光电信息科学与工程专业实验(普通高等教育光电信息科学与工程专业系列教材)

绪论 一、光电信息科学与工程专业实验的目的 光电信息科学与工程专业涉及的主要学科如光通信、光电子、信息处理等是当今理论迅猛发展、技术蓬勃创新的领域，学科知识相互融合，体系差异大，专业性和实践性强。学生要全面、牢固地掌握本专业涉及的学科理论知识，必须经过系统、科学的实践教学环节的训练。“光电信息科学与工程专业实验”是实践性很强的一门专业基础课，课程在实验、实践场所里从理解实验原理出发，明确测试目标与主要步骤，熟悉并操作仪器设备，控制实验参数和条件，观察实验现象，记录并处理测试数据，得出测试结果并分析结论，直至撰写完成实验报告。经过这样一轮轮的实践训练，一名大学生进入学校后逐步完成从基础到专业的过渡，不断将学过的理论知识与实际结合，了解理论到应用的转化过程，学会合理使用仪器设备，减小误差，提高测试精度，循序渐进地锻炼基本的实际动手能力、创新意识和思维能力。在理论指导实践的过程中，了解本专业的技术发展动态，培养自己理论联系实际、踏实求真的科学态度，做到遵纪守规，团结协作，自觉培养自己的科学素养和良好的道德品质。 二、实验课程的理论准备及实验过程 “光电信息科学与工程专业实验”涉及光通信原理与技术、激光原理与技术、光电检测技术、信息光学基础等学科门类，实验内容涵盖光的产生、光的传输、光的调制、光的接收、光的探测和显示、光的使用等环节，既有原理验证，又有技术应用。一些或部分实验内容或概念属于理论课程的选学部分，或在进行实验时还尚未学到，这就需要学生结合实验涉及的内容，认真做好实验前的预习，复习已讲过的理论知识，看书或查资料提前学习尚未讲到的概念或知识，为即将进行的实验做好理论知识的准备和铺垫。首先做到理解实验原理，明白测试方法或手段，对整个实验的框架及要领有初步的了解，然后将不理解的相关概念、操作、测试要领等记下来，带着问题进入实验室。 进入实验室的具体项目后，首先要注意领会实验的原理，学习如何用恰当的实验设计、方法或手段将理论原理表达出来，付诸落实并完成测试，*终实现实验的目标。在实验平台的搭建中，应注意仪器或设备的操作和使用注意事项，多问为什么如此操作，思考具体的意义在哪里，对实验的结果有何影响，避免误操作损坏仪器。这样经过每一步实践，边操作边提问，学会解答自己的疑惑，进一步升华对理论的理解，从理论到实验完成对知识的全面掌握，学有收获。同时实验中要认真细致，注意观察实验现象及变化，如实记录实验数据。此外，特别要遵守实验安全须知，避免在实验进行中发生安全事故。 三、实验报告的撰写 实验报告是以书面的形式将实验的整个过程记录下来，并对实验结果进行分析判断，它是一种描述、记录一项科技活动(科研过程)及其结果的科技应用文体，具有信息交流和资料积累的功能，是科技论文的数据结果来源和资料基础。实验报告具备客观性、确证性和可读性。实验报告一般包括实验目的、实验原理和方法、实验内容、主要实验步骤、实验结果、结论等内容，实验者在实验中仔细观察实验现象及变化，如实地将实验现象和实验数据认真记录下来，写进实验报告。在对实验数据进行处理时，要学会使用科技常规表述方式。首先学会用准确的专业术语客观地描述实验过程、实验现象和结果，陈述有时间顺序、递进和条理化，各项数据之间具有逻辑关系。此外，数据陈述尽量使用图表，即以表格或曲线图的形式将参数坐标和测试数据变化直观、清晰地呈现出来，使结果变化趋势一目了然，便于分析比较。实验者通过分析数据，综合实验现象及数据变化趋势，简练、准确地概括及总结出核心结果，归纳出具有一般性的判断和实验结论。 实验报告是学生对整个实验完成后的书面总结，在报告的撰写过程中，学生要对整个实验过程进行回顾和梳理，对实验数据重新进行选取、判断和整理，去除不合理的数据。根据数据结果和变化趋势得出初步实验结论，用相关的理论对所得到的实验结果进行解释，讨论实验结果与某一理论、原理或假设的预期是否一致，得出结论。如果所得到的实验结果和预期的结果一致，则它验证了什么原理或理论。如果不一致，则说明了什么问题。这时千万不要随意取舍甚至修改实验结果，要认真对实验结果异常进行分析，经自己思考后找出结果异常或失败的原因，明确以后实验应注意的事项，对实验意义进行原因分析和展望。同时对实验误差进行原因及来源分析，*终深化对实验目的、科学研究过程及分析方法的认识，提高自身的创造性思维和意识，培养综合分析和总结能力，学会科学报告的基本写作，为后续的课程设计、毕业设计或毕业论文写作打下基础。 四、实验操作基本技能 由于《光电信息科学与工程专业实验》涉及光通信原理与技术、激光原理与技术、光电检测技术、信息光学基础等学科门类，实验内容涵盖光的产生、光的传输、光的调制、光的接收、光的探测和显示、光的使用等，实验操作涉及光纤连接、光学系统准直、数据采集、特殊仪器使用等环节，这里对主要操作技能做简单介绍。 1. 光纤连接 光纤连接指用专用器件或手段将两根光纤连接起来，形成一个整体的光通路，将在一根光纤中传输的光能量传输到另一根接收光纤中。连接光纤常用的方法有熔接和连接器连接两大类。光纤的熔接是用光纤熔接机热熔石英玻璃光纤的断面，把断了的光纤和光纤或光纤和尾纤连接起来。连接器连接是用连接器将在一根光纤中传输的光能量*大限度地传输(耦合)到另一根接收光纤中。因此，熔接提供固定、不可重复拆卸的光纤连接方式。连接器连接提供灵活、可重复拆卸的光纤连接方式。熔接产生的光损耗比连接器连接产生的光损耗小很多，熟练人员常规操作可以做到一个熔接点的损耗低至 0.02dB(电信网光纤数字传输系统工程施工及验收暂行技术规定要求≤ 0.08dB)，光纤连接器的插入损耗＜ 0.5dB。因此，在远距离信号传输和长光纤链路连接且无须频繁链路切换时，多采用熔接的方式把一段又一段光纤或光缆熔接成固定的长传输距离光纤链路，以降低光信号传输的衰减。 在实验室中进行实验，搭建测试链路时由于经常更换连接仪器或端口，需要频繁地拆卸光纤，因此，连接器连接便提供了一种可重复拆卸、灵活方便的光纤连接方式，尽管其连接损耗比熔接高，但是光纤的连接器连接已成为实验室中连接光纤或光纤连接测试仪器的主要方式。连接两根光纤的器件，也称为光纤活动连接头。在光纤与光纤之间的活动连接过程中，光纤连接器需要将两根光纤的端面彼此同轴、贴近地对接起来，如图0-1所示，形成一个整体的光通路，将在一根光纤中传输的光能量传输到另一根接收光纤中，并取得尽可能大的光纤耦合效率，同时将对介入光纤通路产生的影响降至*低，使由此产生的光能量损耗*少。 图0-1 光纤连接器对接示意图 光纤连接器只有和同类型的法兰座配合使用，才能将两根光纤连接在一起形成低损耗的光通路。连接器连接光纤时在光纤与光纤之间(光纤插针端面之间)不可避免地存在一定的空气间隙，因而光纤连接器必然产生菲涅耳反射。为减小光纤连接器产生的菲涅耳反射，以及避免连接头插针端面反射光返回输入光纤，常采用不同形状的插针端面，以减少端面反射，改善连接器的回波损耗性能。根据插针端面的几何形状，应用中常用的光纤连接器连接头结构形式有 FC型、PC型、 UPC型和 AFC型几种，如图0-2所示。 图0-2 光纤连接器接头端面形状及对接示意图 由图0-2可见，FC型连接由于插针平端面间存在空气间隙，易产生菲涅耳反射，回波损耗性能差。 UPC型连接时两个插针平端面刚好物理接触，不产生大的面接触压力，又能消除端面间的空气间隙，降低菲涅耳反射，改善回波损耗性能。 PC型连接使用球形插针端面，进一步降低菲涅耳反射并提高回波损耗性能。 AFC型连接将球形插针端面倾斜一定角度(通常为 8°)，可大幅度地减少端面反射，极大地提高了回波损耗性能。由于 AFC型连接时插针端面有倾角， AFC型的光纤连接头不能直接与 FC型的光纤连接头对接，以免造成永久性的连接头损伤。 虽然全球共有 70多种光纤连接器，目前多数实验室中使用的主要是 FC型或 AFC型光纤连接器，其结构由精密陶瓷(金属)插针和陶瓷管组成，插针直径是2.5mm，通过旋拧的方式连接两根光纤，可以连接单模或多模光纤，注意插入光纤连接头时须将连接头的“限位销”与法兰座的“限位槽”对准。 FC型单模光纤连接头及其专用连接法兰座如图0-3所示，AFC型单模光纤连接头及其专用连接法兰座如图0-4所示。 图0-3 FC型单模光纤连接头和专用连接法兰座 图0-4 AFC型单模光纤连接头和专用连接法兰座 光纤连接器重要的特性指标包括插入损耗和回波损耗。①插入损耗(insertion loss)指当光纤连接器接入光链路时所造成的传输信号有效光功率的减少量。在光纤链路中，连接器的插入损耗越小越好，插入损耗小意味着光纤连接器的接入对光纤链路造成的影响小。②回波损耗(return loss)指传输的光信号经过光纤连接器时在光纤连接处产生的对入射光功率的反射分量大小，在光纤链路中连接器的回波损耗数值越大越好；回波损耗大意味着在光纤连接处产生的光反射功率较小，返回的反射光对光链路的影响小，有助于提高光链路中光传输的稳定性。 2. 光学系统共轴调节 光学系统共轴指将实验测试系统中所有光学元器件(无论它们的外形尺寸差异)各自的光轴(元件中心)置于同一水平直线上，即让它们的光轴彼此共轴等高，尤其是放置于光具座、导轨或实验平台上的光器件，共轴的轴一般是导轨上方、平行于导轨对称轴的水平线。共轴调节是光学实验的先决条件，是学生进行光学调节必须具备的一项基本功。因在同一种均匀介质中光线沿直线传播，一切光学系统的设计均建立在每块透镜的光轴和光学系统的光轴重合基础之上，要将实验结果与已有光学理论相互验证，系统的共轴性越高，光学系统成像质量也越高，得到的实验结果误差越小。 光学系统的共轴调节一般分为粗调和细调两步，在粗调的基础上，再进一步细调。粗调是首先将所有光器件的中心调节到大致同一高度的位置，沿一条直线放置，使器件平面、透镜面等彼此大致平行，并与导轨或实验平台表面垂直。若系统共轴调节中使用到激光，则更为方便。由于激光束发散小，光斑尺寸也小，可以以激光束为基准，调节其他光器件与激光束共轴。具体操作时将激光器的出光口调节到与其他光器件光轴大致同等高度，查看激光束是否与导轨或平台表面平行，若不平行，则需先平移激光束至导轨对称轴上，以小孔光阑或成像白屏为依据，逐步调节激光束的俯仰角或左右转动激光器，使光束处处位于同等高度，保持激光束基本沿导轨对称轴传播，且与导轨或实验平台表面平行。随后对光学系统进行共轴细调，通过各光器件的升降支架、平移台和旋转台等上面的旋钮或微调螺旋进行俯仰、旋转微调，以激光束为基准，对一个一个器件进行仔细认真的调节，逐一将它们的光轴调节到一条直线上，*终实现系统共轴。 (1)平面器件(如平面反射镜、滤光片、平面探测器等)的共轴调节。以激光束(或通过小孔光阑的激光束)为基准，调节平面器件在竖直方向的俯仰角和水平方向的旋转角，将从平面器件表面反射的光点调回到光阑小孔内，或调至反射光束与传播光束重合，这样也做到了平面器件与传播光束(或实验平台表面)相垂直。 (2)透镜的共轴调节和光源的准直。对于点光源和发散角大的激光光源，由于它们发出的光是发散的，需要通过合适的透镜让发散的光变成准直(基本平行)的光。操作中尽量将光源放置在透镜的焦点处；或在光源后放置一小孔光阑，光阑后一定距离处放置透镜，调节时注意观察光阑表面上多个大小不一光斑的移动趋势，这些反射光斑由透镜前后表面反射。上下、前后仔细平移透镜，使这些反射光斑彼此靠拢，直至重叠；随后调节俯仰和水平旋转，让重叠共心的反射光斑进入光阑小孔或与传播光束重叠。 (3)扩束镜的共轴调节。扩束镜是焦距较短的透镜或透镜组(如显微镜头)，其共轴调节方法可以参照透镜共轴调节。但由于扩束镜的反射光斑较大，