【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 纖維可以作為光信息的傳輸介質(zhì)才得以開始的。玻璃纖維問(wèn)世后，在世界各國(guó)出現(xiàn)了一個(gè)研究光纖通訊的高潮。1975年，美國(guó)亞特蘭大實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的光纖通訊實(shí)驗(yàn)成功。1983年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室在美國(guó)東、西海岸鋪設(shè)了長(zhǎng)度分別為600公里和270公里的兩條光纖通訊的主干線。此后，世界其他國(guó)家也先后建立了許多中短距離的光纖通訊系統(tǒng)。1972年，我國(guó)開始進(jìn)行光纖通訊研究，而今已廣泛用于郵電、電視等部門?，F(xiàn)在光纖通訊已成為全球電信和數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的支柱。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是集光電子技術(shù)，光纖傳輸技術(shù)，模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)和接口技術(shù)等多種技術(shù)于一體。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的各種實(shí)驗(yàn)的操作，對(duì)學(xué)生知識(shí)面和增強(qiáng)他們綜合運(yùn)用多種知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題都具有十分重要的作用。圖1是一個(gè)光纖通訊系統(tǒng)示意圖。在發(fā)射端直接把信號(hào)調(diào)制到光波上，將電信號(hào)變換為光信號(hào)，然后將已調(diào)制的光波送入光纜中傳輸，在接收端將光信號(hào)還原成電信號(hào)。整個(gè)過(guò)程與一般無(wú)線電通訊過(guò)程十分相似。在光纖與發(fā)送器、光纖與接收器之間裝有耦合器，當(dāng)傳輸距離較長(zhǎng)時(shí)，還需用連接器把兩根更光纖連接起來(lái)?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹??！緦?shí)驗(yàn)儀器】OFCⅢ型音頻信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)，由八大部分組成: (可產(chǎn)生正弦波,三角波,矩形波,語(yǔ)音信號(hào)) ；【實(shí)驗(yàn)原理】1．系統(tǒng)的組成圖2所示為一個(gè)音頻信號(hào)直接光強(qiáng)調(diào)制光纖傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖。它主要包括半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）或者半導(dǎo)體激光器(LD)及其調(diào)制和驅(qū)動(dòng)電路組成的光信號(hào)發(fā)送器。傳輸光纖，由光電二極管(SPD)、IU變換電路和功放電路組成的光信號(hào)接收器三部分。信號(hào)源發(fā)出的電信號(hào)(語(yǔ)音、圖像、數(shù)據(jù)等)輸入光發(fā)送器驅(qū)動(dòng)電路后按一定的方式調(diào)制成光信號(hào)，經(jīng)光纖光纜傳輸?shù)竭h(yuǎn)處光接收器的光檢測(cè)器，再經(jīng)放大解調(diào)等處理將信號(hào)恢復(fù)成原始信號(hào)并輸出。信號(hào)源可以是載波機(jī)、影視圖像發(fā)射設(shè)備、計(jì)算機(jī)等。組成該系統(tǒng)時(shí)光源LED的發(fā)光中心波長(zhǎng)必須在傳輸光纖呈現(xiàn)低損耗的、或附近，本試驗(yàn)采用發(fā)光中心波長(zhǎng)為的GaAs半導(dǎo)體發(fā)光二極管作為光源，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為的硅光電二極管作為光電檢測(cè)元件。 光纖 光纖是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱。是用各種導(dǎo)光材料（如石英、玻璃、塑料等）制成的，具有約束和引導(dǎo)光波在其中沿軸向傳輸?shù)摹肮獠▽?dǎo)”功能。光纖傳輸主要是利用光纖的全反射原理來(lái)傳輸信號(hào)的。光纖直徑一般在幾微米到幾十微米，由稱為“纖芯”和“包層”的同軸圓形雙層結(jié)構(gòu)組成，光線在這種光纖中的傳播情況(按幾何光學(xué)模型)見圖3。纖芯的折射率為，包層的折射率為，由于，只要光纖端面處的外來(lái)光滿足入射角大于臨界角這一角度要求，就能在光纖的纖芯和包層的界面上產(chǎn)生全反射，通過(guò)連續(xù)不斷的全反射，光波就可以曲折地從光纖的一端向光纖的另一端傳輸。為了保護(hù)光纖，通常還將光纖制成單芯或多芯的光纜，用保護(hù)套包裹光纖。在光纜中還要加入抗張力的鋼絲或強(qiáng)力塑料芯，以提高其抗張力強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)中所用光纖長(zhǎng)度約為50m，連同LED一道封裝在有機(jī)玻璃盒內(nèi)，實(shí)驗(yàn)中注意保護(hù)。 半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)光纖通訊系統(tǒng)中對(duì)光源器件在許多方面均有特殊要求，目前能滿足要求的光源器件主要有半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)和半導(dǎo)體激光器（LD）。光纖傳輸系統(tǒng)中常用的半導(dǎo)體發(fā)光二極管如圖2 所示，它是一個(gè)NpP三層雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱DH結(jié)構(gòu)）的半導(dǎo)體器件。其中中間層p通常是由直接帶隙的GaAs（砷化鎵）P型半導(dǎo)體材料組成，其帶隙較窄，稱為有源層。兩側(cè)分別由AlGaAs的N型和P型半導(dǎo)體材料組成，它們的帶隙較寬。光纖通訊系統(tǒng)中使用的半導(dǎo)體發(fā)光二極管的光功率是敬稱為尾線的光導(dǎo)纖維輸出的光功率，出纖光功率與LED驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系稱為L(zhǎng)ED的電光特性。為了避免和減少非線性失真，使用時(shí)應(yīng)先給LED一個(gè)適當(dāng)?shù)钠秒娏?，其值等于這一特征曲線的線性部分中點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流值，而調(diào)制信號(hào)的峰—峰值應(yīng)位于電光特性的直線范圍內(nèi)。對(duì)于非線性失真要求不高的情況下，也可把偏置電流選為L(zhǎng)ED最大允許工作電流的一半，這樣可使LED獲得無(wú)截止畸變幅度最大的調(diào)制，這樣有利于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，LED電光特性及信號(hào)調(diào)制輸出見圖5。 半導(dǎo)體光電二極管(SPD)光電二極管(SPD)和半導(dǎo)體二極管也類似，核心仍是pn結(jié)。但結(jié)構(gòu)上有較大不同，主要表現(xiàn)在其外殼上有一能讓光線射入光敏區(qū)的窗口。并且，它還常常工作在反向偏置電壓狀態(tài)或無(wú)偏壓狀態(tài)如圖6所示。在反偏電壓狀態(tài)下，pn結(jié)的空間電荷區(qū)的勢(shì)壘增高、寬度加大、結(jié)電阻増加、結(jié)電容減小，有利于提高光電二極管的高頻響應(yīng)性能。無(wú)光照時(shí)，反向偏置的pn結(jié)只有很小的反向漏電流，稱為暗電流。當(dāng)有光子能量大于pn結(jié)半導(dǎo)體材料的帶隙寬度的光波照射到光電二極管的管芯時(shí)，pn結(jié)各區(qū)域中的價(jià)電子吸收光能后將掙脫價(jià)鍵的束縛而成為自由電子，同時(shí)也產(chǎn)生一個(gè)自由空穴，這些由光照產(chǎn)生的自由電子空穴對(duì)統(tǒng)稱為光生載流子。在遠(yuǎn)離空間電荷區(qū)（也稱耗盡區(qū)）的p區(qū)和n區(qū)內(nèi)由于電場(chǎng)強(qiáng)度很弱，光生載流子只有擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，它們?cè)谙蚩臻g電荷區(qū)擴(kuò)散的途中因復(fù)合而消失，所以無(wú)法形成光電流。形成光電流主要是靠在空間電荷區(qū)內(nèi)的光生載流子，因空間電荷區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)很強(qiáng)，在此強(qiáng)電場(chǎng)作用下，光生自由電子空穴對(duì)將以高速分別向p區(qū)和n區(qū)運(yùn)動(dòng)，很快越過(guò)該區(qū)達(dá)到電極并沿外電路閉合形成光電流。光電流的方向是從二極管的負(fù)極流向它的正極（p區(qū)到n區(qū)），并且在無(wú)偏電壓短路的情況下與入射的光功率成正比。因此，采用在pn結(jié)中增加空間電荷區(qū)內(nèi)的寬度的方法來(lái)提高光電轉(zhuǎn)換效率。實(shí)驗(yàn)所用的PIN光電二極管的pn結(jié)除了具有較寬的空間電荷區(qū)外，還具有很大的結(jié)電阻和很小的結(jié)電容，這些特點(diǎn)使得PIN管在光電轉(zhuǎn)換效率和高頻響應(yīng)特性等方面與普通光電管相比均得到了很大的改善。2. 音頻信號(hào)的光纖通信系統(tǒng)音頻信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)發(fā)送器由LED的調(diào)制電路和驅(qū)動(dòng)電路組成，如圖7所示。以BG1為主組成的電路是LED的驅(qū)動(dòng)電路，調(diào)節(jié)這一電路中“偏流調(diào)制”的可使LED的偏置電流在040mA的范圍內(nèi)變化(注意：為了防止LED因使用電流過(guò)大而過(guò)早的衰老，通常限制電流不超過(guò)40mA)。被傳音頻信號(hào)經(jīng)由IC1組成的音頻放大電路放方大后再經(jīng)電容器耦合到BG1 的基極。對(duì)LED的工作電流進(jìn)行調(diào)制，從而使LED發(fā)送出光強(qiáng)隨音頻信號(hào)變化的光信號(hào)，并經(jīng)光導(dǎo)纖維把這一信號(hào)傳至接收端。在一定范圍內(nèi)，LED輸出光功率與驅(qū)動(dòng)電流基本上呈線性關(guān)系。為了減小失真，調(diào)整“偏流調(diào)節(jié)”電位器，使LED的靜態(tài)偏流置于線性段的中點(diǎn)，如20mA。根據(jù)運(yùn)算電路理論不難看出，只要Ｃ2選得足夠小，Ｃ1選得足夠大，Ｃ2的大小就決定了高頻率端的截止頻率,而Ｃ1的值決定著低頻端的截止頻率。半導(dǎo)體光電二極管SPD把傳輸光纖輸出端輸出的光信號(hào)的光功率轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之成正比的光電流,然后經(jīng)IC1組成的轉(zhuǎn)換電路，再把光電流轉(zhuǎn)換成電壓輸出，與之間具有以下比例關(guān)系：0以IC2為主構(gòu)成的是一個(gè)音頻功放電路。該電路的“音量調(diào)節(jié)”電位器調(diào)節(jié)揚(yáng)聲器的音量。為了減少實(shí)驗(yàn)室各實(shí)驗(yàn)組之間的相互干擾，在不需收聽語(yǔ)音信號(hào)時(shí)，把電位器旋至最小。【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】1. 光信號(hào)調(diào)制與發(fā)送部分 LED——傳輸光纖組件電光特性的測(cè)定① 開機(jī)前的準(zhǔn)備將面板上“偏流調(diào)節(jié)”旋鈕，逆時(shí)針旋至最小（一般最小指示值大約2mA），以避免開機(jī)后LED長(zhǎng)期工作于最大電流而引起疲勞縮短使用壽命；將“幅度調(diào)節(jié)”逆時(shí)針旋至最小；將“音量調(diào)節(jié)”逆時(shí)針旋至最小，以避免聲音的相互干擾；將傳輸光纖輸入端插入“光纖輸入”；打開電源開關(guān)，指示燈亮，表明已加電工作。②將“輸入選擇”調(diào)到“”位；調(diào)整“光功率計(jì)調(diào)零”旋鈕，使“光功率顯示”為零或接近零。然后將傳輸光纖輸出端插入“光功率計(jì)輸入”。③調(diào)整“偏流調(diào)節(jié)”旋鈕，使電流表指示從3mA逐漸增加，每增加3mA讀取一次光功率指示值，直到18mA為止。實(shí)驗(yàn)完后，立即把電流表調(diào)整為最小。根據(jù)測(cè)量結(jié)果描繪LED－傳輸光纖組件的電光特性曲線，并確定出線性較好的線段。 LED偏置電流與無(wú)截止畸變最大調(diào)制幅度關(guān)系的測(cè)定調(diào)“輸入選擇”旋鈕至“ ”位，調(diào)“波段開關(guān)”至3檔，調(diào)“頻率調(diào)節(jié)”按鈕，觀察“頻率計(jì)”顯示至1KHz，把雙蹤示波器的一條通道接到“發(fā)射監(jiān)測(cè)”，接地夾子夾在“接地點(diǎn)”。然后，調(diào)“偏流調(diào)節(jié)”，由DC電流表讀出的LED偏流電流分別為3 mA, 6mA , 9 mA，12 mA, 15mA, 18mA的各種情況下，旋轉(zhuǎn)“幅度調(diào)節(jié)”旋鈕，調(diào)節(jié)信號(hào)源輸出幅度，用示波器觀察光信號(hào)無(wú)截止畸變的最大調(diào)制幅度，將測(cè)試值用表格記錄下來(lái)。根據(jù)測(cè)量結(jié)果描繪LED偏置電流與無(wú)截止畸變最大調(diào)制幅度的特性曲線。注意：測(cè)試完后將偏流調(diào)至最小。 光信號(hào)發(fā)送器調(diào)制放大電路幅頻特性的測(cè)定 參看圖7，把雙蹤示波器的通道1和通道2分別接到“輸入監(jiān)測(cè)”和“輸出監(jiān)測(cè)”，用示波器觀測(cè)放大器輸入和輸出端波形。測(cè)量保持輸入端信號(hào)幅度不變的情況下，信號(hào)源頻率在20Hz～1KHz的范圍內(nèi)改變時(shí)，輸出端信號(hào)的峰—峰值Vpp，并由觀測(cè)結(jié)果繪出幅頻特性曲線。測(cè)量時(shí)200 Hz以下間隔取20 Hz，200 Hz到1K Hz間隔取50 Hz。注意：輸入信號(hào)幅度可選擇15mv左右，偏置電流取10 mA且保證在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中輸入信號(hào)不變。2. 光信號(hào)接收和光纖傳輸系統(tǒng)的綜合實(shí)驗(yàn) 光纖傳輸系統(tǒng)靜態(tài)電光性的測(cè)定將“輸入選擇”旋鈕置于“”位，將傳輸光纖的兩端分別插入“光纖輸入”和“光纖輸出”插孔。調(diào)節(jié)偏流電位器，使“DC電流表”的指示每隔3mA改變一次，觀測(cè)面板上“光接收強(qiáng)度顯示”，分別記錄偏流數(shù)據(jù)和光接收強(qiáng)度數(shù)據(jù),在方格紙上繪制靜態(tài)電光/光電傳輸特性曲線。 光信號(hào)檢測(cè)將“輸入選擇”旋鈕置于“ ”, 將“波段開關(guān)”置于3檔，調(diào)“頻率調(diào)節(jié)”旋鈕，觀察“頻率計(jì)”，給發(fā)送端輸入1000Hz的正弦波。將雙綜示波器的通道1接至光信號(hào)發(fā)送器的“輸入監(jiān)測(cè)”，通道2接至光信號(hào)接收器的“音頻輸出”。在偏流為8 mA和16 mA兩種情況下，調(diào)節(jié)信號(hào)源“幅度調(diào)節(jié)” 旋鈕，使“輸入監(jiān)測(cè)”處的信號(hào)幅度從零開始增加，同時(shí)用示波器在接收端“音頻輸出”處觀察波形變化，直到波形出現(xiàn)截止畸變現(xiàn)象時(shí)，記錄下電壓波形的峰—峰值，由此確定LED在不同偏置電流下光功率的最大調(diào)制幅度。 光纖傳輸系統(tǒng)幅頻特性的測(cè)定實(shí)驗(yàn)方法同前面敘述的發(fā)送器調(diào)制放大電路幅頻特性的測(cè)定,不同處是將雙蹤示波器的通道1和通道2分別接到發(fā)送電路的“輸入監(jiān)測(cè)”和接收電路的“音頻輸出”。3. 多種波形光纖傳輸實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)“輸入選擇” 旋鈕,分別將方波信號(hào)和三角波信號(hào)輸入發(fā)送電路，改變輸入頻率，從接收電路的“音頻輸出”端觀察輸出波形變化情況。4. 語(yǔ)音信號(hào)光纖傳輸實(shí)驗(yàn)“輸入選擇”旋鈕置于“”，從而將“語(yǔ)音片”的音樂(lè)聲送入發(fā)送電路，將“音量調(diào)節(jié)”調(diào)至合適位置，收聽音頻信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)的音響效果,試驗(yàn)時(shí)，適當(dāng)調(diào)節(jié)“幅度調(diào)節(jié)”“偏流調(diào)節(jié)”“音量調(diào)節(jié)”旋鈕，考察聽覺效果并用示波器觀測(cè)“音頻輸出”的波形變化?！緮?shù)據(jù)處理】1．描繪LED——傳輸光纖組件電光特性曲線。2．描繪光纖傳輸系統(tǒng)靜態(tài)電光性曲線，并與LED——傳輸光纖組件電光特性曲線進(jìn)行比較。3．總結(jié)分析在什么情況下被傳輸信號(hào)失真。【問(wèn)題討論】1．光纖通訊中，所使用的光纖內(nèi)有光芯，外有包層，為什么要采用這種結(jié)構(gòu)，且為什么光芯的折射率要大于包層的折射率？2．在LED已確定的情況下，為實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，應(yīng)如何設(shè)定它的偏置電流大小？ 3．本實(shí)驗(yàn)中LED偏置電流是如何影響信號(hào)傳輸質(zhì)量的？4．光電二極管在工作時(shí)應(yīng)正偏壓還是負(fù)偏壓？為什么？5．光傳輸系統(tǒng)中如何合理選擇光源與探測(cè)器？6．本實(shí)驗(yàn)中光傳輸系統(tǒng)哪幾個(gè)環(huán)節(jié)引起光信號(hào)的衰減？實(shí)驗(yàn)五　光的偏振現(xiàn)象的研究光的干涉和衍射揭示了光的波動(dòng)性質(zhì)，而光的偏振性質(zhì)證實(shí)了光波是橫波，即光的振動(dòng)方向垂直于它的傳播方向。對(duì)光波偏振性質(zhì)的研究不僅使人們加深了對(duì)光的傳播規(guī)律和光與物質(zhì)相互作用規(guī)律的認(rèn)識(shí)，而且在光學(xué)計(jì)量、晶體性質(zhì)研究、應(yīng)力分析、光彈性技術(shù)、薄膜技術(shù)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?. 觀察光的偏振現(xiàn)象，加深對(duì)光偏振基本規(guī)律的認(rèn)識(shí)。2. 了解產(chǎn)生和檢驗(yàn)偏振光的基本方法。3. 驗(yàn)證馬呂斯定律?！緦?shí)驗(yàn)儀器】偏振片（兩個(gè)）、單色玻片、1/4波片、光具座、光電管、白色光屏、電源（30v），數(shù)字萬(wàn)用表和光源等?！緦?shí)驗(yàn)原理】1. 偏振光的基本概念光波是一種電磁波，它的電矢量E和磁矢量H相互垂直，并垂直于光的傳播方向。因?yàn)楣鈱?duì)物質(zhì)（例如光電、光生理作用等）的作用主要是電場(chǎng)的影響，因而常把電矢量E稱為光矢量，而且用電矢量E代表光的振動(dòng)方向，并將電矢量E和光的傳播方向所構(gòu)成的平面稱為光的振動(dòng)面。通常光源發(fā)出的光波，其電矢量的振動(dòng)在垂直于光的傳播方向上作無(wú)規(guī)則的取向。從統(tǒng)計(jì)規(guī)律來(lái)看，光矢量振動(dòng)的取向在空間所有可能方向上的機(jī)會(huì)是均等的，即沒(méi)有一個(gè)方向的振動(dòng)比其它方向更占優(yōu)勢(shì)，各種振動(dòng)取向的總和關(guān)于光的傳播方向?qū)ΨQ。 這種光稱為自然光。當(dāng)自然光通過(guò)媒質(zhì)的折射、反射、吸收和散射后，光矢量的振動(dòng)會(huì)在某個(gè)方向具有相對(duì)的優(yōu)勢(shì)，而使光矢量振動(dòng)的取向?qū)鞑シ较虿辉賹?duì)稱，具有這種對(duì)光傳播方向光矢量振動(dòng)取向不對(duì)稱的光，統(tǒng)稱為偏振光。偏振光可分為部分偏振光、平面偏振光（線偏振光）、圓偏振光和橢圓偏振光。如果光矢量的振動(dòng)在傳播過(guò)程中只是在某一確定的方向上占有相對(duì)優(yōu)勢(shì)，則稱為部分偏振光。如果光矢量的振動(dòng)方向始終局限在某一確定的平面內(nèi)的，則稱為平面偏振光，因?yàn)槠潆娛噶磕┒说能壽E為一直線，故又稱為線偏振光。如果振動(dòng)面的取向和光波電矢量的大小隨時(shí)間作有規(guī)律的變化，光矢量末端在垂直于傳播方向的平面內(nèi)的軌跡呈橢圓或圓時(shí)，則稱為橢圓偏振光或圓偏振光。光源發(fā)出的自然光對(duì)外不顯現(xiàn)偏振性。將自然光變成偏振光的器件或裝置稱為起偏器，用來(lái)檢驗(yàn)偏振光的器件或裝置稱為檢偏器。實(shí)際上，起偏器和檢偏器是互為通用的，任何起偏器都可以看成檢偏器，按其在應(yīng)用時(shí)所起作用不同而叫法不同。2．平面偏振光的產(chǎn)生 產(chǎn)生平面偏振光的方法有反射起偏、多次折射起偏、雙折射起偏和用具有二向色性的偏振片起偏四種方法。自然光在兩種透明媒質(zhì)的界面上反射和折射時(shí)，反射光和折射光就能成為部