光纖光學(xué)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)講義

1、光纖通信實(shí)驗(yàn)光纖通信就是利用光纖來(lái)傳輸攜帶信息的光波以達(dá)到通信的目的。光纖通信是現(xiàn)代通信網(wǎng)的主要傳輸手段，主要通過(guò)在發(fā)送端把傳送的信息（如話音）變成電信號(hào)，然后調(diào)制到激光器發(fā)出的激光束上，使光的強(qiáng)度隨電信號(hào)的幅度（頻率）變化而變化，并通過(guò)光纖發(fā)送出去；在接收端，檢測(cè)器收到光信號(hào)后把它變換成電信號(hào)，經(jīng)解調(diào)后恢復(fù)原信息。 因此構(gòu)成光纖通信的基本要素是光源、光纖和光檢測(cè)器。半導(dǎo)體激光器可以作為光纖通信的主要光源，其具有超小型、高效率和高速工作的優(yōu)異特點(diǎn)，到如今，它是當(dāng)前光通信領(lǐng)域中發(fā)展最快、最為重要的激光光纖通信的重要光源.光纖是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)寫，是一種利用光在玻璃或塑料制成的纖維中的全反射原理而達(dá)成

2、的光傳導(dǎo)工具。前香港中文大學(xué)校長(zhǎng)高錕和George A. Hockham首先提出光纖可以用于通訊傳輸?shù)脑O(shè)想，高錕因此獲得2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。光檢測(cè)器:把光發(fā)射機(jī)發(fā)送的攜帶有信息的光信號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號(hào)并放大、再生恢復(fù)為原傳輸?shù)男盘?hào)的器件。【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?. 了解和掌握半導(dǎo)體激光器的電光特性和測(cè)量閾值電流2. 了解和掌握光纖的結(jié)構(gòu)和分類以及光在光纖中傳輸?shù)幕疽?guī)律。3. 對(duì)光纖本身的光學(xué)特性進(jìn)行初步的研究，對(duì)光纖的使用技巧和處理方法有一定的了解。4. 了解光纖通信的基本原理。【實(shí)驗(yàn)儀器】 導(dǎo)軌，半導(dǎo)體激光器+二維調(diào)整，三維光纖調(diào)整架+光纖夾，光纖，光探頭+二維調(diào)整架，激光功率指示計(jì)，一維位

3、移架，專用光纖鉗、光纖刀，示波器，音源等。【實(shí)驗(yàn)原理】一、半導(dǎo)體激光器的電光特性I0圖1IP實(shí)驗(yàn)采用的光源是半導(dǎo)體激光器，由于它的體積小、重量輕、效率高、成本低，已進(jìn)入了人類社會(huì)活動(dòng)的多個(gè)領(lǐng)域。因此對(duì)半導(dǎo)體激光器的了解和使用就顯得十分重要。本實(shí)驗(yàn)對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行一些基本的實(shí)驗(yàn)研究，以掌握半導(dǎo)體激光器的一些基本特性和使用方法。半導(dǎo)體激光器的發(fā)光原理是基于受激光發(fā)射。要使半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生相干的受激光需滿足兩個(gè)條件：既粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與閾值條件。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)就是使處于高能態(tài)的粒子（半導(dǎo)體能帶中的電子）數(shù)多于低能態(tài)的粒子數(shù)，達(dá)到這個(gè)條件，工作物質(zhì)就產(chǎn)生增益。閾值條件要求粒子數(shù)反轉(zhuǎn)必須反轉(zhuǎn)到一定的程度，即達(dá)到

4、由于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的增益能克服有源介質(zhì)的內(nèi)部損耗和輸出損耗（激光器輸出對(duì)有源介質(zhì)來(lái)說(shuō)就是一種損耗），此后的增益介質(zhì)就具有凈增益。半導(dǎo)體激光器和其他激光器一樣，激光器結(jié)構(gòu)都包括三部分，即能產(chǎn)生粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)；使光子不斷反饋的振蕩，從而實(shí)現(xiàn)光增益達(dá)到閾值的光諧振腔及激勵(lì)起粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的電源。本實(shí)驗(yàn)主要進(jìn)行半導(dǎo)體激光器的電光特性和測(cè)量閾值電流，閾值是激光器的屬性，它標(biāo)志這激光器的增益和損耗的平衡點(diǎn)。由于半導(dǎo)體激光器是電子-光子轉(zhuǎn)換器，因此其閾值常用電流來(lái)表示。閾值電流的測(cè)定可通過(guò)直線擬合法來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)半導(dǎo)體激光器電流小于某值時(shí)，輸出功率很小，一般我們認(rèn)為輸出的不是激光，只有當(dāng)電流大于一定值（I0

5、），使半導(dǎo)體增益系數(shù)大于閾值時(shí)，才能產(chǎn)生激光，電流I0稱之為閾值電流。半導(dǎo)體激光器的電流與光輸出功率的關(guān)系如圖1所示，曲線在閾值以上的直線部分延長(zhǎng)而與電流坐標(biāo)軸的相交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流即為閾值電流。當(dāng)電流大于I0時(shí)，激光輸出功率急劇增大。激光輸出功率急劇增大。激光工作時(shí)電流大于I0，但也不可過(guò)大，以防損壞激光管（本實(shí)驗(yàn)加了保護(hù)電路，防止功率過(guò)載）。對(duì)激光器的調(diào)制電流應(yīng)在I0附近，此時(shí)光功率對(duì)電流變化的靈敏度較高。圖2二、光纖的結(jié)構(gòu)與分類圖3b階躍型多模光纖c梯度折射率型光纖nnna階躍型單模光纖一般裸光纖具有纖芯、包層及涂敷層（保護(hù)層）的三層結(jié)構(gòu)，如圖2所示。纖芯：由摻有少量其他元素（為提高折射率

6、）的石英玻璃構(gòu)成，對(duì)于單模光纖。直徑約為9um。而對(duì)于多模光纖，纖芯直徑一般為50um。包層：由石英玻璃構(gòu)成，但由于成分的差異它的折射率比纖芯的折射率略微低一些，以形成全反射條件。直徑約為125um。涂覆層：為了增加光纖的強(qiáng)度和抗彎性、保護(hù)光纖，在包層外涂覆了塑料或樹(shù)脂保護(hù)層。其直徑約250um。激光主要在纖芯和包層中傳播。光纖具有以下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。1. 光纖具有良好的傳光特性，他對(duì)光波的損耗目前可低到0.2dB/Km.2. 頻帶寬，信息量大因?yàn)楣饫w傳輸?shù)氖枪?，現(xiàn)在使用的光纖的頻率在10141015Hz的范圍內(nèi)，比微波高5個(gè)數(shù)量級(jí)，即光的頻率高。3. 光纖本身是一種敏感元件，光在光纖中傳輸時(shí)，光

7、的特性如振幅、相位、偏振態(tài)等將隨檢測(cè)對(duì)象發(fā)生變化而相應(yīng)變化。4. 光纖的電絕緣性好，它不受電磁干擾，無(wú)火花，能在易燃、易爆的環(huán)境中使用。5. 光纖極細(xì)，可塑性好。光纖的總直徑為100200um，可放置在小孔和縫隙等被監(jiān)測(cè)點(diǎn)，而且對(duì)測(cè)量點(diǎn)擾動(dòng)小。6. 光纖原料資源豐富，價(jià)格低廉。按纖芯徑向介質(zhì)折射率分布的不同，可將光纖分為均勻和非均勻兩類。如圖3，均勻光纖的纖芯與包層介質(zhì)的折射率分別呈均勻分布，在分界面處折射率有一突變，故又稱階躍型光纖；非均勻光纖纖芯的折射率沿徑向成梯度分布，而包層的折射率為均勻分布，故又稱為梯度折射率型光纖。按照傳輸特性的不同，又可將光纖分為單模和多模兩種。單模光纖較細(xì)，只允

8、許一種傳播狀態(tài)（模式）；多模光纖較粗，可允許同時(shí)存在多種傳播狀態(tài)（模式）。三、光纖的傳光原理當(dāng)光線從折射率為n1的介質(zhì)入射到n2的介質(zhì)時(shí)，在介質(zhì)分界面上將產(chǎn)生折射現(xiàn)象，其規(guī)律是：入射角與折射角的正弦之比與兩種介質(zhì)的折射率成反比，即，其中n1為線芯的折射率，n2為包層介質(zhì)的折射率。因則,當(dāng)入射角增大到某一角度時(shí)，折射角將等于90o，發(fā)生了全反射，于是光便在光纖中沿軸向前傳播，這就是光纖的導(dǎo)光原理。不滿足全反射條件的光線，由于在界面上只能部分反射，勢(shì)必有一些能量會(huì)輻射到包層中，致使光能量不能有效傳播，溢出光纖，造成光無(wú)法傳輸。對(duì)于一定的光纖結(jié)構(gòu)和光波長(zhǎng)，在光纖中能夠傳播的模式數(shù)目是有限的。理論證明

9、：可以傳播的傳播模數(shù)為，其中, 通常V稱為歸一化頻率，為光波導(dǎo)的半徑。對(duì)于確定結(jié)構(gòu)的單模光纖，通常V2.405的光波長(zhǎng)。對(duì)于確定結(jié)構(gòu)的多模光纖，通常V2.405的光波長(zhǎng)。由歸一化頻率表達(dá)式很容易得到截止波長(zhǎng)為，因此在光纖中，當(dāng)傳播的光波長(zhǎng)時(shí)，將處于單模工作；而當(dāng)時(shí)，處于多模工作狀態(tài)。三、光纖的數(shù)值孔徑由于全反射臨界角ic的限制，光纖對(duì)自其端面外側(cè)入射的光束相應(yīng)的存在著一個(gè)最大的入射孔徑角，參考圖4。假設(shè)光纖端面外側(cè)介質(zhì)的折射率為n0，自端面外側(cè)以i0角入射的光線進(jìn)入光纖后，其到達(dá)纖芯與包層分界面處的入射角i1剛好等于臨界角ic。那么當(dāng)端面外側(cè)光線的入射角大于i0時(shí)，進(jìn)入光纖時(shí)將不滿足全反射條件

10、。因此，i0就是能夠進(jìn)入光纖且形成穩(wěn)定光傳輸?shù)娜肷涔馐淖畲罂讖浇恰？梢宰C明，對(duì)于階躍型光纖，有：圖4 （1）i0icn0n1n2一般用光纖端面外側(cè)介質(zhì)折射率與最大孔徑角正弦的乘積n0sini0,表征允許進(jìn)入光纖纖芯且能夠穩(wěn)定傳輸?shù)墓饩€的最大入射角范圍，稱為光纖的數(shù)值孔徑。對(duì)于階躍型光纖數(shù)值孔徑大小為：l光纖端PrrR圖5 （2）光纖數(shù)值孔徑的另一種定義是遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度有效數(shù)值孔徑。遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度有效數(shù)值孔徑是通過(guò)測(cè)量光纖遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度分布來(lái)確定的。它被定義為光纖遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖上光強(qiáng)下降到最大值的1/e2處的半角的正弦值，如圖5所示。當(dāng)遠(yuǎn)場(chǎng)輻射強(qiáng)度達(dá)到穩(wěn)態(tài)分布時(shí)，測(cè)量光線最大出射的光功率分布曲線及光纖端與探測(cè)界面的

11、距離，利用光強(qiáng)下降到最大值的1/e2處的半張角的正弦值，計(jì)算光纖的數(shù)值孔徑。n0為空氣中的折射率，n0»1。 （3） 四、模式根據(jù)光的波導(dǎo)理論，光在光纖中的傳播，應(yīng)可用電磁波的麥克斯韋方程來(lái)描述，在特定的邊界條件下麥克斯韋方程有一些特定的解，這些解代表著一些可在光纖中長(zhǎng)期穩(wěn)定傳輸?shù)墓馐?，這些光束或解即被我們稱為模式。理論可以證明，對(duì)于波長(zhǎng)為1310nm或1550nm的光波當(dāng)纖芯小于10um時(shí)，我們所使用的光線中只有一個(gè)基模可以穩(wěn)定傳輸。它沿徑向的光強(qiáng)分布為高斯分布。這種光纖被我們稱為單模光纖。光纖中的模式除了與光纖本身的參數(shù)折射率、直徑有關(guān)外，還與光的波長(zhǎng)有關(guān)。在本實(shí)驗(yàn)中采用的是單模

12、光纖，但此“單?！笔轻槍?duì)1310-1550nm波長(zhǎng)的，而本實(shí)驗(yàn)采用的是650nm的可見(jiàn)激光，因此有時(shí)光纖中耦合模式將不是單模，而是一個(gè)簡(jiǎn)單的多模（如梅花狀），各模式間可能有不同的傳輸路徑和偏振態(tài)。不同的傳輸路徑將導(dǎo)致光信號(hào)的脈沖展寬（色散）。五、光纖的耦合和耦合效率光纖的耦合是指將激光從光纖端面輸入光纖，以使激光可沿光纖進(jìn)行傳輸。一般來(lái)說(shuō)，將激光的不對(duì)稱發(fā)射光束與圓對(duì)稱的光纖進(jìn)行最優(yōu)耦合，需要在光纖和光源之間插入透鏡，即所謂的直接耦合。直接耦合技術(shù)上比較簡(jiǎn)單，但耦合效率比較低。實(shí)驗(yàn)采用五個(gè)自由度的調(diào)整機(jī)構(gòu)來(lái)進(jìn)行光纖的耦合。（半導(dǎo)體激光器被固定在一個(gè)二個(gè)自由度的角度調(diào)整架上，光纖固定在一個(gè)三自由

13、度的直線調(diào)整架上）。通過(guò)五個(gè)自由度的反復(fù)、細(xì)致的調(diào)整，使經(jīng)過(guò)聚焦的激光焦點(diǎn)盡量準(zhǔn)確地、垂直地落在光纖端面上，以使盡量多的激光進(jìn)入光纖。由于激光焦點(diǎn)和光纖的端面過(guò)于明亮和細(xì)小，因此無(wú)法用肉眼來(lái)判斷耦合的情況。從光纖的另一端（輸出端）通過(guò)觀察輸出光的強(qiáng)弱（光功率）和光斑的情況來(lái)判斷耦合情況。當(dāng)將激光耦合進(jìn)光纖后，會(huì)在輸入端面后的一段光纖壁上看到一些泄漏的激光（光纖成紅色）這是一些不滿足光纖全反射條件的光，從光纖壁上泄漏出來(lái)的結(jié)果。也可在光纖的任何一段通過(guò)強(qiáng)烈彎曲光纖來(lái)觀察到這種泄漏情況。這是由于強(qiáng)烈的彎曲破壞了該處光纖的軸方向，使一部分光線的全反射條件被破壞，激光從光纖芯中泄漏出來(lái)進(jìn)入了涂覆層中。

14、光纖的彎曲會(huì)改變光纖中光的傳輸模式、光強(qiáng)和偏振狀態(tài)。可以通過(guò)觀察輸出端的光斑來(lái)觀察這些現(xiàn)象。耦合效率h反應(yīng)了進(jìn)入光纖中的光的多少。定義如下： （4）其中P1為進(jìn)入光纖中的光功率，P0為激光的輸出功率。h在理論上與光纖的幾何尺寸，數(shù)值孔徑等光纖參數(shù)有著直接的關(guān)系，在實(shí)際操作中它還與光纖端面的處理情況和調(diào)整情況有著更直接的關(guān)系。在本實(shí)驗(yàn)中采用光功率計(jì)直接測(cè)出P1和P0來(lái)求出h。h同操作者的操作情況有很大關(guān)系。六、光纖的損耗光纖的損耗是通信距離的固有限制，在給定發(fā)射功率和接收靈敏度條件下，它決定了從光發(fā)射機(jī)到光接收機(jī)之間的最大距離，損耗過(guò)大將嚴(yán)重影響通信系統(tǒng)的性能。光纖的損耗用衰減系數(shù)表示單位是dB

15、/km,對(duì)于光纖損耗的測(cè)量方法最簡(jiǎn)便的和可靠的是剪斷法。剪斷法是在耦合好的光纖輸出端測(cè)量輸出功率P2，然后再保持如何功率不變的前提下，在剪斷一截長(zhǎng)為L(zhǎng)的光纖，再測(cè)量輸出端的光功率P1 則光纖的損耗定義為：，光纖的損耗與光纖材料及光纖的結(jié)構(gòu)有關(guān)，也與光纖的幾何形狀和纏繞方式等有關(guān)。目前通信用的光纖在1.5um波段為0.25dB/Km，已經(jīng)接近光纖的固有損耗。 七、光纖通信 由于上個(gè)世紀(jì)70年代光纖制造技術(shù)和半導(dǎo)體激光器技術(shù)的突破性進(jìn)展，同時(shí)光纖通信具有容量大、頻帶寬、光纖損耗低、傳輸距離遠(yuǎn)、不受電磁場(chǎng)干擾等優(yōu)點(diǎn)，因此光纖通信已成為現(xiàn)代社會(huì)最主要的通信手段之一。模擬信號(hào)模擬信號(hào)光接收機(jī)光發(fā)射機(jī)傳輸

16、光纖解調(diào)模塊調(diào)制模塊信號(hào)接口模塊光接收模塊信號(hào)接口模塊光發(fā)射模塊圖6 光纖通信的大致過(guò)程是：將要傳輸?shù)男畔ⅲㄕZ(yǔ)言、圖像、文字、數(shù)據(jù)）加載到載波上，經(jīng)發(fā)送機(jī)處理(編碼、調(diào)制)后，載有信息的光波被耦合到光纖中，經(jīng)光纖傳輸?shù)竭_(dá)接收機(jī)，接收機(jī)將收到的信號(hào)處理（放大、解碼、整形）后，還原成原來(lái)發(fā)送的信息（語(yǔ)言、圖像、文字、數(shù)據(jù)），如圖6所示，本實(shí)驗(yàn)將觀察通過(guò)光纖傳輸聲音信號(hào)的整個(gè)過(guò)程。從音頻信號(hào)源（錄音機(jī)）發(fā)出的信號(hào)，在示波器上觀察是一串幅度、頻率隨聲音變化的近似正弦波信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)調(diào)制電路調(diào)制后加載在一個(gè)80KHz的方波上，對(duì)方波的脈沖寬度進(jìn)行了調(diào)制，并以此調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器，使激光器發(fā)出一連串

17、經(jīng)聲音調(diào)制的光脈沖。該光脈沖進(jìn)入光纖后經(jīng)過(guò)光纖的傳輸，從光纖出光端輸出，被光電二極管接收，還原成電信號(hào)。這時(shí)我們可以從示波器上觀察到一串與驅(qū)動(dòng)信號(hào)相對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)，這種脈沖信號(hào)再經(jīng)過(guò)解調(diào)電路的解調(diào)，最后還原成近似正弦波的電信號(hào)，這時(shí)，可以從示波器上觀察到一系列與音頻信號(hào)源輸出信號(hào)相對(duì)應(yīng)的波形。這個(gè)近似正弦波的電信號(hào)經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，便可以聽(tīng)到聲音了。 光學(xué)機(jī)械一般結(jié)構(gòu)【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】一、半導(dǎo)體激光器的電光特性1. 將導(dǎo)軌放置在穩(wěn)定平臺(tái)上，在導(dǎo)軌的一段防止半導(dǎo)體激光器及其調(diào)整架，另一端放置功率計(jì)探頭。2. 打開(kāi)實(shí)驗(yàn)儀電源，將實(shí)驗(yàn)儀功能置于“直流”檔。將電流調(diào)節(jié)旋鈕緩慢的順時(shí)針旋至最大，同時(shí)觀測(cè)

18、功率計(jì)變化，注意功率計(jì)變化很快的電流值。3. 調(diào)整激光器的激光指向，使激光進(jìn)入功率指示計(jì)探頭，并使顯示值達(dá)到最大。4. 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)電流旋鈕，逐步減小激光器的驅(qū)動(dòng)電流，并計(jì)錄下電流值和相應(yīng)的光功率值。5. 用坐標(biāo)紙繪出電流功率曲線，即為半導(dǎo)體激光器的電光特性曲線。曲線斜率急劇變化處所對(duì)應(yīng)的電流即為閾值電流。 注意：為防止半導(dǎo)體激光器因過(guò)載而損壞，實(shí)驗(yàn)儀中含有保護(hù)電路，當(dāng)電流過(guò)大時(shí)，光功率會(huì)保持恒定，這是保護(hù)電路在起作用，而非半導(dǎo)體激光器的電光特性。二光纖的端面處理和夾持1. 在導(dǎo)軌的依次放置半導(dǎo)體激光器及其調(diào)整架，三維光纖調(diào)整架、光纖座和功率計(jì)探頭。2. 光纖剝皮鉗剝?nèi)ス饫w兩端的涂覆層。3. 在

19、5mm處用光纖刀刻劃一下。用力不要過(guò)大，以不使光纖斷裂為限。4. 在刻劃處輕輕彎曲纖芯，使之?dāng)嗔?。處理過(guò)的光纖端面不應(yīng)再被觸摸，以免損壞和污染。5. 在5mm處用光纖刀刻劃一下小心的放入光纖夾中，伸出長(zhǎng)度約10mm，用簧片壓住，放入三維光纖架中，用鎖緊螺釘鎖緊。6. 將光纖的另一端用同樣的處理方法處理后，放入光纖座上的刻槽中，伸出長(zhǎng)度約10mm，用磁吸壓住。7. 將光纖座中的光纖輸出頭，進(jìn)行調(diào)整使光纖的輸出對(duì)準(zhǔn)功率計(jì)探頭。 三、光纖的耦合與模式 1. 將實(shí)驗(yàn)儀功能檔置于直流檔。2. 調(diào)整半導(dǎo)體激光器的工作電流，使激光不太明亮，用一張白紙?jiān)诩す馄髑懊媲昂笠苿?dòng)，確定激光焦點(diǎn)的位置。（激光過(guò)強(qiáng)會(huì)使光

20、點(diǎn)太亮，反而不宜觀察。） 3.通過(guò)移動(dòng)三維光纖調(diào)整架和調(diào)整Z軸旋鈕，使光纖端面盡量逼近焦點(diǎn)。 4.將激光器工作電流調(diào)至最大，通過(guò)仔細(xì)調(diào)節(jié)三維光纖調(diào)整架上的X軸、Y軸、Z軸調(diào)整螺釘和激光器調(diào)整架上的俯仰、扭擺角調(diào)整螺釘，使激光照亮光纖端面并耦合進(jìn)光纖。 5. 用功率指示計(jì)監(jiān)測(cè)輸出光強(qiáng)的變化，反復(fù)調(diào)整各調(diào)整螺釘，直到光纖輸出功率達(dá)到最大為止。記下功率值。此值與輸入端激光功率之比即為耦合效率（不計(jì)吸收損耗）。通常情況下。應(yīng)該能夠調(diào)節(jié)到200 uW以上這樣才能保證光纖通信實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。如多次調(diào)節(jié)不成功，檢查光纖斷面，可重新進(jìn)行光纖端面。6. 取下功率指示計(jì)探頭，換上白屏，輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)各耦合調(diào)整旋鈕，觀察光斑形狀變化（模式變化）。 7.彎曲光纖，觀察光斑形狀變化（模式變化）。 四、模擬（音頻）信號(hào)的調(diào)制，傳輸和解調(diào)還原 1. 將激光耦合進(jìn)光纖。 2. 將實(shí)驗(yàn)儀的功能檔置于“音頻調(diào)