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1、SPD光电转换能力的研究摘要：光纤通信以其多方面的优点，成为了现代通信的主流和信息社会中信息、传输与交换的主要手段。它被越来越多的关注，音频信号光纤传输技术是它的应用之一。关键词：光纤传输 半导体发光二极管 光信号发送端 光信号接收端 音频信号光纤传输 The technology of Optial Fiber transmission for audio-frequency signalXu PeixiaBrief：Because of many sides of advantages, the Optial Fiber communication becomes the main str
2、eam in modern times. Also, it is the main means for information, transmission and exchage in information society. Human take more attention to it. The technology of Optial Fiber transmission for audio-frequency signal is one of its application.Keyword：Optial Fiber transmission luminous two-electrode
3、 valve of semiconductor The extremity of transmitting light signal The extremity of receiving light signalOptial Fiber transmission for audio-frequency signal 引言：1966年，美籍华人高琨博士根据介质波导理论，首次提出光导纤维可以用于光通信的理论。1976年，美国亚特兰大的贝尔实验室首先研制成世界上第一个光纤通信系统。20世纪80年代末，横跨太平洋、长达8300km以及横跨大西洋、长达6300km的海底光缆线路，先后建成并投入使用。19
4、93年，美国政府提出信息高速公路构想，把光纤通信推进到一个新阶段。现在以光纤光缆为主体的网络已遍布全世界。光纤通信以其多方面的优点已胜过长波通信、短波通信、电缆通信、微波通信和卫星通信，成为现代通信的主流和信息社会中信息传输与交换的主要手段。在光纤通信实验中我们发现，SPD的电流与其电压无关，那与什么有关呢？因此我们设计了以下实验：理论依据一系统的组成下图是一个音频信号直接光强调制光纤传输系统的结构原理图，它主要包括由LED及其调制、驱动电路组成的光信号发送器、传输光纤和由光电转换、IV变换及功放电路组成的光信号接收器三个部分二、光导纤维的结构及传光原理目前通信用的光纤大多采用石英玻璃(SiO
5、)制成的横截面很小的双层同心圆柱体，未经涂覆和套塑时称为裸光纤，如图所示由纤芯包层两部分组成： 光纤按其模式性质通常可以分成两大类：（1）单模光纤；（2）多模光纤。对于单模光纤，只允许一种电磁场形态的光波在纤芯内传播.多模光纤允许多种电磁场形态的光波传播；按其折射率沿光纤截面的径向分布状况又分成阶跃型和渐变型两种光纤，对于阶跃型光纤，在纤芯和包层中折射率均为常数，但纤芯折射率n1略大于包层折射率n2。所以对于阶跃型多模光纤，可用几何光学的全反射理论解释它的导光原理。本实验采用阶跃型多模光纤作为信道，现应用几何光学理论进一步说明这种光纤的传光原理。参看图（2），假设光纤端面与其轴线垂直，如前所述
6、，当一光线射到光纤入射端面时，根据smell定律及图（2）所示的几何关系有： n0sini=n1 sinz (1) z=/2- n0sini= n1 cos (2) 其中n0是光纤入射端面左侧介质 的折射率。通常，光纤端面处 在空气介质中，故n0=1。由（2）式可知：如果所论光纤在光纤端面处的入射角i 较小,则它折射到光纤内部后投射到芯子一包层界面处的入射角有可能大于由芯子和 包层材料的折射率n1和n2按下式决定的临结角c： c= arc sin (n2/n1) (3)在此情形下光射线在芯子包层界面处发生全内反射。该射线所携带的光能就被局限在纤芯内部而不外溢，满足这一条件的射线称为传导射线。三
7、、半导体发光二极管结构、工作原理本实验采用LED作光源器件.光纤传输系统中常用的半导体发光二极管是一个如图（3）所示的NpP三层结构的半导体器件 ： 中间层通常是由GaAs（砷化镓）p型半导体材料组成,称有源S层。当给这种结构加上正向偏压时，就能使N层向有源层注入导电电子，这些导电电子一旦进入有源层后，因受到右边pP异质结的阻挡作用不能再进入右侧的P层，它们只能被限制在有源层与空穴符合，导电电子在有源层与空穴复合的过程中，其中有不少电子要释放出能量满足以下关系的光子：h=E1E2=E g其中h是普郎克常数，是光波的频率，E1 是有源层内导电电子的能量，E2是导电电子与空穴复合后处于共价健束缚状
8、态时的能量。四、光电二极管SPD响应度K光电二极管SPD转换的电流与发光二极管光功率的比值定义为光电二极管SPD的响应度即K。 其物理意义表示输出信号对输入信号的响应程度，也就是SPD光电转换能力的表征。实施方案通过发光二极管LED电光特性的测定和光电二极管SPD伏安特性的测定可以得到光电二极管SPD响应度K值。测量前应把传输光纤的尾端轻轻地插入光功率计的光电探头内，并小心调整其位置使之与光功率计光电探头间的光耦合最佳，然后调节W2使毫安表指示从零逐渐增加，每增加1MA读取一次光功率计数值，直到增加到16MA为止。接下来将光功率计上的连线改接到SPD两端，将接收器W2的阻值调节到10千欧，并将
9、SPD两端电压通过调节W1固定在1伏，改变LED中电流，记录直流毫伏表读数（即接收器W2的电压值），并把读数值除以电阻10千欧得到的SPD电流值记录在表格中。用计算机绘制出LED功率P和SPD电流的曲线图（数据处理可以用Excel, Matlab 等数学软件），并做线性拟合，得到曲线的斜率（即SPD响应度K）。数据记录与处理 ILED/mA PLED/Uw ISPD/uA0 0.1 0.0172 0.4 0.034 1.6 0.086 3.6 0.168 6.0 0.2710 8.6 0.3912 11.6 0.5114 14.8 0.6516 18.0 0.7918 21.5 0.9320 24.7 1.09根据测量数据描出SPD光电特性曲线如下：Y = 0.2609 * X 通过本次实验，得到SPD的电流与其电压无关而是与LED的光功率有线性关系。参考文献1 朱世国. 纤维光学（原理及实验研究）四川大学出版社 19922 李学慧大学物理实验M.北京：高等教育出版社,2005：58-643 丁慎训,张连芳.物理实验教程M.第二版.北京：清华大学出版社,2003：27-314 刘柏松,高峰大学物理实验M.沈阳：东北大学出版社，1994，44-475 张兆奎,缪连元大学物理实验M第二版.北京：高等教育出版社，2001：116-122