实验1光纤光学和半导体激光器的电光特性实验
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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
P
- 100%
Po
其中Pi为进入光纤中的光功率，Po为激光的输出功率。在理论上与光纤的几何尺寸，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。在本实验中我们采用光功率计直接测出Pi和Po来求出。同操作者的操作情况有很大关系。
六
由于光在透光介质中的传播速度反比于介质的折射率
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13ionm或155onm的光波当纤芯小于ioum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131o-155onm波长的，而本实验采用的是65。nm的
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（Io）,使半导体增益系数大于阈值时，才能产生激光，电流|0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Io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Io,但也不可过大，
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）
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，我们通过五个自由度
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，因此我们无法用肉眼来判断耦合的情况。 我们从光纤的另一端（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 我们将激光耦合进光纤后，我们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。我们也可在光纤的任何一段通过
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 参考图4。假设光纤端面外侧介质的折射率为
自端面外侧以i0角入射的光线进入光纤后，ii刚好等于
io
io
r
NA nosi nio
v'l2r2
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
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，将激光的
不对称发射光束与圆对称的光纤进行最优耦合，需要在光纤和光源之间插入透镜，即所谓的直接耦合。 直接耦合技术上比较简单，但耦合效率比较低。五
光纤光学与半导体激光器
的电光特性实验
实
验源自文库
说
明
书
北京方式科技有限责任公司
实验目的
1
2
3
4
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。
5
因此可以断定光在光纤中的传播速度小于在空气中的传播速度Co=3.O 108m/s。本实验通过测量一
串光脉冲信号在一个特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。
在光纤的一端输入一连串稳定的光脉冲信号，并在光纤的输出端接收这些信号，由于光纤的长度
L引起一个脉冲信号的时间延迟T0,若光在光纤中的速度为cn,贝y
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Io附近，此时光
功率对电流变化的灵敏度较高
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：
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， 激光从光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。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：
\Cn
L
(6)
T0
再由Cn/ C0= n0/n求出光纤的平均折射率
C0
(7)
n
0n。
七光纤通信
由于上个世纪70年代光纤制造技术和半导体激光器技术的突破性进展，同时光纤通信具有容量 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。
光纤通信的大致过程是：将要传输的信息（语言、图像、文字、数据）加载到载波上，经发送机 处理（编码、调制）后，载有信息的光波被耦合到光纤中，经光纤传输到达接收机，接收机将收到的信 号处理（放大、解码、整形）后，还原成原来发送的信息（语言、图像、文字、数据），如图6所示,
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
P
- 100%
Po
其中Pi为进入光纤中的光功率，Po为激光的输出功率。在理论上与光纤的几何尺寸，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。在本实验中我们采用光功率计直接测出Pi和Po来求出。同操作者的操作情况有很大关系。
六
由于光在透光介质中的传播速度反比于介质的折射率
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13ionm或155onm的光波当纤芯小于ioum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131o-155onm波长的，而本实验采用的是65。nm的
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（Io）,使半导体增益系数大于阈值时，才能产生激光，电流|0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Io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Io,但也不可过大，
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）
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，我们通过五个自由度
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，因此我们无法用肉眼来判断耦合的情况。 我们从光纤的另一端（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 我们将激光耦合进光纤后，我们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。我们也可在光纤的任何一段通过
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 参考图4。假设光纤端面外侧介质的折射率为
自端面外侧以i0角入射的光线进入光纤后，ii刚好等于
io
io
r
NA nosi nio
v'l2r2
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
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，将激光的
不对称发射光束与圆对称的光纤进行最优耦合，需要在光纤和光源之间插入透镜，即所谓的直接耦合。 直接耦合技术上比较简单，但耦合效率比较低。五
光纤光学与半导体激光器
的电光特性实验
实
验源自文库
说
明
书
北京方式科技有限责任公司
实验目的
1
2
3
4
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。
5
因此可以断定光在光纤中的传播速度小于在空气中的传播速度Co=3.O 108m/s。本实验通过测量一
串光脉冲信号在一个特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。
在光纤的一端输入一连串稳定的光脉冲信号，并在光纤的输出端接收这些信号，由于光纤的长度
L引起一个脉冲信号的时间延迟T0,若光在光纤中的速度为cn,贝y
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Io附近，此时光
功率对电流变化的灵敏度较高
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：
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， 激光从光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。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：
\Cn
L
(6)
T0
再由Cn/ C0= n0/n求出光纤的平均折射率
C0
(7)
n
0n。
七光纤通信
由于上个世纪70年代光纤制造技术和半导体激光器技术的突破性进展，同时光纤通信具有容量 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。
光纤通信的大致过程是：将要传输的信息（语言、图像、文字、数据）加载到载波上，经发送机 处理（编码、调制）后，载有信息的光波被耦合到光纤中，经光纤传输到达接收机，接收机将收到的信 号处理（放大、解码、整形）后，还原成原来发送的信息（语言、图像、文字、数据），如图6所示,