光纤光学实验报告

篇一：实验八光纤光学基本知识演示

实验报告

专业班级：学号： ---- 姓名：成绩：1

2

篇二：光纤光学与半导体激光特性实验指导书

光纤光学与半导体激光器的电光特性

由于20世纪70年代光纤制造技术和半导体激光器技术的突破性发展，光纤通信已成为现代社会最主要的通信手段之一。本实验利用通信用单模光纤和可见光（红光）半导体激光器对光通信过程进行了一个开放的、原理性的模拟，以期通过实际操作，对光纤本身的光学特性和半导体激光器的电光特性进行一个初步的研究。使学生对光纤和半导体激光器有一个基本的了解和认识。

一．实验目的

1．理解和巩固光学的基本原理和知识；

2．了解掌握光纤的使用技巧和处理方法；

3．了解掌握半导体激光器的使用方法和电光特性；

4、了解掌握光纤的一些光学特性和参数测量方法。

二．基本原理

光纤通信的光学理论是建立在光的全反射理论和波导理论上的。现代光通信中使用的光纤一般分为单模光纤和多模光纤两种。它们在结构上的区别主要在于纤芯的几何尺寸上，图1是光纤结构图。它由三层结构构成：（1）纤芯：由掺有少量其他元素的石英玻璃构成（为提高折射率），对于单模光纤，

直径约9.2 mm，而对于多模光纤，纤芯直径一般为

50 mm。这是它们在结构上的最主要区别。（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 mm。（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 mm。激光主要在纤芯和包层

中传播。图1 光纤结构示意图

1．光纤端面的处理

为了使激光在输入光纤和输出光纤时有一个理想的状态，如较高的耦合效率，均匀对称的光斑和模式。一般均需要对光纤的端面进行较为细致的处理。一般光纤端面的处理有两种主要方法。一种是使用专用刀具进行切割。另一种为研磨处理。在本实验中，采用较为简单的手工刀具切割，以使光纤端面较为平整。

2．光纤的耦合和耦合效率

在本实验中，光纤的耦合是指将激光从光纤端面输入光纤，以使激光可沿着光纤进行传输。在这里采用了一套有五个自由度的调整机构来进行光纤的耦合。（半导体激光器被固定在一个二个自由度的角度调整架上，光纤固定在一个三自由度的直线调整架上）首先，将经过端面处理的光纤放入光纤夹中压紧。然后装入三维光纤调整架

中固定。通过五个自由度的反复、细致的调整，使经过聚焦的激光，焦点尽量准确地、

垂直地落在光纤端面上，以使尽量多的激光进入光纤。由于激光焦点和光纤的端面过

于明亮和细小，无法用肉眼来判断耦合的情况。实验是从光纤的另一端（输出端）通

过观察输出光的强弱（光功率）和光斑的情况来判断耦合情况。当将激光耦合进光纤

后，会在输入端面后的一段光纤壁上看到一些泄漏的激光（光纤成红色）这是一些不

满足光纤全反射条件的光，从光纤壁上泄漏出来的结果。同时，也可在光纤的任何一

段通过强烈弯曲光纤来观察到这种泄漏情况。这是由于强烈的弯曲破坏了该处光纤的

轴方向，使一部分光线的全反射条件被破坏，激光从纤芯中泄漏出来进入了涂覆层中。

光纤的弯曲会改变光纤中光的传输模式、光强和偏振状态。对此，可以通过观察输出

端的光斑来观察这些现象。这也是光纤扰模的理论依据。

耦合效率?反应了进入光纤中的光的多少。定义如下：

??(pi/po)?100% （１）

其中pi为进入光纤中的光功率，p为激光的输出功率。?在理论上与光纤的几何尺o

寸，数值孔径等光纤参数有着直接的关系，在实际操作中它还与光纤端面的处理情况

和调整情况有着更直接的关系。在本实验中采用光功率计直接测出pi和p来求出?。o

当然这个?同操作者的操作水平有很大关系。

2.模式

根据光的波导理论，光在光纤中传播，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，这些光束或解即称为模式。理论可以证明，对于波长为1310nm

或1550nm的光波当光芯小于10μm时，所使用的光纤中将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。这种光纤称为单模光纤。光纤中的模式除了与

光纤本身的参数如折射率、直径有关外，还与光的波长有关。本实验中采用的是单模

光纤，但是是针对1310-1550nm光波的。而实验中采用的是650nm的可见激光，因此

有时光纤中的模式将不是单模，而是一个简单的多模（如梅花状）而各模式间可能有

不同的传输速度、传输路径和偏振态。不同的传输速度将导致光信号的脉冲展宽（色散）。这也是为什么干线网（宽带网）多采用单模光纤，而局域网多采用多模光纤的

一个原因。

3.光在光纤中的传播时间和速度

由于光在介质中的传播速度反比于介质的折射率

c?kn?1（２）

因此可以断定光在光纤中的传播速度小于光在空气中的传播速度c?3?108m/s。0

本实验通过测量一串光脉冲信号在一定长度光纤中的传播时间，来求出光在光纤中的传播速度，从而算出光纤的平均折射率。

我们在光纤的输入端输入一连串稳定的光脉冲信号，并在光纤的输出端接受这些

信号，由于光纤的长度引起一个脉冲信号的时间延迟

t0?cnl （３）

其中cn为光在光纤中的速度，l为光纤长度，如果我们测出了t0则

n cn?l/t0 再由c/c0?n1/n0，可求出n1?(cn/c0)?n0。

0其中cn为光在光纤中的速度，c0为光在空气中的速度，n为空气的折射率。

4.光纤的数值孔径n.a

数值孔径是光纤的光学结构参数，它表示了光纤收集光的能力，如图2所示，它

被定义为刚满足全反射条件的光束的入射角的正弦与n0的乘积，即

n.a?n0sin?a

a大于?入射的光线将从包层中泄漏出去，而小于?入射的光线将有可能被约束在光纤a

中长距离传输。可以证明n.a主要由纤芯折射率n和包层折射率n决定。本实验是12

通过测量输出光斑的发散角来算出n.a的。

图2 光在光纤中的传播情况

5.光通讯

在现实的光通讯中，有一部分传输的是声音的信号，如语言、音乐等。本实验将

观察通过光纤传输声音信号的过程。

从音频信号源（录音机）发出的信号，从示波器上观察是一串幅度、频率随声音变化的近似正弦波信号。该信号经调制电路调制后加载在一个80khz的方波上,对其

相位（频率）进行了调制，并以此调制信号驱动半导体激光器，使激光器发出一连串

经声音调制的光脉冲。该光脉冲进入光纤后经过光纤的传输，从光纤出光端输出，被

光电二极管接收，经过放大、还原成电信号。这时可以从示波器上观察到一串与驱动

信号相对应的脉冲信号，这种脉冲信号经解调电路的解调，再还原成近似正弦波的电

信号。这时，可以从示波器上观察到一系列与音频信号源输出信号相对应的波形。这

个近似正弦波的电信号经功率放大后驱动扬声器，便可以听到声音了。

6.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各个领域。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了一些基本的研究，以掌握半导体激

光器的一些基本特性和使用方法。

一般半导体激光器的电流与光输出功率的关系如图3，当电流小于i0时输出功率

很小，一般认为输出的不是激光；而当电流大于i0

时，激光输出功率急剧增大，i0即为阈值电流。

激光器工作时电流应大于i0，但也不可过大，以

防损坏激光管（本实验已加了保护电路，防止功

率过载）。而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。图3 电流与光输出功率的关

三．实验仪器

gx1000光纤实验仪，半导体激光器，光功率指示计，光纤若干，光纤刀，信号

纤，光纤夹。

四．实验内容

（一）半导体激光器的电光特性。

1、将实验仪功能档置于“直流”档。用功率指示计探头换下三维光纤调整架。

2、打开实验仪电源，将电流旋钮顺时针旋至最大。

3、调整激光器的激光指向，使激光进入功率指示计探头，使显示值达到最大。

4、逆时针旋转电流旋钮，逐步减小激光器的驱动电流，并记录下电流值和相应的光功率值。

5、绘出电流—功率曲线，即为半导体激光器的电光特性曲线。曲线斜率急剧变化处所对应的电流即为阈值电流。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。（二）光纤的端面处理和夹持。

1、用光纤剥皮钳剥去光纤两端的涂覆层（如没有剥皮钳，可用刀片小心的刮去涂覆层），长度约10mm。

2、在5mm处用光纤刀刻划一下。用力不要过大，以不使光纤断裂为限。

3、在刻划处轻轻弯曲纤芯，使之断裂。处理过的光纤不应再被触摸，以免损坏和污染。

4、将光纤的一端小心的放入光纤夹中，伸出长度约10mm，用簧片压住，放入三维光纤架中，用锁紧螺钉锁紧。

5、将光纤的另一端放入光纤座上的刻槽中，伸出长度约10mm，用磁吸压住。

（三）光纤的耦合与模式。

1、将实验仪功能档置于直流档。

2、调整激光的工作电流，使激光不太明亮，用一张白纸在激光器前前后移动，确定激光焦点的位置。（激光太强会使光点太亮，反而不宜观察。）

3、通过移动三维光纤调整架和调整z轴旋钮，使光纤端面尽量逼近焦点。

4、将激光器工作电流调至最大，通过仔细调整三维光纤调整架上的x轴、y轴、 z轴旋钮和激光器调整架上的水平、垂直旋钮，使激光照亮光纤端面并耦合进光纤。用功率指示计监测输出光强的变化，反复调整各旋钮，直到光纤输出功率达到最大为止。

5、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（不计吸收损耗）。

7、轻轻触动或弯曲光纤，观察光斑形状变化（模式变化）。

（四）传输时间的测量。

1、如实验（二）、（三）1-4步所述，将激光耦合进光纤，并使输出达到最大。

2、用二维可调光探头取代原来的功率指示计探头。

3、用信号线将实验仪发射板中输出波形与双踪示波器的ch1通道相连。

4、用信号线将实验仪接收板中输入波形（解调前）与示波器的ch2通道相连。

5、示波器触发拨到ch1通道，显示键置于双踪同时显示（dual）。

6、将实验仪功能键置于“脉冲频率”档，电流置于最大。

7、打开示波器电源，ch1的电压旋钮置于“2v/div”档上，时间周期旋钮置于 10μs/div，旋转“脉冲频率”旋钮，在示波器上应可看到一定频率的方波。

8、调整实验仪上的“脉冲频率”旋钮，使脉冲频率约为50khz。

9、ch2的电压旋钮也置于“2v/div”档上，观察ch2通道上的波形，并同时调整二维可调光探头的位置和光纤输出端面之间的距离，使ch2的波形尽量成为矩形波。

10、将“扫描频率”置于1μs/div档，仔细调整“脉冲”频率旋钮，使示波器篇三：光纤光学调研报告

光纤通信的发展

谈到光纤通信的发展，我们不得不先说说光通信的历史。在古老的世界文明史上，我国的烽火台是有记载的最早的光通信方式。人们利用烽火台升起的狼烟传递战争的信息。随着人们认识到信息的重要性。17世纪中叶，人们发明了望远镜。到1791年，法国人发明了灯信号，此后“灯语”通信在欧洲风靡一时。直到今天，信号灯、旗语、望远镜等目视光通信的手段仍在使用，但是这一切还是最原始的光通信。真正实现最初的光通信是1880年的贝尔的光电话。贝尔用弧光灯或者太阳光作为光源，光束通过透镜聚焦在话筒的震动片上。当人对着话筒讲话时，震动片随着语音震动而使反射光的强弱随着话音的强弱作相应的变化，从而使话音信息“承载”在光波上（这个过程叫调制）。在接收端，装有一个抛物面接收镜，它把经过大气传送过来的载有话音信息的光波反射到硅光电池上，硅光电池将光能转换成电流（这个过程叫解调）。电流送到听筒，就可以听到从发送端送过来的声音了。这就是最初的光通信的几种方式。

光通信的发展随着光纤的发明而迅速兴盛且逐渐成为通信的主流。人们首先发现了透明度很高的石英玻璃丝可以传光。这种玻璃丝叫做光学纤维，简称“光纤”。人们用它制造了在医疗上用的内窥镜，例如做成胃镜，可以观察到距离一米左右的体内情况。但是它的衰减损耗很大，只能传送很短的距离。光的损耗程度是用每千米的分贝为单位来衡量的。这可以说是光纤最初的应用。1966年7月英藉华人高锟（k.c.kao)博士，通过在英国标准电信实验室所作的大量研究的基础上，就光纤传输的前景发表了具有重大历史意义的论文，论文分析了玻璃纤维损耗大的主要原因，大胆地预言，只要能设法降低玻璃纤维的杂质，就有可能使光纤的损耗从每公里1000分贝降低到20分贝／公里，从而有可能用于通信。这篇论文使许多国家的科学家受到鼓舞，加强了为实现低损耗光纤而努力的信心。世界上第一根低损耗的石英光纤――1970年，美国康宁玻璃公司的三名科研人员马瑞尔、卡普隆、凯克成功地制成了传

输损耗每千米只有20分贝的光纤。之后，光纤通信的应用发展极为迅速，应用的光纤通信系统已经多次更新换代。光纤通信的发展可以主要分为以下几个阶段：70年代的光纤通信系统主要是用多模光纤，应用光纤的短波长（850纳米）波段；80年代以后逐渐改用长波长（1310纳米），光纤逐渐采用单模光纤；到90年代初，通信容量扩大了50倍，达到2.5gb／s；进入90年代以后，传输波长又从1310纳米转向更长的1550纳米波长，并且开始使用光纤放大器、波分复用（wdm）技术等新技术。通信容量和中继距离继续成倍增长。广泛地应用于市内电话中继和长途通信干线，成为通信线路的骨干。我们也可以根据光的波长来分别光纤发展的几个阶段:85微米波段的多模光纤的第一代光纤通信系统。1981年又实现了两电话局间使用1.3微米多模光纤的通信系统，为第二代光纤通信系统。1984年实现了1.3微米单模光纤的通信系统，即第三代光纤通信系统。80年代中后期又实现了1.55微米单模光纤通信系统，即第四代光纤通信系统。光纤通信的发展日新月异。这里我们介绍几种光纤通信领域的新技术。几种新技术如下：相干光通信、光孤子通信、光时分复用、光码分复用、自动交换光网络。首先，相干光通信是指充分利用光纤通信的带宽，将无线电数字通信系统中外差检测的相干通信方式应用于光纤通信，在光纤通信系统中采用外差或零差检测方式，显著提高接收灵敏度和选择性。相干光通信充分利用了相干通信方式具有的混频增益、出色的信道选择性及可调性等特点。其主要优点有接收灵敏度高、频率选择性好、可补偿光脉冲的色散效应、可抑制噪声积累、具有多种调制方式。光孤子是一种具有特殊性质的短脉冲，它经光纤长距离传输后能保持其初始形状，即其幅度和宽度都保持不变。光纤具有色散和非线性的特性，它们单独起作用时，会使光纤中传输的光信号产生脉冲展宽，损耗系统的传输特性。利用其两种效应的相互制约作用，就可以光脉冲经过长距离传输而不发生畸变，这就是光孤子通信。光孤子通信的优点在于超大容量以及超长距离传输。波分复用wdm和光时分复用otdm都可以提高传输速率。其中光时分复用是将多个高速电调制信号转换为等速率的光信号，然后在光层上利用超窄光脉冲进行时域复用，将其调制成更高速率的光信号。其主要有以下几个主要优点：（1）可解决wdm系统中受激raman散射和四波混频效应等限制；（2）提高光谱带宽效率。光码分多用cdma技术作为一种多址方案，采用光特征来编码和解调，不同的信息可共享一个时域、频域、空间域，根据域值从通道的所有信号中选取所需的信号，光解码器的输出和输入信号和滤波器相匹配。其特点主要有保密性好，安全性高，可以实现任何现有的光纤与wdm技术结合使用，也可以异步接入。最后需要介绍的是自动交换光网络。自动交换光网络ason (automatically switched optical network) 以光传送网（otn）为基础的自动交换传送网（astn）。

在以上几种光纤通信新技术当中，我最困惑以至于最感兴趣的是光时分复用技术。最初感到困惑是由于波分复用系统。即像上面所说，波分复用wdm与时分复用otdm都可以提高传输速率。那“复用”到底是怎样实现的呢，其又是怎样实现传输速率的提高的呢?时分复用是通信网中普遍采用的一种复用方式。光时分复用（optical time-division multiplexing；otdm ）和电时分复用类似，也是把一条复用信道划分成若干个时隙，每个基带数据光脉冲流分配占用一个时隙，n个基带信道复用成高速光数据流信号进行传输。光时分复用通信系统主要由光发射部分、传输线路和接收部分等组成。光发射部分主要由超窄脉冲光源及光时分复用器组成。高重复频率超窄光脉冲源的种类包括掺铒光纤环形锁模激光器、半导体超短脉冲源、主动锁模半导体激光器、多波长超窄光脉冲源等。其所产生的脉冲宽度应小于复用后信号周期的1/4，应具有高消光比（高达30db以上），并且脉冲总的时间抖动均方根值不应大于信道时隙的1/14，这是因为脉冲形状不是理想的矩形，而为高斯脉冲，信号源与时钟之间的时间抖动会引起解复用信号的强度抖动，这种强度抖动使信号的误码加大。接收部分接收部分包括光时钟提取、解复用器及低速率光接收机。光时钟提取与电时钟提取的功能相同，但光时钟提取必须从高速率的光脉冲中提取出低速的光脉冲或电脉冲，例如从160gbit/s的光脉

冲信号中提取10ghz的时钟脉冲。提取出来的时钟脉冲作为控制脉冲提供给解复用器用，其脉宽必须特别窄，因此，时钟脉冲的时间抖动应尽可能小，其相位噪声也应尽量低，为保证时钟脉冲峰值功率的稳定应使提取系统的性能与偏振无关。能满足这些要求的全光时钟提取技术有锁模半导体激光器、锁模掺饵光纤激光器以及锁相环路（pll）。使用较多的是pll技术，它是一种较为成熟的方案。光解复用器的功能正好与光复用器相反，在光时钟提取模块输出的低速时钟脉冲的控制下，光解复用器可输出低速率光脉冲信号，例如当时钟脉冲为10ghz时，光解复用器可从160gbit/s信号中分离出10gbit/s信号，16个相同的光解复用器可输出16组10gbit/s信号。光解复用器主要有半导体锁模激光器、光学克尔开关、四波混频（fwm）开关、交叉相位调制（xpm）开关及非线性光学环路镜（nolm）等几种。由解复用器输出的光信号为低速率光脉冲信号，可以用一般光接收机来接收。otdm技术被认为是长远的网络技术。为了满足人们对信息的大量需求，将来的网络必将是采用全光交换和全光路由的全光网络，而otdm的一些特点使它作为将来的全光网络技术方案更具吸引力。

光纤技术发展的迅猛满足了新世纪的社会通信需求，同时认识到光纤通信将是一项新的伟大的产业。不得不感叹，未来是属于光的世界。