光纤光学与半导体激光特性实验 指导书.doc

光纤光学与半导体激光器的电光特性

20世纪70年代光纤制造技术和半导体激光器技术的突破性发展，光纤通信已成为现代社会最主要的通信手段之一。本实验利用通信用单模光纤和可见光（红光）半导体激光器对光通信过程进行了一个开放的、原理性的模拟，以期通过实际操作，对光纤本身的光学特性和半导体激光器的电光特性进行一个初步的研究。使学生对光纤和半导体激光器有一个基本的了解和认识。

一．实验目的
1．理解和巩固光学的基本原理和知识；
2．了解掌握光纤的使用技巧和处理方法；
3．了解掌握半导体激光器的使用方法和电光特性；
4、了解掌握光纤的一些光学特性和参数测量方法。

二．基本原理
光纤通信的光学理论是建立在光的全反射理论和波导理论上的。现代光通信中使用的光纤一般分为单模光纤和多模光纤两种。它们在结构上的区别主要在于纤芯的几何尺寸上，图1是光纤结构图。它由三层结构构成：（1）纤芯：由掺有少量其他元素的石英玻璃构成（为提高折射率），对于单模光纤，直径约9.2mm，而对于多模光纤，纤芯直径一般为50mm。这是它们在结构上的最主要区别。（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125mm。（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245mm。激光主要在纤芯和包层中传播。图1光纤结构示意图
1．光纤端面的处理
为了使激光在输入光纤和输出光纤时有一个理想的状态，如较高的耦合效率，均匀对称的光斑和模式。一般均需要对光纤的端面进行较为细致的处理。一般光纤端面的处理有两种主要方法。一种是使用专用刀具进行切割。另一种为研磨处理。在本实验中，采用较为简单的手工刀具切割，以使光纤端面较为平整。
2．光纤的耦合和耦合效率
在本实验中，光纤的耦合是指将激光从光纤端面输入光纤，以使激光可沿着光纤进行传输。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，将经过端面处理的光纤放入光纤夹中压紧。然后装入三维光纤调整架中固定。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，无法用肉眼来判断耦合的情况。实验是从光纤的另一端（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。当将激光耦合进光纤后，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。同时，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。对此，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。
耦合效率反应了进入光纤中的光的多少。定义如下：
（１）
其中为进入光纤中的光功率，为激光的输出功率。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。在本实验中采用光功率计直接测出和来求出。当然这个同操作者的操作水平有很大关系。
2.模式
根据光的波导理论，光在光纤中传播，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，这些光束或解即称为模式。理论可以证明，对于波长为1310nm或1550nm的光波当光芯小于10μm时，所使用的光纤中将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。这种光纤称为单模光纤。光纤中的模式除了与光纤本身的参数如折射率、直径有关外，还与光的波长有关。本实验中采用的是单模光纤，但是是针对1310-1550nm光波的。而实验中采用的是650nm的可见激光，因此有时光纤中的模式将不是单模，而是一个简单的多模（如梅花状）而各模式间可能有不同的传输速度、传输路径和偏振态。不同的传输速度将导致光信号的脉冲展宽（色散）。这也是为什么干线网（宽带网）多采用单模光纤，而局域网多采用多模光纤的一个原因。
3.光在光纤中的传播时间和速度
由于光在介质中的传播速度反比于介质的折射率
（２）
因此可以断定光在光纤中的传播速度小于光在空气中的传播速度。本实验通过测量一串光脉冲信号在一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。
我们在光纤的输入端输入一连串稳定的光脉冲信号，并在光纤的输出端接受这些信号，由于光纤的长度引起一个脉冲信号的时间延迟