光纖光學(xué)大學(xué)物理實驗講義

1、光纖通信實驗光纖通信就是利用光纖來傳輸攜帶信息的光波以達到通信的目的。光纖通信是現(xiàn)代通信網(wǎng)的主要傳輸手段，主要通過在發(fā)送端把傳送的信息（如話音）變成電信號，然后調(diào)制到激光器發(fā)出的激光束上，使光的強度隨電信號的幅度（頻率）變化而變化，并通過光纖發(fā)送出去；在接收端，檢測器收到光信號后把它變換成電信號，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，到如今，它是當前光通信領(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成

2、的光傳導(dǎo)工具。前香港中文大學(xué)校長高錕和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。光檢測器:把光發(fā)射機發(fā)送的攜帶有信息的光信號轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號并放大、再生恢復(fù)為原傳輸?shù)男盘柕钠骷?。【實驗?zāi)康摹?. 了解和掌握半導(dǎo)體激光器的電光特性和測量閾值電流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. 對光纖本身的光學(xué)特性進行初步的研究，對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?！緦嶒瀮x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，一維位

3、移架，專用光纖鉗、光纖刀，示波器，音源等?！緦嶒炘怼恳弧雽?dǎo)體激光器的電光特性I0圖1IP實驗采用的光源是半導(dǎo)體激光器，由于它的體積小、重量輕、效率高、成本低，已進入了人類社會活動的多個領(lǐng)域。因此對半導(dǎo)體激光器的了解和使用就顯得十分重要。本實驗對半導(dǎo)體激光器進行一些基本的實驗研究，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)，達到這個條件，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（激光器輸出對有源介質(zhì)來說就是一種損耗），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，從而實現(xiàn)光增益達到閾值的光諧振腔及激勵起粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的電源。本實驗主要進行半導(dǎo)體激光器的電光特性和測量閾值電流，閾值是激光器的屬性，它標志這激光器的增益和損耗的平衡點。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表示。閾值電流的測定可通過直線擬合法來實現(xiàn)。當半導(dǎo)體激光器電流小于某值時，輸出功率很小，一般我們認為輸出的不是激光，只有當電流大于一定值（I0

5、），使半導(dǎo)體增益系數(shù)大于閾值時，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而與電流坐標軸的相交點所對應(yīng)的電流即為閾值電流。當電流大于I0時，激光輸出功率急劇增大。激光輸出功率急劇增大。激光工作時電流大于I0，但也不可過大，以防損壞激光管（本實驗加了保護電路，防止功率過載）。對激光器的調(diào)制電流應(yīng)在I0附近，此時光功率對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，對于單模光纖。直徑約為9um。而對于多模光纖，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：為了增加光纖的強度和抗彎性、保護光纖，在包層外涂覆了塑料或樹脂保護層。其直徑約250um。激光主要在纖芯和包層中傳播。光纖具有以下獨特的優(yōu)點。1. 光纖具有良好的傳光特性，他對光波的損耗目前可低到0.2dB/Km.2. 頻帶寬，信息量大因為光纖傳輸?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個數(shù)量級，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，光

7、的特性如振幅、相位、偏振態(tài)等將隨檢測對象發(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，無火花，能在易燃、易爆的環(huán)境中使用。5. 光纖極細，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)測點，而且對測量點擾動小。6. 光纖原料資源豐富，價格低廉。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，只允

8、許一種傳播狀態(tài)（模式）；多模光纖較粗，可允許同時存在多種傳播狀態(tài)（模式）。三、光纖的傳光原理當光線從折射率為n1的介質(zhì)入射到n2的介質(zhì)時，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,當入射角增大到某一角度時，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，勢必有一些能量會輻射到包層中，致使光能量不能有效傳播，溢出光纖，造成光無法傳輸。對于一定的光纖結(jié)構(gòu)和光波長，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。對于確定結(jié)構(gòu)的單模光纖，通常V2.405的光波長。對于確定結(jié)構(gòu)的多模光纖，通常V2.405的光波長。由歸一化頻率表達式很容易得到截止波長為，因此在光纖中，當傳播的光波長時，將處于單模工作；而當時，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，光纖對自其端面外側(cè)入射的光束相應(yīng)的存在著一個最大的入射孔徑角，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角入射的光線進入光纖后，其到達纖芯與包層分界面處的入射角i1剛好等于臨界角ic。那么當端面外側(cè)光線的入射角大于i0時，進入光纖時將不滿足全反射條件

10、。因此，i0就是能夠進入光纖且形成穩(wěn)定光傳輸?shù)娜肷涔馐淖畲罂讖浇??？梢宰C明，對于階躍型光纖，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場強度有效數(shù)值孔徑。遠場強度有效數(shù)值孔徑是通過測量光纖遠場強度分布來確定的。它被定義為光纖遠場輻射圖上光強下降到最大值的1/e2處的半角的正弦值，如圖5所示。當遠場輻射強度達到穩(wěn)態(tài)分布時，測量光線最大出射的光功率分布曲線及光纖端與探測界面的

11、距離，利用光強下降到最大值的1/e2處的半張角的正弦值，計算光纖的數(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，對于波長為1310nm或1550nm的光波當纖芯小于10um時，我們所使用的光線中只有一個基模可以穩(wěn)定傳輸。它沿徑向的光強分布為高斯分布。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，還與光的波長有關(guān)。在本實驗中采用的是單模

12、光纖，但此“單?！笔轻槍?310-1550nm波長的，而本實驗采用的是650nm的可見激光，因此有時光纖中耦合模式將不是單模，而是一個簡單的多模（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行傳輸。一般來說，將激光的不對稱發(fā)射光束與圓對稱的光纖進行最優(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)上比較簡單，但耦合效率比較低。實驗采用五個自由度的調(diào)整機構(gòu)來進行光纖的耦合。（半導(dǎo)體激光器被固定在一個二個自由度的角度調(diào)整架上，光纖固定在一個三自由

13、度的直線調(diào)整架上）。通過五個自由度的反復(fù)、細致的調(diào)整，使經(jīng)過聚焦的激光焦點盡量準確地、垂直地落在光纖端面上，以使盡量多的激光進入光纖。由于激光焦點和光纖的端面過于明亮和細小，因此無法用肉眼來判斷耦合的情況。從光纖的另一端（輸出端）通過觀察輸出光的強弱（光功率）和光斑的情況來判斷耦合情況。當將激光耦合進光纖后，會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的結(jié)果。也可在光纖的任何一段通過強烈彎曲光纖來觀察到這種泄漏情況。這是由于強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進入了涂覆層中。

14、光纖的彎曲會改變光纖中光的傳輸模式、光強和偏振狀態(tài)?？梢酝ㄟ^觀察輸出端的光斑來觀察這些現(xiàn)象。耦合效率h反應(yīng)了進入光纖中的光的多少。定義如下： （4）其中P1為進入光纖中的光功率，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。在本實驗中采用光功率計直接測出P1和P0來求出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)射機到光接收機之間的最大距離，損耗過大將嚴重影響通信系統(tǒng)的性能。光纖的損耗用衰減系數(shù)表示單位是dB

15、/km,對于光纖損耗的測量方法最簡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，在剪斷一截長為L的光纖，再測量輸出端的光功率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 由于上個世紀70年代光纖制造技術(shù)和半導(dǎo)體激光器技術(shù)的突破性進展，同時光纖通信具有容量大、頻帶寬、光纖損耗低、傳輸距離遠、不受電磁場干擾等優(yōu)點，因此光纖通信已成為現(xiàn)代社會最主要的通信手段之一。模擬信號模擬信號光接收機光發(fā)射機傳輸

16、光纖解調(diào)模塊調(diào)制模塊信號接口模塊光接收模塊信號接口模塊光發(fā)射模塊圖6 光纖通信的大致過程是：將要傳輸?shù)男畔ⅲㄕZ言、圖像、文字、數(shù)據(jù)）加載到載波上，經(jīng)發(fā)送機處理(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_接收機，接收機將收到的信號處理（放大、解碼、整形）后，還原成原來發(fā)送的信息（語言、圖像、文字、數(shù)據(jù)），如圖6所示，本實驗將觀察通過光纖傳輸聲音信號的整個過程。從音頻信號源（錄音機）發(fā)出的信號，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。該信號經(jīng)調(diào)制電路調(diào)制后加載在一個80KHz的方波上，對方波的脈沖寬度進行了調(diào)制，并以此調(diào)制信號驅(qū)動半導(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。該光脈沖進入光纖后經(jīng)過光纖的傳輸，從光纖出光端輸出，被光電二極管接收，還原成電信號。這時我們可以從示波器上觀察到一串與驅(qū)動信號相對應(yīng)的脈沖信號，這種脈沖信號再經(jīng)過解調(diào)電路的解調(diào)，最后還原成近似正弦波的電信號，這時，可以從示波器上觀察到一系列與音頻信號源輸出信號相對應(yīng)的波形。這個近似正弦波的電信號經(jīng)功率放大后驅(qū)動揚聲器，便可以聽到聲音了。 光學(xué)機械一般結(jié)構(gòu)【實驗內(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，另一端放置功率計探頭。2. 打開實驗儀電源，將實驗儀功能置于“直流”檔。將電流調(diào)節(jié)旋鈕緩慢的順時針旋至最大，同時觀測

18、功率計變化，注意功率計變化很快的電流值。3. 調(diào)整激光器的激光指向，使激光進入功率指示計探頭，并使顯示值達到最大。4. 逆時針旋轉(zhuǎn)電流旋鈕，逐步減小激光器的驅(qū)動電流，并計錄下電流值和相應(yīng)的光功率值。5. 用坐標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)體激光器因過載而損壞，實驗儀中含有保護電路，當電流過大時，光功率會保持恒定，這是保護電路在起作用，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。用力不要過大，以不使光纖斷裂為限。4. 在刻劃處輕輕彎曲纖芯，使之斷裂。處理過的光纖端面不應(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，伸出長度約10mm，用磁吸壓住。7. 將光纖座中的光纖輸出頭，進行調(diào)整使光纖的輸出對準功率計探頭。 三、光纖的耦合與模式 1. 將實驗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，用一張白紙在激光器前面前后移動，確定激光焦點的位置。（激光過強會使光

20、點太亮，反而不宜觀察。） 3.通過移動三維光纖調(diào)整架和調(diào)整Z軸旋鈕，使光纖端面盡量逼近焦點。 4.將激光器工作電流調(diào)至最大，通過仔細調(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光纖。 5. 用功率指示計監(jiān)測輸出光強的變化，反復(fù)調(diào)整各調(diào)整螺釘，直到光纖輸出功率達到最大為止。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驗的順利進行。如多次調(diào)節(jié)不成功，檢查光纖斷面，可重新進行光纖端面。6. 取下功率指示計探頭，換上白屏，輕輕轉(zhuǎn)動各耦合調(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）信號的調(diào)制，傳輸和解調(diào)還原 1. 將激光耦合進光纖。 2. 將實驗儀的功能檔置于“音頻調(diào)