实验1光纤光学和半导体激光器的电光特性实验.docx
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实验1光纤光学和半导体激光器的电光特性实验
光纤光学与半导体激光器
的电光特性实验
实
验
说
明
书
北京方式科技有限责任公司
实验目的
1．了解半导体激光器的电光特性和测量阈值电流。
2．了解光纤的结构和分类以及光在光纤中传输的基本规律。
3．掌握光纤数值孔径概念、物理意义及其测量方法。
4．对光纤本身的光学特性进行初步的研究。
一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多个领域。
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一些基本的实验研究，以掌握半导体激光器的一些基本特性和使用方法。
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
图2
二光纤的结构与分类
图3
b阶跃型多模光纤
c梯度折射率型光纤
n
n
n
a阶跃型单模光纤
一般裸光纤具有纤芯、包层及涂敷层（保护层）的三层结构，如图2所示。
①纤芯：
由掺有少量其他元素（为提高折射率）的石英玻璃构成，对于单模光纤。
直径约为9.2微米。
而对于多模光纤，纤芯直径一般为50微米。
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微米。
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，只允许一种传播状态（模式）；多模光纤较粗，可允许同时存在多种传播状态（模式）。
a阶跃型单模光纤
三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：
图4
i0
ic
n0
n1
n2
（1）
一般用光纤端面外侧介质折射率与最大孔径角正弦的乘积n0sini0,表征允许进入光纤纤芯且能够稳定传输的光线的最大入射角范围，称为光纤的数值孔径。
对于阶跃型光纤数值孔径大小为：
（2）
光纤数值孔径的另一种定义是远场强度有效数值孔径。
远场强度有效数值孔径是通过测量光纤远场强度分布来确定的。
它被定义为光纤远场辐射图上光强下降到最大值的1/e2处的半角的正弦值，如图5所示。
当远场辐射强度达到稳态分布时，测量光线最大出射的光功率分布曲线及光纤端与探测界面的距离，利用光强下降到最大值的1/e2处的半张角的正弦值，计算光纤的数值孔径。
n0为空气中的折射率，n0≈1。
（3）
四模式
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。
在本实验中采用的是单模光纤，但此“单模”是针对1310-1550nm波长的，而本实验采用的是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）。
五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。
五
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，我们通过五个自由度的反复、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，因此我们无法用肉眼来判断耦合的情况。
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）和光斑的情况来判断耦合情况。
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：
（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。
在本实验中我们采用光功率计直接测出P1和P0来求出η。
η同操作者的操作情况有很大关系。
六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
（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
（6）
再由cn/c0=n0/n求出光纤的平均折射率
（7）
七光纤通信
由于上个世纪70年代光纤制造技术和半导体激光器技术的突破性进展，同时光纤通信具有容量大、频带宽、光纤损耗低、传输距离远、不受电磁场干扰等优点，因此光纤通信已成为现代社会最主要的通信手段之一。
光纤通信的大致过程是：
将要传输的信息（语言、图像、文字、数据）加载到载波上，经发送机处理（编码、调制）后，载有信息的光波被耦合到光纤中，经光纤传输到达接收机，接收机将收到的信号处理（放大、解码、整形）后，还原成原来发送的信息（语言、图像、文字、数据），如图6所示，本实验将观察通过光纤传输声音信号的整个过程。
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。
实验仪器
GX-1000光纤实验仪，导轨，半导体激光器+二维调整，三维光纤调整架+光纤夹，光纤，光探头+二维调整架，激光功率指示计，一维位移架+十二档光探头（选购），专用光纤钳、光纤刀，示波器，音源等。
如右图所示。
设备参数：
1．半导体激光器类型：
氮化镓，工作电流：
0-70mA，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．信号源频率可调范围：
10KHz-300kHz。
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。
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：
220VAC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。
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控制。
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：
Q9插座。
接示波器，可用于观察音频信号波形。
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：
Q9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：
用于控制内置扬声器的开和关。
在主机后面板上。
光学机械一般结构
【实验内容与方法提示】
一、半导体激光器的电光特性
1．实验仪功能置于“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，将电流调节旋钮顺时针旋至最大。
3．调整激光器的激光指向，使激光进入功率指示计探头，并使显示值达到最大。
逆时针旋转电流旋钮，逐步减小激光器的驱动电流，并计录下电流值和相应的光功率值。
4．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．光纤剥皮钳剥去光纤两端的涂覆层（如没有剥皮钳，可用刀片小心刮去涂覆层），长度约10mm。
2．在2-5mm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。
处理过的光纤端面不应再被触摸，以免损坏和污染。
4.将光纤的另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.调整激光器的工作电流，使激光不太明亮，用一张白纸在激光器前面前后移动，确定激光焦点的位置。
（激光过强会使光点太亮，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，通过仔细调节三维光纤调整架上的X轴、Y轴、Z轴调整螺钉和激光器调整架上的俯仰、扭摆角调整螺钉，使激光照亮光纤端面并耦合进光纤。
5.用功率指示计监测输出光强的变化，反复调整各调整螺钉，直到光纤输出功率达到最大为止。
记下功率值。
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，换上白屏，轻轻转动各耦合调整旋钮，观察光斑形状变化（模式变化）。
7.弯曲光纤，观察光斑形状变化（模式变化）。
四、光纤中的光速和光纤材料平均折射率的测量
1.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模块中输出波形插座与双踪示波器的CH1通道相连。
4.用信号线将实验仪接收模块中输入波形（解调前）与示波器的CH2通道相连。
5.示波器触发打到CH1通道，显示键置于双踪同时显示（DuaI）。
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10uS/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.“扫描频率”置于1μs/Div档，仔细调整频率旋钮，使示波器CH1通道上只显示约一个半周期。
11.再仔细调整二维可调光探头的前后位置，使从光纤中发出的光全部进入光探头，将探头的连线与激光功率指示计的Q9插座相连接。
记录下此时光强的相对值。
12．从功率指示计上取下光电探头的连线，连接到主机接受模块的输入插座上。
观察示波器上两个通道的波形。
记录下CH1通道下降沿与CH2通道下降沿之间的时间差。
即发射信号与接受信号之间的时间延迟（此延迟除包含了光在光纤中传输所消耗的时间外，还包含了电路的时间延迟）。
13．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。
将探头与功率指示计相连，观察指示计上指示的光强大小。
前后移动探头，改变进入探头的光的多少，使功率指示计上的显示值等于步骤11中记录的光强相对值。
14．将探头连线重新接入主机接受模块的输入插座，观察示波器上两个通道的波形，记录下CH1通道下降沿与CH2通道下降沿之间的时间差。
即发射信号与接受信号之间的时间延迟（此时间延迟为电路的时间延迟）。
。
15.将12与14步骤中的时间延迟相比较，两个时间延迟的差即为光在光纤中的传输时间。
16．利用公式（6）计算光在光纤中的传输速度cn，并由公式（7）求出光纤芯的折射率n。
五、光纤数值孔径的测量
A．远场强度法（光斑扫描测量法）
1.将激光耦合进光纤，并使输出功率尽量达到最大。
2.用白屏观察输出光斑形状，并仔细调整各调整架上的调整螺钉，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，记录l值。
4.将探头光阑置于直径0.5-1mm档，仔细调整光栏小孔在光斑中的位置，找到高斯光斑的中心，此时光功率指示值最大。
沿径向平移探测器至接收到的光功率最小；再继续移0.5mm。
5.反向平移探测器，每平移0.5mm记录探测到的功率值，直至接收到的光功率最小。
绘出光强分布曲线，应近似为高斯曲线，记录数据于表1中。
6.以该曲线的最高点的1/e2处的尺寸作为光斑直径
，利用公式（3）计算出光纤的数值孔径。
表1远场强度法实验测量数据
x（mm）
P（mW）
B．远场光斑法（功率法）
1.将激光耦合进光纤，并使输出达到最大。
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。
3.将数值孔径测量附件的探头光栏置于Φ6.0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，尽量使输出功率达到最大，记下此时功率指示值。
4.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Φ6.0孔。
5．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86.5％（即为最大功率的1-1/e2），而有13.5%的光功率漏在Φ6.0孔外，此时的6mm孔径即为光斑直径
。
6．测量出光纤端面到探头光栏间的距离
，利用公式（3）计算出光纤的数值孔径。
六、模拟（音频）信号的调制，传输和解调还原
1.将激光耦合进光纤。
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通道分别与光纤实验仪的“输出波形”端和“输入波形”端相连。
4.将示波器“扫描频率”置于10μs/Div档，示波器显示应为近似的稳定矩形波。
5.从光纤实验仪“音频输入”端加入音频模拟信号，这时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模块“调制”前后的波形和接收模块“解调”前后的波形。
观察、了解音频模拟信号调制、传输、解调过程和情况。
8．“喇叭”开关平时应处于“关”状态，以免产生不必要的噪声。
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，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。
【思考问题】
1．在远距离光纤传输时，为什么一般采用单模光纤？
光纤模式是如何影响带宽的？
2．光纤中传输的信息可以被窃听吗？
设计一种比较简单的方法！
附：
激光功率计使用说明书
OPT-1A型激光功率指示计是一种数字显示的光功率测量仪器，采用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：
前面板
1、表头：
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；测量时尽量采用合适的量程，如测得的光强为1.732mW，则采用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。
后面板
探头
说明：
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-1A型激光功率指示计连接即可，用户根据实际测量需要，采用相应的采光档位（硅光电池置于光栏正上方）。
1、电源开关按钮：
电源开关（220VAC）。
2、LD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。
4、探头：
内置硅光电池，与光探头插座相连接。
使用方法：
1）连接好激光探头和220v电源（均在后面板上）
2）打开后面板上的电源开关，数值表头亮
3）将激光探头对准被测的激光束，使光束进入测量孔。
4）根据光功率的大小选择适当的量程。
量程刻度上的值为该量程可测量的最大值，如200μW是指该档最大测量200μW的激光功率，单位为微瓦，当光功率大于该档最大指示值时，表头溢出显示“1”。
5）仪器量程分为200μW、2mW、20mW、200mW和可调档5个量程。
当波段开关打到可调档时，连接的电位器可改变表头指示。
该档主要用于测量相对值，如要测量两束光的功率比值或光强分布等。
6）调零电位器是用于调整仪器的“0”点的。
即在无光照时，应将仪器的指示值调为“0”。
7）本功率指示计后面板还提供了一个半导体激光电源插座，可为我公司的半导体激光器提供电源。
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