北大普通物理综合实验课件8光纤光学与半导体激光器

光纤光学与半导体激光器一、背景和理论介绍光纤通信历史激光与光纤的耦合光纤光信号传输基本理论透镜波导和光纤波导的高斯模式激光与光纤的耦合在范围内的光可以进入光纤，为此我们可以定义数值孔径（numericalaperture）同时，在高斯光束近似下，我们可以取光强最大值的地方为数值孔径2212sinecAnn21e激光耦合示意图光纤示意图1光纤示意图2光纤示意图3光纤光信号传输基本理论Maxwell’sequationsbessel方程的解传输模式单模光纤（monomodefibre）基本方程2220EEt222222110zzzzEEEErrrr222222110zzzzHHHHrrrr2222222211()0FFFFrrrrr二、光纤光学与半导体激光器的电光特性实验实验内容与目的设备成套性设备的安装实验项目及步骤实验内容与目的半导体激光器的电光特性与阈值电流光纤光学1）光纤的端面处理。2）光纤的耦合与耦合效率的测量。3）光纤的激励模式。4）光在光纤中的传输时间的测定，并根据光纤长度推算出光在光纤中的传输速率和纤芯的折射率。5）光纤的数值孔径（需选购件）。6）模拟信号（音频）的调制、在光纤中的传输、接受、放大与解调还原。7）数值孔径的测量设备成套性GX1000光纤实验仪一台光学实验导轨800mm一根半导体激光器+二维调整架一套光纤200m一盘光纤座+磁吸一套光探头+二维调整架一套功率指示计一台光纤刀一把显示屏一个一维位移架+12档光栏头（选购）一套示波器（选购）一台音频信号源（选购）一台设备的安装实验项目及步骤半导体激光器的电光特性1.将实验仪功能档置于“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.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。半导体激光器的电光特性光纤的端面处理和夹持1.用光纤剥皮钳剥去光纤两端的涂覆层（如没有剥皮钳，可用刀片小心的刮去涂覆层），长度约10mm。2.在5mm处用光纤刀刻划一下。用力不要过大，以不使光纤断裂为限。3.在刻划处轻轻弯曲纤芯，使之断裂。处理过的光纤不应再被触摸，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，一保证实验的顺利进行)4.将光纤的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。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，反而不宜观察。）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。光纤的耦合与模式6.将激光器工作电流调至最大，通过仔细调整三维光纤调整架上的Y轴、Z轴旋钮和激光器调整架上的水平、垂直旋钮。我们的步骤是：调节x轴的微调旋钮，会看见功率探测器的示数在某一点时达到局部最大，此时不再动x轴。然后调节激光器上的水平、垂直旋钮。可分别调节至局部最大，然后不再旋动。最后调节y,z轴的旋钮，方法同上。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，直到光纤输出功率达到最大为止。一般情况下，应该能够调节到200uW以上，如此才能保证后面的实验顺利进行。光纤的耦合与模式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（不计吸收损耗）。8.取下功率指示计探头，换上显示屏，轻轻转动各耦合调整旋钮，观察光斑形状变化（模式变化）。（若耦合的不错的话，应为高斯光斑，光强为高斯分布。）9.轻轻触动或弯曲光纤，观察光斑形状变化（模式变化，我们作为专门的一部分放在后面）。模拟（音频）信号的调制，传输和解调还原1.按实验（二）（三）1-4步耦合好光纤。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10μs/Div档，示波器显示应为近似的稳定矩形波5.从“音频输入”端加入音频模拟信号，这时可观察到示波器上的矩形波的前后沿闪动。模拟（音频）信号的调制，传输和解调还原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。（注意此时音频信号的强弱与耦合的效率成正比，即耦合效率越高，音频信号就越好，反之，则噪音信号越强。）7.可分别观察实验仪发射板“调制”前后的波形和接收板“解调”前后的波形。观察、了解音频模拟信号的调制、传输、解调过程和情况。“喇叭”开关平时应处于“关”状态，以免产生不必要的噪声光纤数值孔径的测量光斑扫描测量法功率法一组失败的数据，耦合效率太低，衰减过快，所得数值孔径过小由于耦合效率较高，此组数据较符合理论值光纤数值孔径的测量理论上由于没有确定的数据，我们取n1=1.400，可以求出n2=1.397α的理论值由光纤的折射率n1,n2决定，由上我们知道所以理论上sinα=0.0916α=5.25度而实验中所测的α显然与最大功率有关，即耦合效率越高，数值孔径相对越大，取平均值α为：5.175度，与理论符合得相当不错，说明这种方法是可行的。所以结合我们实验，建议正确的数值孔径应该在5～6.0度之间传输时间的测量延时t2-t1=0.93μs则速度v=L/(t2-t1)=2.15×108m/s从而的到折射率：n=c/v=1.394理论上n1=1.400，符合的相当不错。考虑到误差，我们建议所测的光速范围：2.00～2.20×108m/s之间为可以接受三、作为课堂实验的可行性讨论必要性可行性自身的实验体会四、实验创新性讨论光纤传输中多种模式的观察我们对光纤应用的想法