趙瑞娟，安盼龍，張旭峰，楊 艷

（中北大學(xué)，山西 太原 030051）

光纖傳輸［1－5］系統(tǒng)主要由3部分組成：光源（又稱光發(fā)送機(jī)），傳輸介質(zhì)、檢測(cè)器（又稱光接收機(jī)）。光纖傳輸系統(tǒng)按傳輸信號(hào)可分為數(shù)字傳輸系統(tǒng)和模擬傳輸系統(tǒng)。模擬傳輸系統(tǒng)是把光強(qiáng)進(jìn)行模擬調(diào)制，將輸入信號(hào)變?yōu)閭鬏斝盘?hào)的振幅（頻率或相位）的連續(xù)變化。數(shù)字傳輸系統(tǒng)是把輸入的信號(hào)變換成“1”、“0”脈沖信號(hào)，并以其作為傳輸信號(hào)，在接受端再還原成原來的信號(hào)。當(dāng)然，隨著光纖傳輸信號(hào)的不同所需要的設(shè)備有所不同。光纖作為傳輸介質(zhì)，是光纖傳輸系統(tǒng)的重要因素。可按不同的方式進(jìn)行分類，按照傳輸模式來劃分：光線只沿光纖的內(nèi)芯進(jìn)行傳輸，只傳輸主模稱之為單模光纖；有多個(gè)模式在光纖中傳輸，稱這種光纖為多模光纖。長(zhǎng)途光纖通信系統(tǒng)中，通常僅有毫瓦數(shù)量級(jí)的光功率從光發(fā)射機(jī)輸出，經(jīng)過幾十公里光纖的傳輸衰減，到達(dá)光接收機(jī)的光信號(hào)將變得十分微弱。因此，光纖與光源之間、光纖與光纖之間的耦合問題變得越來越重要。借助光信號(hào)在光通信元器件中的耦合進(jìn)行理論上研究，可以有效地預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的有效耦合將起決定性的作用。

1 光纖的耦合

1.1 不使用顯微鏡快速調(diào)節(jié)耦合光纖方法

按圖1安裝好實(shí)驗(yàn)裝置，整個(gè)耦合裝置放置在平行導(dǎo)軌上，調(diào)節(jié)步驟，見圖1：

圖1 實(shí)驗(yàn)原理圖

（1）調(diào)整半導(dǎo)體激光器的兩個(gè)端面平行（調(diào)整激光器后面的兩個(gè)調(diào)整螺母即可）。

（2）把三維支架置于激光器出光端。

（3）從三維支架上拿下光線圓柱卡子，抽出薄金屬片舌頭，取出光線。

（4）用手指甲刮掉光纖外面包覆的尼龍材料層，用光纖刀輕輕在光纖上橫劃一道刻痕，用手指輕碰有刻痕斷面，光纖即斷，露出新的清潔端面，在切割的過程要保證光纖切面的清潔和平整，避免污染在耦合時(shí)散射進(jìn)光。

（5）把光纖夾入夾子，用薄金屬片舌頭卡住，楔形金屬片長(zhǎng)邊向里，避免光線激光輸入端上翹，激光不易打進(jìn)耦合，端面長(zhǎng)度不要太大（1 c m左右）固定好夾子，避免圓柱夾子前后移動(dòng)。

（6）尋找半導(dǎo)體激光器的焦點(diǎn)，電流不要太大，防止刺眼。（拿一個(gè)白色的擋光屏或白紙?jiān)诎雽?dǎo)體激光器出光端前后移動(dòng)找最亮最小的點(diǎn)所在光具組軌道位置即為激光器焦點(diǎn)）。

（7）光纖的耦合是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，并不是說找到焦點(diǎn)耦合點(diǎn)就恰好在焦點(diǎn)上，但是可以肯定的是耦合點(diǎn)應(yīng)該在焦點(diǎn)附近，所以三維支架不必要沿光具導(dǎo)軌有較大范圍的移動(dòng)。

（8）首先使激光能夠打在光纖芯徑上，高度要一致，這時(shí)可以看見從三維支架另一端的光纖紅彤彤的現(xiàn)象，但是紅彤彤并不意味著光纖的出光端光強(qiáng)就是最大，必須耦合進(jìn)去才可以達(dá)到最大光強(qiáng)，此時(shí)只是證明焦點(diǎn)和高度調(diào)的較好了。

（9）在導(dǎo)軌上前后晃動(dòng)移動(dòng)三維支架，找光纖耦合的最佳位置，可用一只手或屏放在光纖出光端進(jìn)行觀測(cè)，看光是否最亮，找到最亮的位置后，就應(yīng)該固定三維支架的位置螺釘，因?yàn)榇藭r(shí)的位置就是耦合的最佳位置，不斷地調(diào)整半導(dǎo)體激光器后面的兩個(gè)螺釘，使出光最大，光功率的值達(dá)到0.2 m W以上，才可以進(jìn)行光纖長(zhǎng)度的測(cè)量。

1.2 光纖耦合效率的計(jì)算

通常用耦合表示光耦合進(jìn)光纖功率大小的程度，為了使進(jìn)入光纖中的光攜載信號(hào)不失真，耦合進(jìn)入的功率越大越好。

式中：η為耦合效率；Poutmax為光經(jīng)光纖耦合后出光最大光功率；Pinmax為光進(jìn)入光纖最大光功率值。

1.3 光纖長(zhǎng)度的近似測(cè)量

通過示波器觀測(cè)，在示波器上找出光通過光纖和光沒有通過光纖的兩次時(shí)間之差，據(jù)L＝vΔt＝Δt來計(jì)算光纖的長(zhǎng)度，式中：v為光纖中光的傳播速度；c為光在真空中傳播速度。

圖2 示波器測(cè)量光傳輸時(shí)間原理圖

圖2為示波器測(cè)量光轉(zhuǎn)輸時(shí)間原理圖。圖中1為光經(jīng)過光纖耦合后的傳輸波形圖；2為光沒有經(jīng)過光纖耦合的傳輸波形圖。上面的橫虛線是波形90%的位置，為波型不失真處，t1、t2分別是兩個(gè)近似方波波形上升沿90%的位置不失真處與橫虛線的交點(diǎn)在示波器屏幕時(shí)間掃描線投影。

2 半導(dǎo)體激光器電光特性的測(cè)量

表1、2與圖1、2分別給出兩組不同半導(dǎo)體激光器的電光特性實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和曲線。

表1 數(shù)據(jù)（P－I數(shù)據(jù)）

圖3 P－I 特性曲線（1）

表2 數(shù)據(jù)（P－I數(shù)據(jù)）

圖4 P－I特性曲線（2）

任選兩組數(shù)據(jù)作圖，發(fā)現(xiàn)這兩組數(shù)據(jù)有共同的特點(diǎn)，兩組半導(dǎo)體電光特性曲線都是開始隨著電流的增大，電功率變化不大，當(dāng)電流增大到某一特定值時(shí)，光功率急劇增大，此時(shí)的電流值叫閾值電流，即閾值電流指的是P－I電光特性曲線發(fā)生明顯拐點(diǎn)的地方所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)電流值。不同的半導(dǎo)體激光器對(duì)應(yīng)不同的閾值電流，第一組半導(dǎo)體激光器閾值電流為44 mA；第二組曲線閾值電流為48 mA的位置。半導(dǎo)體激光器閾值電流應(yīng)該是剛開始可以讓激光器出光振蕩的電流值，這時(shí)的激光是很弱的（剛出光時(shí)的電流），如果要正常工作，通常是要調(diào)大電流的。閾值電流是半導(dǎo)體激光器的重要參數(shù)之一。通常用測(cè)量半導(dǎo)體激光器的輸出光功率—電流（P－I）特性曲線、觀察遠(yuǎn)場(chǎng)或近場(chǎng)圖樣的變化以及光譜隨電流的變化等來確定閾值，但誤差較大。文章中用測(cè)量半導(dǎo)體激光器電光特性曲線可準(zhǔn)確方便地獲得閾值電流。

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