近代物理实验讲义 实验12光纤光学与半导体激光器的电光特性实验 光纤的全称为光导纤维，它是一种导引光波的波导。目前，光纤在通讯、传感、激光治疗仪、 激光加工机等许多方面都获得了应用，但其最主要的应用领域是光纤通讯和光纤传感器。光纤通 讯是以光波为载波，以光导纤维为传输媒质的一种通讯方式。相对于无线电通讯来说，光纤通讯 具有传输带宽、通讯容量大、中继距离远、抗干扰能力强、无串音、轻便、材料资源丰富、成本 低等优点。相对传统的传感器而言，光纤传感器具有灵敏度高、抗干扰能力强、电绝缘性能好、 便于与计算机联接，便于与光纤传输系统系统组成遥测网络、体积小、耗电少等优点。因此，光 纤通讯和光纤传感器受到了人们的青睐，得到了愈来愈来迅速的发展。 本专题从光纤入手，先了解光纤的结构和一般性质，再学习光纤的耦合、传输特性及在通讯 和传感领域中的应用。 【实骏目的】 1,了解和掌握半导体激光器的电光特性，测出半导体激光器在不同工作电流下的输出功率，求 出闵值电流。 2.通过对输出光的观察和测量，了解和掌握光纤的一些光学特性和参数测量方法，进一步理解 和巩固光学的基本原理和知识。 3.对光纤的使用技巧和处理方法有一定的了解。 【实验仪器】 光纤实验仪，光纤实验导轨，半导体微光器(LD),二维及三维调整架，光纤夹，光探头，功 率指示计，光纤刀，显示屏，音领信号源，示波器，一维位移架等。 【实验原理】 1.光纤结构 典型的光纤结构如图12.1所示，光纤一般 由纤芯、包层、涂敷层及护套构成，是一多层 介质结构的对称圆柱体。纤芯和包层构成传光 的波导结构，纤芯位于光纤的中心部位，它的 纤芯包层 涂数层 护套 主要成份是高纯度的二氧化硅，其余成份为掺 入的极少量掺杂剂，如五氧化二磷和二氧化 钻，纤芯的直径约为5~15m,包层也是包含 图12.1光纤结构图 有少量掺杂剂的高纯度二氧化硅，包层的直径（包括纤芯在内）为125m,其折射率略小于纤芯 折射率。涂敷层是一种涂料的敷层，使光纤不受外来的损害，增强光纤的机构强度。护套是由塑 料制成的圆形保护套，用来维持光纤的机械强度。 按纤芯折射率分布的不同，可将光纤分为两大类：阶跃折射率型光纤和梯度折射率型光纤 图12.2是两种典型的纤芯折射率剖面)示意图
近代物理实验讲义 86 实验 12 光纤光学与半导体激光器的电光特性实验 光纤的全称为光导纤维，它是一种导引光波的波导。目前，光纤在通讯、传感、激光治疗仪、 激光加工机等许多方面都获得了应用，但其最主要的应用领域是光纤通讯和光纤传感器。光纤通 讯是以光波为载波，以光导纤维为传输媒质的一种通讯方式。相对于无线电通讯来说，光纤通讯 具有传输带宽、通讯容量大、中继距离远、抗干扰能力强、无串音、轻便、材料资源丰富、成本 低等优点。相对传统的传感器而言，光纤传感器具有灵敏度高、抗干扰能力强、电绝缘性能好、 便于与计算机联接，便于与光纤传输系统系统组成遥测网络、体积小、耗电少等优点。因此，光 纤通讯和光纤传感器受到了人们的青睐，得到了愈来愈来迅速的发展。 本专题从光纤入手，先了解光纤的结构和一般性质，再学习光纤的耦合、传输特性及在通讯 和传感领域中的应用。 【实验目的】 1. 了解和掌握半导体激光器的电光特性，测出半导体激光器在不同工作电流下的输出功率，求 出阈值电流。 2. 通过对输出光的观察和测量，了解和掌握光纤的一些光学特性和参数测量方法，进一步理解 和巩固光学的基本原理和知识。 3. 对光纤的使用技巧和处理方法有一定的了解。 【实验仪器】 光纤实验仪，光纤实验导轨，半导体激光器(LD)，二维及三维调整架，光纤夹，光探头，功 率指示计，光纤刀，显示屏，音频信号源，示波器，一维位移架等。 【实验原理】 1. 光纤结构 典型的光纤结构如图 12.1 所示，光纤一般 由纤芯、包层、涂敷层及护套构成，是一多层 介质结构的对称圆柱体。纤芯和包层构成传光 的波导结构，纤芯位于光纤的中心部位，它的 主要成份是高纯度的二氧化硅，其余成份为掺 入的极少量掺杂剂，如五氧化二磷和二氧化 锗，纤芯的直径约为 5~15µm，包层也是包含 有少量掺杂剂的高纯度二氧化硅，包层的直径（包括纤芯在内）为 125µm，其折射率略小于纤芯 折射率。涂敷层是一种涂料的敷层，使光纤不受外来的损害，增强光纤的机构强度。护套是由塑 料制成的圆形保护套，用来维持光纤的机械强度。 按纤芯折射率分布的不同，可将光纤分为两大类：阶跃折射率型光纤和梯度折射率型光纤。 图 12.2 是两种典型的纤芯折射率剖面 n(r)示意图。 图 12.1 光纤结构图
光纤光学与半导体激光器的电光特性实验 按光纤传输特性的不同，光纤又分为单模光纤和多模光纤。光纤中的传输模式按照场分布中 纵向场分量(E、Hz)的特性，可分为横向模和混 ()单溪光好 合模两大类，横向模记为：TEam和TM6m,混合模可 折射罩一 记为：EHm和HEmm,角标m,n分别表征了该模式 一包层 场分布在横向角度方向上的波节数和在径向r方向 上的波节数。 通常，将HE,模称为主模或基模。仅传播基模 折封率 40-10 的光纤叫单模光纤，能够传播多个传输模的光纤叫 多模光纤。单模光纤的纤芯直径为(5-15)um,多 模光纤的纤芯直径为(40-100)m。一般多模光纤 包层 折射率 纤芯折射率比包层高(1~5)%，而单模光纤高约 (0.10.5)%。本实验选用的是多模光纤. 图122光纤折射率分布 2.光纤传光原理 实验表明，当光线从折射率为1的介质入射到折射率为m的介质时，在介质分界面上将产 生折射现象。其规律是：入射角于折射角的正弦之比与两种介质的折射率成反比，即： sinp,sin=mm1,其中m1是光纤纤芯的折射率，2是其包层介质的折射率。因n>m,则90°，发生了全反射，于是光便在光纤中 沿轴向前传播。这就是光纤的波导原理。不满足全反射条件的光线，由于在界面上只能部分反射， 势必有一些能量会辐射到包层中去，致使光能量不能有效传播。通常能在被导中传播的光为传输 模（导模），不能传播的光为辐射模。 3.光纤中光的传播 对于一定的光纤结构和光波长，在光纤中能够传播的模式数目是有限的。分析表明，可以传 播的传输模数为：Ms=%22,其中，=2 asqrt(m2/久，称为归一化频率或标称波导参数， 2a为光波导芯的宽度。 对于一个有确定结构的单模光纤，其基模光波长没有限制。相应于一2.405的光波长，是较 高一阶模式HE!的截止波长，或称为该单模光纤的截止波长。由归一化频率表示式，很容易求得 截止波长为：入=2：@sqrt(n2-m2V2.405,因此，在该光纤中，当传播的光波长>入时，将处于单模 工作，而当<入时，处于多模工作。 应当指出的是，由于V与光波长有关。所以，对某个波长的光来说是单模工作的光纤，对于 比它波长短的光来说，就可能传播两个以上的传输模，而成为多模光纤了。 4.光纤的特性参量 1)相对折射率差： 工程上定义△为纤芯和包层间的相对折射率差，即：△-1-(m12。当△<0.01时，上式简化 87
光纤光学与半导体激光器的电光特性实验 87 按光纤传输特性的不同，光纤又分为单模光纤和多模光纤。光纤中的传输模式按照场分布中 纵向场分量（Ez、Hz）的特性，可分为横向模和混 合模两大类，横向模记为：TE0m 和 TM0m，混合模可 记为：EHmn 和 HEmn，角标 m，n 分别表征了该模式 场分布在横向角度方向上的波节数和在径向 r 方向 上的波节数。 通常，将 HE11 模称为主模或基模。仅传播基模 的光纤叫单模光纤，能够传播多个传输模的光纤叫 多模光纤。单模光纤的纤芯直径为（5~15）µm，多 模光纤的纤芯直径为（40~100）µm。一般多模光纤 纤芯折射率比包层高（1~5）%，而单模光纤高约 （0.1~0.5）%。本实验选用的是多模光纤。 2. 光纤传光原理 实验表明，当光线从折射率为 n1 的介质入射到折射率为 n2 的介质时，在介质分界面上将产 生折射现象。其规律是：入射角于折射角的正弦之比与两种介质的折射率成反比，即： sinφ1/sinφ2=n2/n1，其中 n1 是光纤纤芯的折射率，n2 是其包层介质的折射率。因 n1>n2，则φ190°，发生了全反射，于是光便在光纤中 沿轴向前传播。这就是光纤的波导原理。不满足全反射条件的光线，由于在界面上只能部分反射， 势必有一些能量会辐射到包层中去，致使光能量不能有效传播。通常能在波导中传播的光为传输 模（导模），不能传播的光为辐射模。 3. 光纤中光的传播 对于一定的光纤结构和光波长，在光纤中能够传播的模式数目是有限的。分析表明，可以传 播的传输模数为：MSI=[V/(π/2)]2 /2，其中，V=2πasqrt(n1 2 -n2 2 )/λ，称为归一化频率或标称波导参数， 2a 为光波导芯的宽度。 对于一个有确定结构的单模光纤，其基模光波长没有限制。相应于 V=2.405 的光波长，是较 高一阶模式 HE01 的截止波长，或称为该单模光纤的截止波长。由归一化频率表示式，很容易求得 截止波长为：λc=2πasqrt(n1 2 -n2 2 )/2.405，因此，在该光纤中，当传播的光波长λ>λc 时，将处于单模 工作，而当λ<λc 时，处于多模工作。 应当指出的是，由于 V 与光波长有关。所以，对某个波长的光来说是单模工作的光纤，对于 比它波长短的光来说，就可能传播两个以上的传输模，而成为多模光纤了。 4. 光纤的特性参量 1) 相对折射率差： 工程上定义Δ为纤芯和包层间的相对折射率差，即：Δ=[1-(n2/n1) 2 ]/2。当Δ<0.01 时，上式简化 图 12.2 光纤折射率分布
近代物理实验讲义 为△-(m-m)m1。 2)光纤的数值孔径： 为了表征入射光线在光纤中的激发、祸合的难易程度，经常采用光纤的数值孔径NA这一参 量。按照光学的习惯，它定义为NA=nsine。在阶跃光纤中，对于子午光线有NA=sqrt(m2 n1sqrt(2△)，对于斜光线来说，N4=sqrt(m2-2/cosy。 在光纤耦合中，为了有效地把光入射到光纤中，应采用数值孔径满足光纤数值孔径要求的物 镜，否则会因为光在接续部位辐射，而使损耗增大。 在高斯光束近似下，我们可以取光强最大值的1的地方为数值孔径。 【实验内容】 1.测量半导体激光器的电光特性： 2.光纤的夹持： 3.光纤的耦合与模式： 4光纤传输时间和光纤长度的测量： 5.模拟（音频）信号的调制、传输和解调还原（选做）。 【实验步骤】 1.半导体激光器的电光特性。 将实验仪功能档置于“直流”档，用功率计测量激光器的输出功率 注意：为防止半导体激光器因过载而损环，实验仪中含有保护电路，当电流过大时，光功率会保 持恒定，这是保护电路在起作用，而非半导体激光器的电光特性， 2.光纤的辆合与模式。 1)将实验仪功能挡置于直流挡，调整工作电流，使激光不太明亮（建议3040mA)。 2)用一张白纸在激光器前确定激光焦点的位置（激光太强会使光点太亮，不易观察）。 3)调整三维光纤调整架，使光纤端面尽量通近焦点。此时，激光应该能进入光纤，使整条 光纤发亮。 4)将激光器工作电流调至最大，仔细调节三维调整架和激光器的水平、垂直旋钮，使激光 褐合进光纤。用白屏或功率指示计监测输出光强的变化，反复调整各旋钮，直到光输出 功率达到最大为止。如果出射激光始终不大(200W以下)，说明光纤端面不在焦点上， 应前后微调三维调整架，再调节水平、垂直旋钮达到最大功率。反复多次调节，应该能 够调节到200uW以上（可达1mW左右）。 5)如果出射光强很强，但光强分布杂乱无章，则应按步骤3处理输出端面。 6)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（不记吸收损耗）。 3. 观察光纤的模式 1)取下功率计探头，换上显示屏，轻轻转动各耦合旋钮，观察光斑形状变化（模式的变化） 2)轻轻触动光纤或弯曲光纤，观察光斑形状变化
近代物理实验讲义 88 为Δ≈(n1-n2)/n1。 2) 光纤的数值孔径： 为了表征入射光线在光纤中的激发、耦合的难易程度，经常采用光纤的数值孔径 NA 这一参 量。按照光学的习惯，它定义为 NA=n1sinφC。在阶跃光纤中，对于子午光线有 NA=sqrt(n1 2 - n2 2 )≈n1sqrt(2Δ)，对于斜光线来说，NA=sqrt(n1 2 -n2 2 )/cosγ。 在光纤耦合中，为了有效地把光入射到光纤中，应采用数值孔径满足光纤数值孔径要求的物 镜，否则会因为光在接续部位辐射，而使损耗增大。 在高斯光束近似下，我们可以取光强最大值的 1/e 2 的地方为数值孔径。 【实验内容】 1. 测量半导体激光器的电光特性； 2. 光纤的夹持； 3. 光纤的耦合与模式； 4. 光纤传输时间和光纤长度的测量； 5. 模拟（音频）信号的调制、传输和解调还原（选做）。 【实验步骤】 1. 半导体激光器的电光特性。 将实验仪功能档置于“直流”档，用功率计测量激光器的输出功率。 注意：为防止半导体激光器因过载而损坏，实验仪中含有保护电路，当电流过大时，光功率会保 持恒定，这是保护电路在起作用，而非半导体激光器的电光特性， 2. 光纤的耦合与模式。 1) 将实验仪功能挡置于直流挡，调整工作电流，使激光不太明亮（建议 30~40mA）。 2) 用一张白纸在激光器前确定激光焦点的位置（激光太强会使光点太亮，不易观察）。 3) 调整三维光纤调整架，使光纤端面尽量逼近焦点。此时，激光应该能进入光纤，使整条 光纤发亮。 4) 将激光器工作电流调至最大，仔细调节三维调整架和激光器的水平、垂直旋钮，使激光 耦合进光纤。用白屏或功率指示计监测输出光强的变化，反复调整各旋钮，直到光输出 功率达到最大为止。如果出射激光始终不大（200µW 以下），说明光纤端面不在焦点上， 应前后微调三维调整架，再调节水平、垂直旋钮达到最大功率。反复多次调节，应该能 够调节到 200µW 以上（可达 1mW 左右）。 5) 如果出射光强很强，但光强分布杂乱无章，则应按步骤 3 处理输出端面。 6) 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（不记吸收损耗）。 3. 观察光纤的模式 1) 取下功率计探头，换上显示屏，轻轻转动各耦合旋钮，观察光斑形状变化（模式的变化）。 2) 轻轻触动光纤或弯曲光纤，观察光斑形状变化
光纤光学与半导体激光器的电光特性实验 4.传输时间的测量 )按上述步骤耦合好光纤，并使输出达到最大。用二维可调光探头接收光纤输出光。将实 验仪功能键置于“脉冲频率”档，电流调到最大。 2)用信号线将实验仪发射板中发送波形与双踪示波器的CH1通道相连。将实验仪接收板 中的接收波形（解调前）与示波器CH2通道相连，选择触发源为CH1,用示波婴观察 发送和接收波形。 3)调整实验仪上的“脉冲频率”旋钮，使脉冲频率约为50kHz(用示波器测量频率)。 4)仔细调整二维可调光探头的前后位置，使CH2上升沿波形尽量前移（以波形幅度的90% 处为准)，改变脉冲频率（尽量提高），测量发送波形和接收波形的上升沿之间的时间 差天 注意：在探头移动过程中，发送波形应保持稳定。 5)移开三维光纤调整架，直接将二维可调光探头置于激光头前，使部分激光进入探头（光 强太强会使探头饱和，波形严重失真)。 6)调整二维可调光探头，使接收波形的上升沿尽量靠前，再次测量发送波形和接收波形的 上升沿之间的时间差2。 7)由以上测量算出光在光纤中的传播时间△=-2和光纤的长度（已知纤芯折射率为1.46， 光纤长约200m)。 5.模拟（音频）信号的调制、传输和解调还原（选做）。 1)仪器与示波器的连接同步骤6。将实验仪的功能档置于音频调制档。 2)将示波器“扫描频率”置于10μsDv挡，示波器显示应为近似的稳定的矩形波。 3)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。 4)打开实验仪后面的喇叭开关，应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，噪音信号越强)。 5)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、解调过程的情况。 【数据处理要求】 1.用坐标纸作出电流功率曲线，即为半导体激光器的电光特性曲线：并求出阀值电流。 2.计算光纤直接耦合的榈合效率。 3.计算光纤的长度
光纤光学与半导体激光器的电光特性实验 89 4. 传输时间的测量 1) 按上述步骤耦合好光纤，并使输出达到最大。用二维可调光探头接收光纤输出光。将实 验仪功能键置于“脉冲频率”档，电流调到最大。 2) 用信号线将实验仪发射板中发送波形与双踪示波器的 CH1 通道相连。将实验仪接收板 中的接收波形（解调前）与示波器 CH2 通道相连，选择触发源为 CH1，用示波器观察 发送和接收波形。 3) 调整实验仪上的“脉冲频率”旋钮，使脉冲频率约为 50kHz（用示波器测量频率）。 4) 仔细调整二维可调光探头的前后位置，使 CH2 上升沿波形尽量前移（以波形幅度的 90% 处为准），改变脉冲频率（尽量ᨀ高），测量发送波形和接收波形的上升沿之间的时间 差天 t1。 注意：在探头移动过程中，发送波形应保持稳定。 5) 移开三维光纤调整架，直接将二维可调光探头置于激光头前，使部分激光进入探头（光 强太强会使探头饱和，波形严重失真）。 6) 调整二维可调光探头，使接收波形的上升沿尽量靠前，再次测量发送波形和接收波形的 上升沿之间的时间差 t2。 7) 由以上测量算出光在光纤中的传播时间Δt=t1-t2 和光纤的长度（已知纤芯折射率为 1.46， 光纤长约 200m）。 5. 模拟（音频）信号的调制、传输和解调还原（选做）。 1) 仪器与示波器的连接同步骤 6。将实验仪的功能档置于音频调制档。 2) 将示波器“扫᧿频率”置于 10µs/Div 挡，示波器显示应为近似的稳定的矩形波。 3) 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。 4) 打开实验仪后面的喇叭开关，应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，噪音信号越强）。 5) 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、解调过程的情况。 【数据处理要求】 1. 用坐标纸作出电流-功率曲线，即为半导体激光器的电光特性曲线；并求出阈值电流。 2. 计算光纤直接耦合的耦合效率。 3. 计算光纤的长度