光纤光学大学物理实验讲义

光纤通信实验 光纤通信就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信的目的。光纤通信是现代通信网的主要传输手段，主要通过在发送端把传送的信息（如话音）变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度（频率）变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。 因此构成光纤通信的基本要素是光源、光纤和光检测器。

半导体激光器可以作为光纤通信的主要光源，其具有超小型、高效率和高速工作的优异特点，到如今，它是当前光通信领域中发展最快、最为重要的激光光纤通信的重要光源.光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。前香港中文大学校长高锟和George A. Hockham 首先提出光纤可以用于通讯传输的设想，高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖。光检测器:把光发射机发送的携带有信息的光信号转化成相应的电信号并放大、再生恢复为原传输的信号的器件。

【实验目的】

1. 了解和掌握半导体激光器的电光特性和测量阈值电流

2. 了解和掌握光纤的结构和分类以及光在光纤中传输的基本规律。

3. 对光纤本身的光学特性进行初步的研究，对光纤的使用技巧和处理方法有一定的了解。

4.

了解光纤通信的基本原理。

【实验仪器】

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，专用光纤钳、光纤刀，示波器，音源等。

【实验原理】

一、半导体激光器的电光特性

实验采用的光源是半导体激光器，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。

半导体激光器的发光原理是基于受激光发射。要使半导体激光器产生相干的受激光需满足两个条件：既粒子数反转与阈值条件。粒子数反转就是使处于高能态的粒子（半导体能带中的电子）数多于低能态的粒子数，达到这个条件，工作物质就产生增益。阈值条件要求粒子数反转必须反转到一定的程度，即达到由于粒子数反转所产生的增益能克服有源介质的内部损耗和输出损耗（激光器输出对有源介质来说就是一种损耗），

此后的增益介质就具有净增益。半导体激光器和其他激光器一样，激光器结构都包括三部分，即能产生粒子数翻转的工作物质；使光子不断反馈的振荡，从而实现光增益达到阈值的光谐振腔及激励起粒子数反转的电源。

本实验主要进行半导体激光器的电光特性和测量阈值电流，阈值是激光器的属性，它标志这激光器的增益和损耗的平衡点。由于半导体激光器是电子-光子转换器，因此其阈值常用电流来表示。阈值电流的测定可通过直线拟合法来实现。

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（I 0），使半导体增益系数大于阈值时，才能产生激光，电流I 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图1所示，曲线在阈值以上的直线部分延长而与电流坐标轴的相交点所对应的电流即为阈值电流。当电流大于I 0时，激光输出功率急剧增大。激光输出功率急剧增大。激光工作时电流大于I 0，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I 0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

9um 。而对于多模光纤，纤芯直径一般为50um 。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125um 。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250um 。激

图2 a 阶跃型单模光纤

光主要在纤芯和包层中传播。光纤具有以下独特的优点。

1.光纤具有良好的传光特性，他对光波的损耗目前可低到0.2dB/Km.

2.频带宽，信息量大因为光纤传输的是光，现在使用的光纤的频率在1014~1015Hz

的范围内，比微波高5个数量级，即光的频率高。

3.光纤本身是一种敏感元件，光在光纤中传输时，光的特性如振幅、相位、偏振态

等将随检测对象发生变化而相应变化。

4.光纤的电绝缘性好，它不受电磁干扰，无火花，能在易燃、易爆的环境中使用。

5.光纤极细，可塑性好。光纤的总直径为100~200um，可放置在小孔和缝隙等被监

测点，而且对测量点扰动小。

6.光纤原料资源丰富，价格低廉。

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、光纤的传光原理

当光线从折射率为n1的介质入射到n2的介质时，在介质分界面上将产生折射现象，

其规律是：入射角与折射角的正弦之比与两种介质的折射率成反比，即，其中

为线芯的折射率，n2为包层介质的折射率。因则,当入射角增大到某一

n

1

角度时，折射角将等于90o，发生了全反射，于是光便在光纤中沿轴向前传播，这就是光纤的导光原理。不满足全反射条件的光线，由于在界面上只能部分反射，势必有一些能量会辐射到包层中，致使光能量不能有效传播，溢出光纤，造成光无法传输。

对于一定的光纤结构和光波长，在光纤中能够传播的模式数目是有限的。理论证明：可以传播的传播模数为，其中, 通常V称为归一化频率，为光波导的半径。对于确定结构的单模光纤，通常V 2.405的光波长。对于确

定结构的多模光纤，通常V 2.405的光波长。由归一化频率表达式很容易得到截止波长为，因此在光纤中，当传播的光波长时，将处于单模工作；而当时，处于多模工作状态。

三、光纤的数值孔径

由于全反射临界角i c 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n 0，自端面外侧以i 0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i 1刚好等于临界角i c 。那么当端面外侧光线的入射角大于i 0时，进入光纤时将不满足全反射条件。因此，i 0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： ???? ?

?-=02

221

0arcsin n n n i （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n 0sin i 0,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

22100sin n n i n NA -== （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/e 2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/e 2处的半张角的正弦值，计算光纤的数值孔径。n 0为空气中的折射率，n 0≈1。

2200s i n r l r i n NA +=

= （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。

实验采用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）。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，因此无法用肉眼来判断耦合的情况。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。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。

耦合效率η反应了进入光纤中的光的多少。定义如下：

%1000

1?=P P η （4） 其中P 1为进入光纤中的光功率，P 0为激光的输出功率。η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。在本实验中采用光功率计直接测出P 1和P 0来求出η。η同操作者的操作情况有很大关系。

六、光纤的损耗

光纤的损耗是通信距离的固有限制，在给定发射功率和接收灵敏度条件下，它决定了从光发射机到光接收机之间的最大距离，损耗过大将严重影响通信系统的性能。

光纤的损耗用衰减系数表示单位是dB/km,对于光纤损耗的测量方法最简便的和可靠的是剪断法。剪断法是在耦合好的光纤输出端测量输出功率P 2，然后再保持如何功率不变的前提下，在剪断一截长为L 的光纤，再测量输出端的光功率P 1 则光纤的损耗定义为：，

光纤的损耗与光纤材料及光纤的结构有关，也与光纤的几何形状和缠绕方式等有关。目前通信用的光纤在1.5um 波段为0.25dB/Km ，已经接近光纤的固有损耗。

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，本实验将观察通过光纤传输声音信号的整个过程。

从音频信号源（录音机）发出的信号，在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，对方波的脉冲宽度进行了调制，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，还原成电信号。这时我们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，这种脉冲信号再经过解调电路的解调，最后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。

【实验内容】

一、半导体激光器的电光特性

1.将导轨放置在稳定平台上，在导轨的一段防止半导体激光器及其调整架，另一端放

置功率计探头。

2.打开实验仪电源，将实验仪功能置于“直流”档。将电流调节旋钮缓慢的顺时针旋

至最大，同时观测功率计变化，注意功率计变化很快的电流值。

3.调整激光器的激光指向，使激光进入功率指示计探头，并使显示值达到最大。

4.逆时针旋转电流旋钮，逐步减小激光器的驱动电流，并计录下电流值和相应的光功

率值。

5.用坐标纸绘出电流—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.在导轨的依次放置半导体激光器及其调整架，三维光纤调整架、光纤座和功率计

探头。

2.光纤剥皮钳剥去光纤两端的涂覆层。

3.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。

4.在刻划处轻轻弯曲纤芯，使之断裂。处理过的光纤端面不应再被触摸，以免损坏

和污染。

5.在5mm处用光纤刀刻划一下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。

6.将光纤的另一端用同样的处理方法处理后，放入光纤座上的刻槽中，伸出长度约

10mm，用磁吸压住。

7.将光纤座中的光纤输出头，进行调整使光纤的输出对准功率计探头。

三、光纤的耦合与模式

1. 将实验仪功能档置于直流档。

2. 调整半导体激光器的工作电流，使激光不太明亮，用一张白纸在激光器前面前后移动，确定激光焦点的位置。（激光过强会使光点太亮，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，通过仔细调节三维光纤调整架上的X轴、Y轴、Z 轴调整螺钉和激光器调整架上的俯仰、扭摆角调整螺钉，使激光照亮光纤端面并耦合进光纤。

5. 用功率指示计监测输出光强的变化，反复调整各调整螺钉，直到光纤输出功率达到最大为止。记下功率值。此值与输入端激光功率之比即为耦合效率（不计吸收损耗）。通常情况下。应该能够调节到200uW以上这样才能保证光纤通信实验的顺利进行。如多次调节不成功，检查光纤断面，可重新进行光纤端面。

6. 取下功率指示计探头，换上白屏，轻轻转动各耦合调整旋钮，观察光斑形状变化（模式变化）。

7.弯曲光纤，观察光斑形状变化（模式变化）。

四、模拟（音频）信号的调制，传输和解调还原

1. 将激光耦合进光纤。

2. 将实验仪的功能档置于“音频调制”档。

3. 将示波器的CH1和CH2通道分别与“输出波形”端和“输入波形”端相连。

4. 将示波器“扫描频率”置于10 s/Div档，示波器显示应为近似的稳定矩形波。

5. 从“音频输入”端加入音频模拟信号，这时观察到示波器上的矩形波的前后沿闪动。

6. 打开实验仪后面板上的“喇叭”开关，应可听到音频信号源中的声音信号。（此时音频信号的强弱与耦合效率成正比，既耦合效率越高，传输的音频信号越清晰，反之音频信号越弱。）

7. 可分别观察实验仪发射模块“调制”前后的波形和接收模块“解调”前后的波形。观察、了解音频模拟信号调制、传输、解调过程和情况。

8．“喇叭”开关平时应处于“关”状态，以免产生不必要的噪声。

四、光纤损耗的测量

1.将耦合好激光输出端与光功率计探头对准，用功率计读取光功率并记录。

2.根据需要截取一段光纤，并用导轨的刻度记录，光纤的长度。

3.记录截取光纤后的输出端光的功率。

4.通过计算得出光纤的损耗。

注意事项：

1．请勿直视激光光束。

2．如在使用过程中，光纤断在光纤夹，请务必剔除光纤断头，（可用纸片或刀片刮净细缝底部），再安装新的光纤。否则可能损坏光纤夹压片。

【思考问题】

1．在远距离光纤传输时，为什么一般采用单模光纤？光纤模式是如何影响带宽的？

2．光纤中传输的信息可以被窃听吗？设计一种比较简单的方法！

本节参考文献：

1.王仕璠等.现代光学实验.北京：北京邮电大学出版社，2007

2.陈士谦.光信息科学与技术专业实验.北京：清华大学出版社 2007

3.王庆有，光电信息综合实验与设计教程，电子工业出版社，2010.