半导体光源与光纤耦合

实验目的1．研究注入型激光二极管和发光二极管与光纤的耦合2．判断耦合的效果实验原理1．光源类型及光发射特性光纤光学系统使用的半导体光源有两种，发光二极管LED和注入型激光二极管ILD，此类器件及其发光机制的理论请参阅有关资料。任何光源可以用从它的表面所发的所有可能的光线的光功率分布来说明其发光特性，朗伯型光源是指其面单元在所有的方向上发射光，而准直光源是指其发射的光束在空间的发散角非常小。一般，光源亮度的角分布可表示为max0,)(cos)(mBBmax是离开光发射法线的最大角，由光源的几何形状决定。对漫射光源，m=1，对准直光源，m为大值，中间为部分准直光源，ILD的辐射远场以典型的15°×30°发散，呈扇形分布。这是由于这些器件的发射面积很小，形成远场衍射，如图为一个m=1（典型LED）和另一个m=20（典型ILD）在极坐标系中的辐射特性。2．耦合效率耦合到光纤中的光能依赖于光纤的数值孔径，光纤仅能接收被光纤的数值孔径和芯径所限定的光锥内的那些光线，事实上有四个参数决定了耦合效率，它们是光源和光纤的数值孔径，光源的尺寸以及芯径。光源的尺寸和其数值孔径之积是一个常数，光源的数值孔径比光纤的大的情形称为过注入，通过加插透镜减小光源的数值孔径以适应光纤的数值孔径，但是光源在光纤端面上的成像尺寸将同时变大，耦合效率并不能获得提高，一种改善方法是所谓“贴背耦合”，即不用透镜而直接将光纤紧贴光源发射区，这时接收光功率与发射光功率之比为,)]2/()[1(5.0/2NAmPPsf其中α为光纤的折射率轮廓因子（梯度折射率光纤为2，阶跃折射率光纤为∞），耦合损耗为sfPP/log10。最佳耦合是指光源的尺寸和其数值孔径之积与光纤的相匹配时的耦合，一般应使用透镜完成。左图显示了发散特性不同的光源的耦合损耗随光纤的数值孔径变化的情况，由图可知，在使用相同自聚焦透镜和光纤（数值孔径25.0）的情况下，ILD（20m）的偶合损耗要比LED（1m）的小很多（约10dB），LED光源的发散性使其耦合一般为过注入，当然耦合调整过程会容易些。3．GRIN棒透镜本实验使用梯度折射率（GRIN）棒透镜将半导体光源耦合进光纤。这种透镜是直径1~3mm，长度几毫米的小玻璃棒，其折射率沿径向分布如下式),2/1()(20Arnrn0n是轴上折射率，2/2aA，是分数折射率差，a是芯径。GRIN棒透镜可以对光束进行准直或聚焦，此处用0.29节距的棒透镜对发散的半导体光源实现聚焦，节距是指光线在梯度折射率介质中沿正弦轨迹运行一周的长度。能够实现准直的为1/4节距的GRIN棒透镜。实验仪器a)100/140多模光纤b)ILD和LED装置c)半导体光源驱动器d)GRIN棒透镜光纤耦合器e)红外磷光片f)光纤定位器g)光功率计h)光电探头i)数字示波器j)光纤切割刀a0.25节距形成平行光b0.29节距形成会聚光注：零件细列及装配指南请执行软件“Newport光学实验计算机辅助平台”。实验内容及操作要点：先根据有关资料及辅助软件组装各个单元装置（半导体光源，GRIN棒透镜光纤耦合器，出纤及探测装置等），现以GRIN棒透镜光纤耦合器为例说明：用镊子将0.29节距GRIN棒透镜小心嵌进所示小孔内（或者把上面的金属盖片拿掉后放入，应调整和光源的间距），旋紧固定螺丝。将经过端面处理后的光纤嵌入光纤嵌槽桶后再装入光纤定位器（注意光纤端面和透镜的间距，它实际上和光源物距有关），然后根据下面的操作要点进行。1．LD与光纤耦合①打开505激光驱动电源开关，将其限制电流调至120mA(已调好)，注意此时激光驱动电源的钥匙处于关闭（off）状态，电流示值为零。②将激光驱动电源的钥匙拨向开（on）的位置，慢慢将电流从零调至42mA，按一下（注意只能按一次）激光输出按钮（output/on，灯亮），调整GRIN光纤耦合器（F-925）上的光纤定位器的X，Y，Z旋纽，将入纤端面置于GRIN镜后合适位置（离GRIN镜2mm以内中央，不能碰到GRIN镜）。③调整上述光纤定位器的X，Y，Z旋纽，将红外磷光片置于出纤端面前观察是否接收到光（有无光斑），如有，则将光斑调亮（既调整光纤入端光纤定位器的X，Y旋纽）后移去红外传感片，将光纤出端置于PIN光电管前2mm以内对准小孔位置（不能碰到PIN管）。④同时观察示波器上该通道的直流耦合信号的直流分量（平均值）是否随着激光器调制电流的变化而变化，如否，则需检查步骤③。⑤如接收信号有变化则通过调整出端光纤定位器的X，Y旋纽使得信号达最大，进一步调整光纤耦合器（F-925）上的光纤定位器的X，Y，Z旋纽使接收到的信号最大，此时光纤入端处于最佳耦合状态。⑥将调制电流置零，从零开始到50mA为止，每隔5mA测一次接收信号大小（示波器平均值），在接近阈值（大约40mA）之前某处（比如35mA）开始每隔1mA或0.5mA测一次，画出电光特性曲线（I-P），确定LD的阈值电流大小（曲线直线段的延长线与横轴交点）。2．LED与光纤耦合①，②，③，④，⑤同上。⑥将调制电流置零，从零开始到80mA为止，每隔5mA测一次接收信号大小（示波器平均值），画出电光特性曲线（I-P）。3．耦合效率在上述耦合过程的前后用光功率计测量sp（GRIN棒透镜之后）与fp（耦合后光纤的输出功率）则可以计算耦合损耗。4.自行设计一个模拟信号调制传输实验（选做）预习与思考1．光纤端面紧贴GRIN棒透镜能否提高耦合效率。2．在“贴背耦合”时，阶跃折射率光纤的耦合效率高还是梯度折射率光纤的耦合效率高。注意事项1．完成实验后一定要将调制电流调回到零，先按一次激光输出按钮（灯灭），再拨钥匙至off，最后才能关电源。2．LD，LED器件千万不能用手摸，否则它们将因静电而击坏。3．LD为近红外激光，小心不得直视或反射直视。