实验1光纤光学及半导体激光器的电光特性实验.doc

光纤光学与半导体激光器 的电光特性实验 实 验 说 明 书 北 京 方 式 科 技 有 限 责 任 公 司 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。 一 半导体激光器的电光特性 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。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。 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 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9.2微米。而对于多模光纤，纤芯直径一般为50微米。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125微米。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）。 三 光纤的数值孔径及其测量 由于全反射临界角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： （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为： （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，n0(1。 （3） 四 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）。 五 光纤的耦合和耦合效率 光纤的耦合是指将激光从光纤端面输入光纤，以使激光可沿光纤进行传输。一般来说，将激光