spd光电转换能力的研究

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1、附录：样板实验设计方案4实验题目SPD光电转换能力的研究专业班级学生姓名学号实验设计时间2010年11月日物理实验教学中心制表4拓展实验设计方案[实验题目]SPD光电转换能力的研究[设计目的]1.测量计算影响光纤输出信号质量的物理实验参数响应度K2.进行完整的实验设计和科技论文撰写的训练。3.掌握线性曲线拟合方法的学习和使用。[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1992[2]李学慧．大学物理实验[M].北京：高等教育出版社,2005：58-64[3]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,

2、2003：27-31[4]刘柏松,高峰．大学物理实验[M].沈阳：东北大学出版社，1994，44-47[5]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[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、I—V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(SiO２)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

3、芯包层两部分组成：4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，当一光线射到光纤入射端面

4、时，根据smell定律及图（2）所示的几何关系有：n0sinθi=n1sinθz(1)θz=π/2-αn0sinθi=n1cosα(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θi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α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αc：αc=arcsin(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

5、传导射线。随着图（2）中入射角θi的增加，α角就会逐渐减小，直到α=αc时，子午射线携带的光能均可被局限在纤芯内。在此之后，若继续增加θi，则α角就会变得小于αc,这时子午射线在芯子—包层界面处的全内反射条件受到破坏，致使光射线在芯子—包层界面的每次反射均有部分能量溢出纤芯外，于是，光导纤维再也不能把光能有效地约束在纤芯内部，这类射线称为漏射线。4三、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N—p—P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

6、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p—P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：hυ=E1—E2=Eg其中h是普郎克常数，υ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

7、信号对输入信号的响应程度。[结果要求]1.用计算机绘制出实验曲线。2.能对线性曲线进行拟合，求出SPD响应度K值。3.分析实验结果，作出正确判断。4.写出规范的实验论文。[实施方案]4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

8、值调节到10千欧，并将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