光纖傳輸特性實驗

『壹』 光纖的主要傳輸特性有哪些

光纖的種類很多，根據用途不同，所需要的功能和性能也有所差異。但對於有線電視和內通信用的光容纖，其設計和製造的原則基本相同，諸如：①損耗小；②有一定帶寬且色散小；③接線容易；④易於成統；⑤可靠性高；⑥製造比較簡單；⑦價廉等。
光纖器件有兩個基本參數，即插入損耗和隔離度。其理論上的最低損耗，在3pm波長時可達10-2～10－3db/km，而石英光纖在1.55pm時卻在0.15-0.16db/km之間。目前，zblan光纖由於難於降低散射損耗，只能用在2.4～2.7pm的溫敏器和熱圖像傳輸，尚未廣泛實用。

『貳』 求解：光在光纖中的傳輸特點。（這個是大學物理實驗中的一條思考題。）

1、衰減。光在光纖中自傳播時，平均光功率沿光纖長度方向呈指數規律減少。
2、色散。
波長色散。由於光纖中的信號是由不同的頻率成分和不同的模式成分來攜帶的，這些不同的頻率成分和不同的模式成分的傳輸速度不同，從而引起色散。在光纖中，不同速度的信號傳過的距離所需的時延不同。時延差越大，色散就越嚴重。因此，常用時延差表示色散程度。單模光纖中只傳輸基模LP01，總色散由材料色散、波導色散和折射剖面色散組成。
偏振模色散。（光纖中的光傳輸可描述為完全時沿X軸振動和完全是沿Y軸上的振動或一些光在兩個軸上的振動。）
3、非線性效應。當光功率增加到一定程度時，光信號與光纖傳輸媒介間的非線性交互現象將會呈現。

『叄』 音頻信號的光纖傳輸實驗如何計算最佳靜態工作點

音頻信號光纖傳輸實驗

光纖在通訊領域、感測技術及其他信號傳輸技術中顯示了愈來愈廣泛的用途，也顯示了其愈來愈重要的地位。隨之而來的電光轉換和光電轉換技術、耦合技術、光傳輸技術等，都是光纖傳輸技術及器件構成的重要成分。對於不同頻率的信號傳輸和傳輸的頻帶寬度，上述各種技術有很大的差異，構成的器件也具有不同的特性。通過實驗了解這些特性及其對信息傳輸的影響，有助於在科研與工程中恰當地使用這一信號傳輸技術。
一、實驗目的
1.熟悉半導體電光/光電器件的基本性能及主要特性的測試方法。
2.了解音頻信號光纖傳輸的結構及選配各主要部件的原則。
二、實驗儀器
FD-OFT-A型音頻信號光纖傳輸實驗儀實驗主機（包括音頻信號發生器、光功率計、LED放射器、SPD接收器等）、多模光纖（裝於骨架上），半導體收音機，示波器組成
三、實驗原理
1. 音頻信號光纖傳輸系統的原理
傳輸系統由「光信號發送器」、「光信號接受器」和「傳輸光纖」三部分組成。其原理主要是：先將待傳輸的音頻信號作為源信號供給「光信號發送器」，從而產生相應的光信號，然後將此光信號經光纖傳輸後送入「光信號接受器」，最終解調出原來的音頻信號。為了保證系統的傳輸損耗低，發光器件LED的發光中心波長必須在傳輸光纖的低損耗窗口之內，使得材料色散較小。低損耗的波長在850nm，1300nm或1600nm附近。本儀器
LED發光中心波長為850nm，光信號接受器的光電檢測器峰值響應波長也與此接近。
為了避免或減少波形失真，要求整個傳輸系統的頻帶寬度能覆蓋被傳輸信號的頻率范圍。由於光纖對光信號具有很寬的頻帶，故在音頻范圍內，整個系統頻帶寬度主要決定於發射端的調制信號放大電路和接收端的功放電路的幅頻特性。
2. 半導體發光二極體LED的結構和工作原理
光纖通訊系統中對光源器件在發光波長、電光功率、工作壽命、光譜寬度和調制性能等許多方面均有特殊要求，所以不是隨便哪種光源器件都能勝任光纖通訊的任務，目前在以上各方面都能較好滿足要求的光源器件主要有半導體發光二極體（light emitting diode，縮寫LED）和半導體激光器（Laser Diode，縮寫LD）。以下主要介紹發光二極體。半導體發光二極體是低速短距離光通信中常用的非相干光源，它是如圖
3所示的N-P-P三層結構的半導體器件，中間層通常是由直接帶隙的GaAs砷化鎵P型半導體材料組成，稱為有源層，其帶隙寬度較窄，兩側分別由AlGaAs的N型和P型半導體材料組成，與有源層相比，它們都具有較寬的帶隙。具有不同帶隙寬度的兩種半導體單晶之間的結構稱為異質結，中，有源層與左側的N層之間形成的是P-N異質結，而與右側P
層之間形成的是P-P異質結，所以這種結構又稱為N-P-P雙異質結構，簡稱DH結構。
當在N-P-P雙異質結兩端加上偏壓時，就能使N層向有源層注入導電電子，這些導電電子一旦進入有源層後，因受到P-P異質結的的阻擋作用不能再進入右側P層，它們只能被限制在有源層內與空穴復合，同時釋放能量產生光子，發出的光子滿足以下關系：

『肆』 光纖傳輸的傳輸特性

光纜不易分支，因為傳輸的是光信號，所以一般用於點到點的連接。光的匯流排拓撲結構的實驗性多點系統已經建成，但是價格還太貴。原則上，由光纖功率損失小、衰減少，有較大的帶寬潛力，因此，一般光纖能夠支持的接頭數比雙絞線或同軸電纜多得多。低價可靠的發送器為0.85um波長發光二極體LED，能支持100Mbps的傳輸率和1.5～2KM范圍內的區域網。激光二極體的發送器成本較高，且不能滿足百萬小時壽命的要求。運行在0.85um波長的發光二極體檢波器PIN也是低價的接收器。
雪崩光二極體的信號增益比PIN大，但要用20～50V的電源，而PIN檢波器只需用5V電源。如果要達到更遠距離和更高速率，則可用1.3um波長的系統，這種系統衰減很小，但要比0.85um波長系統貴源。另外,與之配套的光纖連接器也很重要，要求每個連接器的連接損耗低於25dB，易於安裝，價格較低。光纖的芯子和孔徑愈大，從發光二極體LED接收的光愈多，其性能就愈好。芯子直徑為100um，包層直徑為140um 的光纖，可提供相當好的性能。其接收的光能比62.5/125um光纖的多4dB，比50/125um光纖多8.5dB。運行在0.8um波長的光纖衰減為6dB/Km，運行在1.3um波長的光纖衰減為4dB/Km。0.8um的光纖頻寬為150MHz/Km，1.3um的光纖頻寬為500MHz/Km。
綜合布線系統中，主幹線使用光纖做為傳輸介質是十分合適的，而且是必要的。
採用一種光波波分復用技術WDM（WAVELENGTH DIVISION MULTI-PLEXING），可以在一條線路上復用、發送、傳輸多個位，一般按一個位元組八位並行傳輸，對每個位流使用不同的波長，所以它所需的支持電路可在低速率下運行。WDM的光纖鏈路適合於位元組寬度的設備介面，是一種新的數據傳輸系統。[1]

『伍』 如何進行光的特性實驗

再一張不透光的紙或者塑料板上鑽一個細孔，一定要夠細。
在比較黑暗的環境下，再版用一權個小燈泡放左小孔後面，讓光線透過小孔，投射在屏幕（或者牆）上，就可以看到明暗相間的條紋，這個就是衍射實驗。
同上做兩個不透光的紙或者塑料板，也是讓光透過小孔，投射在屏幕（或者牆）上，讓兩個條紋互相靠近，調節距離，使明暗條紋互相加強或者抵消，這就是干涉實驗。

『陸』 光纖基本光學特性實驗表格

光纖特性量測
一、實驗目的
1. 以氦氖雷射為光源觀察單模（Single mode）及多模（Multimode）光纖的數值孔徑（Numerical Aperture）之不同。
2. 利用光纖微彎器（Mode Scrambler）探討外加應力對單模及多模光纖的光功率傳輸損耗之影響。
二、實驗步驟與實驗結果、分析討論
(1) 光纖數值孔徑實驗：
在這個實驗中，我們准備了單模光纖與多模光纖，經由觀察光通過光纖之後在方格屏幕繞射光投影的大小來計算並比較單模光纖與多模光纖數值孔徑之不同。實驗步驟如下：
首先利用光圈將氦氖雷射調成與桌面同一水平高度，接下來准備我們所需要使用的單模及多模光纖，裁剪適當長度的光纖約一到二公尺，將光纖兩端的纖殼（cladding）利用光纖剝皮剪（Fiber Stripper）去除適當長度約五到十公分，為確保光纖斷面的平整，我們使用光纖切割機（Fiber Cleaver）來切平光纖斷面[注 ]，將光纖兩端之斷面處理妥當之後，將一端固定於光纖夾柱之中，將光纖放進光纖夾柱溝槽內並使用固定鐵片固定光纖，光纖切面需突出光纖夾柱一些以便於將雷射光源耦合進光纖，將以固定光纖之光纖夾柱放置於顯微物鏡後之固定孔中並以攻芽螺絲固定，光纖另一端以光纖夾架固定，並且將光纖切面放至於距離方格屏幕五公分處。
啟動氦氖雷射並將光源入射顯微物鏡，適當調整顯微物鏡距離將光源耦合進入光纖纖核（core）中，並適度微調水平及左右位置，使光更容易耦合進入光纖，可在光纖輸出端利用光功率計觀察是否耦合良好（至少30 % 耦合效率），光源經過光纖後輸出光中心盡量對准方格屏幕之中心，並使光源中心在移動平移台時不會有明顯偏移，在光源距離屏幕五公分時紀錄其輸出光直徑（方格屏幕一格為1mm），此後每一公分紀錄一次光直徑，紀錄至光源離屏幕十公分時為止，然後畫出其輸出光直徑對距離的分布圖形，並計算其最大出射角度 及數值孔徑NA = ，其中 為空氣的折射率。

光纖輸出端與屏幕之距離 單模光纖
輸出光直徑 (mm) 多模光纖
輸出光直徑 (mm)
5 cm
6 cm
7 cm
8 cm
9 cm
10 cm

NA

(2) 光纖微彎實驗：
在此實驗中，我們將氦氖雷射光耦合進入單模或多模光纖，在光纖的中段放置一個光纖微彎器，觀察光纖受到擠壓後輸出光功率如何受到影響。
首先將氦氖雷射調整水平於桌面，取一適當長度光纖，兩端去掉纖殼並使用光纖切割器將斷面切割平整，光纖輸入端使用光纖夾柱固定並使用顯微物鏡將光源耦合進入光纖，光纖輸出端利用裸光纖轉接器（bare fiber adaptor）將裸露光纖轉換成FC/PC連接頭並且連接至光功率計。(注意：裸光纖轉接器中有一小縫隙，需小心緩慢將光纖穿過，若無把握可請助教指導。)
實驗光源的氦氖雷射輸出功率為15 mW，在尚未加上光纖微彎器時，盡量調整顯微物鏡和光纖輸入端的耦合情況，使輸出光功率越高越好（至少30 % 耦合效率），如此在光纖經過微彎後之效應較為明顯，在光纖中段架上光纖微彎器，此光纖微彎器每轉動一小格之移動量為12.5 m。因為光纖微彎器轉到底將會將光纖夾斷，所以轉動不可過急，在輸出光功率即將開始有所影響後，再轉動10格，也就是再移動125 m左右，大約就是極限值。調整光纖微彎器之移動量在輸出光功率即將開始有所影響之處，開始紀錄其輸出光功率，然後每轉動一小格，紀錄一次輸出光功率，總共紀錄十一次後，繪出其輸出光功率對移動量之損耗曲線圖。

轉動格數 移動量 (m) 單模光纖
輸出光功率 (mW) 多模光纖
輸出光功率 (mW)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

三、問題與討論
1. 請推導證明：步階折射率（Step Index）光纖的數值孔徑NA = 。
其中 為空氣的折射率， 為纖核的折射率， 為纖殼的折射率。
Ans：

2. 在光纖微彎實驗中，當受到相同的應力時，單模及多模光纖的光功率傳輸損耗何者較大？為什麼？
Ans：

四、心得與感想

『柒』 光纖傳輸實驗採用什麼作為發光器件和光接受器件

音頻信號光纖傳輸實驗

光纖在通訊領域、感測技術及其他信號傳輸技術中顯示了愈來愈廣泛的用途，也顯示了其愈來愈重要的地位。隨之而來的電光轉換和光電轉換技術、耦合技術、光傳輸技術等，都是光纖傳輸技術及器件構成的重要成分。對於不同頻率的信號傳輸和傳輸的頻帶寬度，上述各種技術有很大的差異，構成的器件也具有不同的特性。通過實驗了解這些特性及其對信息傳輸的影響，有助於在科研與工程中恰當地使用這一信號傳輸技術。
一、實驗目的
1.熟悉半導體電光/光電器件的基本性能及主要特性的測試方法。
2.了解音頻信號光纖傳輸的結構及選配各主要部件的原則。
二、實驗儀器
FD-OFT-A型音頻信號光纖傳輸實驗儀實驗主機（包括音頻信號發生器、光功率計、LED放射器、SPD接收器等）、多模光纖（裝於骨架上），半導體收音機，示波器組成
三、實驗原理
1. 音頻信號光纖傳輸系統的原理
傳輸系統由「光信號發送器」、「光信號接受器」和「傳輸光纖」三部分組成。其原理主要是：先將待傳輸的音頻信號作為源信號供給「光信號發送器」，從而產生相應的光信號，然後將此光信號經光纖傳輸後送入「光信號接受器」，最終解調出原來的音頻信號。為了保證系統的傳輸損耗低，發光器件LED的發光中心波長必須在傳輸光纖的低損耗窗口之內，使得材料色散較小。低損耗的波長在850nm，1300nm或1600nm附近。本儀器
LED發光中心波長為850nm，光信號接受器的光電檢測器峰值響應波長也與此接近。
為了避免或減少波形失真，要求整個傳輸系統的頻帶寬度能覆蓋被傳輸信號的頻率范圍。由於光纖對光信號具有很寬的頻帶，故在音頻范圍內，整個系統頻帶寬度主要決定於發射端的調制信號放大電路和接收端的功放電路的幅頻特性。
2. 半導體發光二極體LED的結構和工作原理
光纖通訊系統中對光源器件在發光波長、電光功率、工作壽命、光譜寬度和調制性能等許多方面均有特殊要求，所以不是隨便哪種光源器件都能勝任光纖通訊的任務，目前在以上各方面都能較好滿足要求的光源器件主要有半導體發光二極體（light emitting diode，縮寫LED）和半導體激光器（Laser Diode，縮寫LD）。以下主要介紹發光二極體。半導體發光二極體是低速短距離光通信中常用的非相干光源，它是如圖
3所示的N-P-P三層結構的半導體器件，中間層通常是由直接帶隙的GaAs砷化鎵P型半導體材料組成，稱為有源層，其帶隙寬度較窄，兩側分別由AlGaAs的N型和P型半導體材料組成，與有源層相比，它們都具有較寬的帶隙。具有不同帶隙寬度的兩種半導體單晶之間的結構稱為異質結，中，有源層與左側的N層之間形成的是P-N異質結，而與右側P
層之間形成的是P-P異質結，所以這種結構又稱為N-P-P雙異質結構，簡稱DH結構。
當在N-P-P雙異質結兩端加上偏壓時，就能使N層向有源層注入導電電子，這些導電電子一旦進入有源層後，因受到P-P異質結的的阻擋作用不能再進入右側P層，它們只能被限制在有源層內與空穴復合，同時釋放能量產生光子，發出的光子滿足以下關系：