光纤光学与半导体激光器的电光特性实验

1、光纤光学与半导体激光器的电光特性实验上个世纪70年代光纤制造技术和半导体激光器技术取得了突破性的进展。光纤通信具有容量大、频带宽、光纤损耗低、传输距离远、不受电磁场干扰等优点，因此光纤通信已成为现代社会最主要的通信手段之一。半导体激光器是近年来发展最为迅速的一种激光器。由于它的体积小、重量轻、效率高、成本低，已进入了人类社会活动的多个领域。 【实验目的】 1了解半导体激光器的电光特性和测量阈值电流。 2了解光纤的结构和分类以及光在光纤中传输的基本规律。 3掌握光纤数值孔径概念、物理意义及其测量方法。 4对光纤本身的光学特性进行初步的研究。 【实验仪器】 GX-1000光纤实验仪，导轨，半导体激

2、光器+二维调整，三维光纤调整架+光纤夹，光纤，光探头+二维调整架，激光功率指示计，一维位移架+十二档光探头（选购），专用光纤钳、光纤刀，示波器，音源等。如右图所示。 1设备参数： （1）半导体激光器类型：氮化镓，工作电流：0-70mA，激光功率：0-10mW，输出波长：650nm； （2）总输出电压为3.5-4V，考虑保护电路分压，所以管芯电压降为2.2V。 （3）光纤损耗率：每千米70%，实验所用光纤长度：200m，计算损耗为93.1%，如激光输出功率为10mW，除去损耗后激光输出的总功率：9.31mW，（计算耦合效率时用到）。 （4）信号源频率可用范围:10KHZ-300KHZ。2主机功能

3、 实验主机面板如下图 GX1000光纤实验仪发射接受北 京 方 式 科 技 有 限 责 任 公 司电流 mA电流调节直流调制脉冲频率输出 波形音频输入 波形输入 波形 波形解调电源开关表头功能状态旋钮 主机主要由3部分组成：电源模块、发射模块、接收模块。 (1)电源模块 主要是为半导体激光器和主机其它模块提供电源。由3部分组成：表头：三位半数字表头，用于显示半导体激光器的平均工作电流。该电流可通过表头下的电位器进行调整。 电源开关：220VAC电源开关。 电流调节旋钮：半导体激光器的工作电流调整钮。 (2)发射模块主要功能为半导体激光器工作状态和频率参数的控制。内含一频率可调的矩形波发生器、一

4、个频率固定的矩形波发生器和模拟信号调制电路。 功能状态选择钮：用于选择半导体激光器的工作状态。直流档：半导体激光器工作在直流状态。脉冲频率档：半导体激光器工作在周期脉冲状态下。输出的激光是一系列的光脉冲，且频率可调。调制档：激光器工作在周期脉冲状态下，但频率固定，脉冲宽度受外部输入的音频信号调制。 脉冲频率旋钮：用于调节脉冲信号的频率。 输出插座：三芯航空插座。连接半导体激光器。 输出波形插座：Q9插座。接示波器，用于观察驱动激光器的波形。 音频输入插座：3.5mm耳机插座。连接音频信号源单放机。 音频输入波形插座：Q9插座。接示波器，可用于观察音频信号波形。 (3)接收模块主要功能为光信号的

5、接受、放大、解调和还原。内含光电二极管偏置驱动、高频放大、解调、音频功放电路和扬声器等。 输入插座：Q9插座。连接光电二极管。用于探测光脉冲信号。 波形插座：两个Q9插座。可分别接示波器，观察波形。前一个为解调前的脉冲信号波形，后一个为解调后的模拟音频信号波形。 扬声器开光：用于控制内置扬声器的开和关。在主机后面板上。 实验导轨导轨滑块半导体激光器三维光纤调整架光纤座光电二极管探头 光学机械一般结构 ： 3. 激光功率计使用说明 OPT-1A型激光功率指示计是一种数字显示的光功率测量仪器，采用硅光电池作为光传感器，针对650nm波长的激光进行了标定，用于测量该波段的激光功率。如图： (1)前面

6、板表头 ：3位半数字表头，用于显示光强的大小。 量程选择钮：分为200uW、2mW、20mW、200mW四个标定量程和可调档；测量时尽量采用合适的量程，如测得的光强为1.732mW，则采用2mW量程。可调档显示的是光强的相对值。 调零：调零时应遮断光源，旋动调零旋钮，使显示为零，调零完毕。 (2)后面板电源开关按钮：电源开关（220VAC）。 - 2 - LD插座：本功率指示计可作为我公司生产的半导体激光器的电源。 光探头插座：与光探头相连接。 (3)功率计探头该光探头在硅光电池前加上一多结构光栏，可用于光斑定位，光强分布、光斑结构测量等。 结构分别为圆孔和细缝；圆孔直径为0.5、1.0、2.

7、0、3.0、4.0、6.0mm，缝宽0.2、0.3、0.4、0.8、1.2mm。 在使用时，用此探头与OPT-1A型激光功率指示计连接即可，用户根据实际测量需要，采用相应的采光档位（硅光电池置于光栏正上方）。 探头：内置硅光电池，与光探头插座相连接。 前面板 后面板 - 3 - 12档光栏盘探头 【实验原理】 1.半导体激光器的电光特性 当半导体激光器电流小于某值时，输出功率很小，一般我们认为输出的不是激光，只有当电流大于一定值（I0），使半导体增益系数大于阈值时，才能产生激光，电流I0称之为阈值电流。半导体激光器的电流与光输出功率的关系如右图，当电流大于I0时，激光输出功率急剧增大。激光输出

8、功率急剧增大。半导体激光器的电流与输出功率的关系如图1所示。激光工作时电流大于I0，但也不可过大，以防损坏激光管（本实验加了保护电路，防止功率过载）。对激光器的调制电流应在I0附近，此时光功率对电流变化的灵敏度较高。 2.光纤的结构与分类 一般裸光纤具有纤芯、包层及涂敷层（保护层）的三层结构，如图2所示。纤芯：由掺有少量其他元素（为提高折射率）的石英玻璃构成，对于单模光纤。直径约为9.2微米。而对于多模光纤，纤芯直径一般为50微米。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125微米。涂覆层：为了增加光纤的强度和抗弯性、保护光纤，在包层

9、外涂覆了塑料或树脂保护层。其直径约245微米。激光主要在纤芯和包层中传播。 按纤芯径向介质折射率分布的不同，可将光纤分为均匀和非均匀两类。如图3，均匀光纤的纤芯与包层介质的折射率分别呈均匀分布，在分界面处折射率有一突变，故又称阶跃型光纤；非均匀光纤纤芯的折射率沿径向成梯度分布，而包层的折射率为均匀分 图2 图3 b阶跃型多模光纤 nnna阶跃型单模光纤 I0图1 I P - 4 - 布，故又称为梯度折射率型光纤。按照传输特性的不同，又可将光纤分为单模和多模两种。单模光纤较细，只允许一种传播状态（模式）；多模光纤较粗，可允许同时存在多种传播状态（模式）。 3.光纤的数值孔径及其测量 由于全反射临

10、界角ic的限制，光纤对自其端面外侧入射的光束相应的存在着一个最大的入射孔径角，参考图4。假设光纤端面外侧介质的折射率为n0，自端面外侧以i0角入射的光线进入光纤后，其到达纤芯与包层分界面处的入射角i1刚好等于临界角ic。那么当端面外侧光线的入射角大于i0时，进入光纤时将不满足全反射条件。因此，i0就是能够进入光纤且形成稳定光传输的入射光束的最大孔径角。可以证明，对于阶跃型光纤，有： =022210arcsinnnni （1） 一般用光纤端面外侧介质折射率与最大孔径角正弦的乘积n0sini0,表征允许进入光纤纤芯且能够稳定传输的光线的最大入射角范围，称为光纤的数值孔径。对于阶跃型光纤数值孔径大小

11、为： 222100sinnninNA= （2） 光纤数值孔径的另一种定义是远场强度有效数值孔径。远场强度有效数值孔径是通过测量光纤远场强度分布来确定的。它被定义为光纤远场辐射图上光强下降到最大值的1/e2处的半角的正弦值，如图5所示。 当远场辐射强度达到稳态分布时，测量光线最大出射的光功率分布曲线及光纤端与探测界面的距离，利用光强下降到最大值的1/e2处的半张角的正弦值，计算光纤的数值孔径。n0为空气中的折射率，n01。 2200sinrlrinNA+= （3） 4.模式 根据光的波导理论，光在光纤中的传播，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

12、解代表着一些可在光纤中长期稳定传输的光束，这些光束或解即被我们称为模式。理论可以证明，对于波长为1310nm或1550nm的光波当纤芯小于10um时，我们所使用的光线中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。这种光纤被我们称为单模光纤。光纤中的模式除了与光纤本身的参数折射率、直径有关外，还与光的波长有关。在本实验中采用的是单模光纤，但此“单模”是针对1310-1550nm波长的，而本实验采用的是650nm的可见激光，因此有时光纤中耦合模式将不是单模，而是一个简单的多模（如梅花状），各模式间可能有不同的传输路径和偏振态。不同的传输路径将导致光信号的脉冲展宽（色散）。 5.光纤的耦合和耦合效率 光纤的耦合是