光通信实验讲义
空间光调制器参数测量与创新应用实验
实验讲义
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前言
空间光调制器是一类能将信息加载于一维或两维的光学数据场上，以便有效的利用光的固有速度、并行性和互连能力的器件。这类器件可在随时间变化的电驱动信号或其他信号的控制下，改变空间上光分布的振幅或强度、相位、偏振态以及波长，或者把非相干光转化成相干光。由于它的这种性质，可作为实时光学信息处理、光计算等系统中构造单元或关键的器件。空间光调制器是实时光学信息处理，自适应光学和光计算等现代光学领域的关键器件，很大程度上，空间光调制器的性能决定了这些领域的实用价值和发展前景。
空间光调制器一般按照读出光的读出方式不同，可以分为反射式和透射式；而按照输入控制信号的方式不同又可分为光寻址(OA-SLM)和电寻址(EA-SLM) 。最常见的空间光调制器是液晶空间光调制器，应用光－光直接转换，效率高、能耗低、速度快、质量好。可广泛应用到光计算、模式识别、信息处理、显示等领域，具有广阔的应用前景。
本实验是传统光信息处理实验与计算机等先进技术手段相结合的现代光学实验，旨在让学生了解空间光调制器的广泛应用和科研价值。本实验注重学生对光信息处理中关键器件的理解，同时利用SLM解决实际科研与产业应用问题的能力，实验直观且有很强的指导性，可作为相关专业学生的研究型实验。
实验一SLM 液晶取向测量实验
一、 实验目的
1. 了解空间光调制器的基础知识。
2. 理解空间光调制器的透光原理。
3. 测量空间光调制器的前后表面液晶分子取向，计算液晶扭曲角。
二、 实验原理
根据液晶分子的空间排列不同，可将液晶分为向列型、近晶型、胆甾型3类。其中扭曲向列液晶 (Twisted Nematic Liquld Crystal ，TNLC)是液晶屏的主要材料之一，它是一种各向异性的媒质，可以看作是同轴晶体，它的光轴与液晶分子的长轴平行。TNLC 分子自然状态下扭曲排列，在电场作用下会沿电场方向倾斜，过程中对空间光的强度和相位都会产生调制。
想定量分析液晶屏对光的调制特性，需要将调制过程用数学方法来模拟，液晶盒里的扭曲向列液晶可沿光的透过方向分层，每一层可看作是单轴晶体，它的光学轴与液晶分子的取向平行。由于分子的扭曲结构，分子在各层间按螺旋方式逐渐旋转，各层单轴晶体的光学轴沿光的传输方向也螺旋式旋转。如图1.1所示。
图1.1 TNLC 分层模型
在空间光调制器液晶屏的使用中，光线依次通过起偏器P 1、液晶分子、检偏器P 2，如图1.2所示。光路中要求偏振片和液晶屏表面都在x-y 平面上，图中已经分别标出了液晶屏前后表面分子的取向，两者相差90°。偏振片角度的定义是，逆着光的方向看，1φ为液晶屏前表面分子的方向顺时针到P l 偏振方向的角度，2φ为液晶屏后表面分子的方向逆时针到P 2偏振方向的角度。偏振光沿z 轴传输，各层分子可以看作具有相同性质的单轴晶体，它的Jones 矩阵表达式与液晶分子的寻常折射率n o 和非常折射率n e ，以及液晶盒的厚度d 和扭曲角α有关。除此之外，Jones 矩阵还与两个偏振片的转角1φ，2φ有关。因此光波强度和相位的信息可简单表示为()12,,T T βφφ=；()12,,δδβφφ=，其中
()e o d n n βπθ=-????又称为双折射，它其实为隐含电场的量，因为β为非常折射率e n 的函数，非常折射率e n 随液晶分子的倾角θ改变，θ又随外加电压而变化。
图1.2 SLM光路示意图
目前主流的液晶显示器组成比较复杂，它主要是由荧光管、导光板、偏光板、滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄膜式晶体管等构成。作为空间光调制器来使用时，通常只保留液晶材料和偏振片。液晶被夹在两个偏振片之间，就能实现显示功能，光线入射面的称为起偏器，出射面的称为检偏器。实验时通常将这两个偏振片从液晶屏中分离出来，取而代之的是可旋转的偏振片，这样方便调节角度。在不加电压和加电压的情况下液晶屏的透光原理如图1.3所示。
图1.3 液晶屏的透光原理
图中液晶屏两侧的起偏器和检偏器相互平行，自然光透过起偏器后变为线偏振光偏振方向为水平。右侧V=O，不加电压，液晶分子自然扭曲90°，透过光的偏振方向也旋转90°，与检偏器方向垂直，无光线射出，即为关态。然而在左侧V≠0，分子沿电场方向排列，对光的偏振方向没有影响，光线经检偏器射出，即为开态。这样即实现了通过电压控制光线通过的功能。
三、实验仪器用具
线偏振氦氖激光器、半波片、空间光调制器，偏振片，功率计等
四、实验内容
要测量空间光调制器的调制特性，首先需要确定一些必要的参数。若通过改变光学系统来实现纯相位调制，需要的参数很多，包括液晶的厚度，液晶的双折射随电压的变化情
况等。本实验中，我们测量的是液晶屏的分子扭曲角和两个表面的分子取向。
1. 调整激光器的偏振方向为竖直方向，调整波片和偏振片使光轴与竖直方向，并读数。
确定波片的光轴方向2φ和偏振片1φ的偏振方向。参照图1.4，沿导轨安装激光器、检偏器、空间光调制器和功率计。
2. 在空间光调制器调试到断电状态，顺时针调试偏振片到光强最大位置记为角度为3φ。
3. 安装半波片，逆时针旋转半波片直到光强最大记波片为4φ。
图1.4 实验系统示意图
1. 线偏振氦氖激光器 6．偏振片
2. 激光夹持器 7. 偏振片架
3. λ/2波片 8. 功率计
4. 波片架
5. 空间光调制器
五、 实验数据处理
1、空间光调制器液晶后表面液晶分子取向与竖直方向夹角为（13φφ-）
2、空间光调制器液晶前表面液晶分子取向与竖直方向夹角为2（24φφ-）
3、液晶自然扭曲角为：（13φφ-）+2（24φφ-）+m π
选做：
1. 测量激光器的输出功率，激光通过半波片后的光功率，激光通过空间光调制器后的光功率，激光通过偏振片后的最大光功率。计算半波片，空间光调制器，偏振片的透射率。
2. 思考能否用普通激光器和偏振片代替线偏激光器和半波片？为什么？
3. 思考能否用线偏激光器、1/4波片，偏振片来产生各方向的偏振光，有何利弊？
实验二 空间光调制器振幅调制实验
一、 实验目的
1. 了解振幅型空间光调制器的工作原理。
2. 测量SLM 振幅调制模式时的偏振光角度。
3. 观察SLM 振幅调制模式下的成像图案。
二、 实验原理
振幅空间光调制器是通过对入射线偏振光进行调制后改变其偏振态，利用入射和出射偏振片的不同获得不同强度的出射偏振光，对光强的调制在光开关，光学信号识别，光学全息中有广泛应用。
在空间光调制器液晶屏的使用中，光线依次通过起偏器P 1、液晶分子、检偏器P 2。如果偏振器件的透光方向与x 轴夹角为θ，那么在直角坐标系中该偏振器件的Jones 矩阵是:
()()()22
cos sin 10cos sin sin cos 00sin cos cos sin cos sin cos sin p J R JR θθθ
θθθθθθθθθθθθθθ-??????=-=??????-?????
?
??=????
（2.1）
其中()cos sin sin cos R θθθθθ??
=??
-??
为旋转矩阵。 对于旋光物质，当旋转角度为α时，对应的Jones 矩阵为
()()cos sin exp 2sin cos t J j nd α
αθπλαα-??
=-?
???
（2.2）
其中，n 是介质的折射率，d 是介质厚度，λ为光的波长。
对于液晶这种复杂的双折射旋光介质，其Jones 矩阵的计算比较复杂，根据不同的模型会有不同的表达式，在Kanghua Lu 最早提出的简单模型中，认为液晶分子扭曲90°是均匀变化，在某一固定电场下，分子的倾斜角0不因z 而变化，即不考虑边缘效应。他给出了液晶层自然状态下的JoneS 矩阵:
()sin cos sin 2exp cos sin sin 2j J j j πβγγγγγψβπγγγγγ??????
+?? ? ???????=-????????-+ ? ?????????
（2.3） 其中()()12
2
2
,,2e o e o d d n n n n πππβψγβλλ????=-=-=+?? ???????
。
当液晶屏加有电场时，液晶分子向电场方向倾斜，它完全是电压r V 的函数。液晶分子存在一个倾斜的闭值电压c V ，当r V 小于c V 时，θ为O 。当r V 大于c V 时，θ是r V 的函数。另定义o V 是θ等于49.6°时的电压，则θ可如下定义
10,2tan exp ,2r c r c r c o V V V V V V V θπ-
?
???-?=?????-->???? ?????????????
（2.4） 由于分子的倾斜，改变了液晶的双折射，e n 是θ的函数。
()()()22222
cos sin 1
e e o
n n n θθθ=+ （2.5） 所以当有电场存在时，液晶层的Jones 矩阵就是将式（2.3）中e n 用()e n θ来代替。计算出的偏振片和液晶组成的系统的Jones 矩阵，进一步由复振幅可分别得到系统的强度
变化和相位变化。
()()2
1212sin cos cos sin 2T πγφφγφφγ??
=-+-????
（2.6）
()()
()()()121
1212sin sin tan
2sin cos cos sin βγφφδβπγγφφγφφ-+=--+- （2.7）
由上式可知，当空间光调制器其他参数保持不变，通过改变1φ和2φ，使相位δ基本保持不变，而强度T 随着液晶屏所加电压的变化而变化，此时空间光调制器为强度调制模式。
三、 实验仪器
线偏振氦氖激光器、半波片、空间光调制器，偏振片，功率计等。
图2.1 实验系统示意图
1. 线偏振氦氖激光器 6．偏振片
2. 激光夹持器 7. 偏振片架
3. λ/2波片 8. 功率计
4. 波片架
5. 空间光调制器
四、 实验内容
1. 参照图
2.1，沿导轨安装实验系统中各个器件，保证各光学器件同轴等高，激光
的偏振方向竖直向下。
2.将半波片的角度为
3
φ度，此时入射激光的偏振方向与液晶前表面液晶分子平行。
旋转偏振片P
2使
2
φ从0°到180°变化，每次间隔10°，每转动一次偏振片，改
变空间光调制器输入图像的灰度值，每改变25灰度记录一次功率计读数，填入表
2.1。
3.根据以上表格找出光功率随灰度变化改变最大值。则此时半波片与偏振片的夹角为
空间光调制器为强度调制模式。
4.将给定的灰度图案写入空间光调制器，按照图观测激光通过空间光调制器后调制产
生的图案。观测单缝衍射图案，双缝干涉图案，矩孔衍射图案。
1. 线偏振氦氖激光器9．波片架
2. 激光夹持器10.空间光调制器
3.可调衰减片11.偏振片
4.空间滤波器12.偏振片架
5.f=100mm 平凸透镜13. f=200mm 平凸透镜
6.透镜支架14.透镜支架
7.可变光阑
8.半波片
实验三空间光调制器相位调制模式的参数测量及标定实验
一、实验目的
1.了解相位型空间光调制器的工作原理。
2.标定SLM相位调制模式时的灰度-相位对应关系。
3.观察SLM相位调制模式下的成像图案。
二、实验原理
前面我们提到了按照SLM调制光参量的不同可以分为振幅型，相位型和复合型。本实验主要研究其相位调制特性，所谓相位型空间光调制器，即该SLM只是对其读出光的相位分布进行调制，读出光的光强基本不变。
实验中我们主要采用扭曲向列液晶来实现纯相位调制的，N.Konforti等人在前人研究的基础上提出，扭曲向列型液晶可以作为纯位相空间光调制器的，位相的改变依赖于电极上的电压，研究认为当液晶分子受到外加电场的时候，如果外加电场高于Freedericksz改变阈值电压而且低于光学改变阈值电压时，液晶分子呈现出沿电场排布的趋势，但依然保持自身的扭曲状态不变，在此区间的位相改变来自于各层液晶分子的有效双折射效应，这种双折射的变化与电压的增大和液晶分子的偏转成反比。在此区间不会有太大的强度变化，因为液晶分子的扭曲状态依然不变。若外加电压的大小高于光学改变阈值电压的时候，液晶分子的扭曲不再一致，这时双折射效应增加，光的通过率增加。
若作为纯相位调制器，要求相位调制时强度基本不变，并且还要求通过率较大。本实验采用了将空间光调制器放在2个偏振片之间（为了减少光功率的损耗，第一个偏振片用线偏光和半波片的组合代替），不断调节偏振片的偏振状态来确定合适的偏振角度来达到纯相位调制的模式。如下图所示，空间光调制器放置在偏振片P1，P2之间，然后来调节偏振片的角度，当光强基本保持的时候记录前后偏振片的角度，在此角度下是否为纯相位调制还需要后面进行相位标定。
可调衰减片半波片
图3.1 相位标定系统原理示意图
本实验的相位标定方法是基于干涉理论。如图3.1所示，激光被分束器分成2束平行的相干光束。两束光分别照在SLM平板的左右两个半板。其中左半板的灰度值为固定值，而右半板的灰度值是从0到255变化可调（图3.2）。两光束在经过SLM相位调制后，在通过一个合束器发生干涉，然后由CCD采集条纹图案。由于SLM的右半板的灰度在不断变化，所以右边光束的相位也在随之发生变化，因此导致干涉条纹会产生相移，我们通过计算分析干涉条纹的相移数据来测量空间光调制器的相位调制特性。
图3.2 SLM左半板的灰度为固定值，右半板的灰度由0到255变化
三、实验仪器
线偏振激光器、可调衰减片、空间滤波器、半波片、分束器、空间光调制器、偏振片、数字摄像机
四、实验内容
1.参照图3.3搭建实验系统，调整各光学器件同轴等高。激光偏振方向竖直向下。
图3.3 实验系统示意图
1. 线偏振氦氖激光器1
2. 空间光调制器
2. 激光夹持器1
3. 合束器
3. 可调衰减片1
4. 可调棱镜支架
4. 空间滤波器1
5. 偏振片
5. f=100mm 准直透镜1
6. 偏振片架
6. 透镜支架1
7. CMOS数字相机
7. 可变光阑
8. 半波片
9．波片架
10.分束器
11.可调棱镜支架
2.调整各器件使激光扩束准直后，由分束器分为两束平行光，分别投射在空间光调
制器的左右半屏上，再由合束器将两束光合为一束，形成清晰稳定的干涉条纹。
再由数字摄像机进行图像采集。
3.调节半波片和偏振片使其在加载全黑图片与全白图片时光功率基本不变化，即使
空间光调制器处于相位调制的状态。在空间光调制器中读入相应的图像，使得左
半屏的灰度保持0灰度不变，右半屏的灰度从0到250，以25灰度为间隔来改变。
每改变一次灰度，采集一次条纹图案。通过配套软件计算每一幅条纹图案相对于
第一幅条纹图的相移量。
4.参考图3.4搭建相位调制型空间光调制器实验系统，将给定的相位图写入空间光
调制，观察衍射图案。
图3.4 相位调制实验示意图
1. 线偏振氦氖激光器9．波片架
2. 激光夹持器10.空间光调制器
3.可调衰减片11.偏振片
4.空间滤波器12.偏振片架
5.f=100mm 平凸透镜14.透镜支架
6.透镜支架
7.可变光阑
8.半波片
五、实验数据处理
1.将计算出来的当右半屏显示不同灰度时产生的条纹图案相对于0灰度时的条纹图案的
实验四 SLM 衍射特性研究及衍射光学元件设计实验
一、 前言
从上世纪八十年代开始，随着计算机产生全息与相息图（kinoforms ）设计、制作技术的完善和微电子加工技术的发展，人们能够应用光学衍射原理，设计并制作衍射光学元件，使几种光学功能集于一体，从而产生了衍射光学(Diffractive optics)这个新兴的光学分支。衍射光学是光学与微电子技术相互渗透、交叉而形成的前沿学科，也是微光学(Micro-optics)领域的主要研究内容。其基本内涵为:基于光波的衍射理论，利用计算机辅助设计技术，并用各种微细加工工艺，在片基或传统光学器件表面刻蚀产生两个或多个台阶甚至连续形状的浮雕结构，形成纯相位、具有极高衍射效率的一类衍射光学元件[7,8]。当光束投射到这样的元件上时（透射式或者反射式），波相位受到调制，实现各种联合的光学功能。衍射光学器件具有体积小、重量轻、易复制、造价低、衍射效率高、设计自由度多、材料可选性宽、色散性能独特等特点，并能实现传统光学器件难以完成的阵列化、集成化及任意波面变换等功能。
二、 实验目的
1. 了解空间光调制器的相关应用。
2. 理解空间光调制器的“黑栅效应”。
3. 学习衍射光学元件的设计方法。
4. 利用空间光调制器设计动态衍射光学元件。
三、 实验原理
电寻址空间光调制器是由单个分离的像素组成的，控制较为方便，主要用作电光实时接口器件，可看成是数字式的器件。但其相邻像素之间存在一条不透光的黑带，众多黑带连在一起被形象地称之为“黑栅”。理想情况下,用于输入数字图像的SLM 像素填充因子为100%,相应输出图像对比度高,相对容易辨别,误码率低。但由于“黑栅”的存在，实际空间光调制器的填充因子是非理想的(小于100%)，因此会对CCD 上获得输出图像像质带来影响,具体影响效果是一个值得研究的问题。
N 常用的液晶空间光调制器像素尺寸一般可近似成正方形或者长方形，如图4.1所示。相邻像素在x 、y 方向上像素尺寸(亦称像素间距)分别用x ?、y ?表示，α、β和M 、N 分别为x 、y 方向有效像素所占比例和像素数，且α、β∈(0,1)。考虑激光器发出的原始物波经过整形扩束成平面波后传播到空间光调制器，假设此时SLM 每个像素的相位调制相同，则此时的光场复振幅可表示为
()10,,,,x y x y x y u x y u comb rect rect x y x y M x N y αβ????????
=*?? ? ? ??????????????
? （4-1）
式中0u 为平行平面波的表达式，,x y comb x y ??
?????表示空间光调制器每个单元像素的
抽样，,x y rect x y αβ?? ?????表征单个有效像素窗口，,x y rect M x N y ??
?????
表示空间光调制器大小
对衍射像的限制。基于夫琅和费标量衍射及傅立叶变换理论，传播距离d 后的衍射像的复振幅表达式为
()()()()()()()2221221exp j d exp 22,,exp exp ,2jk d j u u x y x y dxdy j d d jk C FT u x y d
ξηλπξηξηλλξη∞∞-∞-∞
??
+
? ?-????=+??????
+ ?=???? ???
?? (4-2)
式中FT 表示傅立叶变换，常位相因子和振幅略写为常量C 。将()1,
u x y 带入式中化简得到
()()()()()()'2''
00
,,,,,sin ,sin ,sin ,,sin ,N M n m x y x y x y u C FT comb rect rect x y x y M x N y C comb x y c x y c M x N y m n C c m n c M x N y x y ξηαβξηαξβηξηαβδξηξη==??
????????=*??
?? ? ? ??????????????????
?=????*????????
??=--*???? ???????∑∑ (4-3)
由上式可知，空间光调制器的黑栅结构会导致成像面存在着多级衍射谱，且每级衍射谱的
相对相位分布是相同的，中心级的谱最亮，高级次的谱相对较暗。因此空间光调制器本身的结构缺陷会给衍射像带来很强的直流分量，降低衍射效率，给成像质量带来不良的影响。 如果有效的减弱甚至消除黑栅效应是进行动态衍射光学元件设计的重要环节。
衍射光学元件（Diffractive Optical Element ，DOE ）的设计问题十分类似于光学变换系统中的相位恢复问题，即己知光学系统输入平面上的入射场和输出平面上的光场分布，如何计算输入平面上调制元件的相位分布，使其正确调制入射光场，高精度地给出预期输出图样，实现所需功能。
衍射光学元件的设计理论通常分为两大类：衍射矢量理论(vector diffraction theory)和衍射标量理论(scalar diffraction theory)。当衍射光学器件的衍射特征尺寸和光波波长相当，甚至为亚波长量级时，标量衍射理论的近似条件不成立，必须采用矢量衍射理论来分析不同电磁场分量在衍射器件中的相互耦合作用。矢量衍射理论基于严格的电磁场理论，在适当的边界条件上、适当地使用一些数学工具来严格地求解麦克斯韦(Maxwell)方程组。遗憾的是，对于大多数较为复杂的实际衍射问题，很难得到封闭形式的解析解。
当衍射光学器件的衍射特征尺寸远大于光波波长，且输出平面距离衍射元件足够远时，可采用标量衍射理论对其衍射场进行足够精度的分析。即只考虑电磁场一个横向分量的复振幅，而假定其它分量可用类似方式独立地进行处理。在此范围内，将衍射光学器件的设计看作是一个优化设计问题，根据事先给定的入射光场和所期望的输出光场等已知条件，构造设计目标函数，利用一种或多种优化算法，求解衍射光学器件的相位结构。目前，基于这一思想的优化设计方法主要有盖师贝格-撒克斯通算法(Gerchberg-Saxton Algorithm ，简称GS)、模拟退火算法(Simulated Annealing Algorithm ，简称SA)和遗传算法(Genetic Algorithm ，简称GA)、杨-顾算法(Yang-Gu Algorithm ，简称YG)以及多种混合算
法等。
基于衍射光学元件DOE 的典型光学系统如图4.2所示。DOE 位于输入平面P 1内，入射光垂直并透射过DOE ，经自由传播，在输出平面P 2上观察衍射图样。P 1和P 2两平面之间的距离为z ，并分别在该两平面内建立直角坐标系。
图4.2 基于衍射光学元件DOE 的典型光学系统
已知入射光的振幅为
()()()000,,exp ,g x y A x y i x y φ=???? (4-4)
上式中，A 0(x, y)为入射光的振幅，()0,x y φ为入射光的相位。衍射光学元件DOE 为纯相位型器件，其复振幅透过率为()exp ,i x y φ????，(),x y φ就是待求DOE 的相位分布。入射平面P 1内的光场为
()()()(){}
00,,exp ,,g x y A x y i x y x y φφ=+???? (4-5) 为研究方便，一般先不考虑()0,x y φ，待求出(),x y φ后，(),x y φ-()0,x y φ即为DOE 的相位分布，故P 1内的光场分布可写成 ()()(),,e x p ,g x y A x y i x y φ=????
(4-6) 令输出平面P2内的复振幅分布函数表示为
()()(),,e x p ,f u v B u v i u v φ=???? (4-7) 由夫琅和费衍射公式可知
()()
()()22
22,,exp k j
u v jkz
z
e e
f u v
g x y j ux vy dxdy j z z πλλ+∞∞
-∞-∞
??
=
-+?????? (4-8) 写成傅立叶变换的形式为： ()()
()22
2,,k j
u v jkz
z
e e
f u v FT
g x y j z
λ+=
???? (4-9)
作为解决相位恢复问题的算法体系中最基本的一种算法，GS 算法可由已知的入射场分布和所需要的场分布，经过多次傅里叶变换及其逆变换的迭代得到要求的DOE 上的相位分布。GS 算法的流程图如图4.3 所示。具体来说，GS 算法按以下几步进行迭代计算：
首先要选择初始分布，例如 ()()000(,)|,|exp ,f u v B u v i u v φ=????，这里()0|,|B u v 为所要求的衍射图案分布，()0,u v φ为可以在[0, 2π]范围内随机取值的分布函数。进行傅立叶逆变换，可得到()()()()1,,|,|exp ,j j j g x y FT f u v A x y i x y φ-??==??????，对于这个输出函数，进行人为的修正，令()|,|j A x y =1，得到新的函数()(,)exp ,j g x y i x y φ=????。然后，进行傅立叶
变换，得到(,)j f u v ，再对它施加人为剪裁。在信号窗口内，令()()10,,j f u v B u v +=，而在窗口外，()1,(,)j j f u v f u v +=，不变更，这样导出经过一次迭代后的解，作为新的下一轮迭代过程的初始分布。这样的迭代过程重复地进行下去，一直到设计精度得到满足或者达到设置的最大迭代次数为止。由最后的输出函数(),g x y ，可得到所需要设计的衍射光学元件的相位。
图4.3 设计衍射光学元件的计算流程图
四、 实验仪器
线偏振激光器、可调衰减片、空间滤波器、半波片、空间光调制器、数字摄像机等。
五、 实验内容
1. 根据空间光调制器的性能，我们应用实验包含衍射光学元件模拟（圆孔、单缝、双缝、正弦
光栅、二元光栅等）、位相图变换模块（计算傅里叶变换图）、漩涡光模块（不同拓扑数）、高斯光束变换模块等应用内容。
2. 参照图4.4搭建实验系统，调整各光学器件同轴等高。
图4.4衍射光学实验示意图
1. 线偏振氦氖激光器9．波片架
2. 激光夹持器10.空间光调制器
3.可调衰减片11.偏振片
4.空间滤波器12.偏振片架
5.f=100mm 平凸透镜13. f=200mm 平凸透镜
6.透镜支架14.透镜支架
7.可变光阑
8.半波片
3.在空间光调制器中写入给定的相位灰度图，观察SLM的黑栅对衍射像的影响。再
将改进GS算法后计算生成的相位灰度图写入空间光调制器中，与前图对比，判断黑栅效应的消弱情况。
4.选择信号图案导入软件中，利用GS算法生成对应的DOE图案，将生成的DOE图案
写入空间光调制器，观察SLM后方产生的衍射图案和信号图案是否一致。
5.轻微的上下移动空间调制器，使准直光束照射液晶屏的不同位置，观测衍射图案
是否发生变化。
6.比较相位调制和强度调制的区别，分析DOE和全息干板的异同。
光通信实验报告
竭诚为您提供优质文档/双击可除 光通信实验报告 篇一：光通信实验报告 信息与通信工程学院 光纤通信实验报告 班姓学 级：名：号： 班内序号：17 日 期：20XX年5月 一、oTDR的使用与测量 1、实验原理 oTDR使用瑞利散射和菲涅尔反射来表征光纤的特性。瑞利散射是由于光信号沿着光纤产生无规律的散射而形成。oTDR就测量回到oTDR端口的一部分散射光。这些背向散射信号就表明了由光纤而导致的衰减（损耗/距离）程度。形成的轨迹是一条向下的曲线，它说明了背向散射的功率不断减小，这是由于经过一段距离的传输后发射和背向散射的信
号都有所损耗。 给定了光纤参数后，瑞利散射的功率就可以标明出来，如果波长已知，它就与信号的脉冲宽度成比例：脉冲宽度越长，背向散射功率就越强。瑞利散射的功率还与发射信号的波长有关，波长较短则功率较强。也就是说用1310nm信号产生的轨迹会比1550nm信号所产生的轨迹的瑞利背向散射要高。 在高波长区（超过1500nm），瑞利散射会持续减小，但另外一个叫红外线衰减（或吸收）的现象会出现，增加并导致了全部衰减值的增大。因此，1550nm是最低的衰减波长；这也说明了为什么它是作为长距离通信的波长。很自然，这些现象也会影响到oTDR。作为1550nm波长的oTDR，它也具有低的衰减性能，因此可以进行长距离的测试。而作为高衰减的1310nm或1625nm波长，oTDR的测试距离就必然受到限制，因为测试设备需要在oTDR轨迹中测出一个尖锋，而且这个尖锋的尾端会快速地落入到噪音中。 菲涅尔反射是离散的反射，它是由整条光纤中的个别点而引起的，这些点是由造成反向系数改变的因素组成，例如玻璃与空气的间隙。在这些点上，会有很强的背向散射光被反射回来。因此，oTDR就是利用菲涅尔反射的信息来定位连接点，光纤终端或断点。 oTDR的工作原理就类似于一个雷达。它先对光纤发出一
光传输实验报告
学校代码： 10128 学号：xxxxx 专题设计实验报告 题目：光纤通信实验 学生姓名：X X X X 专业：X X X X 班级：X X X X 指导教师：X X X 二〇二〇年五月
实验一SDH 网元基本配置 一、实验目的： 通过本实验，了解 SDH 光传输的原理和系统组成，了解 ZXMP S325 设备的硬件构成和单板功能，学习ZXONM 300 网管软件的使用方法，掌握 SDH 网元配置的基本操作。 二、实验器材： 1、SDH 设备：3 套 ZXMP 325； 2、实验用维护终端。 三、实验原理 1、SDH 原理 同步数字体制（SDH）是为高速同步通信网络制定的一个国际标准，其基础在于直接同步复用。按照SDH 组建的网络是一个高度统一的、标准化的、智能化的网络，采用全球统一的接口以实现多环境的兼容，管理操作协调一致，组网与业务调度灵活方便，并且具有网络自愈功能，能够传输所有常见的支路信号，应用于多种领域（如光纤传输，微波和卫星传输等）。 SDH 具有以下特点： （1）接口：接口的规范化是设备互联的关键。SDH 对网络节点接口（NNI）作了统一的规范，内容包括数字信号数率等级、帧结构、复接方法、线路接口、监控管理等。 电接口： STM-1 是 SDH 的第一个等级，又叫基本同步传送模块，比特率为 155.520Mb/s；STM-N 是 SDH 第 N 个等级的同步传送模块，比特率是STM-1 的 N 倍(N=4n=1，4，16，- - -)。
光接口：采用国际统一标准规范。SDH 仅对电信号扰码，光口信号码型是加扰的 NRZ码，信号数率与SDH 电口标准信号数率相一致。 (2)复用方式 a）低速 SDH----高速 SDH，字节间插； b) 低速 PDH-----SDH，同步复用和灵活的映射。 (3) 运行维护:用于运行维护（OAM）的开销多，OAM 功能强——这也是线路编码不用加冗余的原因. (4)兼容性:SDH 具有很强的兼容性，可传送 PDH 业务，异步转移模式信号（ATM）及其他体制的信号。 (5) SDH 复用映射示意图如图1-1所示 图1-1 SDH 复用映射示意图 （6） SDH 体制的缺陷 a)频带利用率低 b)指针调整机理复杂，并且产生指针调整抖动 c)软件的大量使用对系统安全性的影响 2、城域传输网的层次 基于 SDH 多业务节点设备满足如下图所示从核心层、汇聚层到接入层的所有应用，可为用户提供城域网整体解决方案。
光纤通信技术习题及答案12
光纤通信概论 一、单项选择题 1、光纤通信指的就是: A 以电波作载波、以光纤为传输媒介的通信方式; B 以光波作载波、以光纤为传输媒介的通信方式; C 以光波作载波、以电缆为传输媒介的通信方式; D 以激光作载波、以导线为传输媒介的通信方式。 2 光纤通信所使用的波段位于电磁波谱中的: A 近红外区 B 可见光区 C 远红外区 D 近紫外区 3 目前光纤通信所用光波的波长范围就是: A 0、4～2、0 B 0、4～1、8 C 0、4～1、5 D 0、8～1、6 4 目前光纤通信所用光波的波长有三个,它们就是: A 0、85、1、20、1、80 ; B 0、80、1、51、1、80 ; C 0、85、1、31、1、55 ; D 0、80、1、20、1、70。 6 下面说法正确的就是: A 光纤的传输频带极宽,通信容量很大;
B 光纤的尺寸很小,所以通信容量不大; C 为了提高光纤的通信容量,应加大光纤的尺寸; D 由于光纤的芯径很细,所以无中继传输距离短。 二、简述题 1、什么就是光纤通信？ 2、光纤的主要作用就是什么？ 3、与电缆或微波等电通信方式相比,光纤通信有何优点？ 4、光纤通信所用光波的波长范围就是多少？ 5、光纤通信中常用的三个低损耗窗口的中心波长分别就是多少？ 光纤传输特性测量 一、单项选择题 1 光纤的损耗与色散属于: A 光纤的结构特性; B 光纤的传输特性; C 光纤的光学特性; D 光纤的模式特性。 2 光纤的衰减指的就是: A 由于群速度不同而引起光纤中光功率的减少; B 由于工作波长不同而引起光纤中光功率的减少; C光信号沿光纤传输时,光功率的损耗; D 由于光纤材料的固有吸收而引起光纤中光功率的减少。
《光纤通信》试题选择题练习
要自信，绝对的自信，无条件的自信，时刻自信，即使在错的时候！！！ 《光纤通信》选择题练 习公布 精选精炼+课后精讲（QQ在线讲解） 张延锋 2014/8/1 忍人之所不能忍，方能为人知所不能为！！！
选择题练习 1. 目前光纤通信三个实用的低损耗工作窗口是 A.0.85 μm, 1.27 μm, 1.31 μm B.0.85 μm, 1.27 μm, 1.55 μm C.0.85 μm, 1.31 μm, 1.55 μm D.1.05 μm, 1.31 μm, 1.27 μm 2．在阶跃型光纤中，传输模式的传输条件为 A.V＞0 B.V＞Vc C.V＞2.40483 D.V＜Vc 3．在阶跃型光纤中，当模式处于截止的临界状态时，其特性参数 A.W＝0 B.β＝0 C.V＝0 D.U＝0 4. 下列不属于影响光电二极管响应时间的因素是 A.零场区光生载流子的扩散时间 B.有场区光生载流子的漂移时间 C.RC时间常数 D.器件内部发生受激辐射的时间 5．通常，影响光接收机灵敏度的主要因素是 A．光纤色散B．噪声C．光纤衰减D．光缆线路长度6．目前实用光纤通信系统普遍采用的调制─检测方式是 A. 相位调制—相干检测 B. 直接调制—相干检测 C. 频率调制—直接检测 D. 直接调制—直接检测7．下列属于掺铒光纤放大器泵浦光源的典型工作波长是 A.1550 nm B.1310 nm C.980 nm D.850 nm 8．下列属于描述光电检测器光电转换效率的物理量是 A. 响应度 B. 灵敏度 C. 消光比 D. 增益 9．下列属于有源光器件的是 A.光定向耦合器 B.半导体激光器 C. 光纤连接器 D. 光隔离器 10．在下列的传输码型中，不属于插入比特码的是 A. mB1P B. 4B1H C. 5B6B D. mB1C 11. 在激光器中，光的放大是通过 A．粒子数反转分布的激活物质来实现的B．光学谐振腔来实现的C．泵浦光源来实现的D．外加直流来实现的12. 下列哪一项不是要求光接收机有动态接收范围的原因? A．光纤的损耗可能发生变化 B．光源的输出功率可能发生变化 C．系统可能传输多种业务 D．光接收机可能工作在不同系统中 13. 光纤通信中光需要从光纤的主传输信道中取出一部分作为测试用时，需用 A．光衰减器B．光耦合器C．光隔离器D．光纤连接器14. 使用连接器进行光纤连接时，如果接头不连续时将会造成 A．光功率无法传输 B．光功率的菲涅耳反射
光通信技术实验报告
光通信技术实验报告 实验一光通讯系统WDM系统设计 实验目的 1.熟悉Optisystem实验环境，练习使用元件库中的常用元件组建光纤通信系统。 2.使用OptiSystem模拟仿真WDM系统的各项性能参数，并进行分析。 实验原理 光波分复用系统简介 光波分复用是指将两种或多种各自携带有大量信息的不同波长的光载波信号，在发射端经复用器汇合，并将其耦合到同一根光纤中进行传输，在接收端通过解复用器对各种波长的光载波信号进行分离，然后由光接收机做进一步的处理，使原信号复原，这种复用技术不仅适用于单模或多模光纤通信系统，同时也适用于单向或双向传输。 波分复用系统的工作波长可以从0.8μm到1.7μm，由此可见，它可以适用于所有低衰减、低色散窗口，这样可以充分利用现有的光纤通信线路，提高通信能力，满足急剧增长的业务需求。 WDM光通信结构组成 1)滤波器：在WDM系统中进行信道选择，只让特定波长的光通过，并组织其他光波长 通过。可调谐光滤波器能从众多的波长中选出某个波长让其通过。在WDM系统的光接收机中，为了选择所需的波长，一般都需依赖于其前端的可调谐滤波器。要求其有宽的谱宽以传输需要的全部信号谱成分，且带宽要窄以减小信道间隔。 2)复用器/解复用器（MUX/DEMUX）：将多个光波长信号耦合到一路信道中，或使混合 的信号分离成单个波长供光接收机处理。一般，复用/解复用器都可以进行互易，其结构基本是相同的。实际上即是一种波长路由器，使某个波长从指定的输入端口到一个指定的输出端口。 实验软件介绍 OptiSystem是一款创新的光通讯系统模拟软件包，它集设计、测试和优化各种类型宽带光网络物理层的虚拟光连接等功能于一身，从长距离通讯系统到LANS和MANS都使用。一个基于实际光纤通讯系统模型的系统级模拟器，OptiSystem具有强大的模拟环境和真实的
光纤通信系统实验指导书
光纤通信系统实验指导书 光纤通信系统实验指导书 桂林电子科技大学信息科技学院 二零零九年三月 目录 实验一数字光纤传输测试系统实验 (2) 实验二SDH点对点组网2M配置实验 (9)
实验三SDH 链型组网配置实验 (17) 实验四SDH 环形组网配置实验 (27) 实验一数字光纤传输测试系统实验 概述 光纤通信是利用光波作为载波，以光纤作为传输媒质实现信息传输，是一种最新的通信技术。 光纤是光导纤维的简称。光纤通信是以光波为载频，以光导纤维为传输媒质
的一种通信方式。光纤通信使用的波长在近红外区，即波长800～1800nm，可分为短波长波段（850nm）和长波长波段（1310nm和1550nm），这是目前所采用的三个通信窗口。 通信发展过程是以不断提高载频频率来扩大通信容量，光是一种频率极高的电磁波（3×1014HZ），因此用光作载波进行通信容量极大，是过去通信方式的千百倍，具有极大的吸引力，是通信发展的必然方向。 光纤通信有许多优点：首先它有极宽的频带。目前我国已完成了10Gbps的光纤通信系统，这意味着在125um的光纤中可以传输大约11万路电话。其次，光纤的传输损耗很小，传统的同轴电缆损耗约在5dB/Km以上，站间距离不足10Km；而工作在1.55um的光纤最低已达到0.2dB/Km的损耗，站间无中继传输可达100Km以上。另外，光纤通信还具有抗电磁干扰、抗腐蚀、抗辐射等特点，它 。 在地球上有取之不尽，用之不竭的光纤原材料—SiO 2 光纤通信可用于市话中继线，长途干线通信，高质量彩色电视传输，交通监控指挥，光纤局域网，有线电视网和共用天线（CATV）系统。 波分复用技术（WDM）的出现，使光纤传输技术向更高的领域发展，实现信息宽带、高速传输。 光纤通信将会在光同步数字体系（SDH）、相干光通信、光纤宽带综合业务数字网（B—ISDN）、用户光纤网、ATM及全光通信有进一步发展。 光纤通信系统主要由三部分组成：光发射机、传输光纤和光接收机。其电/光和光/电变换的基本方式是直接强度调制和直接检波。实现过程如下：输入电信号既可以是模拟信号（如视频信号、电话语音信号、正弦波或三角波信号），也可以是数字信号（如计算机数据、PCM编码信号、数字信号源信号）；调制器将输入的电信号转换成适合驱动光源器件的电流信号并用来驱动光源器件，对光源器件进行直接强度调制，完成电/光变换的功能；光源 输出的光信号直接耦合到传输光纤中，经一定长度的光纤传输后送达接收端；在接收端，光电检测器对输入的光信号进行直接检波，将光信号转换成相应的电信号，再经过放大恢复等电信号处理过程，以弥补线路传输过程中带来的信号损伤（如损耗、波形畸变），最后输出和原始输入信号相一致的电信号，从而完成整个传送过程。 根据所使用的光波长、传输信号形式、传输光纤类型和光接收方式的不同，光纤通信系统可分成：
光纤通信实验报告
计算机与信息技术学院实验报告 专业：通信工程 年级/班级：2009级 2011—2012学年第一学期 课程名称 光纤通信 指导教师 李新源 本组成员 学号姓名 XXXXXX 实验地点 计算机楼501 实验时间 2012年4月6 日 项目名称 自动光功率控制电路 实验类型 硬件实验 一、 实验目的 1.掌握自动功率控制电路的工作原理 二、实验内容： 1.学习自动功率控制电路的工作原理 2.测量相关特征测试点的参数 三、实验仪器： 1.示波器。 2.光纤通信实验系统。 3.光功率计。 4.万用表。 5.FC/PC 型光纤跳线2根。 四、实验原理： 激光器输出光功率与温度和老化效应密切相关。保持激光器输出光功率稳定，可以用光反馈来自动调整偏置电流，电路如下图所示： 1 A 3 A 2 A B I
首先，PIN管监测背向光功率，经检出的光电流由A1放大，送入比较器A3的反向输入端，输入的数字信号和直流参考信号经A2比较放大，接到的A3同相输入端。A3和VT3组成恒流源，给激光器加上偏置电流IB的大小，其中信号参考电压是防止控制电路在无输入信号或长连“0”时，使偏流自动上升。这种电路在10°C～50°C温度范围内功率不稳定度ΔP/P可小于5%。 五、实验步骤： 1.关闭系统电源。按以下方式用连信号连接导线连接： 数字信号模块（数字信号输出一）P300—P100 1310数字光发模块 （数字光发信号输 入） 2.用光纤跳线连接1310nm光发模块和光功率计。 3.将1310nm光发模块的J100，两位都调到ON状态。 4.将1310nm光发模块的J101设置为“数字”。 5.打开系统电源，将数字信源模块第一路的拨码开关U311全拨到OFF状态。这时输入到1310nm数字光发模块的信号始终为“1”。 6.用万用表测量R124两端的电压。测量方法：先将万用表打到20V直流电 压档。然后，将红表笔插入1310nm数字发光模块的台阶插座TP101黑表笔插入TP102。读出万用表的读数U1，代入公式I1= U1/ R124（R124=51Ω）可得此时 自动光功率控制所补偿的电流。观察此时光功率计的读数P1。然后，将1310nm 的拨码开关的右边一位拨到OFF状态，记下光功率计的读数P2。 7.调整手调电位器RP100改变光功率的大小，再重复实验步骤5，将测的实 验数据填入下表。 8.关闭系统电源，拆除实验导线。将各实验仪器摆放整齐。 六、实验结果和心得： 1 2 3 4 5 6 7 16.31dB 16.17dB 11.90dB 7.62dB 6.62dB 4.59dB 3.40dB 37.31dB 25.58dB 11.88dB 7.62dB 6.63dB 4.59dB 3.42dB 3.14mA 5.88mA 8.43mA 12.75mA 1 4.51mA 19.80mA 24.12mA
《光纤通信技术》复习题答案
《光纤通信技术》复习题 一．基本概念 1．什么样的电磁波叫做“光”？目前的光纤通信用的是什么光？波长是多少？ 答：光是一种电磁波，光频为10E14HZ量级，波长为μm 量级。可见光大约指0.4μm ~0.76μm 波长范围的电磁波。光通信采用的波长0.85μm、1.31μm和1.55μm。即在电磁波近红外区段。 2．光纤通信的特点？ 答：一、传输频带宽，通信容量大 二、传输损耗低，中继距离长 三、不怕电磁干扰 四、保密性好，无串音干扰 五、光纤尺寸小,重量轻,利于敷设和运输 六、节约有色金属和原材料 七、抗腐蚀性能好 3．光纤的NA和LNA各是什么意义？什么是光线模式的分立性？ 答：入射最大角称为孔径角，其正弦值称为光纤的数值孔径。数值孔径表示光纤采光能力的大小。 在光纤端面上芯区各点处允许光线射入并形成导模的能力是不一样的，折射率越大的位置接收入射光的能力越强。为了定量描述光纤端面各点位接受入射光的能力，取各点位激发最高次导模的光线入射角度为局部孔径角θ’C (r) ，并定义角的正弦值为该点位的局部数值孔径LNA。 光是有一定波长的，将光线分解为沿轴向和径向的两个分量，传输光波长λ也被分为λZ和λr。沿径向传输的光波分量是在相对的芯/包层界面间（有限空间）往返传输，根据波形可以稳定存在的条件——空间长度等于半波长的整数倍，而空间长度已由光纤结构所确定，所以径向波长分量λr不能随意了，从而导致它们夹角不能随意也即不能连续变化，即光线模式的分立性。 4．什么是光纤的色散？光纤的色散分为哪几种？在单模光纤中有哪些色散？ 答：脉冲信号在光纤中传输时被展宽的现象叫光纤的色散。分为模间色散和模内色散。模内色散又分为材料色散和波导色散。多模光纤：模式色散和材料色散；单模光纤：材料色散和波导色散。 5．归一化频率V和截止频率VC各如何定义？有何区别和联系？ 答：归一化频率见书28页，截止频率见27页。实际光纤中能够传输的导模模式必须满足V>Vc。
《光纤通信技术》试题.doc
2014-2015年度《光纤通信技术》期末考试试题 1 .用图示的方法介绍现代数字光纤通信系统构成，并简述各主 要部分的功能？（10分） 1、答：X 光发送机 0 ?---------------------------- □----------------------------- □ （1）光发送机功能：将数字或者模拟电信号加载到光波上，并耦合进光纤中进行传输（2）光放大器功能：补偿光信号在通路中的传输衰减，增大系统的传输距离 （3）光接收机功能：将光信号转换回电信号，恢复光载波所携带的原信号 2 .用图示的方法介绍光发射机的构成，并简要说明各部分的功 能？简单阐述直接调制和外调制的区别？（10分） 3.请用图示的方法简述光纤的构成，比较单模与多模光纤的区另 U?光纤数值孔径是衡量光纤什么的特性物理量？对于光纤
输入信号光 掺钳光纤 光隔离器. + 八 光隔离器光滤波器！ Z\ 输出 !信号光 通信系统而言，是否光纤数值孔径越大越好？（10分） 4.由于光纤本身导致通信系统性能下降的因素有哪些？如何克 服？（10分） 5.用图示的方法说明掺钥光纤放大器EDFA的工作原理和构成, 各 部分的作用是什么？掺钳光纤放大器级联后增益不平坦情 况恶化，列举两种解决方法？（10分） 1.掺钳光纤放大器主要由一段掺钳光纤，泵浦光源，光隔离器，光耦合器构成5'。采用掺 银单模光纤作为增益物质，在泵浦光激发下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大；2'泵浦光和信号光一起由光耦合器注入光纤：2'光隔离器的作用是只允许光单向传输，用于隔离反馈光信号，提高性能。2， 滤波器均衡技术：采用透射谱与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器使增益平坦° 2' 增益钳制技术:监测放大器的输入光功率，根据其大小调整泵浦源功率,从而实现增益钳制，是目前最成熟的方法° 2 6 .请简要阐述波分复用技术的工作原理，并用图示的方法说明？ （10 分） 7.简述受激布里渊散射与受激拉曼散射的概念？它们有什么区 另U? （io分） 8.请说出五种你所了解的无源光器件的名称，并简述其用途？ 光耦合器
光纤通信实验报告汇总
南京工程学院 通信工程学院 实验报告 课程名称光纤通信_________ 实验项目名称光纤通信实验_______ 实验学生班级通信（卓越）131_____ 实验学生姓名吴振飞_____ _____ 实验学生学号 208130429_________ 实验时间2016.6.15___ 实验地点信息楼C413_______ 实验成绩评定 ______________________ 指导教师签字 ______________________ 2016年 6月 19日
目录 实验一半导体激光器P-I特性测试实验 (1) 一、实验目的 (1) 二、实验仪器 (1) 三、实验原理 (1) 四、实验内容 (2) 五、实验步骤 (2) 六、注意事项 (2) 七、思考题 (3) 实验二光电探测器特性测试实验 (3) 一、实验目的 (3) 二、实验仪器 (3) 三、实验原理 (3) 四、实验内容 (4) 五、实验步骤 (4) 六、注意事项 (4) 实验三电话光纤传输系统实验 (4) 一、实验目的 (4) 二、实验内容 (5) 三、预备知识 (5) 四、实验仪器 (5) 五、实验原理 (5) 六、注意事项 (6) 七、实验步骤 (6) 九、思考题 (6)
实验一半导体激光器P-I特性测试实验 一、实验目的 学习半导体激光器发光原理和光纤通信中激光光源工作原理；了解半导体激光器平均输出光功率与注入驱动电流的关系；掌握半导体激光器 P(平均发送光功率) -I(注入电流) 曲线的测试方法。 二、实验仪器 1、ZYE4301G 型光纤通信原理实验箱 1 台 2、光功率计1 台 3、FC/PC-FC/PC 单模光跳线 1 根 4、万用表(自带) 1 台 5、连接导线 20 根 三、实验原理 半导体激光二极管(LD) 或简称半导体激光器，它通过受激辐射发光，(处于高能级E2的电子在光场的感应下发射一个和感应光子一模一样的光子，而跃迁到低能级E1，这个过程称为光的受激辐射，所谓一模一样，是指发射光子和感应光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，它和感应光子是相干的。) 是一种阈值器件。由于受激辐射与自发辐射的本质不同，导致了半导体激光器不仅能产生高功率(≥10mW) 辐射，而且输出光发散角窄(垂直发散角为 30~50°，水平发散角为 0~30° )，与单模光纤的耦合效率高(约 30%~50%)，辐射光谱线窄(Δλ =0.1~1.0nm)，适用于高比特工作，载流子复合寿命短，能进行高速信号(>20GHz) 直接调制，非常适合于作高速长距离光纤通信系统的光源。 对于线性度良好的半导体激光器，其输出功率可以表示为ηω (1-1) Pe=)(2thDIIq ?η其中intintaaamirmirD+=ηη，这里的量子效率ηint，表征注入电子通过受激辐射转化为光子的比例。在高于阈值区域，大多数半导体激光器的ηint接近于 1。 1-1 式表明，激光输出功率决定于内量子效率和光腔损耗，并随着电流而增大，当注入电流I>Ith时，输出功率与I成线性关系。其增大的速率即P-I曲线的斜率，称为斜率效率 dPη2DeqdIηω= (1-2) P-I特性是选择半导体激光器的重要依据。在选择时，应选阈值电流Ith尽可能小， Ith对应P值小，而且没有扭折点的半导体激光器，这样的激光器工作电流小，工作稳定性高，而且不易产生光信号失真。并且要求P-I曲线的斜率适当。斜率太小，则要求驱动信号太大，给驱动电路带来麻烦; 斜率太大，则会出现光反射噪声及使自动光功率控制环路调整困难。半导体激光器具有高功率密度和极高量子效率的特点，微小的电流变化会导致光功率输出变化，是光纤通信中最重要的一种光源，半导体激光器可以看作为一种光学振荡器，要形成光的振荡，就必须要有光放大机制，也即激活介质处于粒子数反转分布，而且产生的增益足以抵消所有的损耗。将开始出现净增益的条件称为阈值条件。一般用注入电流值来标定阈值条件，也即阈值电流Ith，当输入电流小于Ith时，其输出光为非相干的荧光，类似于LED发出的光，当电流大于Ith
光纤通信实验报告2012301200003
武汉大学电工电子信息学院实验报告 电子信息学院通信工程专业2015年 9 月17日 实验名称光纤通信的光传输指导教师易本顺 姓名徐佑宇年级2012级学号2012301200003成绩 一、预习部分 1.实验目的 2.实验基本原理 3.主要仪器设备(含必要的元器件、工具) 一、实验目的 1、通过光传输系统课程设计使学生熟悉常见的几种传输网络的特点及应用场 合； 2、了解ZXMP S325的具体硬件结构，加深对于光传输的理解； 3、掌握 ZXMP S325 的组网过程以及网管工具的使用，培养学生在传输组网工 程方面的实际应用技能。 二、实验设备 1、SDH设备：ZXMP S325； 2、实验用维护终端 三、实验原理 SDH技术是目前通信网络的主流技术，它以其突出的技术优势为网络提供优质、高效、可靠的通信业务，能够满足带宽数据及图像视频等多业务的传输需求，自愈功能强。 1、光传输原理及优势 SDH 全称同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy）， SDH 规范了数字信号的帧结构、复用方式、传输速率等级、接口码型特性，提供了一个国际支持框架，在此基础上发展并建成了一种灵活、可靠、便于管理的世界电信传输网。这种传输网易于扩展，适于新电信业务的开展，并且使不同厂家生产的设备互通成为可能，这正是网络建设者长期以来追求的目标。 其优势主要体现在以下几个方面： （1）接口方面 ·电接口：STM-1是SDH的第一个等级，又叫基本传输模块，比特率为155.520Mb/s，STM-N是SDH第N个等级的同步传送模块，比特率是STM-1的N倍（N=4n=1,4,16...）·光接口：仅对电信号扰码，光口信号码型是加扰的NRZ码，采用世界统一的7级扰码。 （2）复用方式 低速SDH信号以字节间插方式复用进高速SDH帧结构中，位置均匀、有规律，是可预见的
光纤通信技术试题1及答案
一、填空题（20分) 1、目前光纤通信所用光波得光波波长范围为:0、８～1、8μm,属于电磁波谱中得近红外区。 2、光纤得典型结构就是多层同轴圆柱体，它由、与三部分组成. 3、光纤通信中常用得三个低损耗窗口得中心波长就是: , ，；最低损耗窗口得中心波长就是在: 。 4、光纤得色散分为色散色散与色散。 5、光与物质得粒子体系得相互作用主要有三个过程就是：，，；产生激光得最主要过程就是: 。６、光源得作用就是将变换为；光检测器得作用就是将转换为. 二、单项选择题(15分） 1光纤通信指得就是：［Ｂ] A以电波作载波、以光纤为传输媒介得通信方式； B 以光波作载波、以光纤为传输媒介得通信方式; C 以光波作载波、以电缆为传输媒介得通信方式; D 以激光作载波、以导线为传输媒介得通信方式。 2 光纤单模传输条件，归一化频率V应满足：［Ｂ］ -－－-A—V>2、40５——--—－B－V〈２、405-——－－-C- V＞3、832————－D- Ｖ〈3、832 3 使用连接器进行光纤连接时,如果接续点不连续，将会造成:[Ｃ］ A 光功率无法传输； B 光功率得菲涅耳反射; Ｃ光功率得散射损耗； D 光功率得一部分散射损耗，或以反射波形式返回发送端。 4 在激光器中，光得放大就是通过：［Ｃ] A 光学谐振腔来实现; B 泵浦光源来实现； C粒子数反转分布得激活物质来实现; D 外加直流来实现. ５掺铒光纤得激光特性：［B] A主要由起主介质作用得石英光纤决定; B 主要由掺铒元素决定; C 主要由泵浦光源决定; D 主要由入射光得工作波长决定. 三、（15分)如图所示,用射线理论分析子午光线在阶跃光纤中得传输原理.
光纤耦合实验报告
篇一：光纤测量实验报告 光纤测量实验报告 课程名称：光纤测量 实验名称： 耦合器光功率分配比的测量 学院：电子信息工程学院专业：通信与信息系统班级：研1305班 姓名：韩文国 学号：13120011 实验日期：2014年4月22日指导老师：宁提纲、李晶 耦合器光功率分配比的测量 一、实验目的： 1. 理解光纤耦合器的工作原理； 2. 掌握光纤耦合器的用途和使用方法； 3. 掌握光功率计的使用方法。 二、实验装置：ld激光器，1 ×2光纤耦合器，2 ×2光纤耦合器，tl-510型光功率计，光纤跳线若干。 1. ld激光器 半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生激光的器件。.其工作原理是通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。电注入式半导体激光器，一般是由砷化镓（gaas）、硫化镉（cds）、磷化铟(inp)、硫化锌(zns)等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。本实验用的ld激光器中心频率是1550nm。 2. 光功率计 光功率计（optical power meter ）是指用于测量绝对光功率或通过一段光纤的光功率相对损耗的仪器。在光纤系统中，测量光功率是最基本的，非常像电子学中的万用表；在光纤测量中，光功率计是重负荷常用表。通过测量发射端机或光网络的绝对功率，一台光功率计就能够评价光端设备的性能。用光功率计与稳定光源组合使用，则能够测量连接损耗、检验连续性，并帮助评估光纤链路传输质量。 3. 耦合器 光纤耦合器是一种用于传送和分配光信号的光纤无源器件，是光纤系统中使用最多的光无源器件之一，在光纤通信及光纤传感领域占有举足轻重的地位。光纤耦合器一般具有以下几个特点:一是器件由光纤构成，属于全光纤型器件;二是光场的分波与合波主要通过模式耦合来实现;三是光信号传输具有方向性。光纤耦合器是光纤与光纤之间进行可拆卸(活动)连接的器件，它是把光纤的两个端面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去，并使其介入光链路从而对系统造成的影响减到最小。对于波导式光纤耦合器，一般是一种具有y型分支的元件，由一根光纤输入的光信号可用它加以等分。 在本实验中所用的1 ×2耦合器光功率分配比理论值为1:9，而2 ×2耦合器光功率分配比理论值为1:1。 三、实验内容： 测量耦合器两输出端的功率，计算功率分配比。 四、实验原理： 2 ×2 光纤耦合器亦称x型光纤耦合器，它是一种应用最为广泛的定向耦合器件。该种耦合器主要依靠倏逝场的作用实现耦合，使两根光纤纤芯相互靠近，可以实现光功率的有效耦合。
光通信各个章节测试题
1、光通信与光纤通信的含义一样吗？ A.光通信的范围大于光纤通信 B.两者完全一样 C.两者根本不是一回事 D.光纤通信的范围大于光通信 正确答案：A 2、早期光通信与现代意义的光纤通信最主要的区别主要是什么？ A.早期光通信传输内容（信息）无法量化、传输易受外部环境影响；现代意义光纤通信传输内容经过编码，可以可靠地进行长距离传输。 B.早期光通信是模拟的，现代意义的光纤通信是数字的。 C.早期光通信噪声大，现代意义的光纤通信噪声小。 D.早期光通信传输距离远，现代意义的光纤通信传输距离近。 正确答案：A 3、2009年，高琨因为光纤通信理论上的巨大贡献，获得了哪一项诺贝尔奖？ A.医学奖 B.化学奖 C.物理奖 D.数学奖 正确答案：C 4、按照光纤通信系统所使用的传输频段（信号波长）进行分类，以下哪一个不属于光纤通信系统？ A.超长波长系统。 B.短波长系统。 C.长波长系统。 D.射频波长系统。 正确答案：D 5、下面不属于光纤通信系统三个基本组成部分的是 A.光放大器 B.光发射机 C.光纤 D.光接收机 正确答案：A 1、光源的作用是：( ) A.产生输入光波信号 B.将电信号电流变换为光信号功率，即实现电-光转换 C.产生输入光功率 D.光波对电信号进行调制，使其载荷信息在光纤中传输 正确答案：B 解析：A、描述不够准确C、和选项A一样D、同选项A一样，不够准确完整 2、光电二极管的主要作用是：( ) A.将接收的光功率全部转换为电功率，即满足能量守恒定律 B.将接收的光信号功率转换为倍增电流，即实现信号的放大 C.将接收的光功率一部分转换为电功率，一部分转换为热量 D.将接收的光信号功率变换为电信号电流，即实现光-电转换
上海大学理学院物理系光通信技术习题(含答案)..
光纤通信 第一章 1.3 将两根1km长的光纤连接在一起。假设每根光纤的损耗为5dB, 连接损耗为1dB。如果输入功率是2mW，计算由这两根光纤构成的传输线的输出功率。 1.4 一台接收机需要10mW的输入光功率。如果将系统的总损耗增加到50dB，试问光源需要发送的功率是多少？ 10个。试计算检1.14 假设有波长为0.8um的光束入射到光检测器上，每秒入射光子数为10 测器上的入射光功率。如果此光检测器将光转换成电流的效率是0.65mA/mW，试问产生的电流是多大？ 1.23 为了正常工作，光接收机需要-34dBm的功率。假设从接收机到光源的系统总损耗为31dB。试问光源的发送功率（以mW为单位）需要多大？
1.27 -60dBm和60dBm的差值（以W表示）是多少？（注意在这种情况下，有无正负号是很关键的。） 1.28 考虑一个系统，连接器损耗为5dB，光纤损耗为25dB，耦合损耗（光源到光纤）是15dB，系统中有一个增益为10dB的放大器。试计算系统的总损耗（以dB为单位）。
第二章 2.5 用焦距为20mm 、直径为10mm 的透镜聚焦一束均匀的准直光束，假设波长为0.8um 。试计算聚焦光斑的尺寸。 2.8 假设高斯光束的波长为0.8um ，光斑尺寸为1mm ，计算其发散角。如果用这束光对着月球，则在月球表面的光斑尺寸为多大？（地球和月球之间的距离为8 108.3 m 。）在距离为1km 和10km 处，光斑尺寸又为多大？
2.9 一根6000km的海底玻璃光纤电话线路穿越大西洋，连接美国和法国。（a）通过这条线路传送信息需要多长时间？（b）通过卫星线路，将信息从美国传到法国需要多长时间？卫星在美国和法国之间的地面上空22000英里处。（c）如果两个人通过这两根不同的线路通话时，会感觉到传输时延吗？
光通信实验报告
光通信实验报告 实验一：测量光纤耦合效率 【实验简介】： 光线主要用于通信、光纤传感、图像传送以及光能传递等方面。由于光纤制造技术的不断进步，光线内部的损耗越来越小，因此在实际应用中提高光源与光纤之间的耦合效率是提高系统传输效率的重要技术之一。 【实验目的】： 1.了解光纤特性，种类 2.掌握光纤耦合的基本技巧及提高耦合效率的手段 3.熟悉常用的耦合方法 【实验装置示意图】： 【实验数据】： 光纤输出光功率：0.78mW 光纤输入光功率：1.9mW 耦合效率为：0.78/1.9*100%=41.1% 【实验思考总结】 耦合时，因为起始的光强较弱，用探测器检测效果不明显。可以先用目测法，观察输出光斑的亮度。等到达到一定的亮度之后，在接入探测器，观察示数。调节时，首先调节高度，然后调节俯仰角，最后在调节左右对准度与旋转方向。 实验二：测量光纤损耗 【实验目的】： 通过测量单模光纤的衰减值，了解测量光纤损耗的常用方法：插入法（实际测量中很多器件的插损、损耗都使用这种方法）。 【实验原理】： 光源发出的光通过光的注入系统输入到短光纤中，并通过光纤活动连接器与光功率计接通。首先测量短光纤的输出功率P1，然后通过光纤连接器接入被测光纤，测量长光纤的输出功率P2，则光纤的总损耗为
A=10lg P1 P2 (dB) 被测光纤的长度为L，则光纤的损耗系数为 α=A L (dB/km)【实验装置示意图】： 【实验数据】： 光纤长度L：6km 波长为1310nm的数据
实验三：测量光纤的数值孔径 【实验简介】： 光纤的数值孔径大小与纤芯折射率、纤芯-包层相对折射率差有关。光纤的数值孔径表示光纤接收入射光的能力。 【实验目的】： 了解测量数值孔径的方法，对远场法有初步了解。 【实验原理】： 远场强度有效数值孔径是通过光纤远场强度分布确定的，它定义为光纤远场辐射图上光强下降到最大值的5%处的半张角的正弦值。 【实验装置示意图】 【实验数据】 光功率最大值为162.5nW，下降到5%时对应的角度为8.5°和-8.3° 【数据处理】 光纤的数值孔径： =0.146 NA=sin8.5°??8.3° 2 实验四：测量光纤的模场直径和折射率分布曲线 【实验目的】： 1.通过近场法测量光纤的折射率分布曲线，对近场法有一定了解 2.通过近场法测量多单模光纤的模场直径，了解了解并掌握近场法测量多模光 纤模场直径的方法 【实验原理】 1.近场法是利用光纤输出端面上的光强度来测量光纤的部分几何参数的典型方
光纤通信实验报告
OptiSystem实验 一、OptiSystem简介 OptiSystem是一款创新的光通讯系统模拟软件包，它集设计、测试和优化各种类型宽带光网络物理层的虚拟光连接等功能于一身，从长距离通讯系统到LANS 和MANS都适用。OptiSystem有一个基于实际光纤通讯系统模型的系统级模拟器，并具有强大的模拟环境和真实的器件和系统的分级定义。它的性能可以通过附加的用户器件库和完整的界面进行扩展，从而成为一系列广泛使用的工具。全面的图形用户界面提供光子器件设计、器件模型和演示。丰富的有源和无源器件库，包括实际的、波长相关的参数。参数扫描和优化允许用户研究特定的器件技术参数对系统性能的影响。OptiSystem满足了急速发展的光子市场对于一个强有力而易于使用的光系统设计工具的需求，深受系统设计者、光通信工程师、研究人员的青睐。 OptiSystem软件允许对物理层任何类型的虚拟光连接和宽带光网络的分析，从远距离通讯到MANS和LANS都适用。它可广泛应用下列场合： 1．物理层的器件级到系统级的光通讯系统设计； 2．CATV或者TDM?WDM网络设计； 3．SONET?SDH的环形设计； 4．传输装置、信道、放大器和接收器的设计； 5．色散图设计； 6．不同接受模式下误码率（BER）和系统代价（Penalty）的评估； 7．放大系统的BER和连接预算计算。 实验1 OptiSystem快速入门：以“激光外调制”为例 一、实验目的 1、掌握软件的简单操作 2、了解软件的元件库 3、掌握建立新的project（新的工作界面） 4、掌握搭建系统：将元件从元件库中拖入project、连线、搭建系统 5、掌握设置参数 6、掌握软件的运行、观察结果、导出数据 二、实验过程 1.建立一个新文件。（File>New） 2.将光学器件从数据库里拖入主窗口进行布局. 3.光标移至有锁链图标出现时，进行连线。（如图1所示） 4．设置连续波激光器参数。 （1）点击frequency>mode, 出现下拉菜单，选中script。 （2）在value中输入数据并作评估。 （3）点击单位，选择“THZ”，点击OK 回主窗口。（如图2所示）
《光纤通信技术》习题
《光纤通信技术》习题 第一章概述 1、填空题 光纤通信是以 为载频，以 为传输介质的通信方式 1966年7月，英籍华人 博士从理论上分析证明了用光纤作为传输介质以实现光通信的可能性；1960年7月，美国科学家 发明了红宝石激光器 光纤通信系统的短波长窗口为 ，长波长窗口为 。光纤通信系统的通信窗口波长范围为 。 在光通信发展史上， 和 两个难题的解决，开创了光纤通信的时代。 2、简答题 光纤通信为什么能够成为一种主要的通信方式？ 光纤通信系统由哪几部分组成？并说明各部分在系统中所完成的功能。现有光纤通信使用的光波长有哪几种？对应的频率是多少？它们在整个电磁波谱中处在什么位置？ 第二章光纤及其导光原理 1、填空题 光纤的导光原理与结构特性可用 理论与 理论两种方法进行分析。 单模光纤中不存在 色散，仅存在 色散，具体来讲，可分为 和 。 光纤色散参数的单位为 ，表示两个波长间隔为 的光波传输 后到达时间的延迟 对纯石英光纤，在λ= 处，色散参数D=D M+D W=0，这个波长称
为 。 在单模光纤中，由于光纤的双折射特性使两个正交偏振分量以不同的群速度传输，也将导致光脉冲展宽，这种现象称为 色散。 单模传输条件是归一化参量V 。 允许单模传输的最小波长称为 。 数值孔径（NA）越大，光纤接收光线的能力就越 ，光纤与光源之间的耦合效率就越 2、简答题 光纤由哪几部分构成？各起什么作用？ 简述G.651、G.652、G.653、G.654、G.655光纤的特性。 简述光纤的传输特性 3、计算题 阶跃折射率分布的光纤的芯径d=2a为100μm，折射率n1=1.458，包层的折射率n2=1.450，在该光纤中传输的光波的波长λ=850nm。 （1）计算该光纤的V参数？ （2）估算在该光纤内传输的模式数量是多少？ （3）计算该光纤的数值孔径？ （4）计算该光纤单模工作的波长？（考试试卷A卷计算题） 已知均匀光纤纤芯的折射率为n1=1.5，相对折射率差△=0.01，芯半径a=25μm，试求： （1）LP01、LP02、LP11和LP12模的截止波长各为多少？ （2）若λ0=1μm，光纤的归一化频率V以及其中传输的模式数量M各等于多少 均匀光纤，若n1=1.5，λ0=1.3μm，试计算： （1）若△=0.25，为了保证单模传输，其纤芯半径应取多大？ （2）若取a=5μm，为了保证单模传输，△应取多大？
光纤通信实验报告
一、实验目的 1.了解数字光发端机平均输出光功率的指标要求 2.掌握数字光发端机平均输出光功率的测试方法 3.了解数字光发端机的消光比的指标要求 4.掌握数字光发端机的消光比的测试方法 二、实验仪器 1.ZYE4301G型光纤通信原理实验箱1台 2.光功率计1台 3.FC/PC-FC/PC单模光跳线1根 4.示波器1台 5.850nm光发端机1个 6.ST/PC-FC/PC多模光跳线1根 三、实验原理 四、实验内容 1.测试数字光发端机的平均光功率 2.测试数字光发端机的消光比 3.比较驱动电流的不同对平均光功率和消光比的影响 五、实验步骤 Ａ、1550nm数字光发端机平均光功率及消光比测试 1.伪随机码的产生：伪随机码由CPLD下载模块产生，请参看系统简介中的CPLD下载模块。将PCM编译码模块的4.096MH Z时钟信号输出端T661与CPLD下载模块的NRZ信号产生电路的信号输入端T983连接，NRZ信号输出端T980将产生4M速率24－1位的伪随机信号，用示波器观测此信号。将此信号与1550nm光发模块输入端T151连接，作为信号源接入1550nm光发端机。 2.用FC-FC光纤跳线将光发端机的输出端1550T与光功率计连接，形成平均光功率测试系统，调整光功率计，使适合测1550nm信号。 3.用K60、K90和K15接通PCM编译码模块、CPLD模块和光发模块的电源。 4.用光功率计测量此时光发端机的光功率，即为光发端机的平均光功率。 5.测消光比用数字信号源模块输出的NRZ码作为信号源。用K60接通电源，用用示波器从T504观测此信号，将K511接1、2或2、3可观测到速率的变化，将此信号接到T151，作为伪随机信号接入光发端机。 6.用数字信号源模块的K501、K502、K503将数字信号拨为全“1”，测得此时光功率为P1，将数字信号拨为全“0”，测得此时光功率为P0。 7.将P1，P0代入公式2-1式即得1550nm数字光纤传输系统消光比。 Ｂ、1310nm数字发端机平均光功率及消光比测试 8.信号源仍用4M速率24－1位的伪随机信号，与1310nm光发模块输入端T101连接。 9.用FC-FC光纤跳线将1310nm光发模块输出端1310T与光功率计连接，形成平均光功率测试系统，调整光功率计，使适合测1310nm信号。 10.将BM1拨至数字，BM2拨至1310nm。 11.接通PCM编译码模块、CPLD模块和1310nm光发模块(用K10)的电源。 12.用万用表在T103和T104监控R110（阻值为1Ω）两端电压，调节电位器W101，使半导体激光器驱动电流为额定值25mA。 13.用光功率计测量此时光发端机的光功率，即为光发端机的平均光功率。 14.测消光比用数字信号源模块输出的NRZ码作为信号源，请参看系统简介中的数字信号源模块部分。用示波器从T504观测此信号，连接T504与T101，将数字信号拨为全“1”，测得此时光功率为P1，将数字信号拨为全“0”，测得此时光功率为P0。