光纤光学讲义.doc

光纤通信实验 光纤通信利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信目的光纤通信是现代通信网的主要传输手段，在发送端把传送的信息（如话音）变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度（频率）变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。构成光纤通信的基本要素是光源、光纤和光检测器 半导体激光器可以作为光纤通信的光源超小型、高效率和高速工作的优异特点，到如今，它是当前光通信领域中发展最快、最为重要的激光光纤通信的重要光源.光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。前香港中文大学校长高锟和George A. Hockham首先提出光纤可以用于通讯传输的设想，高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖。光:把光发射机发送的携带有信息的光信号转化成相应的电信号并放大、再生恢复为原传输的信号 【实验目的】 了解和掌握半导体激光器的电光特性和测量阈值电流 了解和掌握光纤的结构和分类以及光在光纤中传输的基本规律。 对光纤本身的光学特性进行初步的研究，对光纤的使用技巧和处理方法有一定的了解。 了解光纤通信的基本原理。 【实验仪器】 导轨，半导体激光器+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，专用光纤钳、光纤刀，示波器，音源等。 【实验原理】 一、半导体激光器的电光特性 实验采用的光源是半导体激光器，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。因此对半导体激光器的了解和使用就显得十分重要。本实验对半导体激光器进行一些基本的实验研究，以掌握半导体激光器的一些基本特性和使用方法。 半导体激光器的发光原理是基于受激光发射。要使半导体激光器产生相干的受激光需满足两个条件：既粒子数反转与阈值条件。粒子数反转就是使处于高能态的粒子（半导体能带中的电子）数多于低能态的粒子数，达到这个条件，工作物质就产生增益。阈值条件要求粒子数反转必须反转到一定的程度，即达到由于粒子数反转所产生的增益能克服有源介质的内部损耗和输出损耗（激光器输出对有源介质来说就是一种损耗），此后的增益介质就具有净增益。半导体激光器和其他激光器一样，激光器结构都包括三部分，即能产生粒子数翻转的工作物质；使光子不断反馈的振荡，从而实现光增益达到阈值的光谐振腔及激励起粒子数反转的电源。 本实验主要进行半导体激光器的电光特性和测量阈值电流，阈值是激光器的属性，它标志这激光器的增益和损耗的平衡点。由于半导体激光器是电子-光子转换器，因此其阈值常用电流来表示。阈值电流的测定可通过直线拟合法来实现。 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图1所示，曲线在阈值以上的直线部分延长而与电流坐标轴的相交点所对应的电流即为阈值电流。当电流大于I0时，激光输出功率急剧增大。激光输出功率急剧增大。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。 二、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。①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9um。而对于多模光纤，纤芯直径一般为50um。②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125um。③涂覆层：为了增加光纤的强度和抗弯性、保护光纤，在包层外涂覆了塑料或树脂保护层。其直径约250um。激光主要在纤芯和包层中传播。光纤具有以下独特的优点。 光纤具有良好的传光特性，他对光波的损耗目前可低到0.2dB/Km. 频带宽，信息量大因为光纤传输的是光，现在使用的光纤的频率在1014~1015Hz的范围内，比微波高5个数量级，即光的频率高。 光纤本身是一种敏感元件，光在光纤中传输时，光的特性如振幅、相位、偏振态等将随检测对象发生变化而相应变化。 光纤的电绝缘性好，它不受电磁干扰，无火花，能在易燃、易爆的环境中使用。 光纤极细，可塑性好。光纤的总直径为100~200um，可放置在小孔和缝隙等被监测点，而且对测量点扰动小。 光纤原料资源丰富，价格低廉。 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布，故又