光纤光学与音频信号通信

实验日期：2015年12月24日近代物理实验指导老师：王亚非1光纤光学与音频信号通信姓名：李首卿学号：201311141049【摘要】光纤是光导纤维的简称，它是工作在光波波段的一种介质波导，利用光学全反射原理将光的能量约束在波导界面内，并引导光波沿着光纤轴线方向传播。在光纤光学实验中，我们测量了塑料光纤和石英单模光纤的各种光纤参数，并且观察、探究光纤温度传感器，了解其工作原理。而在光纤通信实验中，我们测量了电光特性曲线、传输系统幅频特性曲线，加深了我们对于光纤音频通信的基本原理和系统构成的了解。关键词：光纤耦合效率数值孔径光纤通信光纤温度传感器一、引言从1966年华裔科学家高锟博士首次明确提出“只要设法降低玻璃纤维中的杂质，就能够获得能用于通信的、传输损耗较低的光导纤维”到1970年美国康宁玻璃公司率先研制成功了石英光纤实现了高锟等人的设想光纤迅速发展，成为现在通信的新兴产业。相较传统的金属电缆通信，光纤通信有以下的特点：通信容量大、传输距离远；信号串扰少、保密性能好；抗电磁干扰、传输质量佳；光纤尺寸小、重量轻，便于铺设和运输；材料来源丰富，节约了大量有色金属铜；耐化学腐蚀，光缆适应性强，寿命长。因此光纤通信在近几年发展迅猛。在传感技术方面也有着独特的优势，利用待测物理量对光纤内传输的光波的光学参量进行调制并传输至光学探测器进行解调，从而获得待测物理量的变化信息的装置，它具有损耗低、信息量大、线径细、质量轻、可绕性好的特点，可用于位移、振动、压力、电流、磁场、温度、浓度等各种物理量的测量，在通信、计算机、医学、自动控制、交通运输、国防等领域获得了广泛的应用。二、实验原理1、光纤：一般的光纤主要由纤芯、包层、涂覆层、套塑四部分组成。纤芯及包层的主要成分均为高纯度的SiO2和少量掺杂剂，不同在于纤芯中掺杂剂的作用是提高纤芯的折射率而包层中的作用在于降低包层的折射率。涂敷层和套塑用来加强光纤的机械强度；实验日期：2015年12月24日近代物理实验指导老师：王亚非2图1光纤结构2、耦合效率：氦氖激光器输出的高斯光束经过透镜后仍为高斯光束。所以选择透镜的焦距f，使经透镜耦合后的高斯光束的束腰（光束中最窄的位置）与纤芯直径相等，即2𝑊0=2𝑎。只要将光纤的端面置于高斯光束的焦点处，即可获得最佳的耦合效率。耦合效率定义为𝛾=𝑃0𝑃(1)P0是光纤的输入功率，P是经光纤耦合后的输出功率；图2光纤与激光器的耦合3、数值孔径：数值孔径是用来描述光纤集光能力的物理量。由光的可逆性，数值孔径反映了光纤的接收和汇聚光的能力。并非所有入射光线都能在光纤中传播，只有入射角度小于某一个角θ的光线，才能在光纤内部传播。光纤数值孔径NA定义为入射光线与光纤轴线之间夹角的正弦值𝑁𝐴=𝑠𝑖𝑛𝜃(2)图3光纤数值孔径NA图4远场光斑法本实验采用“远场光斑法”近似测量光纤的数值孔径，利用了光路可逆原理，出射光的张角等于入射的张角。由光纤出射的光照到观察屏上，测出光纤端面与观察屏之间的距离h，以及观察屏上光斑直径2r之后，就可以求出光纤的数值孔径𝑁𝐴=𝑟√𝑟2+ℎ2(3)4、光纤的损耗:光纤损耗是指光纤对光波产生的衰减作用，传输功率损耗很大实验日期：2015年12月24日近代物理实验指导老师：王亚非3程度上决定了光纤通信的中继距离。光在光纤里的传播过程中，随着传输距离的增加，光功率以指数形式逐渐衰减，即𝑃(𝐿)=𝑃(0)𝑒−𝛼(𝜆)𝐿(5)P(0)为光纤的输入功率，P(L)为光波传输L距离后光纤的输出功率，α(λ)为耗损系数，它是光波波长的函数。在光通信中，光信号的损耗一般以分贝(dB)为单位，并采取以下的光纤损耗定义式𝐴(𝜆)=10𝑙𝑔𝑃(0)𝑝(𝐿)(𝑑𝐵)(6)损耗系数定义为单位距离上的损耗𝛼(𝜆)=𝐴(𝜆)𝐿(𝑑𝐵/𝐾𝑚)(7)本实验采用“截断法”测量光纤的损耗。首先在稳定的光强输入条件下，测量长L的光纤的输出功率P2；然后保持耦合条件不变，在离光纤端约l处截断光纤，测量此短光纤的输出功率P1。当Ll时，短光纤的损耗可以忽略，因此可以近似认为P1和P2是被截断光纤(L-l)的输入功率和输出功率。最后，根据上式可求出损耗和损耗系数；5、光纤温度传感器：光纤温度传感器的原理是通过双光束干涉相位的变化反映温度的变化。由激光器发出的相干光，经光纤分束器分别送入两根长度基本相同的光纤中，其中一根叫探测臂，另一根叫参考臂。从两根光纤输出的激光束叠加后将产生干涉，形成干涉条纹。相位差可表示为𝜑(𝑇)=2𝜋𝜆𝑛(𝑇)𝐿(𝑇)(8)λ为波长，n是光纤折射率，L是光纤的长度，T是温度。当φ=2kπ时，干涉场光强取极大值；当φ=(2k+1)π时，干涉场光强取极小值。当外界的温度作用在探测臂上时，光纤在温度场的作用下，长度和折射率发生改变，这使得相位发生改变𝜑=2𝜋𝜆(𝐿𝛥𝑛+𝑛𝛥𝐿)(9)6、音频信号通信:音频信号传输系统由三部分组成：光信号发送器、传输光纤和光信号接收器。将音频信号调制到载运信息的光波上(光信号发送器)，经光纤传输到远端的接收器(传输光纤)，再将信息解调后还原并输出(光信号接收器)。光信号发送器将音频电信号调制到激光器发出的光载波上，使之变成载有音频信号的光信号；本实验采用直接强度调制方法把传送的信息变为电流信号，用其驱动半导体发光二极管(LED)，使LED发出的光载功率的大小随电流信号的变化而变化。在小驱动电流下，发射功率与驱动电流呈线性关系，将音频信号与LED静态驱动电流叠加，这时LED发出随音频信号变化的光信号。半导体发光二实验日期：2015年12月24日近代物理实验指导老师：王亚非4极管输出的光功率与其驱动电流的关系称为LED的电光特性；实验中要测定LED的电光特性曲线，从而确定偏置电流的大小将调制信号的峰峰值控制在线性范围内，避免和减少非线性失真。光信号接收器是光信号发送器的逆过程，作用是把传输光纤中的光信号耦合到光电二极管中，使之转换成与之成正比的电流信号，再经电流电压转换电路把电流信号变成电压信号，电压信号经音频功率放大器后驱动喇叭发声。三、实验仪器实验所用的仪器及电器元件有：氦氖激光器、光功率计、音频信号光纤传输实验仪、示波器、五维调整架、收音机、显微物镜、光纤分束—干涉系统、CCD探头、加热电源、光纤(石英和塑料)、光纤切割刀、光纤钳、剪刀。四、实验步骤1、光纤光学部分1)光路调节和光纤处理打开He-Ne激光电源，预热15分钟；调节光路等高共轴，确定激光束通过光纤调节架通光孔中心；对于塑料多模光纤，用剪刀截取1−2m，尽量使刀口与光轴垂直；对于石英单模光纤，将非FC光纤插头端用光纤钳根据光纤外皮直径使用合适的刀口将外皮剥离，对于纤芯，先用光纤刀切割；2)调整激光与光纤耦合将光纤套入，锁紧铜套后，插入光纤调节架，使纤芯距离显微物镜7mm左右，调整纤芯的水平、竖直位置，激光进入纤芯后，仔细调整纤芯的位置与方向角，使光束与光轴重合，最后调节显微物镜的焦点位置。在这个过程中查看功率计测得的示数，直至调至最强；3)测量塑料多模光纤的参数先用功率计测得光源的输出功率𝑃0，接入光纤，调整至光纤耦合，测量输出功率值𝑃1，在距离输入端10cm左右截断光纤，记下被截下光纤的长度L，用功率计测出输出功率值𝑃2。由以上测量结果计算塑料光纤的耦合效率γ，损耗A(λ)和损耗系数α(λ)。用原理中所述远场光斑法测量光纤的数值孔径NA；4)测量石英单模光纤的参数仔细调节石英单模光纤至最佳耦合，由测量结果测得耦合效率γ，数值孔径NA，记录光斑模式；5)光纤温度传感器将达到最佳耦合的石英光纤的FC光纤插头插入分束—干涉系统，调整输出端和CCD探头的位置直至观察到干涉条纹。打开加热电源，面板开关置于“加热”，按下加热键，等到温度升值45℃，释放加热键。让光纤自40℃至30℃自实验日期：2015年12月24日近代物理实验指导老师：王亚非5然冷却，记录每下降1℃干涉条纹移动的数目ΔN，画出ΔN−T图，分析原因并讨论条纹移动数与温度变化的关系；2、音频信号光纤传输部分1)LED电光特性将LED发射器的“幅度调节”和“偏流调节”调至最小，打开电源，用光纤连接LED发射器的信号输出端和SPD接收器的信号输入端，将光功率计开关置于“测量”档，调节“偏流调节”使ID的毫安表为零，然后将μW表调零。调节“偏流调节”，使ID从5mA至100mA每隔5mA记录光功率计的示数P，画出P−ID曲线(电光特性曲线)，分析其线性范围。2)LED直流偏流与最大不失真调制幅度的关系光功率计置“实验”档，关闭实验仪后面板的扬声器开关。在音频信号发生器的信号输出端通过T型三通接头接上LED发射器的信号输入端和示波器的CH1，LED发射器的调制信号接入CH2，使示波器显示CH2的频率和峰-峰值。调节音频信号发生器的频率为10KHz,幅度为1.0V；调节偏置电流ID起始为20mA，再调节“幅度调节”使音频调制电流IA由小到大，直至观察到“截止形变”，记录最大不失真调制幅度URe和峰-峰值URep−p；让ID以5mA递增，重复上述步骤，记录相应的URe和URep−p；直至调制信号出现“饱和形变”，此时仔细调节偏流与幅度，使得截止形变与饱和形变同时出现在波形上，记录两种形变刚好消失时ID(系统静态偏置电流最佳工作点IDQ)与URep−p(最大调制信号电压UReQp−p)的值，由此可得音频调制作用下ILED最大线性动态范围；3)音频信号光纤传输系统的幅频特性调节音频信号发生器音频为100、500、1K、5K、10K、15K、20K，观察经光纤传输的音频信号解调后波形，记录峰-峰值UAp−p，画出该系统的幅频特性曲线；4)语音信号的传送将收音机的信号接入发送器的输入端（在后面板上），打开后面板的扬声器，通过后面板上的转换开关接收功放输出端接上扬声器，实验整个音频信号光纤传输系统的音响效果。实验时调节发送器LED的偏置电流，通过对比，判断经光纤系统传输后的信号是否有可闻失真，考察传输系统的听觉效果。五、数据分析1、测量光纤参数实验日期：2015年12月24日近代物理实验指导老师：王亚非6表格1光纤参数塑料光纤耦合效率γP0/mW3.18P/mW1.160.365数值孔径NAh/cm5.90r/cm2.270.358损耗α(λ)P2/mW1.29L/cm126.80l/cm11A(λ)0.465α(λ)0.367石英光纤耦合效率γ𝐏𝟎/𝐦𝐖3.18𝐏/μ𝐖4010.126数值孔径NAh/cm4.92r/cm0.510.103根据公式（1）、（3）、（6）、（7）我们可以算出塑料光纤和石英光纤的耦合效率、数值孔径、损耗和损耗系数。测量得到的参数以及计算结果都由上面的表格给出。石英光纤最佳耦合非常难以调节的，是否耦合成功和各方面因素都有关系。其中最重要的一点是能否得到一个平整的切面。经过整整一个下午重复、煎熬的裁剪过程，我们总结出裁剪的经验：因为石英硬度很大的，同时是非常脆的，所以想要用一个金属刀片切出像菜刀切土豆般的平整是非常有困难的。用切菜的手法是万万不可的！我们只需要轻轻地在石英表面划出一道痕迹，然后轻轻地拿刀片磕碰一下光纤，一个完美切面就会诞生！关于数值孔径，我们通过观察对比两种光纤的光斑图案可以发现：塑料光纤的数值孔径比较大，这也就意味着它能够接收入射角更大的光。虽然两种光纤的光斑图案都基本近似是一个圆形，但是这与裁剪光纤后形成截面有关，在显微镜下观察它们截面都有些不规则。2、光纤温度传感器根据测量数据可以得到下面的表格，根据表格中的数据作图拟合直线。表格2温度条纹关系温度/℃40393837363534333231单位间隔条数/条9512881015967总计条数/条8980756355473722137实验日期：2015年12月24日近代物理实验指导老师：王亚非7图5光纤温度传感器由于两根光纤中射出的光源自同一根光纤，两束光是相干光束，它们会产生干涉条纹。当其中一根光纤温度发生