光纖光學與半導體激光器的電光特性實驗

1、光纖光學與半導體激光器的電光特性實驗一、實驗目的1. 了解半導體激光器的電光特性和測量閾值電流。2. 了解光纖的結構和分類以及光在光纖中傳輸?shù)幕疽?guī)律。3. 對光纖本身的光學特性進行初步的研究。二、實驗原理1 .半導體激光器的電光特性半導體激光器是近年來發(fā)展最為迅速的一種激光器。由于它的體積小、重量輕、 效率高、成本低，已進入了人類社會活動的多個領域。因此對半導體激光器的了解和 使用就顯得十分重要。本實驗對半導體激光器進行一些基本的實驗研究，以掌握半導 體激光器的一些基本特性和使用方法。圖1半導體激光器電光特性當半導體激光器電流小于某值時，輸出功率很小，一般我們認為輸出的不是激光， 只有當電流

2、大于一定值I。，使半導體增益系數(shù)大于閾值時，才能產生激光，電流 I0 稱之為閾值電流。半導體激光器的電流與光輸出功率的關系如右圖，當電流大于I。時，激光輸出功率急劇增大。導體激光器的電流與輸出功率的關系如圖1所示。激光工作時電流大于I。，但也不可過大，以防損壞激光管（本實驗加了保護電路，防止功 率過載）。對激光器的調制電流應在I。附近，此時光功率對電流變化的靈敏度較高。2 .光纖的結構與分類一般裸光纖具有纖芯、包層及涂敷層（保護層）的三層結構，如圖 2所示。纖 芯：由摻有少量其他元素（為提高折射率）的石英玻璃構成，對于單模光纖。直徑約 為9.2微米。而對于多模光纖，纖芯直徑一般為 5。微米。包

3、層：由石英玻璃構成， 但由于成分的差異它的折射率比纖芯的折射率略微低一些，以形成全反射條件。直徑 約為125微米。涂覆層：為了增加光纖的強度和抗彎性、保護光纖，在包層外涂覆 了塑料或樹脂保護層。其直徑約 245微米。激光主要在纖芯和包層中傳播。圖2光纖結構按纖芯徑向介質折射率分布的不同， 可將光纖分為均勻和非均勻兩類。如 圖3,均勻光纖的纖芯與包層介質的折射率分別呈均勻分布，在分界面處折射 率有一突變，故又稱階躍型光纖；非均勻光纖纖芯的折射率沿徑向成梯度分布， 而包層的折射率為均勻分布，故又稱為梯度折射率型光纖。按照傳輸特性的不 同，又可將光纖分為單模和多模兩種。單模光纖較細，只允許一種傳播狀

4、態(tài)（模 式）；多模光纖較粗，可允許同時存在多種傳播狀態(tài)（模式）。圖3光纖類型3 .光纖的數(shù)值孔徑及其測量由于全反射臨界角i c的限制，光纖對自其端面外側入射的光束相應的存 在著一個最大的入射孔徑角，參考圖4。假設光纖端面外側介質的折射率為 n。, 自端面外側以i。角入射的光線進入光纖后，具到達纖芯與包層分界面處的入 射角ii剛好等于臨界角ico那么當端面外側光線的入射角大于i。時，進入光 纖時將不滿足全反射條件。圖4光纖導光光路圖因此，i。就是能夠進入光纖且形成穩(wěn)定光傳輸?shù)娜肷涔馐淖畲罂讖浇?可以證明，對于階躍型光纖，有：(Dni n2i0 arcsin n。般用光纖端面外側介質折射率與最大

5、孔徑角正弦的乘積n。sini。，表征允許進入光纖纖芯且能夠穩(wěn)定傳輸?shù)墓饩€的最大入射角范圍， 稱為光纖的數(shù)值孔徑。對于階 躍型光纖數(shù)值孔徑大小為:22NAnoSini。n1"光纖數(shù)值孔徑的另一種定義是遠場強度有效數(shù)值孔徑。遠場強度有效數(shù)值孔徑是 通過測量光纖遠場強度分布來確定的。它被定義為光纖遠場輻射圖上光強下降到最大 值的1/e2處的半角的正弦值，如圖5所示。圖5光纖數(shù)值孔徑定義14量光線最大出射的光功率分布曲線及光纖端與探測界面的距離，利用光強下降到最大值的1/e2處的半張角的正弦值，計算光纖的數(shù)值孔徑。n。為空氣中的折射率，no 1NA n0 sin i0r丁r24 .模式根據(jù)光

6、的波導理論，光在光纖中的傳播，應可用電磁波的麥克斯韋方程來描述， 在一特定的邊界條件下麥克斯韋方程有一些特定的解，這些解代表著一些可在光纖中 長期穩(wěn)定傳輸?shù)墓馐?，這些光束或解即被我們稱為模式。理論可以證明，對于波長為 1310nm或1550nm的光波當名f芯小于10um時，我們所使用的光線中只有一個基?？梢?穩(wěn)定傳輸。它沿徑向的光強分布為高斯分布。這種光纖被我們稱為單模光纖。光纖中 的模式除了與光纖本身的參數(shù)折射率、直徑有關外，還與光的波長有關。在本實驗中 采用的是單模光纖，但此“單?！笔轻槍?31。-1550nm波長的，而本實驗采用的是650nm 的可見激光，因此有時光纖中耦合模式將不是單模

7、，而是一個簡單的多模（如梅花狀）， 各模式間可能有不同的傳輸路徑和偏振態(tài)。不同的傳輸路徑將導致光信號的脈沖展寬 （色散）。5 .光纖的耦合和耦合效率光纖的耦合是指將激光從光纖端面輸入光纖，以使激光可沿光纖進行傳輸。一 般來說，將激光的不對稱發(fā)射光束與圓對稱的光纖進行最優(yōu)耦合，需要在光纖和光 源之間插入透鏡，即所謂的直接耦合。直接耦合技術上比較簡單，但耦合效率比較 低。在這里采用了一套有五個自由度的調整機構來進行光纖的耦合。（半導體激光器被固定在一個二個自由度的角度調整架上，光纖固定在一個三自由度的直線調整架 上）。首先，我們通過五個自由度的反復、細致的調整，使經(jīng)過聚焦的激光焦點盡量 準確地、垂

8、直地落在光纖端面上，以使盡量多的激光進入光纖。由于激光焦點和光纖 的端面過于明亮和細小，因此我們無法用肉眼來判斷耦合的情況。 我們從光纖的另一 端（輸出端）通過觀察輸出光的強弱（光功率）和光斑的情況來判斷耦合情況。當我 們將激光耦合進光纖后，我們會在輸入端面后的一段光纖壁上看到一些泄漏的激光（光纖成紅色）這是一些不滿足光纖全反射條件的光，從光纖壁上泄漏出來的結果。我們也可在光纖的任何一段通過強烈彎曲光纖來觀察到這種泄漏情況。 這是由于強烈 的彎曲破壞了該處光纖的軸方向，使一部分光線的全反射條件被破壞，激光從光纖芯 中泄漏出來進入了涂覆層中。光纖的彎曲會改變光纖中光的傳輸模式、光強和偏振狀 態(tài)。

9、可以通過觀察輸出端的光斑來觀察這些現(xiàn)象。這也是光纖擾模的理論依據(jù)。耦合效率 反應了進入光纖中的光的多少。定義如下：色 100%（4）P0其中Pl為進入光纖中的光功率，P0為激光的輸出功率。 在理論上與光纖的幾何 尺寸，數(shù)值孔徑等光纖參數(shù)有著直接的關系，在實際操作中它還與光纖端面的處理情 況和調整情況有著更直接的關系。在本實驗中我們采用光功率計直接測出 Pl和P0來求 出。同操作者的操作情況有很大關系。6 .光纖中光速和光纖材料平均折射率的測量由于光在透光介質中的傳播速度反比于介質的折射率Cn kn 1（5）因此可以斷定光在光纖中的傳播速度小于在空氣中的傳播速度 co=3.0 108m/s。 本

10、實驗通過測量一用光脈沖信號在一個特定長度光纖中的傳播時間， 來求出光在光纖 中的傳播速度，從而算出光纖的平均折射率。Cn,則在光纖的一端輸入一連串穩(wěn)定的光脈沖信號，并在光纖的輸出端接收這些信 由于光纖的長度L引起一個脈沖信號的時間延遲 T。，若光在光纖中的速度為Lt0(6)再由包 n0,求出光纖的平均折射率C0 nco noCn7 .光纖通信由于上個世紀70年代光纖制造技術和半導體激光器技術的突破性進展，同時光 纖通信具有容量大、頻帶寬、光纖損耗低、傳輸距離遠、不受電磁場干擾等優(yōu)點，因 此光纖通信已成為現(xiàn)代社會最主要的通信手段之一。光纖通信的大致過程是：將要傳輸?shù)男畔ⅲㄕZ言、圖像、文字、數(shù)據(jù)）

11、加載到載 波上，經(jīng)發(fā)送機處理（編碼、調制）后，載有信息的光波被耦合到光纖中，經(jīng)光纖傳輸 到達接收機，接收機將收到的信號處理（放大、解碼、整形）后，還原成原來發(fā)送的 信息（語言、圖像、文字、數(shù)據(jù)），如圖6所示，本實驗將觀察通過光纖傳輸聲音信號 的整個過程。圖6光通信模塊從音頻信號源（錄音機）發(fā)出的信號，在示波器上觀察是一串幅度、頻率隨聲音 變化的近似正弦波信號。該信號經(jīng)調制電路調制后加載在一個 80KHz的方波上，對方 波的脈沖寬度進行了調制，并以此調制信號驅動半導體激光器，使激光器發(fā)出一連串 經(jīng)聲音調制的光脈沖。該光脈沖進入光纖后經(jīng)過光纖的傳輸，從光纖出光端輸出，被 光電二極管接收，還原成電信

12、號。這時我們可以從示波器上觀察到一審與驅動信號相 對應的脈沖信號，這種脈沖信號再經(jīng)過解調電路的解調， 最后還原成近似正弦波的電 信號，這時，可以從示波器上觀察到一系列與音頻信號源輸出信號相對應的波形。這 個近似正弦波的電信號經(jīng)功率放大后驅動揚聲器，便可以聽到聲音了。三、實驗儀器GX-1000光纖實驗儀，導軌，半導體激光器十二維調整，光纖調整架，光纖跳線，光 探頭十二維調整架，激光功率指示計，示波器，音源等。設備參數(shù)：1 .半導體激光器類型：氮化錢，工作電流：0-70mA激光功率：0-10mW輸出波長: 650nm2 .總輸出電壓為3.5-4V,考慮保護電路分壓，所以管芯電壓降為 2.2V;3

13、.光纖損耗率：每千米70%實驗所用光纖長度：200m計算損耗為93.1%,如激 光輸出功率為10mW除去損耗后激光輸出的總功率：9.31mW（計算耦合效率時用 到）；4 .信號源頻率可調范圍：10KHz-300kH乙四、主機功能實驗主機面板如下圖:表頭GX100比纖實驗儀/功能狀態(tài)旋鈕主機主要由3部分組成：電源模塊、發(fā)射模塊、接收模塊。1 .電源模塊主要是為半導體激光器和主機其它模塊提供電源。由3部分組成：1） 表頭：三位半數(shù)字表頭，用于顯示半導體激光器的平均工作電流。該電流可通過表頭下的電位器進行調整。2） 電源開關：220VAC6源開關。3）電流調節(jié)旋鈕：半導體激光器的工作電流調整鈕。2

14、.發(fā)射模塊主要功能為半導體激光器工作狀態(tài)和頻率參數(shù)的控制。內含一頻率可調的矩形波發(fā)生器、一個頻率固定的矩形波發(fā)生器和模擬信號調制電路。1）功能狀態(tài)選擇鈕：用于選擇半導體激光器的工作狀態(tài)。直流檔 ： 半導體激光器工作在直流狀態(tài)。脈沖頻率檔：半導體激光器工作在周期脈 沖狀態(tài)下。輸出的激光是一系列的光脈沖，且頻率可調。調制檔：激光器 工作在周期脈沖狀態(tài)下，但頻率固定，脈沖寬度受外部輸入的音頻信號調 制。2）脈沖頻率旋鈕：用于調節(jié)脈沖信號的頻率。3）輸出插座：三芯航空插座。連接半導體激光器。4）輸出波形插座：Q9插座。接示波器，用于觀察驅動激光器的波形。5）音頻輸入插座：3.5mm耳機插座。連接音頻信

15、號源一一單放機。6）音頻輸入波形插座：Q9插座。接示波器，可用于觀察音頻信號波形 3.接收模塊主要功能為光信號的接受、放大、解調和還原。內含光電二極管偏置驅動、 高頻放大、解調、音頻功放電路和揚聲器等。1）輸入插座：Q9插座。連接光電二極管。用于探測光脈沖信號。2）波形插座：兩個Q9插座?？煞謩e接示波器，觀察波形。前一個為 解調前的脈沖信號波形，后一個為解調后的模擬音頻信號波形。3）揚聲器開光：用于控制內置揚聲器的開和關（在主機后面板上）。半導體激光器一導軌滑塊二維光纖調整架實驗導軌二維光纖調整架光電二極管探頭光學機械一般結構五、實驗內容與方法提示1、半導體激光器的電光特性1）實驗儀功能置于“

16、直流”檔。用功率指示計探頭換下三維光纖調整架。2）打開實驗儀電源，將電流調節(jié)旋鈕順時針旋至最大。3）調整激光器的激光指向，使激光進入功率指示計探頭，并使顯示值達 到最大。逆時針旋轉電流旋鈕，逐步減小激光器的驅動電流，并計錄下電流值 和相應的光功率值。4）繪出電流一功率曲線，即為半導體激光器的電光特性曲線。曲線斜率急劇變化處所對應的電流即為閾值電流。注意：為防止半導體激光器因過載而損壞，實驗儀中含有保護電路，當 電流過大時，光功率會保持恒定，這是保護電路在起作用，而非半導體激光器 的電光特性。電流值光功率值2.光纖的耦合與模式1 ）將實驗儀功能檔置于直流檔。2 ）調整激光器的工作電流，使激光不太

17、明亮，用一張白紙在激光器前 面前后移動，確定激光焦點的位置。（激光過強會使光點太亮，反而不宜觀察。）3 ）使用光纖調整架連接光纖跳線，移動光纖調整架，使光纖端面盡量 逼近焦點。4 ）將激光器工作電流調至最大，通過仔細調節(jié)三維光纖調整架上的X軸、Y軸、Z軸調整螺釘和激光器調整架上的俯仰、扭擺角調整螺釘，使激光 照亮光纖端面并耦合進光纖。5 ）用功率指示計監(jiān)測輸出光強的變化，反復調整各調整螺釘，直到光 纖輸出功率達到最大為止。記下功率值。此值與輸入端激光功率之比即為耦合 效率（不計吸收損耗）。6 ）取下功率指示計探頭，換上白屏，輕輕轉動各耦合調整旋鈕，觀察 光斑形狀變化（模式變化）。7 ）彎曲光纖

18、，觀察光斑形狀變化（模式變化）。4、光纖中的光速和光纖材料平均折射率的測量1）將激光耦合進光纖，并使輸出達到最大。8 ）用二維可調光探頭取代原來的功率指示計探頭。9 ）用信號線將實驗儀發(fā)射模塊中輸出波形插座與雙蹤示波器的CH1通道相連。10 ）用信號線將實驗儀接收模塊中輸入波形（解調前）與示波器的CH2通道相連。11 ）示波器觸發(fā)打到CH1通道，顯示鍵置于雙蹤同時顯示（Dual）。12 ）將實驗儀功能鍵置于“脈沖頻率”檔，電流置于最大。13 ）打開示波器電源，CH1的電壓旋鈕置于" 2V/Div”檔上，時間周期旋鈕置于10uS/Div, 旋轉“脈沖頻率”旋鈕，在示波器上應可看到一定頻

19、率的方波。14 ） 調整實驗儀上的“脈沖頻率”旋鈕，使脈沖頻率約為50KHz。15 ） CH2的電壓旋鈕也置于" 2V/Div”檔上，觀察CH2通道上的波形， 并同時調整二維可調光探頭的位置和光纖輸出端面之間的距離，使CH2的波形盡量成為矩形波。16 ） “掃描頻率”置于 1 s/Div 檔，仔細調整頻率旋鈕，使示波器CH1通道上只顯示約一個半周期。17 ） 再仔細調整二維可調光探頭的前后位置，使從光纖中發(fā)出的光全部進入光探頭，將探頭的連線與激光功率指示計的Q9插座相連接。記錄下此時光強的相對值。12）從功率指示計上取下光電探頭的連線，連接到主機接收模塊的輸入插座上。觀察示波器上兩個

20、通道的波形。 記錄下CH1通道下降沿與CH2!道下降沿之間的時間差。即發(fā)射信號與接受信號之間的時間延遲（此延遲除包含了光在光纖中傳輸所消耗的時間外，還包含了電路的時間延遲）。13）取下三維光纖調整架，直接將二維可調光探頭置于激光頭前，使部分激光進入探頭。將探頭與功率指示計相連，觀察指示計上指示的光強大小。前后移動探頭，改變進入探頭的光的多少，使功率指示計上的顯示值等于步驟11 中記錄的光強相對值。14）將探頭連線重新接入主機接受模塊的輸入插座，觀察示波器上兩個通道的波形，記錄下CH1通道下降沿與CH2!道下降沿之間的時間差。即發(fā)射信號與接受信號之間的時間延遲（此時間延遲為電路的時間延遲）。15）將12 與 14 步驟中的時間延遲相比較，兩個時間延遲的差即為光在光纖中的傳輸時間。16）利用公式（6）計算光在光纖中的傳輸速度Cn,并由公式（7）求出光纖芯的折射率n。5. 模擬（音頻）信號的調制，傳輸和解調還原1） 將激光耦合進光纖。2） 將實驗儀的功能檔置于“音頻調制”檔。3）將示波器的CH1和CH21道