光纤光学与半导体激光器的电光特性实验(精)

光纤光学与半导体激光器的电光特性实验

上个世纪70年代光纤制造技术和半导体激光器技术取得了突破性的进展。光纤通信具有容量大、频带宽、光纤损耗低、传输距离远、不受电磁场干扰等优点，因此光纤通信已成为现代社会最主要的通信手段之一。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。

【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。

【实验仪器】

GX-1000光纤实验仪，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+十二档光探头（选购），专用光纤钳、

光纤刀，示波器，音源等。如右图所示。

1．设备参数：

（1）半导体激光器类型：氮化镓，工作电流：0-70mA ，激

光功率：0-10mW ，输出波长：650nm ；

（2）总输出电压为3.5-4V ，考虑保护电路分压，所以管芯

电压降为2.2V 。

（3）光纤损耗率：每千米70%，实验所用光纤长度：200m ，计算损耗为93.1%，如激光输出功率为10mW ，除去损耗后激光输出的总功率：9.31mW ，（计算耦合效率时用到）。

（4）信号源频率可用范围:10KH Z -300KH Z 。

2．主机功能

实验主机面板如下图 GX1000光纤实验仪发射

接受

北 京 方 式 科 技 有 限 责 任 公 司

电流 mA

电流调节直流

调制

脉冲频率输出 波形音频输入 波形输入 波形 波形解调电源开关

表头功能状态旋钮

主机主要由3部分组成：电源模块、发射模块、接收模块。

(1)电源模块 主要是为半导体激光器和主机其它模块提供电源。由3部分组成：

①表头：三位半数字表头，用于显示半导体激光器的平均工作电流。该电流可通过表头下的

电位器进行调整。

②电源开关：220VAC电源开关。

③电流调节旋钮：半导体激光器的工作电流调整钮。

(2)发射模块主要功能为半导体激光器工作状态和频率参数的控制。内含一频率可调的矩形波发

生器、一个频率固定的矩形波发生器和模拟信号调制电路。

①功能状态选择钮：用于选择半导体激光器的工作状态。直流档：半导体激光器工作在直流

状态。脉冲频率档：半导体激光器工作在周期脉冲状态下。输出的激光是一系列的光脉冲，且频率可

调。调制档：激光器工作在周期脉冲状态下，但频率固定，脉冲宽度受外部输入的音频信号调制。

②脉冲频率旋钮：用于调节脉冲信号的频率。

③输出插座：三芯航空插座。连接半导体激光器。

④输出波形插座：Q9插座。接示波器，用于观察驱动激光器的波形。

⑤音频输入插座：3.5mm耳机插座。连接音频信号源——单放机。

⑥音频输入波形插座：Q9插座。接示波器，可用于观察音频信号波形。

(3)接收模块主要功能为光信号的接受、放大、解调和还原。内含光电二极管偏置驱动、高频放

大、解调、音频功放电路和扬声器等。

①输入插座：Q9插座。连接光电二极管。用于探测光脉冲信号。

②波形插座：两个Q9插座。可分别接示波器，观察波形。前一个为解调前的脉冲信号波形，

后一个为解调后的模拟音频信号波形。

③扬声器开光：用于控制内置扬声器的开和关。在主机后面板上。

： 3.

OPT-1A型激光功率指示计是一种数字显示的光功率测量仪器，采用硅光电池作为光传感器，针对650nm波长的激光进行了标定，用于测量该波段的激光功率。如图：

(1)前面板

①表头：3位半数字表头，用于显示光强的大小。

②量程选择钮：分为200uW、2mW、20mW、200mW四个标定量程和可调档；测量时尽量采用合适

的量程，如测得的光强为1.732mW，则采用2mW量程。可调档显示的是光强的相对值。

③调零：调零时应遮断光源，旋动调零旋钮，使显示为零，调零完毕。

(2)后面板

①电源开关按钮：电源开关（220VAC）。

②LD插座：本功率指示计可作为我公司生产的半导体激光器的电源。

③光探头插座：与光探头相连接。

(3)功率计探头

①该光探头在硅光电池前加上一多结构光栏，可用于光斑定位，光强分布、光斑结构测量等。

②结构分别为圆孔和细缝；圆孔直径为0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、6.0mm，缝宽0.2、0.3、

0.4、0.8、1.2mm。

③在使用时，用此探头与OPT-1A型激光功率指示计连接即可，用户根据实际测量需要，采用

相应的采光档位（硅光电池置于光栏正上方）。

④探头：内置硅光电池，与光探头插座相连接。

前面板

后面板

12档光栏盘

探头

【实验原理】

1.半导体激光器的电光特性

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。

2.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

b阶跃型多模光纤

c梯度折射率型光纤

n

n

n

a阶跃型单模光纤

图2

I0

图1

I

P