专题4光电子基础

光纤光纤的全称称为光导纤维,它是一种导引光波的波导,是一种新的传输介质。光纤通讯是以光波为载波,以光导纤维为传输媒质的一种通讯方式。人们利用光导纤维作为光的传输介质的研究工作经历了一段艰辛的道路,直到1966年,英籍华人高辊博士发表了一篇具有历史意义的论文,从理论上阐述了光纤实现低损耗传输信息的可能性以后,光纤的研制工作才异常迅速地展开起来。到了被誉为光纤通讯元年的1970年以后,光纤系统更是伴随着光纤通讯技术的发展而发展到了实用阶段。目前,光纤在通讯、传感、激光治疗仪、激光加工机等许多方面都获得了应用,但其最主要的应用领域是光纤通讯和光纤传感器。相对于无线电通讯来说,光纤通讯具有传输带宽、通讯容量大、中继距离远、抗干扰能力强、无串音、轻便、材料资源丰富、成本低等优点。相对传统的传感器而言,光纤传感器具有灵敏度高、抗干扰能力强、电绝缘性能好、便于与计算机联接,便于与光纤传输系统系统组成遥测网络、体积小、耗电少等优点。正因为此,光纤通讯和光传感器受到人们的青睐,得到了愈来愈来迅速的发展。并且,随着光纤通讯和光纤传感技术的发展,推动了光纤在许多领域中的应用,同时,光纤技术自身的研究也获得了飞速的发展。本专题从光纤入手,先了解光纤的结构和一般性质,再学习光纤的耦合、传输特性及在通讯和传感领域中的应用。实验一 光纤光学与半导体激光器的电光特性实验一、实验目的：1了解和掌握半导体激光器的电光特性,测出半导体激光器在不同工作电流下的输出功率,求出阈值电流。2通过对输出光的观察和测量,了解和掌握光纤的一些光学特性和参数测量方法,进一步理解和巩固光学的基本原理和知识。3对光纤的使用技巧和处理方法有一定的了解。二、实验仪器：GX1000光纤实验仪,光纤实验导轨,半导体激光器,二维及三维调整架,光纤夹,光探头,功率指示计,光纤刀,显示屏,音频信号源,示波器,一维位移架和12挡光拦头。三、实验原理：A光纤结构典型的光纤结构如图1所示,光纤一般由纤芯、包层、涂敷层及护套构成,是一多层介质结构的对称圆柱体。纤芯和包层构成传光的波导结构,纤芯位于光纤的中心部位,它的主要成份是高纯度的二氧化硅,其余成份为掺入的极少量掺杂剂,如五氧化二磷和二氧化锗,纤芯的直径约为515mm,包层也是包含有少量掺杂剂的高纯度二氧化硅,包层的直径包括纤芯在为125mm,其折射率略小于纤芯折射率。涂敷层是一种涂料的敷层,使光纤不受外来的损害,增强光纤的机构强度。护套是由塑料制成的圆形保护套,用来维持光纤的机械强度。图1 光纤结构图光纤是一种新型材料,具有许多独特的优点：（1） 光纤有良好的传光性能,它对光波的损耗目前可低到0.2dB/km,甚至更低。（2） 频带宽,信息量大。因为光纤传输的是光。现在所用的光纤频率在10141015Hz的围,比微波高5个数量级,即光的频率特别高。（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） 光纤电绝缘性能好,它不受电磁干扰,无火花,能易燃、易爆的环境中使用。（5） 光纤极细,可塑性好。光纤的总直径为100200mm,可放置在在小孔和缝隙等被测场点,而且对被测场点扰动小。（6） 光纤原料资源丰富,价格低廉。按纤芯折射率分布的不同,可将光纤分为两大类：阶跃折射率型光纤和梯度折射率型光纤。图2是两种典型的纤芯折射率剖面n示意图。图2 光纤折射率分布按光纤传输特性的不同,光纤又分为单模光纤和多模光纤。光纤中的传输模式按照场分布中纵向场分量Ez、Hz的特性,可分为横向模和混合模两大类,横向摸记为：TE0m和TM0m,混合模可记为：EHmn和HEmn,角标m,n分别表征了该模式场分布在横向角度方向上的波节数和在径向r方向上的波节数。通常,将HE11模称为主模或基模。仅传播基模的光纤叫单模光纤,能够传播多哥传输模的光纤叫多模光纤。单模光纤的纤芯直径为515mm,多模光纤的纤芯直径为40100mm。一般多模光纤纤芯折射率比折射率比包层高15%,而单模光纤高约0.10.5%。本实验选用的是单模光纤。B.光纤传光原理实验表明,当光线从折射率为n1的介质入射到折射率为n2的介质时,在介质分界面上将产生折射现象。其规律是：入射角于折射角的正弦之比与两种介质的折射率成反比,即：,其中n1是光纤纤芯的折射率,n2是其包层介质的折射率。因n1n2,则,当入射角增大到某一角度时,折射率将等于90,这时入射光线不再进入包层介质,而开始产生全反射的入射角称为临界角,当继续增大时,发生了全反射,于是光便在光纤中沿轴向前传播。这就是光纤的波导原理。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去,致使光能量不能有效传播。通常能在波导再传播的光为传输模导模,不能传播的光为辐射模。C光纤中光的传播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。分析表明,可以传播的传输模数为：,其中,称为归一化频率或标称波导参数,2a为光波导芯的宽度。对于一个有确定结构的单模光纤,其基模光波长没有限制。相应于V=2.405的光波长,是较高一阶模式HE01的截止波长,或称为该单模光纤的截止波长。由归一化频率表示式,很容易求得截止波长为：,因此,在该光纤中,当传播的光波长时,将处于单模工作,而当时,处于多模工作。应当指出的是,由于V与光波长有关,所以,对某个波长的光来说是单模工作的光纤,对于比其还要短的另外的光来说,就可能传播两个以上的传输模,而成为多模光纤了。D 光纤的特性参量1 相对折射率差：工程上定义D为纤芯和包层间的相对折射率差,即：。当D0.01时,上式简化为该式成为光纤波导的弱导条件,不要小看这个弱导特性,从理论上讲,光线的弱导特性式光线于微波介质圆驳倒之间的重要差别之一。弱导的基本含义是指,很小的折射率差就能构成良好的光纤波导结构,而且为工艺的制造提供了方便。2 光纤的数值孔径：为了表征入射光线在光纤中的激发、耦合的难以程度,经常采用光纤的数值孔径NA这一参量。按照光学的习惯,它定义为,在阶跃光纤中,对于子午光线在光纤中,通过中心轴的任何平面都叫子午面,位于子午面传播的光线叫子午光线有,对于斜光线指与光纤中心轴即不平行也不相交的光线来说,。在光纤耦合中,为了有效地把光入射到光纤中,应采用数值孔径满足光纤数值孔径NA要求的物镜,否则会因为光在接续部位辐射,而使损耗增大。在高斯光束近似下,我们可以取光强最大值的1/e2的地方为数值孔径。另外,光纤的特性参量还有受光角、折射率分布系数等,这里不再一一叙述,有兴趣的同学可查阅相关资料。四、实验步骤与实验容：（一） 设备的安装：1 将导轨平稳地放置在一个坚固、稳定的平台上。2 在导轨的一端底角附近放置半导体激光器调整架和三维光纤调整架,另一端放置光纤座和二维可调光探头。3 粗调各调整架的高度,使其高度大致相等。4 将半导体激光器与实验仪发射板的输出口相连,输出波形通过信号线与示波器CH1通道相连。二维光探头与接收板上的输出口相连,输出波形解调前通过信号线与示波器CH2通道相连。模拟音频信号接入音频输入端。5 将功率指示计探头与功率指示计相连,待用。6 将实验仪后面板上的喇叭开关置于关状态。（二） 实验容及步骤：A.半导体激光器的电光特性1将实验仪功能挡置于直流挡。用功率指示计探头换下三维调整架。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用坐标纸作出电流-功率曲线,即为半导体激光器的电光特性曲线；并求出阈值电流。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,B.光纤的端面处理与夹持1 用光纤剥皮钳剥去光纤两端的涂覆层。2 在5mm处用光纤刀刻划一下。用力不要过大,以不使光纤断裂危为限。3 在刻划处轻轻弯曲光纤,使之断裂。处理过的光纤不应再被接触,以免损坏和污染。要特别注意,断面尤其容易损坏,一旦实验中出现光斑发散,或者耦合过小,无法调高时,一定要检查。如果确定断面损坏,及时重切,以保证实验的里进行。4 将光纤的一端小心地放入光纤夹中,伸出长度约为10mm,用簧片压住,放入三维架中,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,伸出长度约为10mm,用磁铁吸压住。C.光纤的耦合与模式1 将实验仪功能挡置于直流挡。2 调整激光器的工作电流,使激光不太明亮建议3040mA.3 用一白纸在激光器前后移动,确定激光焦点的位置。激光太强会使光点太亮,反而不易观察4 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。5 然后固定X轴旋钮,用其余4个旋钮调节。6 将激光器工作电流调至最大,通过仔细调节三维纤维架上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,直到光输出功率达到最大为止。一般情况下,应该能够调节到200mW以上,如此才能保证后面的实验顺利进行。7 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记吸收损耗。8 取下功率指示计探头,换上显示屏,轻轻转动各耦合旋钮,观察光斑形状变化模式的变化。若耦合好的话,应为高斯光斑,光强为高斯分布。9 轻轻触动光纤或弯曲光纤,观察光斑形状变化。D.光纤数值孔径的测量光纤数值孔径的测量是一向极其烦琐、细致的工作,需要专用附件和操作者认真、耐心地耦合光纤,将输出光束的光强调整到近似的高斯分布基模,并且稳定。原理：根据光线数值孔径的定义：其中为光纤输出光的发散角的一半,在此为空气折射率。我们可用两种方法测量数值孔径：（一） 光斑扫描法：1 按上述步骤耦合好光纤。2 用示波器观察输出波形形状,并仔细调节各耦合旋钮,尽量使输出成为明亮、对称、稳定的高斯分布。3 将数值孔径测量附件置于光纤输出端面前4080mm处。4 将探头光拦置于0.5mm或1mm档。5 仔细调整光纤与探头之间的位置,在光斑中心附近找到功率指示最大的点。6 用一维位移架移动探头,使探头扫过整个光斑。记录下光强与位置,绘出光强分布曲线,应为近似的高斯曲线。7 以该曲线最高点的1/ e2 处的尺寸作为光斑直径。再测出光纤端面距测量面的距离,求出a。（二） 功率法：1 按上述步骤耦合好光纤。2 用显示屏观察输出光斑形状,并仔细调整各耦合旋钮,尽量使输出光斑具有明亮、对称、稳定的分布。3 将数值孔径测量附件的探头光栏置于f6.0档,并使之紧贴光纤输出端面,以保证输出光全部进入探头。用功率指示计检测光纤输出功率,轻微调整耦合旋钮,尽量使功率达到最大。4 记下此时功率指示值。5 向后移动附件滑块。由于输出光的发散,随着探头向后移动,会有部分光漏出f6.0孔。6 仔细调整光纤与探头之间的相对位置,使可探测到的功率为最大功率的90%,而有10%的光功率漏在f6.0孔外,此时的6mm孔径即为光斑直径。7 测量出光纤端面到探头光栏间的距离H。8 由6mm直径和H即可求出a。E. 模拟音频信号的调制、传输和解调还原1按述步骤耦合好光纤。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和输入波形相连。4 将示波器扫描频率置于10ms/Div挡,示波器显示应为近似的稳定的矩形波。5 从音频输入端加入音频模拟信号,这时可观察到示波器上的矩形波的前后沿闪动。6 打开实验仪后面的喇叭开关,应听到音频信号源中的声音信号。注意此时音频信号的强弱与耦合的效率成正比,即耦合效率越高,音频信号就越好,反之,噪音信号越强。7 可分别观察实验仪发射板调制前后的波形和接收板解调前后的波形。观察了解音频模拟信号的调制、传输、解调过程的情况。F. 传输时间的测量1 按上述步骤耦合好光纤,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出波形解调前与示波器CH2通道相连。5 示波器触发拨到CH1通道,显示键置于双踪示波器同时显示。6 将实验仪功能键置于脉冲频率档,电流置于最大。此目的在于是波形振幅最大,便于观测。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10ms/Div,旋转脉冲频率旋钮,在示波器上应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1ms/Div档,仔细调整脉冲频率旋钮,使示波器CH1通道上只显示一个周期。11 再仔细调整二维可调光探头的前后位置,使CH2上升沿波形尽量前移以波形幅度的90%处为准并记录下此时的位置。12 取下三维光纤调整架,直接将二维可调光探头置于激光头前,使部分激光进入探头注意：不要使探头饱和,波形严重失真。13 观察示波器上CH2通道的波形,并同时调整二维可调光探头,使波形尽量与11步中的波形近似,且上升沿尽量靠前,记录下上升沿的位置以波形幅度的90%处为准。14 将11和13步中的上升沿位置相比较,其时间差即为光在光纤中的传播时间。15 用光纤长度除以传输时间,即为光在光纤中的传输速度,并由此求出光纤纤芯的折射率。注：A、B、C、D作为一次实验容；E、F作为一次实验容。实验二 光纤传感器 光纤传感器是利用外界物理因素改变光纤中光的强度、相位、偏振态或波长,从而对外界物理因素进行探测、计量和数据传输的传感器。现在开发的光纤传感器有几十种,如光纤声纳传感器、光纤陀螺传感器,光纤温度、压力传感器、光纤电、磁传感器、光纤加速度传感器、光纤辐射传感器以及光纤浓度传感器。光纤传感技术的特点：（1） 测量围广。现在用光纤传感技术来实现传感的有力、热、声、电、核等十几种,可以测量位移、速度、加速度、压力、液面、振动、水声、温度、电场、磁场以及核辐射等物理量。（2） 灵敏度高。光纤传感技术不但比其它传感技术的灵敏度要高得多,而且更能反映外界情况。例如,利用光纤实现辐射剂量的传感,其灵敏度比普通的剂量计要高一万倍；光纤温度传感器的灵敏度达百分之一度；光纤位移传感器的灵敏度达一万万分之一厘米；光纤加速度传感器的灵敏度达10-6gg是重力加速度。（3） 具有安全防爆耐腐蚀耐高压抗干扰能力强,不受电磁场干扰的特点,在易爆环境中使用安全可靠。（4） 便于与计算机接口,组成遥控系统、智能化以及远距离测量与控制。（5） 体积小、重量轻。用一条光纤可取代上百个传感器阵列或数白条电缆。实验一 反射式光纤位移传感实验一、 实验目的：1. 了解光纤传感实验仪的基本构造和原理,熟悉其各个部件,学习和掌握其正确使用方法；2.了解一对光纤一个发光,一个接收光的反射接收特性曲线；3.学习掌握最简单、最基本的光纤位移传感器的原理和使用方法。二、 实验仪器：光纤传感实验仪主机图1、反射接收光纤图2、准三维调整架图3。图1光纤传感实验仪主机LED光源输出插座；PIN光探测器输入插座；PRO编程控制键；UP、DOWN配合PRO设定输出电流上下限；SET设置键；UL、DL、mA、mV、uW一仪器显示状态指示灯。三、 实验原理：采用的光纤传感器的原理如图4所示。光纤探头A由两根光纤组成,一根用于发射光,一根用于接受反射镜反射的光,R是反射镜。系统可工作在两个区域中,前沿工作区和后沿工作区见图5。当在后沿区域中工作时,可以获得较宽的动态围。就外部调制非功能型光纤传感器而言,其光强响应特性曲线是这类传感器的设计依据。该特性调制函数可借助于光纤端出射光场的场强分布函数给出：式中I0为由光源耦合入发送光纤中的光强；为纤端光场中位置处的光通量密度；为一表征光纤折射率分布的相关参数,对于阶跃折射率光纤,=1；为光纤芯半径,为 与光源种类、光纤数值孔径及光源与光纤耦合情况有关的综合调制参数。如果将同中光纤置于发上发送光纤出射光场中作为探测接收器时,所接收到的光强可表示为：式中 ,这里,S为接收光面,即纤芯端面。在纤端出射光场的远场区,为简便计算,可用接收光纤端面中心点处的光强来作为整个纤芯面上的平均光强,在这种近似下,得在接收光纤终端所探测到的光强公式为：对于本系统设计采用多模光纤,=1；光纤芯半径=0.1mm,两光纤间距mm,中和调制参数=0.026。其归一化理论曲线如5所示。图5 反射式调制特性曲线四、 实验容和要求：1 反射式光纤位移传感器的调制特性曲线的测量实验步骤：（1） 将反射式光纤探头卡在纵向微动调节架上,对准反射器并使光纤探头与反射镜间距调到0.1mm左右。（2） 接通电源,将LED驱动电流调到指定电流,（3） 调整纵向微动调节架,将探测光纤推进到与反射镜表面即将接触的位置记录下螺旋测微器的读数,然后停止。（4） 沿某纵向向原离反射镜的方向旋转微动调节架,每次调节0.1mm并记录螺旋测微器读数和电压值,直至5mm。（5） 在origin作图软件作出反射式调制特性曲线。2 位移传感定标：由理论曲线可以看出光纤位移传感器可工作在两个区域,即上升沿前沿和下降沿后沿,前沿工作区的灵敏度高但动态围小,而后沿工作区的灵敏度低但动态围较大,可视需要而定。在作为光纤传感器使用时,作出光纤探头和反射镜间距与电压输出的特性曲线,用origin作图软件进行多项式拟合出反射镜与光纤探头间的距离。思考题：设计一实验,测量一个可以转换成位移的其它物理量,如长度的改变、双金属片随温度的变化、模片随压力的变化实验。实验二 微弯式光纤压力/位移传感器微弯式光纤传感器是根据微弯变形引起纤芯或包层中传输的光载波强度变化的原理制成的全光纤型传感器。微弯式传感技术可分为亮场型和暗场型两种。前者是通过对纤芯中光强度的变化来实现信号性能的转换；而后者则检测包层中的光信号。本实验就是利用光纤微弯变形引起纤芯中传输的光波强度的变化来实现位移或压力的检测。一、 实验目的：1 了解光纤弯曲损耗的机理极其特性；2 学习利用弯曲损耗测量位移的方法；3 学习利用弯曲损耗测量压力的方法。二、 实验仪器：光纤实验仪主机图1,发射与接收光纤图2,准三维调节架图3。三、 实验原理：微弯型光纤传感器的原理结构如图4所示。当光纤发生弯曲时,由于其全反射条件被破坏,纤芯中传播的某些模式光束进入包层,造成光纤中的能量损耗。为了扩大这种效应,我们把光纤夹持在一个周期波长为A的梳妆结构中。当梳妆结构变形器受力时,光纤的弯曲情况将发生变化,于是纤芯中跑到包层中的光能即损耗也将发生变化,近似的将把光纤看成是正旋微弯,其弯曲函数为： 1式中L是光纤产生微弯的区域,A为其弯曲波长。光纤由于弯曲产生的光能损耗系数是：2式中称为谐振频率。 3Ac为谐振波长,和为纤芯中两个模式的传播常数,当时,这两个模式的光功率耦合特别紧,因而损耗也增大。如果我们选择相邻的两个模式,对光纤折射率为平方律分布的多模光纤可得： 4r为光纤半径,D为纤芯与包层之间的相对折射率差。由34可得：5对于通讯光纤,。2式表明损耗与弯曲幅度的平方成正比,与微弯区的长度成正比。通常,我们让光纤通过周期为A的梳妆结构来产生微弯,按5式得到的Ac一般太小,实用上可取奇数倍,即3 、5、7等,同样可得到较高的灵敏度。四、 实验容及要求：微弯位移测量及微弯损耗特性的研究：将微弯变形器嵌入三维微位移调节器上,被测光纤采用的是50微米多模光纤,两端分别封装LED光源和PIN光电探测器件用Q9头与光纤传感实验仪相连放置在微弯变形器中。利用微动调节旋钮即螺旋测微器,最小刻度10-5m,首先使微弯器与光纤接触,记录此时PIN探测信号经放大后的输出电压值。注意：不要过力压迫光纤以免光纤被压断将所得的数据作成曲线,该曲线可作为微位移测量的标定曲线 ,用于微位移检测。利用这条曲线可方便的对光纤微弯损耗的特性进行研究。思考题：用光纤传感实验仪如何测量氏模量？提示：实验装置可利用光纤传感实验仪附带的微弯板,根据需要自行设计实验装置来实现压力的检测。 要实现压力的检测,只需要将微弯板安装在所设计的实验装置上,然后进行标定,经标定后的装置即可用语测量压力。15 / 15