专题4光电子基础

光纤光纤的全称称为光导纤维，它是一种导引光波的波导，是一种新的传输介质。光纤通讯是以光波为载波，以光导纤维为传输媒质的一种通讯方式。人们利用光导纤维作为光的传输介质的研究工作经历了一段艰辛的道路，直到1966年，英籍华人高辊博士发表了一篇具有历史意义的论文，从理论上阐述了光纤实现低损耗传输信息的可能性以后，光纤的研制工作才异常迅速地展开起来。到了被誉为光纤通讯元年的1970年以后，光纤系统更是伴随着光纤通讯技术的发展而发展到了实用阶段。目前，光纤在通讯、传感、激光治疗仪、激光加工机等许多方面都获得了应用，但其最主要的应用领域是光纤通讯和光纤传感器。相对于无线电通讯来说，光纤通讯具有传输带宽、通讯容量大、中继距离远、抗干扰能力强、无串音、轻便、材料资源丰富、成本低等优点。相对传统的传感器而言，光纤传感器具有灵敏度高、抗干扰能力强、电绝缘性能好、便于与计算机联接，便于与光纤传输系统系统组成遥测网络、体积小、耗电少等优点。正因为此，光纤通讯和光传感器受到人们的青睐，得到了愈来愈来迅速的发展。并且，随着光纤通讯和光纤传感技术的发展，推动了光纤在许多领域中的应用，同时，光纤技术自身的研究也获得了飞速的发展。本专题从光纤入手，先了解光纤的结构和一般性质，再学习光纤的耦合、传输特性及在通讯和传感领域中的应用。实验一光纤光学与半导体激光器的电光特性实验一、实验目的：1．了解和掌握半导体激光器的电光特性，测出半导体激光器在不同工作电流下的输出功率，求出阈值电流。2．通过对输出光的观察和测量，了解和掌握光纤的一些光学特性和参数测量方法，进一步理解和巩固光学的基本原理和知识。3．对光纤的使用技巧和处理方法有一定的了解。二、实验仪器：GX1000光纤实验仪，光纤实验导轨，半导体激光器(LD)，二维及三维调整架，光纤夹，光探头，功率指示计，光纤刀，显示屏，音频信号源，示波器，一维位移架和12挡光拦头。三、实验原理：A．光纤结构典型的光纤结构如图1所示，光纤一般由纤芯、包层、涂敷层及护套构成，是一多层介质结构的对称圆柱体。纤芯和包层构成传光的波导结构，纤芯位于光纤的中心部位，它的主要成份是高纯度的二氧化硅，其余成份为掺入的极少量掺杂剂，如五氧化二磷和二氧化锗，纤芯的直径约为5~15m，包层也是包含有少量掺杂剂的高纯度二氧化硅，包层的直径（包括纤芯在内）为125m，其折射率略小于纤芯折射率。涂敷层是一种涂料的敷层，使光纤不受外来的损害，增强光纤的机构强度。护套是由塑料制成的圆形保护套，用来维持光纤的机械强度。图1光纤结构图光纤是一种新型材料，具有许多独特的优点：（1）光纤有良好的传光性能，它对光波的损耗目前可低到0.2dB/km，甚至更低。（2）频带宽，信息量大。因为光纤传输的是光。现在所用的光纤频率在1014~1015Hz的范围内，比微波高5个数量级，即光的频率特别高。（3）光纤本身是一种敏感元件，光在光纤中传输时，光的特性如振幅、相位、偏振态等将随检测对象发生变化而相应变化。（4）光纤电绝缘性能好，它不受电磁干扰，无火花，能易燃、易爆的环境中使用。（5）光纤极细，可塑性好。光纤的总直径为100~200m，可放置在在小孔和缝隙等被测场点，而且对被测场点扰动小。（6）光纤原料资源丰富，价格低廉。按纤芯折射率分布的不同，可将光纤分为两大类：阶跃折射率型光纤和梯度折射率型光纤。图2是两种典型的纤芯折射率剖面n(r)示意图。图2光纤折射率分布按光纤传输特性的不同，光纤又分为单模光纤和多模光纤。光纤中的传输模式按照场分布中纵向场分量（Ez、Hz）的特性，可分为横向模和混合模两大类，横向摸记为：TE0m和TM0m，混合模可记为：EHmn和HEmn，角标m，n分别表征了该模式场分布在横向角度方向上的波节数和在径向r方向上的波节数。通常，将HE11模称为主模或基模。仅传播基模的光纤叫单模光纤，能够传播多哥传输模的光纤叫多模光纤。单模光纤的纤芯直径为（5~15）m，多模光纤的纤芯直径为（40~100）m。一般多模光纤纤芯折射率比折射率比包层高（1~5）%，而单模光纤高约（0.1~0.5）%。本实验选用的是单模光纤。B.光纤传光原理实验表明，当光线从折射率为n1的介质入射到折射率为n2的介质时，在介质分界面上将产生折射现象。其规律是：入射角于折射角的正弦之比与两种介质的折射率成反比，即：122sin1sinnn，其中n1是光纤纤芯的折射率，n2是其包层介质的折射率。因n1n2，则21，当入射角1增大到某一角度c时，折射率将等于90，这时入射光线不再进入包层介质，而开始产生全反射的入射角称为临界角，当1继续增大时，902，发生了全反射，于是光便在光纤中沿轴向前传播。这就是光纤的波导原理。不满足全反射条件的光线，由于在界面上只能部分反射，势必有一些能量会辐射到包层中去，致使光能量不能有效传播。通常能在波导再传播的光为传输模（导模），不能传播的光为辐射模。C光纤中光的传播对于一定的光纤结构和光波长，在光纤中能够传播的模式数目是有限的。分析表明，可以传播的传输模数为：2/)]2//([2VMSI，其中，22212nnaV，称为归一化频率或标称波导参数，2a为光波导芯的宽度。对于一个有确定结构的单模光纤，其基模光波长没有限制。相应于V=2.405的光波长，是较高一阶模式HE01的截止波长，或称为该单模光纤的截止波长。由归一化频率表示式，很容易求得截止波长为：2221405.22nnac，因此，在该光纤中，当传播的光波长c时，将处于单模工作，而当c时，处于多模工作。应当指出的是，由于V与光波长有关，所以，对某个波长的光来说是单模工作的光纤，对于比其c还要短的另外的光来说，就可能传播两个以上的传输模，而成为多模光纤了。D光纤的特性参量1．相对折射率差：工程上定义为纤芯和包层间的相对折射率差，即：2/])(1[212nn。当0.01时，上式简化为121nnn该式成为光纤波导的弱导条件，不要小看这个弱导特性，从理论上讲，光线的弱导特性式光线于微波介质圆驳倒之间的重要差别之一。弱导的基本含义是指，很小的折射率差就能构成良好的光纤波导结构，而且为工艺的制造提供了方便。2．光纤的数值孔径：为了表征入射光线在光纤中的激发、耦合的难以程度，经常采用光纤的数值孔径NA这一参量。按照光学的习惯，它定义为cnNAsin1，在阶跃光纤中，对于子午光线（在光纤中，通过中心轴的任何平面都叫子午面，位于子午面内传播的光线叫子午光线）有212221nnnNA，对于斜光线（指与光纤中心轴即不平行也不相交的光线）来说，cos2221nnNA。在光纤耦合中，为了有效地把光入射到光纤中，应采用数值孔径满足光纤数值孔径NA要求的物镜，否则会因为光在接续部位辐射，而使损耗增大。在高斯光束近似下，我们可以取光强最大值的1/e2的地方为数值孔径。另外，光纤的特性参量还有受光角、折射率分布系数等，这里不再一一叙述，有兴趣的同学可查阅相关资料。四、实验步骤与实验内容：（一）设备的安装：1．将导轨平稳地放置在一个坚固、稳定的平台上。2．在导轨的一端（底角附近）放置半导体激光器调整架和三维光纤调整架，另一端放置光纤座和二维可调光探头。3．粗调各调整架的高度，使其高度大致相等。4．将半导体激光器与实验仪发射板的输出口相连，输出波形通过信号线与示波器CH1通道相连。二维光探头与接收板上的输出口相连，输出波形（解调前）通过信号线与示波器CH2通道相连。模拟音频信号接入音频输入端。5．将功率指示计探头与功率指示计相连，待用。6．将实验仪后面板上的喇叭开关置于关状态。（二）实验内容及步骤：A.半导体激光器的电光特性1．将实验仪功能挡置于“直流”挡。用功率指示计探头换下三维调整架。2．打开实验仪电源，将电流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，使显示值达到最大。4．逆时针旋转电流旋钮，逐步减小激光器的驱动电流，并记录下电流值和相应的光功率值。5．用坐标纸作出电流-功率曲线，即为半导体激光器的电光特性曲线；并求出阈值电流。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，B.光纤的端面处理与夹持1．用光纤剥皮钳剥去光纤两端的涂覆层。2．在5mm处用光纤刀刻划一下。用力不要过大，以不使光纤断裂危为限。3．在刻划处轻轻弯曲光纤，使之断裂。处理过的光纤不应再被接触，以免损坏和污染。（要特别注意，断面尤其容易损坏，一旦实验中出现光斑发散，或者耦合过小，无法调高时，一定要检查。如果确定断面损坏，及时重切，以保证实验的孙里进行）。4．将光纤的一端小心地放入光纤夹中，伸出长度约为10mm，用簧片压住，放入三维架中，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，伸出长度约为10mm，用磁铁吸压住。C.光纤的耦合与模式1．将实验仪功能挡置于直流挡。2．调整激光器的工作电流，使激光不太明亮（建议30~40mA）.3．用一张白纸在激光器前后移动，确定激光焦点的位置。（激光太强会使光点太亮，反而不易观察）4．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。5．然后固定X轴旋钮，用其余4个旋钮调节。6．将激光器工作电流调至最大，通过仔细调节三维纤维架上Y轴、Z轴旋钮和激光器调整架上的水平、垂直旋钮，使激光照亮光纤端面并耦合进光纤。用功率指示计监测输出光强的变化，反复调整各旋钮，直到光输出功率达到最大为止。一般情况下，应该能够调节到200W以上，如此才能保证后面的实验顺利进行。7．记下最大功率值。此值与输入端激光功率之比即为耦合效率（不记吸收损耗）。8．取下功率指示计探头，换上显示屏，轻轻转动各耦合旋钮，观察光斑形状变化（模式的变化）。（若耦合好的话，应为高斯光斑，光强为高斯分布）。9．轻轻触动光纤或弯曲光纤，观察光斑形状变化。D.光纤数值孔径的测量光纤数值孔径的测量是一向极其烦琐、细致的工作，需要专用附件和操作者认真、耐心地耦合光纤，将输出光束的光强调整到近似的高斯分布（基模），并且稳定。原理：根据光线数值孔径的定义：cnNAsin1其中c为光纤输出光的发散角的一半，1n在此为空气折射率。我们可用两种方法测量数值孔径：（一）光斑扫描法：1．按上述步骤耦合好光纤。2．用示波器观察输出波形形状，并仔细调节各耦合旋钮，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。4．将探头光拦置于0.5mm或1mm档。5．仔细调整光纤与探头之间的位置，在光斑中心附近找到功率指示最大的点。6．用一维位移架移动探头，使探头扫过整个光斑。记录下光强与位置，绘出光强分布曲线，应为近似的高斯曲线。7．以该曲线最高点的1/e2处的尺寸作为光斑直径。再测出光纤端面距测量面的距离，求出。（二）功率法：1．按上述步骤耦合好光纤。2．用显示屏观察输出光斑形状，并仔细调整各耦合旋钮，尽量使输出光斑具有明亮、对称、稳定的分布。3．将数值孔径测量附件的探头光栏置于6.0档，并使之紧贴光纤输出端面，以保证输出光全部进入探头。用功率指示计检测光纤输出功率，轻微调整耦合旋钮，尽量使功率达到最大。4．记下此时功率指示值。5．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6.0孔。6．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90%，而有10%的光功率漏在6.0孔外，此时的6mm孔径即为光斑直径。7．测量出光纤端面到探头光栏间的距离H。8．由6mm直径和H即可求出a。E.模拟（音频）信号的调制、传输和解调还原1．按述步骤耦合好光纤。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“输出波形”和“输入波形”相连。4．将示波器“扫描频率”置于10s/Div挡，示波器显示应为近似的稳定的矩形