光纤光学与半导体激光器的电光特性实验精Word文件下载.docx
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0-70m，激
光功率：
0-10mW，输出波长：
650nm；
（2）总输出电压为3.5-4V，考虑保护电路分压，所以管芯
电压降为2.2V。
（3）光纤损耗率：
每千米70%，实验所用光纤长度：
200m，计算损耗为93.1%，如激光输出功率为10mW，除去损耗后激光输出的总功率：
9.31mW，（计算耦合效率时用到）。
（4）信号源频率可用范围:
10KHZ-300KHZ。
2．主机功能
实验主机面板如下图
主机主要由3部分组成：
电源模块、发射模块、接收模块。
（1）电源模块主要是为半导体激光器和主机其它模块提供电源。
由3部分组成：
①表头：
三位半数字表头，用于显示半导体激光器的平均工作电流。
该电流可通过表头下的
电位器进行调整。
②电源开关：
220VC电源开关。
③电流调节旋钮：
半导体激光器的工作电流调整钮。
（2）发射模块主要功能为半导体激光器工作状态和频率参数的操纵。
内含一频率可调的矩形波发
生器、一个频率固定的矩形波发生器和模拟信号调制电路。
①功能状态选择钮：
用于选择半导体激光器的工作状态。
直流档：
半导体激光器工作在直流
状态。
脉冲频率档：
半导体激光器工作在周期脉冲状态下。
输出的激光是一系列的光脉冲，且频率可
调。
调制档：
激光器工作在周期脉冲状态下，但频率固定，脉冲宽度受外部输入的音频信号调制。
②脉冲频率旋钮：
用于调节脉冲信号的频率。
③输出插座：
三芯航空插座。
连接半导体激光器。
④输出波形插座：
Q9插座。
接示波器，用于观察驱动激光器的波形。
⑤音频输入插座：
3.5mm耳机插座。
连接音频信号源——单放机。
⑥音频输入波形插座：
接示波器，可用于观察音频信号波形。
（3）接收模块主要功能为光信号的接受、放大、解调和还原。
内含光电二极管偏置驱动、高频放
大、解调、音频功放电路和扬声器等。
①输入插座：
连接光电二极管。
用于探测光脉冲信号。
②波形插座：
两个Q9插座。
可分别接示波器，观察波形。
前一个为解调前的脉冲信号波形，
后一个为解调后的模拟音频信号波形。
③扬声器开光：
用于操纵内置扬声器的开和关。
在主机后面板上。
：
3.
OPT-1型激光功率指示计是一种数字显示的光功率测量仪器，采纳硅光电池作为光传感器，针对650nm波长的激光进行了标定，用于测量该波段的激光功率。
如图：
（1）前面板
3位半数字表头，用于显示光强的大小。
②量程选择钮：
分为200uW、2mW、20mW、200mW四个标定量程和可调档；
测量时尽量采纳合适
的量程，如测得的光强为1.732mW，则采纳2mW量程。
可调档显示的是光强的相对值。
③调零：
调零时应遮断光源，旋动调零旋钮，使显示为零，调零完毕。
（2）后面板
①电源开关按钮：
电源开关（220VC）。
②LD插座：
本功率指示计可作为我公司生产的半导体激光器的电源。
③光探头插座：
与光探头相连接。
（3）功率计探头
①该光探头在硅光电池前加上一多结构光栏，可用于光斑定位，光强分布、光斑结构测量等。
②结构分别为圆孔和细缝；
圆孔直径为0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、6.0mm，缝宽0.2、0.3、
0.4、0.8、1.2mm。
③在使用时，用此探头与OPT-1型激光功率指示计连接即可，用户根据实际测量需要，采纳
相应的采光档位（硅光电池置于光栏正上方）。
④探头：
内置硅光电池，与光探头插座相连接。
前面板
后面板
实验原理】
1.半导体激光器的电光特性当半导体激光器电流小于某值时，输出功率很小，一般我们
认为输出的不是激光，只有当电流大于一定值（I0），使半导体增
益系数大于阈值时，才能产生激光，电流I0称之为阈值电流。
半
导体激光器的电流与光输出功率的关系如右图，当电流大于I0
时，激光输出功率急剧增大。
激光输出功率急剧增大。
半导体激
光器的电流与输出功率的关系如图1所示。
激光工作时电流大于I0，但也不可过大，以防损坏激光管（本实验加了保护电路，防
止功率过载）。
对激光器的调制电流应在I0附近，此时光功率对电流变化的灵敏度较高。
2.光纤的结构与分类
一般裸光纤具有纤芯、包层及涂敷层
结构，如图2折射率）的石英玻璃构成，对于单模光纤。
直径约为米。
而对于多模光纤，纤芯直径一般为50
由石英玻璃构成，射率略微低一些，以形成全反射条件。
直径约为125③涂覆层：
为了增加光纤的强度和抗弯性、保护光纤，层外涂覆了塑料或树脂保护层。
其直径约245微米。
激光主要在纤芯和包层中传播。
按纤芯径向介质折射率分布的不同，可将光纤分
为均匀和非均匀两类。
如图3，均匀光纤的纤芯与包
层介质的折射率分别呈均匀分布，在分界面处折射率
有一突变，故又称阶跃型光纤；
非均匀光纤纤芯的折
射率沿径向成梯度分布，而包层的折射率为均匀分
c梯度折射率型光纤
阶跃型单模光纤0图1
布，故又称为梯度折射率型光纤。
按照传输特性的不同，又可将光纤分为单模和多模两种。
单模光纤较细，只同意一种传播状态（模式）；
多模光纤较粗，可同意同时存在多种传播状态（模式）。
3.光纤的数值孔径及其测量
由于全反射临界角ic的限制，光纤对自其端面外侧入射的光束相应的存在着一个最大的入射孔径角，参考图4。
假设光纤端面外侧介质的折射率为
n0，自端面外侧以i0角入射的光线进入光纤后，
其到达纤芯与包层分界面处的入射角i1刚好等于
临界角ic。
那么当端面外侧光线的入射角大于i0
时，进入光纤时将不满足全反射条件。
因此，i0
就是能够进入光纤且形成稳定光传输的入射光束
的最大孔径角。
可以证明，对于阶跃型光纤，有：
=0rcsini
00sininN==1/e2处的半角的正弦值，如图5所示。
到最大值的1/e2处的半张角的正弦值，n0为空气中的折射率，n0≈1。
2200sinrlrinN+=
=（3）
4.模式
根据光的波导理论，光在光纤中的传播，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，这些光束或解即被我们称为模式。
理论可以证明，对于波长为1310nm或1550nm的光波当纤芯小于10um时，我们所使用的光线中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。
这种光纤被我们称为单模光纤。
光纤中的模式除了与光纤本身的参数折射率、直径有关外，还与光的波长有关。
在本实验中采纳的是单模光纤，但此“单模”是针对1310-1550nm波长的，而本实验采纳的是650nm的可见激光，因此有时光纤中耦合模式将不是单模，而是一个简单的多模（如梅花状），各模式间可能有不同的传输路径和偏振态。
不同的传输路径将导致光信号的脉冲展宽（色散）。
5.光纤的耦合和耦合效率
光纤的耦合是指将激光从光纤端面输入光纤，以使激光可沿光纤进行传输。
一般来说，将激光的不对称发射光束与圆对称的光纤进行最优耦合，需要在光纤和光源之间插入透镜，即所谓的直接耦合。
直接耦合技术上比较简单，但耦合效率比较低。
在这里采纳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，我们通过五个自由度图4
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，因此我们无法用肉眼来推断耦合的情况。
我们从光纤的另一端（输出端）通过观察输出光的强弱（光功率）和光斑的情况来推断耦合情况。
当我们将激光耦合进光纤后，我们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。
我们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，激光从光纤芯中泄漏出来进入了涂覆层中。
光纤的弯曲会改变光纤中光的传输模式、光强和偏振状态。
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η反应了进入光纤中的光的多少。
定义如下：
%1000
1?
=PPη（4）其中P1为进入光纤中的光功率，P0为激光的输出功率。
η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。
在本实验中我们采纳光功率计直接测出P1和P0来求出η。
η同操的操作情况有很大关系。
6.光纤中光速和光纤材料平均折射率的测量
由于光在透光介质中的传播速度反比于介质的折射率
1-=kncn（5）
因此可以断定光在光纤中的传播速度小于在空气中的传播速度c0=3.0?
108m/s。
本实验通过测量一串光脉冲信号在一个特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。
在光纤的一端输入一连串稳定的光脉冲信号，并在光纤的输出端接收这些信号，由于光纤的长度L引起一个脉冲信号的时间延迟T0，若光在光纤中的速度为cn，则
0TLcn=
（6）再由cn/c0=n0/n求出光纤的平均折射率
00nccnn
=
（7）7.光纤通信
处理（6所示，
从音频信号源（录音机）发出的信号，在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，对方波的脉冲宽度进行了调制，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，从光纤出光端输出，被光电二极管接收，还原成电信号。
这时我们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，这种脉冲信号再经过解调电路的解调，最后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。
实
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