光纖通信-半導(dǎo)體光源與光纖耦合oh

1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 研究注入型激光二極管和發(fā)光二極管與光纖的耦合2 判斷耦合的效果實(shí)驗(yàn)原理1 光源類(lèi)型及光發(fā)射特性光纖光學(xué)系統(tǒng)使用的半導(dǎo)體光源有兩種，發(fā)光二極管LED和注入型激光二極管ILD，此類(lèi)器件及其發(fā)光機(jī)制的理論請(qǐng)參閱有關(guān)資料。任何光源可以用從它的表面所發(fā)的所有可能的光線的光功率分布來(lái)說(shuō)明其發(fā)光特性，朗伯型光源是指其面單元在所有的方向上發(fā)射光，而準(zhǔn)直光源是指其發(fā)射的光束在空間的發(fā)散角非常小。一般，光源亮度的角分布可表示為是離開(kāi)光發(fā)射法線的最大角，由光源的幾何形狀決定。對(duì)漫射光源，m = 1，對(duì)準(zhǔn)直光源，m為大值，中間為部分準(zhǔn)直光源，ILD的輻射遠(yuǎn)場(chǎng)以典型的15°×30

2、6;發(fā)散，呈扇形分布。這是由于這些器件的發(fā)射面積很小，形成遠(yuǎn)場(chǎng)衍射，如圖為一個(gè)m = 1（典型LED）和另一個(gè)m =20（典型ILD）在極坐標(biāo)系中的輻射特性。2耦合效率耦合到光纖中的光能依賴(lài)于光纖的數(shù)值孔徑，光纖僅能接收被光纖的數(shù)值孔徑和芯徑所限定的光錐內(nèi)的那些光線，事實(shí)上有四個(gè)參數(shù)決定了耦合效率，它們是光源和光纖的數(shù)值孔徑，光源的尺寸以及芯徑。光源的尺寸和其數(shù)值孔徑之積是一個(gè)常數(shù)，光源的數(shù)值孔徑比光纖的大的情形稱(chēng)為過(guò)注入，通過(guò)加插透鏡減小光源的數(shù)值孔徑以適應(yīng)光纖的數(shù)值孔徑，但是光源在光纖端面上的成像尺寸將同時(shí)變大，耦合效率并不能獲得提高，一種改善方法是所謂“貼背耦合”，即不用透鏡而直接將光纖

3、緊貼光源發(fā)射區(qū)，這時(shí)接收光功率與發(fā)射光功率之比為其中為光纖的折射率輪廓因子（梯度折射率光纖為2，階躍折射率光纖為），耦合損耗為 。最佳耦合是指光源的尺寸和其數(shù)值孔徑之積與光纖的相匹配時(shí)的耦合，一般應(yīng)使用透鏡完成。左圖顯示了發(fā)散特性不同的光源的耦合損耗隨光纖的數(shù)值孔徑變化的情況，由圖可知，在使用相同自聚焦透鏡和光纖（數(shù)值孔徑）的情況下，ILD（）的偶合損耗要比LED（）的小很多（約10dB），LED光源的發(fā)散性使其耦合一般為過(guò)注入，當(dāng)然耦合調(diào)整過(guò)程會(huì)容易些。3GRIN棒透鏡本實(shí)驗(yàn)使用梯度折射率（GRIN）棒透鏡將半導(dǎo)體光源耦合進(jìn)光纖。這種透鏡是直徑13mm，長(zhǎng)度幾毫米的小玻璃棒，其折射率沿徑向分

4、布如下式是軸上折射率，是分?jǐn)?shù)折射率差，是芯徑。GRIN棒透鏡可以對(duì)光束進(jìn)行準(zhǔn)直或聚焦，此處用0.29節(jié)距的棒透鏡對(duì)發(fā)散的半導(dǎo)體光源實(shí)現(xiàn)聚焦，節(jié)距是指光線在梯度折射率介質(zhì)中沿正弦軌跡運(yùn)行一周的長(zhǎng)度。能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)直的為1/4節(jié)距的GRIN棒透鏡。實(shí)驗(yàn)儀器a) 100/140多模光纖b) ILD和LED裝置c) 半導(dǎo)體光源驅(qū)動(dòng)器d) GRIN棒透鏡光纖耦合器e) 紅外磷光片f) 光纖定位器g) 光功率計(jì)h) 光電探頭i) 數(shù)字示波器j) 光纖切割刀注：零件細(xì)列及裝配指南請(qǐng)執(zhí)行軟件“Newport光學(xué)實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)輔助平臺(tái)”。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及操作要點(diǎn)：先根據(jù)有關(guān)資料及輔助軟件組裝各個(gè)單元裝置（半導(dǎo)體光源，GRIN

5、棒透鏡光纖耦合器，出纖及探測(cè)裝置等），現(xiàn)以GRIN棒透鏡光纖耦合器為例說(shuō)明：用鑷子將0.29節(jié)距GRIN棒透鏡小心嵌進(jìn)所示小孔內(nèi)（或者把上面的金屬蓋片拿掉后放入，應(yīng)調(diào)整和光源的間距），旋緊固定螺絲。將經(jīng)過(guò)端面處理后的光纖嵌入光纖嵌槽桶后再裝入光纖定位器（注意光纖端面和透鏡的間距，它實(shí)際上和光源物距有關(guān)），然后根據(jù)下面的操作要點(diǎn)進(jìn)行。1 LD與光纖耦合 打開(kāi)505激光驅(qū)動(dòng)電源開(kāi)關(guān)，將其限制電流調(diào)至120 mA (已調(diào)好)，注意此時(shí)激光驅(qū)動(dòng)電源的鑰匙處于關(guān)閉（off）狀態(tài)，電流示值為零。 將激光驅(qū)動(dòng)電源的鑰匙撥向開(kāi)（on）的位置，慢慢將電流從零調(diào)至42mA，按一下（注意只能按一次）激光輸出按鈕（o

6、utput/on，燈亮），調(diào)整GRIN光纖耦合器（F-925）上的光纖定位器的X，Y，Z旋紐，將入纖端面置于GRIN鏡后合適位置（離GRIN鏡2 mm 以?xún)?nèi)中央，不能碰到GRIN鏡）。 調(diào)整上述光纖定位器的X，Y，Z旋紐，將紅外磷光片置于出纖端面前觀察是否接收到光（有無(wú)光斑），如有，則將光斑調(diào)亮（既調(diào)整光纖入端光纖定位器的X，Y旋紐）后移去紅外傳感片，將光纖出端置于PIN光電管前2 mm以?xún)?nèi)對(duì)準(zhǔn)小孔位置（不能碰到PIN管）。 同時(shí)觀察示波器上該通道的直流耦合信號(hào)的直流分量（平均值）是否隨著激光器調(diào)制電流的變化而變化，如否，則需檢查步驟。 如接收信號(hào)有變化則通過(guò)調(diào)整出端光纖定位器的X，Y旋紐使得

7、信號(hào)達(dá)最大，進(jìn)一步調(diào)整光纖耦合器（F-925）上的光纖定位器的X，Y，Z旋紐使接收到的信號(hào)最大，此時(shí)光纖入端處于最佳耦合狀態(tài)。 將調(diào)制電流置零，從零開(kāi)始到50mA為止，每隔5m A測(cè)一次接收信號(hào)大?。ㄊ静ㄆ髌骄担?，在接近閾值（大約40mA）之前某處（比如35mA）開(kāi)始每隔1mA或0.5mA測(cè)一次，畫(huà)出電光特性曲線（I-P），確定LD的閾值電流大?。ㄇ€直線段的延長(zhǎng)線與橫軸交點(diǎn)）。2 LED與光纖耦合 ，同上。 將調(diào)制電流置零，從零開(kāi)始到80mA為止，每隔5m A測(cè)一次接收信號(hào)大?。ㄊ静ㄆ髌骄担?，畫(huà)出電光特性曲線（I-P）。3 耦合效率在上述耦合過(guò)程的前后用光功率計(jì)測(cè)量（GRIN棒透鏡之后）與（耦合后光纖的輸出功率）則可以計(jì)算耦合損耗。4. 自行設(shè)計(jì)一個(gè)模擬信號(hào)調(diào)制傳輸實(shí)驗(yàn)（選做）預(yù)習(xí)與思考1 光纖端面緊貼GRIN棒透鏡能否提高耦合效率。2 在“貼背耦合”時(shí)，階躍折射率光纖的耦合效率高還是梯度折射率光纖的耦合效率高。注意事項(xiàng)1 完成實(shí)驗(yàn)后一定要將調(diào)制電流