光纖光學(xué)與半導(dǎo)體激光器的電光特性實(shí)驗(yàn)

1、光纖光學(xué)和半導(dǎo)體激光器的電光特性實(shí)驗(yàn)上個(gè)世紀(jì) 70年代光纖制造技術(shù)和半導(dǎo)體激光器技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展。光纖 通信具有容量大、頻帶寬、光纖損耗低、傳輸距離遠(yuǎn)、不受電磁場(chǎng)干擾等優(yōu)點(diǎn)， 因此光纖通信已成為現(xiàn)代社會(huì)最主要的通信手段之一。半導(dǎo)體激光器是近年來發(fā) 展最為迅速的一種激光器。由于它的體積小、重量輕、效率高、成本低，已進(jìn)入 了人類社會(huì)活動(dòng)的多個(gè)領(lǐng)域?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?了解半導(dǎo)體激光器的電光特性和測(cè)量閾值電流。2了解光纖的結(jié)構(gòu)和分類以及光在光纖中傳輸?shù)幕疽?guī)律。3掌握光纖數(shù)值孔徑概念、物理意義及其測(cè)量方法。4對(duì)光纖本身的光學(xué)特性進(jìn)行初步的研究?！緦?shí)驗(yàn)儀器】GX-1000 光纖實(shí)驗(yàn)儀，導(dǎo)軌，半導(dǎo)體激光

2、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(jì)， 一維位移架 +十二檔光探頭 (選 購(gòu))，專用光纖鉗、光纖刀，示波器，音源等。如右圖所示。1設(shè)備參數(shù)：(1) 半導(dǎo)體激光器類型：氮化稼，工作電流：0-70mA，激光功率：0-10mW，輸出波長(zhǎng)： 650nm；(2) 總輸出電壓為3.5-4V，考慮保護(hù)電路分壓，所以管芯電壓降為2.2V。(3) 光纖損耗率：每千米70%，實(shí)驗(yàn)所用光纖長(zhǎng)度：200m，計(jì)算損耗為93.1%， 如激光輸出功率為10mW，除去損耗后激光輸出的總功率： 9.31mW，(計(jì)算耦合 效率時(shí)用到)。(4) 信號(hào)源頻率可用范圍 :10KHZ-3

3、00KHZ。 2主機(jī)功能實(shí)驗(yàn)主機(jī)面板如下圖GX100光纖實(shí)驗(yàn)儀發(fā)射接受北 京方式科技有限責(zé)任公司電流mA電流 調(diào)節(jié)直流調(diào)制脈沖頻率輸出 波形音頻輸入 波形輸入 波形 波形解調(diào) 電源開關(guān)表 頭功能狀態(tài)旋鈕 主機(jī)主要由 3部分組成：電源模塊、發(fā)射模塊、接收模塊。(1) 電源模塊 主要是為半導(dǎo)體激光器和主機(jī)其它模塊提供電源。由3部分組成：表頭：三位半數(shù)字表頭，用于顯示半導(dǎo)體激光器的平均工作電 流。該電流可通過表頭下的電位器進(jìn)行調(diào)整。 電源開關(guān)：220VAC電源開關(guān)。 電流調(diào)節(jié)旋鈕：半導(dǎo)體激光器的工作電流調(diào)整鈕。(2) 發(fā)射模塊主要功能為半導(dǎo)體激光器工作狀態(tài)和頻率參數(shù)的控制。內(nèi)含一頻率可調(diào)的矩形波發(fā)生

4、器、一個(gè)頻率固定的矩形波發(fā)生器和模擬信號(hào)調(diào)制電路。 功能狀態(tài)選擇鈕：用于選擇半導(dǎo)體激光器的工作狀態(tài)。直流檔：半導(dǎo)體 激光器工作在直流狀態(tài)。脈沖頻率檔：半導(dǎo)體激光器工作在周期脈沖狀態(tài)下。輸 出的激光是一系列的光脈沖，且頻率可調(diào)。調(diào)制檔：激光器工作在周期脈沖狀態(tài) 下，但頻率固定，脈沖寬度受外部輸入的音頻信號(hào)調(diào)制。 脈沖頻率旋鈕：用于調(diào)節(jié)脈沖信號(hào)的頻率。 輸出插座：三芯航空插座。連接半導(dǎo)體激光器。 輸出波形插座：Q9插座。接示波器，用于觀察驅(qū)動(dòng)激光器的波形。 音頻輸入插座：3.5m m耳機(jī)插座。連接音頻信號(hào)源 單放機(jī)。 音頻輸入波形插座：Q9插座。接示波器，可用于觀察音頻信號(hào)波形。(3) 接收模塊主

5、要功能為光信號(hào)的接受、放大、解調(diào)和還原。內(nèi)含光電二極管偏 置驅(qū)動(dòng)、高頻放大、解調(diào)、音頻功放電路和揚(yáng)聲器等。 輸入插座：Q9插座。連接光電二極管。用于探測(cè)光脈沖信號(hào)。 波形插座：兩個(gè)Q9插座。可分別接示波器，觀察波形。前一個(gè)為解調(diào)前 的脈沖信號(hào)波形，后一個(gè)為解調(diào)后的模擬音頻信號(hào)波形。 揚(yáng)聲器開光：用于控制內(nèi)置揚(yáng)聲器的開和關(guān)。在主機(jī)后面板上 實(shí)驗(yàn)導(dǎo)軌導(dǎo)軌滑塊半導(dǎo)體激光器三維光纖調(diào)整架光纖座光電二極管探頭 光學(xué)機(jī) 械一般結(jié)構(gòu)3. 激光功率計(jì)使用說明OPT-1A 型激光功率指示計(jì)是一種數(shù)字顯示的光功率測(cè)量?jī)x器，采用硅光電池 作為光傳感器，針對(duì)650nm波長(zhǎng)的激光進(jìn)行了標(biāo)定，用于測(cè)量該波段的激光功率。

6、如圖：(1)前面板 表頭 ： 3位半數(shù)字表頭，用于顯示光強(qiáng)的大小。 量程選擇鈕：分為200uW 2mW 20mW 200mWB個(gè)標(biāo)定量程和可調(diào)檔；測(cè)量 時(shí)盡量采用合適的量程，如測(cè)得的光強(qiáng)為 1.732mVV則采用2mM程?？烧{(diào)檔顯示 的是光強(qiáng)的相對(duì)值。 調(diào)零：調(diào)零時(shí)應(yīng)遮斷光源，旋動(dòng)調(diào)零旋鈕，使顯示為零，調(diào)零完畢。(2)后面板 電源開關(guān)按鈕：電源開關(guān)(220VAC。- 2 - LD插座：本功率指示計(jì)可作為我公司生產(chǎn)的半導(dǎo)體激光器的電源。 光探頭插座：和光探頭相連接。(3)功率計(jì)探頭 該光探頭在硅光電池前加上一多結(jié)構(gòu)光欄，可用于光斑定位，光強(qiáng)分布、 光斑結(jié)構(gòu)測(cè)量等。 結(jié)構(gòu)分別為圓孔和細(xì)縫；圓孔直徑

7、為0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、6.0mm，縫寬0.2 、 0.3、 0.4、 0.8、 1.2mm。 在使用時(shí)，用此探頭和 OPT-1A型激光功率指示計(jì)連接即可，用戶根據(jù)實(shí)際 測(cè)量需要，采用相應(yīng)的采光檔位(硅光電池置于光欄正上方)。 探頭：內(nèi)置硅光電池，和光探頭插座相連接。前面板后面板12檔光欄盤探頭 【實(shí)驗(yàn)原理】1. 半導(dǎo)體激光器的電光特性 當(dāng)半導(dǎo)體激光器電流小于某值時(shí)，輸出功率很小，一般我們認(rèn)為輸出的不是激光，只有當(dāng)電流大于一定值（|0）,使半導(dǎo)體增益系數(shù)大于閾值時(shí)， 才能產(chǎn)生激光， 電流|0稱之為閾值電流。半導(dǎo)體激光器的電流和光輸出功率的關(guān)系如右圖， 當(dāng)電流 大于| 時(shí)，激光

8、輸出功率急劇增大。 激光輸出功率急劇增大。 半導(dǎo)體激光器的電流0和輸出功率的關(guān)系如圖 1所示。激光工作時(shí)電流大于 |0，但也不可過大，以防損壞 激光管（本實(shí)驗(yàn)加了保護(hù)電路， 防止功率過載） 。對(duì)激光器的調(diào)制電流應(yīng)在 |0附近， 此時(shí)光功率對(duì)電流變化的靈敏度較高。2. 光纖的結(jié)構(gòu)和分類 一般裸光纖具有纖芯、 包層及涂敷層 （保護(hù)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）的石英玻璃構(gòu)成，對(duì)于單模光纖。直徑約 為 9.2微米。而對(duì)于多模光纖，纖芯直徑一般為 50微米。 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。

9、直徑約為125微米。涂覆層：為了增加光纖的強(qiáng)度和抗彎性、保護(hù)光纖，在包層 外涂覆了塑料或樹脂保護(hù)層。其直徑約 245微米。激光主要在纖芯和包層中傳播。 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，均勻光纖的纖芯和包層介質(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 率為均勻分圖2圖3 b階躍型多模光纖 nnna階躍型單模光纖10圖1 I P - 4 -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(xì)，只允許一種傳播狀態(tài)(模式)；多模光纖較粗，可

10、允 許同時(shí)存在多種傳播狀態(tài)(模式)。3. 光纖的數(shù)值孔徑及其測(cè)量由于全反射臨界角i的限制，光纖對(duì)自其端面外側(cè)入射的光束相應(yīng)的存在著一個(gè)最C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 n°，自端面外側(cè)以i 角入射的光線進(jìn)入光纖后，其到達(dá)纖芯和包層分界面處的入射角 i 剛好等于臨界 01 角i。那么當(dāng)端面外側(cè)光線的入射角大于i/寸，進(jìn)入光纖時(shí)將不滿足全反射條件。c0因此，i。就是能夠進(jìn)入光纖且形成穩(wěn)定光傳輸?shù)娜肷涔馐淖畲罂讖浇恰？梢宰C明，對(duì)于階躍型光纖，有：? - =022210arcsi nnnni (1)一般用光纖端面外側(cè)介質(zhì)折射率和最大孔徑角正弦的乘積n°

11、s in i°,表征允許進(jìn)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(duì)于階 躍型光纖數(shù)值孔徑大小為：222100si nnninNA-= (2)光纖數(shù)值孔徑的另一種定義是遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度有效數(shù)值孔徑。遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度有效數(shù)值孔徑是 通過測(cè)量光纖遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度分布來確定的。它被定義為光纖遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖上光強(qiáng)下降到 最大值的1/e2處的半角的正弦值，如圖5所示。當(dāng)遠(yuǎn)場(chǎng)輻射強(qiáng)度達(dá)到穩(wěn)態(tài)分布時(shí)，測(cè)量光線最大出射的光功率分布曲線及光纖端和探測(cè)界面的距離，利用光強(qiáng)下降到最大值的1/e2處的半張角的正弦值，計(jì)算光纖 的數(shù)值孔徑。n0為空氣中的折射率，n廠12200sinrlrinNA +=( 3)

12、4. 模式根據(jù)光的波導(dǎo)理論，光在光纖中的光纖的耦合是指將激傳播，應(yīng)可用電磁波的麥克斯韋方光從光纖端面輸入光程來描述，在特定的邊界條件下纖，以使激光可沿光纖麥克斯韋方程有一些特定的解，這進(jìn)仃傳輸。般來說，些解代表著一些可在光纖中長(zhǎng)期將激光的不對(duì)稱發(fā)射穩(wěn)定傳輸?shù)墓馐@些光束或解即光束和圓對(duì)稱的光纖被我們稱為模式。理論可以證明，進(jìn)行最優(yōu)耦合，需要在對(duì)于波長(zhǎng)為1310 nm或1550nm的光光纖和光源之間插入波當(dāng)纖芯小于10um時(shí)，我們所使透鏡，即所謂的直接耦用的光線中只有一個(gè)基?？梢苑€(wěn)合。直接耦合技術(shù)上比定傳輸。它沿徑向的光強(qiáng)分布為高較簡(jiǎn)單，但耦合效率比斯分布。這種光纖被我們稱為單模較低。光纖。光纖中的模式除了和光纖本身的參數(shù)折射率、直徑有關(guān)外，還和光的波長(zhǎng)有關(guān)。在本實(shí)驗(yàn)中采用的是單模光纖，但此單?！笔轻槍?duì)1310-1550nm波長(zhǎng)的，而本