物理电子学基础实验绪论

2015/03
清华大学电子工程系/马晓红
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课程内容
一、实验基础与仪器使用
1.
光功率计+光谱仪
实验室提供3种波长的激光器 学会使用光功率计测量激光器的输出光功率 学会使用光谱仪测量激光器的光谱
2.
光纤熔接机+光学平台实验基础
学习光纤端面处理并使用光纤熔接机焊接光纤 练习光学平台上的基本操作，调节平行光，观测光栅衍射
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课程内容
二、实 验
1. 2. 3. 4.
光纤特性
认识光纤、掌握特性、了解应用
半导体激光器
认识激光器特性，思考相关的应用
光纤传输系统
认识系统组成，了解特性，学会设计系统
全息光栅
了解光栅特性，制作光栅，观察衍射并测量
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A1
A10
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A1
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两人一小组，共12小组，每个实验三套设备可容纳3组
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课程要求——怎样上实验课？
拟定步骤
拟定步骤：把原理和实验方法变成实验步骤 写预习报告，实验开始检查预习报告并签字
搭建和调 试实验 实验测量 分析结果 老师签字

搭建实验：把实验步骤变成实验操作； 例：光路要求是什么，如何调，如何验证 难点：把书上或自己写的话变成操作

做设计内容时，要先设计装置（画框图）， 再设计测量步骤 ； 正确使用实验仪器，注意数据合理性； 实验结束后，须请老师在实验记录上签字 清华大学电子工程系/马晓红
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单模和多模光纤结构示意图
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一、光纤
1. 光纤的结构
单芯光纤
多芯光缆
光缆横截面
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一、光纤
2. 光纤的传光原理
子午光线在光纤内应满足全反射条件。要使光能完全限制 在光纤内传输，则应使光线在纤芯-包层分界面上的入射 角ψ大于等于临界角ψ0， n2 n2
2015/03 清华大学电子工程系/马晓红 当满足一定的入射条件时，光波就能沿着纤芯向前传播。 28
一、光纤
1. 光纤的结构

按传输பைடு நூலகம்模式数量可分为单模光纤和多模光纤： 单模光纤：只能传输一种模式(基模)； 多模光纤：能同时传输多种模式的光纤；
多模光纤
单模光纤和多模光纤的纤芯的尺寸和纤芯-包层的折射率差 值不同。 多模光纤的纤芯直径大，直径2a=50~500µm，纤芯-包 层折射率差大，∆=(n1-n2)/n1=0.01~0.02。用于 通信的多模光纤有两种：纤芯直径为50µm和62.5µm。 通信用单模光纤纤芯直径一般为9µm。
物理电子学基础实验
maxh@tsinghua.edu.cn 62772910，13671247812
马晓红
清华大学电子工程系
2015.3
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提 纲

课程目标 课程内容 课程要求 基础知识
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课程意义——电子信息科学知识体系范围
= sinψ 0
= , ψ ≥ψ arcsin 0 n1 n1
定义：子午面内数值孔径：
2 NA子 n0sinϕ0 = n12 − n2 =
数值孔径是光纤参数之一，标志着光纤入射光角度限制
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一、光纤
3. 光纤的损耗特性
光纤的实用化和发展过程一直是围绕着降低损耗来进行的。 从二十世纪60年代到80年代，光纤损耗从100dB/km 减小到0.2dB/km，由于受到光纤制造工艺和光纤材料 固有因素的影响，损耗是不可消除的。 各种损耗引起的功率衰减通常定义为(单位为分贝, dB)
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提 纲
课程目标 课程内容 课程要求 基础知识

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课程内容
实验分两个阶段安排:
一、实验基础与仪器使用(3次)
1. 2. 3. 4. 5. 6.
光纤与光纤连接 光功率计原理与使用 光谱仪原理与使用 光纤熔接机 常用光无源器件 光学平台操作基础

分三次进行，每周一次，第三次仪器使用验收
二、 四个实验
1. 2. 3. 4.
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光纤特性 半导体激光器 光纤传输系统 全息光栅
大循环的上课方式
同时开展4个实验，学生两 人一小组，每次做一个实 验，循环轮换，
共4次实验；
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排课分组
全体同学分为7组，A－G组，每组人数<=24人 每两人为一小组，每大组最多12小组。 第一阶段：第2-4周，两次基础实验，一次仪器使用验收 每次有两个内容，24人分为两部分，轮换着做
电子信息科学是研究信息的获取、传输、处理等过程的内涵丰富范 围广泛的学科，信息传输载体的种类是多样的，从电磁波谱中可以 看出，光占有较宽的范围。
现代信息技术领域不仅包括电子技术， 而且包括光子技术。
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新一代信息科学技术将发生重大突破在哪里？
未来十年电子信息产业仍然是发达国家抢占的战略制高点。 新一代信息科学技术将发生的重大突破在哪里？
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电子信息科学与技术依靠 清华大学电子工程系/马晓红 “电子+光子”两个支柱
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在这门课上培养什么？

掌握物理电子学/信息光电子学的基本专业知识 掌握实验研究方法和基本实验技巧 学会光电子领域的基本测试方法与仪器使用方法 实验课做先导，扩展基础面，培养专业兴趣 通过课堂学习培养自主学习能力 学会提出问题--”问号比句号重要”
2.
光纤熔接机+光学平台实验基础
学习光纤端面处理并使用光纤熔接机焊接光纤 练习光学平台上的基本操作，观测光栅衍射，调节平行光
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排课方式
实验分成两个阶段：
一、 实验基础与仪器使用
1. 2.
实验一
实验四
实验二
光功率计+光谱仪 光纤熔接机+光学平台实验基础
实验三
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一、光纤
1. 光纤的结构

按纤芯折射率分布的方式可分为阶跃折射率光纤 和渐变折射率光纤。

阶跃折射率光纤：纤芯折射率是均匀的，在纤芯和包 层的分界面处折射率发生突变； 渐变折射率光纤：折射率是按一定的函数关系随光纤 中心径向距离而变化。
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通过实验课得到什么？ --体验科学实验的真实过程
多思考，探索方法
• 得到正确结果，并且…… • 掌握正确方法，并且…… • 实验过程中犯的错误是宝贵的经验 • 把实验中所想到的问题通过实验验证出来 • 理解实验条件设置的理由 • 学习解决问题（遇到的麻烦）的方法
行深入思考，经过思考后，再去实验验证自己思考 中出现的问题
实验记录：数据、过程、器件参数、测试仪器状态
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课程内容
一、实验基础与仪器使用
1.
光功率计+光谱仪
实验室提供2-3种波长的激光器， 学会使用光功率计测量激光器的输出光功率， 学会使用光谱仪测量激光器的光谱。

实验后——实验报告

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重新整理实验数据，完整总结实验，报告结果及分析 清华大学电子工程系/马晓红
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重要提醒

注意实验安全 做下个实验时交本次实验报告 不要迟到 特殊情况请假或调时间必须找老师
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教师组

教师：
马晓红 博士生助教：
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实验报告的要求

实验前——预习报告：

认真阅读指导书，明确实验内容，拟定实验步骤 不用大段抄原理，简单写清主要原理

实验中——原始记录：

每人独立记录实验过程与数据 真实记录实验过程，包括实验装置要点、测试条件、 仪器参数、测试数据、处理 只有数字没有文字的实验记录是不合格的
典型的单模光纤衰减谱曲线
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三个光通信窗口 在1.4µm附近有高损耗区（水峰） 1.55 µm附近是最低损耗区（目前WDM通信波长）
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关注点在哪里？
实验结果固然重要，更重要的还有两点：
1. 实验过程的设计、执行、记录（包括条件和方法）； 2. 实验结果（现象和数据）的分析；
系统化的思考方法：光电子技术实验，都包括
电路、光学、机械、光电子技术等方面的综合实 验，需要系统性地考虑问题解决问题。
基础材料的突破！

2009年诺贝尔物理学奖获得者——高锟， 发明：光纤 远距离通信的革命 （海底越洋光缆） 2010年诺贝尔物理学奖获得者——海姆和诺沃肖洛夫， 发明：石墨烯 2014年诺贝尔物理学奖获得者——赤崎勇、天野浩、中村修二 发明：蓝光LED


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技术发展举例
二、实验（4次）
1. 2. 3.
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4.
光纤特性 半导体激光器 光纤传输系统 全息光栅 清华大学电子工程系/马晓红
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课程内容
一、实验基础与仪器使用

三次实验:
讲课+练习+仪器使用验收
电子技术常用的基础仪器
电源 示波器 信号源 频谱仪
物理电子/光电子技术常用的基础仪器
电源 示波器 信号源 频谱仪 光功率计—测光的强度 光谱分析仪—测光谱 光纤熔接机—连接光纤 光学元器件—组成光系统
第二阶段排课表
节 1 2 3 4 星期一
（5-8周）
星期二 星期三 星期四
实验三
星期五 E
A B
C D
F G
每次一个实验，大循环
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每一次实验轮换表（以A组为例，其它组同理）
光纤 特性
第 一 次 第 二 次 第 三 次 第 四 次
光纤 光纤 激光 激光 激光 光纤 光纤 光纤 全息 全息 全息 特性 特性 器 器 器 传输 传输 传输 光栅 光栅 光栅 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12
四个实验
光纤特性
半导体激光器
光纤通信系统
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全息光栅
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提 纲
课程目标 课程内容 课程要求 基础知识

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课程要求
基本要求：掌握理解实验目的内容要求，掌握仪器功能和使用，
完成实验内容要求；
较高要求：对实验条件的设计，进行深入思考，对实验结果进
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一、光 纤
1.
光纤的结构
n2 n1
n2 n1
光纤端面 光纤结构
把以光的形式出现的电磁波能量利用全反射的原理约束在其 界面内，并引导光波沿着光纤轴线的方向前进。 光纤的基本结构是两层圆柱状介质，内层为纤芯，外层为包 层；纤芯的折射率n1>包层折射率n2。
节 1 2 3 4 A B C D E F G 星期一 星期二 星期三 星期四 星期五
时间：第二大节：9:50~12:00 第三大节：13:00~15:10 第四大节：15:30~17:40
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E A， C， F B， D ， G
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实验一
排课分组

实验四
实验二
王熙辰， 董帅

赵华凤
吕晖
实验室地址：中央主楼 911, 909 老师办公室：907， Tel：62772910
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提 纲

课程目标 课程内容 课程要求 基础知识
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基础知识
光纤、激光器、光电探测器组成光纤传输系统 1. 光纤、 2. 激光器、 3. 光电探测器 仪器基础知识在基础实验每次课上讲
光纤：传输损耗0.2dB/km 同轴电缆(50Ω-3)传输600MHz信号时，损耗0.2dB/m
覆盖全球的光纤网络，支撑起现代信 光纤光栅传感网络 息生活的基础—长途电信、移动通信、 建筑中预埋光纤传感器 电脑网络、视频通讯、网上购物… • 对介观领域的电子与光子行为的物理探索 • 相关纳电子学与纳光子学科学理论的形成
A ( λ ) = 10 lg ( Pi Po ) (dB)
其中Pi、Po分别为输入功率和输出功率 其损耗主要由材料的吸收损耗和散射损耗确定。
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光纤损耗主要由材料的吸收损耗和散射损耗确定
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一、光纤
3. 光纤的损耗特性