。5、仔细调整光纤与探头之间的位置。在光斑中心附近找到功率指示最大的点。 调整完毕。6、用一维位移架移动探头，使探头扫过整个光斑。记录下光强与位置的关系， 绘出光强分布曲线，应为近似的高斯曲线。7、以该曲线最高点的1/e2处的尺寸作为光斑直径，再测量出光纤端面距测量面 的距离，求出。B）功率法：1、如实验（二）（三）1-4步耦合光纤。2、用显示屏观察输出光斑形状，并
18、仔细调整各耦合旋钮，尽量使输出光斑具有 明亮、对称、稳定的分布。3、将数值孔径测量附件的探头光栏置于6.0档，并使之紧贴光纤输出端面， 以保证输出光可全部进入探头。用功率指示计检测光纤输出功率，轻微调整 耦合旋钮，尽量使功率达到最大。4、记下此时功率指示值。5、向后移动附件滑块。由于输出光的发散，随着探头向后移动，会有部分光漏 出6.0孔。6、仔细调整光纤与探头之间的相对位置，使可探测到的功率为最大功率的90%， 而有10%的光功率漏在6.0孔外，此时的6mm孔经即为光斑直径。7、测量出光纤端面到探头光栏间的距离H。8、由6mm直径和H即可求出。五注意事项1：请勿直视激光光束。2：如在使用过程中，光纤断在光纤夹中，请务必剔除光纤断头，（可 用纸片或刀片刮净细缝底部）再安装新的光纤。否则可能损坏光纤 夹压片。