光纖光學與音頻信號通信

1、實驗日期：2015年12月24日近代物理實驗指導老師：王亞非光纖光學與音頻信號通信姓名：李首卿 學號：201311141049【摘要】光纖是光導纖維的簡稱，它是工作在光波波段的一種介質(zhì)波導，利用光學全反射原理將光的能量約束在波導界面內(nèi)，并引導光波沿著光纖軸線方向傳播。在光纖光學實驗中，我們測量了塑料光纖和石英單模光纖的各種光纖參數(shù)，并且觀察、探究光纖溫度傳感器，了解其工作原理。而在光纖通信實驗中，我們測量了電光特性曲線、傳輸系統(tǒng)幅頻特性曲線，加深了我們對于光纖音頻通信的基本原理和系統(tǒng)構(gòu)成的了解。關(guān)鍵詞： 光纖 耦合效率 數(shù)值孔徑 光纖通信 光纖溫度傳感器一、 引言從1966年華裔科學家高錕博士

2、首次明確提出“只要設(shè)法降低玻璃纖維中的雜質(zhì)，就能夠獲得能用于通信的、傳輸損耗較低的光導纖維”到1970年美國康寧玻璃公司率先研制成功了石英光纖實現(xiàn)了高錕等人的設(shè)想光纖迅速發(fā)展，成為現(xiàn)在通信的新興產(chǎn)業(yè)。相較傳統(tǒng)的金屬電纜通信，光纖通信有以下的特點：通信容量大、傳輸距離遠；信號串擾少、保密性能好；抗電磁干擾、傳輸質(zhì)量佳；光纖尺寸小、重量輕，便于鋪設(shè)和運輸；材料來源豐富，節(jié)約了大量有色金屬銅；耐化學腐蝕，光纜適應(yīng)性強，壽命長。因此光纖通信在近幾年發(fā)展迅猛。在傳感技術(shù)方面也有著獨特的優(yōu)勢，利用待測物理量對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獠ǖ墓鈱W參量進行調(diào)制并傳輸至光學探測器進行解調(diào)，從而獲得待測物理量的變化信息的裝置，

3、它具有損耗低、信息量大、線徑細、質(zhì)量輕、可繞性好的特點，可用于位移、振動、壓力、電流、磁場、溫度、濃度等各種物理量的測量，在通信、計算機、醫(yī)學、自動控制、交通運輸、國防等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。二、 實驗原理1、 光纖：一般的光纖主要由纖芯、包層、涂覆層、套塑四部分組成。纖芯及包層的主要成分均為高純度的SiO2和少量摻雜劑，不同在于纖芯中摻雜劑的作用是提高纖芯的折射率而包層中的作用在于降低包層的折射率。涂敷層和套塑用來加強光纖的機械強度；圖1 光纖結(jié)構(gòu)2、 耦合效率：氦氖激光器輸出的高斯光束經(jīng)過透鏡后仍為高斯光束。所以選擇透鏡的焦距f ，使經(jīng)透鏡耦合后的高斯光束的束腰（光束中最窄的位置）與纖芯直

4、徑相等，即2W0=2a。只要將光纖的端面置于高斯光束的焦點處，即可獲得最佳的耦合效率。耦合效率定義為=P0P (1)P0是光纖的輸入功率，P是經(jīng)光纖耦合后的輸出功率；圖2 光纖與激光器的耦合3、 數(shù)值孔徑：數(shù)值孔徑是用來描述光纖集光能力的物理量。由光的可逆性，數(shù)值孔徑反映了光纖的接收和匯聚光的能力。并非所有入射光線都能在光纖中傳播，只有入射角度小于某一個角的光線，才能在光纖內(nèi)部傳播。光纖數(shù)值孔徑NA定義為入射光線與光纖軸線之間夾角的正弦值NA=sin (2)圖3 光纖數(shù)值孔徑NA 圖4 遠場光斑法本實驗采用“遠場光斑法”近似測量光纖的數(shù)值孔徑，利用了光路可逆原理，出射光的張角等于入射的張角。由

5、光纖出射的光照到觀察屏上，測出光纖端面與觀察屏之間的距離h，以及觀察屏上光斑直徑2r之后，就可以求出光纖的數(shù)值孔徑NA=rr2+h2 (3)4、 光纖的損耗:光纖損耗是指光纖對光波產(chǎn)生的衰減作用，傳輸功率損耗很大程度上決定了光纖通信的中繼距離。光在光纖里的傳播過程中，隨著傳輸距離的增加，光功率以指數(shù)形式逐漸衰減，即PL=P(0)e-()L (5)P(0)為光纖的輸入功率，P(L)為光波傳輸L距離后光纖的輸出功率，()為耗損系數(shù)，它是光波波長的函數(shù)。在光通信中，光信號的損耗一般以分貝(dB)為單位，并采取以下的光纖損耗定義式A=10lgP0pL(dB) (6)損耗系數(shù)定義為單位距離上的損耗 =A

6、L(dB/Km) (7)本實驗采用“截斷法”測量光纖的損耗。首先在穩(wěn)定的光強輸入條件下，測量長L的光纖的輸出功率P2；然后保持耦合條件不變，在離光纖端約l處截斷光纖，測量此短光纖的輸出功率P1。當L>>l時，短光纖的損耗可以忽略，因此可以近似認為P1和P2是被截斷光纖(L-l)的輸入功率和輸出功率。最后，根據(jù)上式可求出損耗和損耗系數(shù)；5、 光纖溫度傳感器：光纖溫度傳感器的原理是通過雙光束干涉相位的變化反映溫度的變化。由激光器發(fā)出的相干光，經(jīng)光纖分束器分別送入兩根長度基本相同的光纖中，其中一根叫探測臂，另一根叫參考臂。從兩根光纖輸出的激光束疊加后將產(chǎn)生干涉，形成干涉條紋。相位差可表示

7、為T=2nTL(T) (8)為波長，n是光纖折射率，L是光纖的長度，T是溫度。當=2k時，干涉場光強取極大值；當=(2k+1)時，干涉場光強取極小值。當外界的溫度作用在探測臂上時，光纖在溫度場的作用下，長度和折射率發(fā)生改變，這使得相位發(fā)生改變 =2(Ln+nL) (9)6、 音頻信號通信:音頻信號傳輸系統(tǒng)由三部分組成：光信號發(fā)送器、傳輸光纖和光信號接收器。將音頻信號調(diào)制到載運信息的光波上(光信號發(fā)送器)，經(jīng)光纖傳輸?shù)竭h端的接收器(傳輸光纖)，再將信息解調(diào)后還原并輸出(光信號接收器)。光信號發(fā)送器將音頻電信號調(diào)制到激光器發(fā)出的光載波上，使之變成載有音頻信號的光信號；本實驗采用直接強度調(diào)制方法把傳

8、送的信息變?yōu)殡娏餍盘?，用其?qū)動半導體發(fā)光二極管(LED)，使LED發(fā)出的光載功率的大小隨電流信號的變化而變化。在小驅(qū)動電流下，發(fā)射功率與驅(qū)動電流呈線性關(guān)系，將音頻信號與LED靜態(tài)驅(qū)動電流疊加，這時LED發(fā)出隨音頻信號變化的光信號。半導體發(fā)光二極管輸出的光功率與其驅(qū)動電流的關(guān)系稱為LED的電光特性；實驗中要測定LED的電光特性曲線，從而確定偏置電流的大小將調(diào)制信號的峰峰值控制在線性范圍內(nèi)，避免和減少非線性失真。光信號接收器是光信號發(fā)送器的逆過程，作用是把傳輸光纖中的光信號耦合到光電二極管中，使之轉(zhuǎn)換成與之成正比的電流信號，再經(jīng)電流電壓轉(zhuǎn)換電路把電流信號變成電壓信號，電壓信號經(jīng)音頻功率放大器后驅(qū)動

9、喇叭發(fā)聲。三、 實驗儀器實驗所用的儀器及電器元件有：氦氖激光器、光功率計、音頻信號光纖傳輸實驗儀、示波器、五維調(diào)整架、收音機、顯微物鏡、光纖分束干涉系統(tǒng)、CCD探頭、加熱電源、光纖(石英和塑料)、光纖切割刀、光纖鉗、剪刀。四、 實驗步驟1、 光纖光學部分1) 光路調(diào)節(jié)和光纖處理打開He-Ne激光電源，預熱15分鐘；調(diào)節(jié)光路等高共軸，確定激光束通過光纖調(diào)節(jié)架通光孔中心；對于塑料多模光纖，用剪刀截取1-2m，盡量使刀口與光軸垂直；對于石英單模光纖，將非FC光纖插頭端用光纖鉗根據(jù)光纖外皮直徑使用合適的刀口將外皮剝離，對于纖芯，先用光纖刀切割；2) 調(diào)整激光與光纖耦合將光纖套入，鎖緊銅套后，插入光纖調(diào)

10、節(jié)架，使纖芯距離顯微物鏡7mm左右，調(diào)整纖芯的水平、豎直位置，激光進入纖芯后，仔細調(diào)整纖芯的位置與方向角，使光束與光軸重合，最后調(diào)節(jié)顯微物鏡的焦點位置。在這個過程中查看功率計測得的示數(shù)，直至調(diào)至最強；3) 測量塑料多模光纖的參數(shù)先用功率計測得光源的輸出功率P0，接入光纖，調(diào)整至光纖耦合，測量輸出功率值P1，在距離輸入端10cm左右截斷光纖，記下被截下光纖的長度L，用功率計測出輸出功率值P2。由以上測量結(jié)果計算塑料光纖的耦合效率，損耗A()和損耗系數(shù)()。用原理中所述遠場光斑法測量光纖的數(shù)值孔徑NA；4) 測量石英單模光纖的參數(shù)仔細調(diào)節(jié)石英單模光纖至最佳耦合，由測量結(jié)果測得耦合效率，數(shù)值孔徑NA

11、，記錄光斑模式；5) 光纖溫度傳感器將達到最佳耦合的石英光纖的FC光纖插頭插入分束干涉系統(tǒng)，調(diào)整輸出端和CCD探頭的位置直至觀察到干涉條紋。打開加熱電源，面板開關(guān)置于“加熱”，按下加熱鍵，等到溫度升值45，釋放加熱鍵。讓光纖自40至30自然冷卻，記錄每下降1干涉條紋移動的數(shù)目N，畫出N-T圖，分析原因并討論條紋移動數(shù)與溫度變化的關(guān)系； 2、 音頻信號光纖傳輸部分1) LED電光特性將LED發(fā)射器的“幅度調(diào)節(jié)”和“偏流調(diào)節(jié)”調(diào)至最小，打開電源，用光纖連接LED發(fā)射器的信號輸出端和SPD接收器的信號輸入端，將光功率計開關(guān)置于“測量”檔，調(diào)節(jié)“偏流調(diào)節(jié)”使ID的毫安表為零，然后將W表調(diào)零。調(diào)節(jié)“偏流

12、調(diào)節(jié)”，使ID從5mA至100mA每隔5mA記錄光功率計的示數(shù)P，畫出P-ID曲線(電光特性曲線)，分析其線性范圍。2) LED直流偏流與最大不失真調(diào)制幅度的關(guān)系光功率計置“實驗”檔，關(guān)閉實驗儀后面板的揚聲器開關(guān)。在音頻信號發(fā)生器的信號輸出端通過T型三通接頭接上LED發(fā)射器的信號輸入端和示波器的CH1，LED發(fā)射器的調(diào)制信號接入CH2，使示波器顯示CH2的頻率和峰-峰值。調(diào)節(jié)音頻信號發(fā)生器的頻率為10KHz,幅度為1.0V；調(diào)節(jié)偏置電流ID起始為20mA，再調(diào)節(jié)“幅度調(diào)節(jié)”使音頻調(diào)制電流IA由小到大，直至觀察到“截止形變”，記錄最大不失真調(diào)制幅度URe和峰-峰值URe p-p；讓ID以5mA遞

13、增，重復上述步驟，記錄相應(yīng)的URe和URe p-p；直至調(diào)制信號出現(xiàn)“飽和形變”，此時仔細調(diào)節(jié)偏流與幅度，使得截止形變與飽和形變同時出現(xiàn)在波形上，記錄兩種形變剛好消失時ID (系統(tǒng)靜態(tài)偏置電流最佳工作點IDQ)與URe p-p (最大調(diào)制信號電壓UReQ p-p)的值，由此可得音頻調(diào)制作用下ILED最大線性動態(tài)范圍；3) 音頻信號光纖傳輸系統(tǒng)的幅頻特性調(diào)節(jié)音頻信號發(fā)生器音頻為100、500、1K、5K、10K、15K、20K，觀察經(jīng)光纖傳輸?shù)囊纛l信號解調(diào)后波形，記錄峰-峰值UA p-p，畫出該系統(tǒng)的幅頻特性曲線；4) 語音信號的傳送將收音機的信號接入發(fā)送器的輸入端（在后面板上），打開后面板的揚

14、聲器，通過后面板上的轉(zhuǎn)換開關(guān)接收功放輸出端接上揚聲器，實驗整個音頻信號光纖傳輸系統(tǒng)的音響效果。實驗時調(diào)節(jié)發(fā)送器LED的偏置電流，通過對比，判斷經(jīng)光纖系統(tǒng)傳輸后的信號是否有可聞失真，考察傳輸系統(tǒng)的聽覺效果。五、 數(shù)據(jù)分析1、 測量光纖參數(shù)表格 1 光纖參數(shù)塑料光纖耦合效率P0/mW3.18P/mW1.160.365數(shù)值孔徑NAh/cm5.90r/cm2.270.358損耗()P2/mW1.29L/cm126.80l/cm11A()0.465()0.367石英光纖耦合效率P0/mW3.18P/W4010.126數(shù)值孔徑NAh/cm4.92r/cm0.510.103根據(jù)公式（1）、（3）、（6）、（

15、7）我們可以算出塑料光纖和石英光纖的耦合效率、數(shù)值孔徑、損耗和損耗系數(shù)。測量得到的參數(shù)以及計算結(jié)果都由上面的表格給出。石英光纖最佳耦合非常難以調(diào)節(jié)的，是否耦合成功和各方面因素都有關(guān)系。其中最重要的一點是能否得到一個平整的切面。經(jīng)過整整一個下午重復、煎熬的裁剪過程，我們總結(jié)出裁剪的經(jīng)驗：因為石英硬度很大的，同時是非常脆的，所以想要用一個金屬刀片切出像菜刀切土豆般的平整是非常有困難的。用切菜的手法是萬萬不可的！我們只需要輕輕地在石英表面劃出一道痕跡，然后輕輕地拿刀片磕碰一下光纖，一個完美切面就會誕生！關(guān)于數(shù)值孔徑，我們通過觀察對比兩種光纖的光斑圖案可以發(fā)現(xiàn)：塑料光纖的數(shù)值孔徑比較大，這也就意味著它

16、能夠接收入射角更大的光。雖然兩種光纖的光斑圖案都基本近似是一個圓形，但是這與裁剪光纖后形成截面有關(guān)，在顯微鏡下觀察它們截面都有些不規(guī)則。2、 光纖溫度傳感器根據(jù)測量數(shù)據(jù)可以得到下面的表格，根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)作圖擬合直線。表格 2 溫度條紋關(guān)系溫度/40393837363534333231單位間隔條數(shù)/條9512881015967總計條數(shù)/條8980756355473722137圖 5 光纖溫度傳感器由于兩根光纖中射出的光源自同一根光纖，兩束光是相干光束，它們會產(chǎn)生干涉條紋。當其中一根光纖溫度發(fā)生變化時，該光纖的折射率與長度將發(fā)生改變，進而導致兩束光的光程差發(fā)生變化，相位差也隨之改變，使得干涉條紋

17、發(fā)生移動。實驗中的測量數(shù)據(jù)是溫度每變化一攝氏度所移動的條紋數(shù)，為了能夠更好的表現(xiàn)數(shù)據(jù)將它們累加，可以看出移動條紋數(shù)和溫度呈良好的線性關(guān)系。光纖溫度傳感器的性能較為不錯。但是從數(shù)據(jù)中也可以看出來，其中5和15偏離其他數(shù)據(jù)較遠，誤差非常大。這是由于粘熱源的膠受熱后不再牢固，光纖受熱不均勻所致。假如各方面條件均良好，我們可以得到更加優(yōu)美的測量結(jié)果。3、 電光特性曲線根據(jù)測量數(shù)據(jù)可以得到下面的表格，根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)作圖擬合曲線。表格 3 偏置電流和功率關(guān)系ID/mAP/WID/mAP/W0045.428.72.10.650.031.82.90.755.335.23.81.060.338.35.11.4

18、65.341.110.03.870.343.815.27.175.146.220.110.780.448.525.014.285.050.230.218.190.552.135.121.695.253.040.225.2100.254.2圖 6 LED電光特性曲線從做出的圖像可以看出電光特性曲線呈一個扁平狀的大寫字母“S”的形狀，可以分為三部分。在偏置電流很小的時候曲線斜率非常平穩(wěn)，這段是截止區(qū)；中間一段線性關(guān)系明顯，是線性區(qū)，可使LED獲得幅度最大的調(diào)制，有利于最大限度地避免非線性失真，是我們工作要處于的狀態(tài)；隨著偏置電流大到一定程度的時候，曲線斜率再一次非常平穩(wěn)，這段是飽和區(qū)。從曲線中我們可