快速耦合光纤过程与半导体激光器电光特性实验的研究

赵瑞娟，安盼龙，张旭峰，杨 艳

（中北大学，山西 太原 030051）

光纤传输［1－5］系统主要由3部分组成：光源（又称光发送机），传输介质、检测器（又称光接收机）。光纤传输系统按传输信号可分为数字传输系统和模拟传输系统。模拟传输系统是把光强进行模拟调制，将输入信号变为传输信号的振幅（频率或相位）的连续变化。数字传输系统是把输入的信号变换成“1”、“0”脉冲信号，并以其作为传输信号，在接受端再还原成原来的信号。当然，随着光纤传输信号的不同所需要的设备有所不同。光纤作为传输介质，是光纤传输系统的重要因素。可按不同的方式进行分类，按照传输模式来划分：光线只沿光纤的内芯进行传输，只传输主模称之为单模光纤；有多个模式在光纤中传输，称这种光纤为多模光纤。长途光纤通信系统中，通常仅有毫瓦数量级的光功率从光发射机输出，经过几十公里光纤的传输衰减，到达光接收机的光信号将变得十分微弱。因此，光纤与光源之间、光纤与光纤之间的耦合问题变得越来越重要。借助光信号在光通信元器件中的耦合进行理论上研究，可以有效地预测实验结果，对实现光信号的有效耦合将起决定性的作用。

1 光纤的耦合

1.1 不使用显微镜快速调节耦合光纤方法

按图1安装好实验装置，整个耦合装置放置在平行导轨上，调节步骤，见图1：

图1 实验原理图

（1）调整半导体激光器的两个端面平行（调整激光器后面的两个调整螺母即可）。

（2）把三维支架置于激光器出光端。

（3）从三维支架上拿下光线圆柱卡子，抽出薄金属片舌头，取出光线。

（4）用手指甲刮掉光纤外面包覆的尼龙材料层，用光纤刀轻轻在光纤上横划一道刻痕，用手指轻碰有刻痕断面，光纤即断，露出新的清洁端面，在切割的过程要保证光纤切面的清洁和平整，避免污染在耦合时散射进光。

（5）把光纤夹入夹子，用薄金属片舌头卡住，楔形金属片长边向里，避免光线激光输入端上翘，激光不易打进耦合，端面长度不要太大（1 c m左右）固定好夹子，避免圆柱夹子前后移动。

（6）寻找半导体激光器的焦点，电流不要太大，防止刺眼。（拿一个白色的挡光屏或白纸在半导体激光器出光端前后移动找最亮最小的点所在光具组轨道位置即为激光器焦点）。

（7）光纤的耦合是一个比较复杂的过程，并不是说找到焦点耦合点就恰好在焦点上，但是可以肯定的是耦合点应该在焦点附近，所以三维支架不必要沿光具导轨有较大范围的移动。

（8）首先使激光能够打在光纤芯径上，高度要一致，这时可以看见从三维支架另一端的光纤红彤彤的现象，但是红彤彤并不意味着光纤的出光端光强就是最大，必须耦合进去才可以达到最大光强，此时只是证明焦点和高度调的较好了。

（9）在导轨上前后晃动移动三维支架，找光纤耦合的最佳位置，可用一只手或屏放在光纤出光端进行观测，看光是否最亮，找到最亮的位置后，就应该固定三维支架的位置螺钉，因为此时的位置就是耦合的最佳位置，不断地调整半导体激光器后面的两个螺钉，使出光最大，光功率的值达到0.2 m W以上，才可以进行光纤长度的测量。

1.2 光纤耦合效率的计算

通常用耦合表示光耦合进光纤功率大小的程度，为了使进入光纤中的光携载信号不失真，耦合进入的功率越大越好。

式中：η为耦合效率；Poutmax为光经光纤耦合后出光最大光功率；Pinmax为光进入光纤最大光功率值。

1.3 光纤长度的近似测量

通过示波器观测，在示波器上找出光通过光纤和光没有通过光纤的两次时间之差，据L＝vΔt＝Δt来计算光纤的长度，式中：v为光纤中光的传播速度；c为光在真空中传播速度。

图2 示波器测量光传输时间原理图

图2为示波器测量光转输时间原理图。图中1为光经过光纤耦合后的传输波形图；2为光没有经过光纤耦合的传输波形图。上面的横虚线是波形90%的位置，为波型不失真处，t1、t2分别是两个近似方波波形上升沿90%的位置不失真处与横虚线的交点在示波器屏幕时间扫描线投影。

2 半导体激光器电光特性的测量

表1、2与图1、2分别给出两组不同半导体激光器的电光特性实现数据和曲线。

表1 数据（P－I数据）

图3 P－I 特性曲线（1）

表2 数据（P－I数据）

图4 P－I特性曲线（2）

任选两组数据作图，发现这两组数据有共同的特点，两组半导体电光特性曲线都是开始随着电流的增大，电功率变化不大，当电流增大到某一特定值时，光功率急剧增大，此时的电流值叫阈值电流，即阈值电流指的是P－I电光特性曲线发生明显拐点的地方所对应的横坐标电流值。不同的半导体激光器对应不同的阈值电流，第一组半导体激光器阈值电流为44 mA；第二组曲线阈值电流为48 mA的位置。半导体激光器阈值电流应该是刚开始可以让激光器出光振荡的电流值，这时的激光是很弱的（刚出光时的电流），如果要正常工作，通常是要调大电流的。阈值电流是半导体激光器的重要参数之一。通常用测量半导体激光器的输出光功率—电流（P－I）特性曲线、观察远场或近场图样的变化以及光谱随电流的变化等来确定阈值，但误差较大。文章中用测量半导体激光器电光特性曲线可准确方便地获得阈值电流。

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