武汉实习报告-例子-信商 - 图文

2a 1a G A B C D E F 2b 1b H I J K L M N O 3a 4 5b 4 6 7a 8 3b 5a 7b 9 图1 实验主机基本结构框图

实验模块：1、2(包括1a,1b,2a,2b).为主电路；1为光纤通信实验主电路，2为半导体激光器实验主电路； 3、电话机；4.M-Z干涉仪传感实验；5光开关实验（5a:机械部分，5b演示部分）；6. 可见光功率探测器；7远场光斑法测数值孔径.；8. 可见光光源部分； 9.光源与光纤的耦合

按键(旋钮)或端口：A.甲地接收端； B.甲地发射端（1310nm）； C.甲地视频输入端； D.甲地视频输出端； E.调制信号监测端；F.1310nm/1550nm激光调制后输出监测端； G.工作点旋钮；H. 1310nm光源输出端；I. 1550nm光源输出端；J.调制输入端；K光功率探测输入端（1330/1550）; L.乙地视频输入端；M.乙地接收端口；N.乙地发射端口（1550nm）；O.乙地视频输出端。

4.3、光源特性

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光纤技术，无论做什么都离不开光源。到目前为止，光纤本身电致发光和场致发光等效率都不能商用，所谓的光纤光源（光纤宽带光源和光纤激光器，其中光纤宽带光源大多使用ASE或者非线性效应的超连续光源，光纤激光器大多使用掺稀土元素[例如Er、Yb、Pu等]作为增益介质做连续或者锁模激光器）。但所有的光源目前都是使用光泵浦，而使用的泵浦光基本都是半导体激光器，绝大多数系统都是直接使用半导体激光器的。所以这里我们设计半导体激光器的特性实验，包括阈值、斜率效率、串联电阻、背光电流、工作电压、工作电流、调制特性（模拟/数字的不同偏置点选择问题等）等。

4.4、光纤传输特性

光纤是近年高速发展的一个产业，由于半导体激光器的寿命和稳定性的改进和EDFA的商用，光纤从通信开始，一发不可收拾，目前在信息传输、医疗、建筑、汽车等行业都开始越来越多的应用。这里我们对光纤的数值孔径、光纤的衰减、光源与光纤的耦合设计了部分实验。另外天津金飞博公司还单独设计了单模G.652光纤的色散（17ps/nm/km）、（单/多模光纤）折射率分布曲线、模场直径等几个独立的实验，由于成本偏高，所以此综合实验仪没有并入进来。

由于中国适合劳动力密集型的产业，所以从99年以来，中国以极高的速度成为光纤相关行业的世界工厂，当然大多还是以劳动密集型为主，例如coupler、ISO、c-len、pigtail、collimator等等，世界上最大的光纤相关器件公司都基本把生产转移到中国来了，例如JDSU、Oplink、newfocus(现bookham收购)等公司在国外的劳动密集型部分已经关门，生产设备都转移到中国来了。资料显示，目前全球的隔离器晶体90％以上在中国生产，在这个大环境下，我们设立了空间光和光纤耦合实验，由于在光纤耦合部分，2000年以后最多使用的是g-len（自聚焦棒，目前全球生产商主要集中在东南亚，其中日本3家，中国5家，其他国家还有应该不到10家在供应）和c-len（原中国福建华科公司专利技术，有人说它是中国[china]透镜，也有人说它是华科透镜）配合光纤或者透镜光纤（透镜光纤、锥形光纤和热扩散光纤）进行耦合封装。所以这里我们抛弃了传统的薄透镜耦合技术（除了微透镜还有人在用外，薄透镜基本淘汰），而采用clens透镜作耦合实验。

4.5、光纤无源器件

鉴于前述的劳动密集型光纤无源器件产业在中国的分布之广，我们设计了部分光纤无源器件测试实验，让学生能够更多的接触这些器件，了解他们的特性参数。主要安排的无源器件有光纤耦合器（也有叫法是光纤分路器）、13/15 WDM、机械光开关、隔离器和衰减器等几个实验。我们还单独设计了光纤耦合器和13/15 WDM的动手制作实验，因为成本高而单独开设，本综合实验仪没有包含。

4.6、光纤通信实验

从99年.com的发迹开始，光纤通信经历了前所没有的膨胀，2001年到2003年，全球的光通信市场经历了从高峰到低谷，又从低谷重新缓慢爬升的过程。尽管目前市场仍比较冷，但光纤通信的优势以及光纤通信的前景仍让大家看好。

有人认为光纤通信的三个基础是室温半导体激光器的寿命解决、低损耗光纤批量生产、EDFA和WDM技术的提出和实现。本综合实验仪除了包含半导体激光器和光纤的部分简单实验外，还设计了WDM系统的实现，可以实现模拟/数字语音、视频传输的WDM传输，可以体现WDM系统的透明性（EDFA的实验因为EDFA的成本偏高，所以另行单独排设实验）。

4.7光纤传感实验

在光通信迅猛发展的带动下，光纤传感器作为传感器家族中年轻的一员，以其在抗电磁干扰、轻巧、灵敏度等方面独一无二的优势，已迅速成长为年成交额超过10亿美金，并预计将于2010年拥有超过50亿美金市场的产业。当前，世界上光纤传感领域的发展可分为两大方向：原理性研究与应用开发。随着光纤技术的日趋成熟，对光纤传感器实用化的开发成为整个领域发展的热点和关键。本综合实验仪安排了M-Z干涉仪温度传感和压力传感实验，使学生能够对

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光纤传感有一个初步的了解和认识。 5 光纤传感测温测压仪器实际操作

光纤是20世纪70年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成了新的光学技术，创造了光电子学的新天地。光纤的出现产生了光纤通信技术，而光纤传感技术是伴随着光通信技术的发展而逐步形成的.在光通信系统中,光纤被用作远距离传输光波信号的媒质,显然,在这类应用中,光纤传输的光信号受外界干扰越小越好.但是,在实际的光传输过程中,光纤易受外界环境因素影响,如温度,压力,电磁场等外界条件的变化将引起光纤光波参数如光强,相位,频率,偏振,波长等的变化.因而,人们发现如果能测出光波参数的变化,就可以知道导致光波参数变化的各种物理量的大小,于是产生了光纤传感技术.

光纤传感器始于1977年，与传统的各类传感器相比有一系列的优点,如灵敏度高,抗电磁干扰,耐腐蚀,电绝缘性好,防爆,光路有挠曲性,便于与计算机联接,结构简单,体积小,重量轻,耗电少等.

光纤传感器按传感原理可分为功能型和非功能型.功能型光纤传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件,所以也称为传感型光纤传感器,或全光纤传感器.非功能型光纤传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化,光纤仅作为传输介质,传输来自远外或难以接近场所的光信号,所以也称为传光型传感器,或混合型传感器.

光纤传感器按被调制的光波参数不同又可分为强度调制光纤传感器,相位调制光纤传感器,频率调制光纤传感器,偏振调制光纤传感器和波长(颜色)调制光纤传感器.

光纤传感器按被测对象的不同,又可分为光纤温度传感器,光纤位移传感器,光纤浓度传感器,光纤电流传感器,光纤流速传感器,光纤液位传感器等.

光纤传感器可以探测的物理量很多,已实现的光纤传感器物理量测量达70余种.然而,无论是探测哪种物理量,其工作原理无非都是用被测量的变化调制传输光光波的某一参数,使其随之变化,然后对已调制的光信号进行检测,从而得到被测量.因此,光调制技术是光纤传感器的核心技术.

鉴于以上专业背景,我们开发并研制出了光纤传感实验系统.本实验系统的开放性,分立式可以增强学生对光纤传感的感性认识,提高学生的基本技能.在实验教学过程中,从实验原理,实验内容到实验仪器,实验方法等都很适合工科物理实验的教学要求,将应用技术和基础实验很好的结合起来.

本手册仅供使用光纤传感实验系统从事物理实验以及光纤传感应用的教师,学生和技术人员参考.限于作者水平,手册中谬误难免,恳请读者不吝批评指正.衷心希望在我们的共同努力下,能够推进光纤传感这一先进技术的学习和普及.

5.1端场光纤传感实验的理论基础

光纤传感器一般可分为两大类，即功能型传感器（Function fiber optic sensor）和非功能型光纤传感器（Non-function fiber optic sensor）。所谓功能型是利用光纤的本身的特性把光纤作为敏感元件，所以又称为传感型光纤传感器；而非功能则是指利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光的传输介质，传输敏感区传来的是经过被测元件调制了的光信

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号，因此，也称作传光型传感器。

就外部调制非功能型传光型光纤传感器而言，如反射接收型、直接透射型等，一般是由入射光源光纤、调制器件和接收光纤组成。接收光纤所收集到的光强随外界物理扰动而变化，其光强响应特性曲线是这类传感器的设计依据，大多与光纤出射光场强度相关。因而，光纤出射光场的场强分布对于这类传感器的分析和设计至关重要。

这类传感器在早期的设计中，许多的人都采用了均匀性假设，即在光纤的数值孔径内，纤端出射光场的光强沿径向分布是均匀的。这明显与实际不符，只能局限于一定的条件下的近似应用。Hoogenboom等人曾提出纤端出射光场强分布可用高斯型函数来描写。Takai与Asakura计算了入射光为激光光源情况下的多模光纤纤端出射场的性质，给出的平均强度分布为

2(απε0)2I(r,z)=?I0exp(2r2q2) (1) 2(λz) 式中 ε0————散斑场的相干长度 α———— 光纤芯半径 λ———— 光波 q———— λz(πε0)

对于如下情况：①坐标参数z→0，②光源为相干长度ε0=0的热光源，公式(1)失效。 为了给出一个既与实际相符，又具有通用性的纤端光场场强分布表达式，有必要分析一下光纤出射端面的光场特性。首先，按照光纤传输的模式理论，在光纤中光功率按模式分布，在稳态情况下大部分光功率集中分布在基模及低阶模附近。叠加后的光纤端面光场场强沿径向分布可近似由高斯型函数描写，称其为准高斯分布。其次，沿光纤传输的光可近似看成平面波，此平面波场在纤端出射时，可等价近似为平面波场垂直入射到不透明屏的圆孔表面上，形成圆孔衍射，因而实际情况更接近两者的某种融合。为分析计算方便，我们作如下假设。①光纤端面：光场是由光强均匀分布的平面波和光强沿径向为高斯发布的高斯光束两部分构成的；②出射光场：纤端出射光场由准平面波场的圆孔衍射场和在自由空间中传输的准高斯光束叠加而成。

为方便起见，我们借助于复数运算形式，依上述假设，在光纤端面光场复振幅为

ψ0(u)=pψp0(u)+jqψG0(u) (2)

这里，p、q为两光场的权重系数，且满足条件：p2+q2=1。

ψ0ψp0(u)=0u≤α (3) u>α2ω0) (4)

ψG0(u)=ψ0exp(u2分别代表光纤端面均匀分布的平面波场和沿径向高斯分布的高斯光场。式中ω0=σα，为高斯

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