课程设计任务书
学生姓名：助人为乐专业班级：不计得失
指导教师：一定过工作单位：信息工程学院
题目:自聚焦光纤的设计及其与标准单模光纤的耦合效率分析
初始条件：
计算机、beamprop或Fullwave软件
要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1、课程设计工作量：2周
技术要求：
（1）学习beamprop软件。
（2）设计自聚焦光纤的设计及其与标准单模光纤的耦合效率分析
（3）对自聚焦光纤的设计及其与标准单模光纤的耦合进行beamprop软件仿真工作。
3、查阅至少5篇参考文献。按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。
时间安排：
第1天做课设具体实施安排和课设报告格式要求说明。
第2-5天学习beamprop软件，查阅相关资料，复习所设计内容的基本理论知识。
第6-9天对自聚焦光纤的设计进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。
第10天提交课程设计报告，进行答辩。
指导教师签名：年月日
系主任（或责任教师）签名：年月日
目录
摘要........................................................................................................................................... I 1绪论.. (1)
2自聚焦光纤简介 (2)
2.1自聚焦光纤的原理 (2)
2.2自聚焦光纤的耦合 (3)
2.3自聚焦光纤应用 (4)
3自聚焦光纤设计及仿真 (4)
3.1软件简介 (4)
3.2自聚焦光纤设计 (5)
3.3自聚焦光纤仿真 (7)
3.4自聚焦光纤的耦合 (9)
4总结 (11)
参考文献 (12)
摘要
本文主要说明自聚焦是指某些材料受强光照射时，材料折射率发生与光强相关的变化。当照射光束强度在横截面的分布是高斯形时，而且强度足够产生非线性效应的情况下，此时材料折射率的横向分布也是钟形的，因而材料好像会聚透镜一样能会聚光束。自聚焦光纤同普通透镜的区别在于，自聚焦光纤材料能够使沿轴向传输的光产生折射，并使折射率的分布沿径向逐渐减小。自聚焦光纤的折射率分布一般采用具有抛物线型的折射率梯度分布，在自聚焦光纤棒中,光线的轨迹是正弦型的。
关键词：耦合，自聚焦，光纤，Fullwave
1绪论
随着光纤通信、光纤传感等光网络技术的发展，光纤系统日趋成熟，应用领域不断拓宽，光纤系统的结构日趋复杂，促使各种无源功能器件逐渐发展起来，光纤耦合器就是其中的一种。光纤耦合器又称光定向耦合器，是对光信号实现分路、合路、插入和分配的无源器件，广泛应用于基于光纤传输的电信网路、区域网路、光纤传感网路等光纤网络中。只有深入掌握它们，了解它们的各项性能指标，才能设计出适合不同需要的光纤系统。
单模光纤：中心玻璃芯很细，芯径一般为9或10μm，只能传一种模式的光纤。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料色散和波导色散，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。
自聚焦光纤又称渐变折射率光纤，光纤折射率中心最高，沿径向递减，光束在光纤中传播，可以自动聚焦而不发生色散。适用于多模通信的传输。
本次课设主要自聚焦光纤的基本结构，简要介绍了它的原理和应用，其中重点介绍了它与基本单模光纤耦合的折射率分析。
本次用到的光学软件Beamprop是一个高度集成了计算机辅助设计和模拟仿真的专业软件，专用于设计集成光学波导元件和光路。此软件使用先进的有限差分光束传播法来模拟分析光学器件。用户界面友好，分析和设计光学器件轻松方便。其主程序为一套完善的用于设计光波导元件和光路CAD设计系统，且可控制相关的模拟参数，如：数值参数、输入场以及各种显示、分析功能选项。另一功能为模拟程序，它可以在主程序内或独立执行模拟分析工作，以图形方式显示域的特性以及用户感兴趣的各种数值特性。BPM 计算方法也有多种形式，其中有限差分波束传播法得到了最广泛的应用，FD——BPM 可以实现很准确的设计计算，同时可以允许较大的计算步进。由Hadley 发明的透明边界条件方法和基于Pade近似算符的大角度计算方法使得FD-BPM 的功能更加强大。
2自聚焦光纤简介
2.1自聚焦光纤的原理
当一个强光场入射介质后，由于强场与介质的非线性相互作用，使得介质的折射率发生改变，即在原来的线性折射率之外又加上非线性折射率，这是光致非线性折射率现象。这种与光强有关的折射率可使光在介质中传播时产生自聚焦及自相位调制等现象。
假设一束足够强的准平行光入射到一平行平面光学介质中，由于强光与介质相互作用的结果，有可能使介质折射率发生不均匀的变化，从而使不同截面部分的光所经历的光程长度彼此不同，即使介质对入射光束的作用等价于一光学透镜或者更复杂的成像或者波导系统等。
在大多数自聚焦实验条件下，入射光束的光强横向分布具有中间强而边缘弱的规律。在光束截面中心区所引起的折射率增加量大，而边缘区引起的折射率增加量小，从而使整个光学介质对入射光束而言呈现出正透镜或者会聚波导的效果，这就有可能引起自聚焦或自陷现象。
反之，在某些特殊情况下，主要是吸收介质或有共振效应起作用的场合，介质折射率变化的非线性系数可能取负值。在同样的入射光强分布下，介质对入射光束而言将呈现出负透镜或发散波导的作用，从而可能引起强光自散焦或自发散效应。
光线在空气中传播当遇到不同介质时，由于介质的折射率不同会改变其传播方向。传统的透镜成像是通过控制透镜表面的曲率，从而完成聚焦和成像功能的。
图2-1 自聚焦光纤光路
自聚焦光纤同普通透镜的区别在于，自聚焦光纤材料不仅能够使沿径向传输的光产生折射，而且其沿径向逐渐减小的折射率分布，能够实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点。
自聚焦光纤利用了梯度变折射率分布沿径向逐渐减小的变化特征，折射率分布类似于抛物线，其折射率分布曲线如下图所示。
图2-2 自聚焦光纤折射率分布曲线
由上图可知，自聚焦光纤的光纤折射率在中心最高，沿径向递减，光束在光纤中传播，由于光的折射原因，自动聚焦而不发生色散。自聚焦光纤的折射率分布具有抛物线型的折射率梯度分布，在自聚焦光纤棒中，光线的轨迹是正弦型的。
2.2自聚焦光纤的耦合
由于自聚焦光纤的光纤折射率在中心最高，沿径向递减，光束在光纤中传播自动聚焦而不发生色散，因此可以利用水平端面完成聚焦功能，加之其简单圆柱外形，使得其在进行光能量链接及转换中有着很广泛的用途，自聚焦光纤的这种聚焦功能使其能够应用于多种光耦合场所，例如：光纤和光源、光纤和光电探测器一级光纤和光纤之间的耦合等等。
图2-3 光纤传输耦合聚焦光轨迹图
图2-3中表示L1为光源或光纤到自聚焦光纤端面的距离，Z为自聚焦光纤的长度，L2为自聚焦光纤端面到光纤的距离。为了使光源或光纤发出的光经过自聚焦光纤聚焦后能够有效地耦合进光纤，需要调节L1 和L2的距离来达到最佳耦合效率。但是，在实际耦合过程中，耦合效率要小于其理论值，其原因是耦合效率与器件的结构和使用方法有直接的关系。
2.3自聚焦光纤应用
在光纤局域网和用户回路通信系统中，需要用到大量的光无源及有源器件，例如：光耦合器、波分复用器、光开关和光收发器件等等。这些器件无一例外使用了自聚焦光纤。
自聚焦光纤又称渐变折射率光纤，光纤折射率中心最高，沿径向递减，光束在光纤中传播，可以自动聚焦而不发生色散。适用于多模通信的传输。自聚焦是指某些材料受强光照射时，材料折射率发生与光强相关的变化。当照射光束强度在横截面的分布是高斯形时，而且强度足够产生非线性效应的情况下，此时材料折射率的横向分布也是钟形的，因而材料好像会聚透镜一样能会聚光束。自聚焦光纤的折射率分布一般采用具有抛物线型的折射率梯度分布。
3自聚焦光纤设计及仿真
3.1软件简介
Beamprop是一个高度集成了计算机辅助设计和模拟仿真的专业软件，专用于设计集成光学波导元件和光路。此软件使用先进的有限差分光束传播法(finite-difference beam propagation method)来模拟分析光学器件。用户界面友好，分析和设计光学器件轻松方便。其主程序为一套完善的用于设计光波导元件和光路CAD设计系统，且可控制相关的模拟参数，如：数值参数、输入场以及各种显示、分析功能选项。另一功能为模拟程序，它可以在主程序内或独立执行模拟分析工作，以图形方式显示域的特性以及用户感兴趣的各种数值特性。
Fullwave是一高度整合之复杂光子组件仿真设计分析软件，它使用－有限差分时域之模拟分析方法，藉以分析一般光束传播法所无法建立模型分析的光子组件，例如光晶体与
环状共振器等。因此，RSoft公司所开发的BeamPROP与FullWA VE软体，两者实际上是具有互补之作用。其主控程序为BeamPROP之CAD Layout 系统，用来设计光波导组件及光路，亦即BeamPROP与FullWA VE共享同一个CAD Layout 程序。
3.2自聚焦光纤设计
Rsoft安装完成后，打开BeamProp软件所在文件夹，打开CAD Layout程序，开始这次的仿真。运行软件进入如图3-1所示的初始界面。
图3-1 软件界面
首先在菜单中选择“New Circuit”，然后修改其中的“Free Space Wavelength”、“Background Index”、“Index Difference”和“Waveguide Width”等参数，其中仿真波长设定为1.55um，背景折射率设定大小为1，折射率差为0.01，波导宽度设置为100，如图3-2所示：
图3-2 参数设定
然后利用画图工具进行自聚焦光纤波导的绘制，如图3-3所示：
图3-3 绘制波导
然后右击波导图像按钮进行变量定义，由于绘制的是自聚焦光纤的波导，因此要选择“Fiber”的仿真类型，二自聚焦光纤折射率服从高斯分布，因此选择高斯分布仿真类型，这样一个自聚焦光纤波导的绘制就完成了，具体设置如图3-4所示：
图3-4 波导参数设置
3.3自聚焦光纤仿真
在绘制波导完成之后，接下来的步骤是设置监控电源，点击Edit Pathway按钮进行设置，然后点击图标“new”，然后点左键一次选出波导。被选中的波导显示为绿色如图3-5所示：
图3-5 监控电源选定
随后是就需要选择一个pathway 并进行参数设置了，点击监控设置按钮“Monitor”进入设置界面，然后点击“new”，并在参数选择上Type 一般选Total Power 或slab mode power，Total Power 指全部光功率，slab mode power 是一个模式的光功率其他参数选默认。如图3-6所示：
图3-6 监控参数设置
式（Display Mode）可以观测到自聚焦棒在光信息传播中的折射率分布状态。如下图所示：
图3-7 自聚焦折射率分布
这是可以在图的左上角右击一下，可以看到自聚焦光纤的平面折射率分布，其折射率类似于抛物线，如下图所示：
图3-8 自聚焦折射率分布
（Display Mode）可以观测到自聚焦棒在光信息传播中的状态。
图3-9 光在波导中传播路径仿真
3.4自聚焦光纤的耦合
在介质中另模拟一段折射率均匀的波导，用于跟自聚焦光纤进行耦合。波导位置图形如图3-10所示：
图3-10 光纤耦合
接下来就可以进行自聚焦光纤的仿真，运行Perform Simulation，可以观测到光信息传播中的状态，如下图所示：
图3-10 自聚焦光纤与单模光纤耦合仿真
经过仿真发现，自聚焦光纤的端面和单模光纤端面几乎重合时，单模光纤能够接收并传输最大量的光，即从自聚焦光纤到单模光纤的耦合效率达到最高。经过Rsoft仿真计算，选取合适的距离，耦合效率η=38.7%
当然以上的耦合效率是没有考虑各种损耗情况下的耦合效率。在实际装配中，光纤对准精度要求很高，但是通过损耗分析，可以得出尽量减小纵向偏离来达到最小的损耗。
4总结
光电子运用设计终于顺利完成了，其中包含着快乐，也有辛酸。起初对Rsoft软件并不熟悉，通过这次的课程设计，使我更加熟悉了Rsoft软件，尤其是其中的BeamPROP模块。
本次的课程设计中，遇到了大大小小的困惑。由于我对Rsoft软件都不熟悉，所以这次课程设计完全是从零开始。但是，不管做什么，都有一个学习的过程。不会的东西，只要认真去学，总是可以掌握的，所以在这次课程设计过程中，我查阅了大量的资料，也向同学“取经”，向老师请教。最终圆满完成了这次课程设计的所有任务。
这次课程设计让我学到了很多的知识，首先是对单模光纤有了更进一步的了解，其次是熟悉了Rsoft软件，熟练掌握了Rsoft软件的使用。在这里，感谢老师和同学们这两个星期的指导和帮助。这次的课程设计，我收获很多，写报告的能力、画图的能力、查阅文献的能力都有了一定的提高。正所谓“纸上得来终觉浅，觉知此事要躬行”，学习知识不能仅从理论上掌握它，而更应从实践中去探索研究。
参考文献
[1] 梁铨廷．物理光学．电子工业出版社，2008
[2] 洪建勋，李成军，吴友宇，周建新．电光聚合物波导中的锥形结构[J];光学学报;2009.10(29):2686-2691
[3] 李玉权，崔敏．光波导理论与技术．北京:人民邮电出版社，2002.12
[4] 薛春荣，侯海虹．锥形光纤的结构与特性[J]．激光与红外；2007.9（37)：882-886
[5] 邓大鹏，光纤通信原理．人民邮电出版社，2009
附件1：
本科生能力拓展训练成绩评定表
指导教师签字：
年月日
导体激光器与单模光纤耦合效率的分析fH,w ` [ dx#i/Ka# 一、引言] 7% CL.2Q 随着光纤加工工艺和制造技术的日益提高，在光纤通讯与光纤传感中的传输损耗已经降低到了0.154dB/km的极限程度。而光源与光纤的耦合损耗问题越来越显得突出。在光纤通讯中，由于在多模光纤中各传输模的群延迟不同，所以限制了它的应用场合［1］；而在光纤传感中，多模光纤与光源的耦合相对单模光纤来说容易得多，但由于单模光纤具有较高的横向分辨力，在一些特殊的传感测试场合，还必须使用单模光纤［2］。所以，改善和提高半导体激光光源与单模光纤的耦合效率成为国内外研究的焦点。npT(iP`") 由于单模光纤的芯径只有多模光纤的十分之一，即5～10μm左右，加上激光器在垂直于结平面方向有较大的发散光束角，所以，简单的套筒式耦合无法获得较高的耦合效率［3］。况且，激光器与光纤轴线的对中容许误差只有1μm，增大了SLD-SMF光耦合的难度。为了减小SLD-SMF间的光耦合损耗，激光器的模场半径（光点尺寸）应与光纤的模场半径相互匹配起来，也就是说，使激光器的椭圆形模场转换为光纤的圆形模场，这可以通过在SLD-SMF间使用透镜来实现［4］。迄今为止，已有许多种用不同形状的透镜进行模式匹配的方法，如柱状透镜法、半球透镜法、四角锥形半椭圆透镜法、共焦透镜法及柱状透镜与自聚焦透镜组合法等［5，6］；也可以用一些特种加工技术，如通过拉伸被加热的光纤端头使其形成尖锥状或在研磨后熔融光纤的末梢以及用光刻技术［7～11］直接在光纤的端头处加工出各种形状的微透镜。2d"@g* 本文将对一些典型的SLD-SMF光耦合方式进行理论上的分析，并给出一些具有实用价值的数据。并从耦合效率与成本双重角度给出了适合于实际工程应用的几种耦合方式的优选率。2-v?T6<2 i*DP:$c 二、耦合特性的理论分析1 ]_!4{f 当单模光纤的归一化频率V在1.9≤V≤2.4范围内时，对在单模光纤内光能量分布采用高斯场近似，误差在1%以内。所以，采用高斯光束模场分布来分析计算和比较各种耦合方式的耦合效率及实用性是完全可行的。SLD-SMF直接耦合原理如图1所示。图中w0为单模光纤的模场半宽，其值在理论上在计算过程中相当烦琐，在工程实际中常由下式近似［12］：jS9 ,Z" (1) h,34JYq0 (z=0,w∥1=2μm) ^NXQ>Arg b>*'C3!LF 图3耦合效率与两轴相错角度和距离的关系'O(4mysc
课 程 设 计 光学显微镜设计 设计题目 学 号 专业班级 指导教师 学生姓名 测量显微镜
根据学号得到自己设计内容的数据要求： 1.目镜放大率10(即焦距25） 2.目镜最后一面到物面距离110 3.对准精度1.2微米 按照实验步骤，先计算好外形尺寸。然后根据数据要求选取目镜与物镜。 我先做物镜。因为这个镜片比较少。按物镜放大率选好物镜后，将参数输入。简单优化，得到比较接近自己要求的物镜。 然后做目镜，同样的做法，这个按照焦距选目镜，将参数输入。将曲率半径设为可变量，调入默认的优化函数进行优化。发现“优化不了”，所有参数均没有变化。而且发现把光源放在“焦点”位置，目镜出射的不是平行光。我百思不得其解。开始认为镜头库的参数可能有问题。最后我问老师，老师解释，那个所谓的“焦点”其实不是焦点，我错误的把“焦点”到目镜第一个面的距离当成了焦距。这个目镜是有一定厚度的，不能简单等效成薄透镜。焦点到节点的距离才是焦距。经过老师指点后，我尝试调节光源到目镜第一面的距离，想得到出射平行光，从而找到焦点。但这个寻找是很费力气的，事倍功半。老师建议我把目镜的参数倒着顺序输入参数。然后用平行光入射，然后可以轻松找到焦点。 但是，按照这个方法，倒着输入参数，把光源放在无限
远的地方（平行光入射），发现光线是发散的。不解。还是按照原来的方法。把光源放在目镜焦点上，尽量使之出射平行光。然后把它与优化好的物镜拼接起来。后来，加入理想透镜（会聚平行光线），加以优化。 还有一个问题，就是选物镜的时候，发现放大倍率符合了自己的需求，但工作距离与共轭距，不符合自己的要求。这个问题在课堂上问过老师，后来经老师指点，通过总体缩放解决。 物镜参数及优化函数
湖南工业大学 课程设计 资料袋 计算机与通信学院（系、部）2013 ~ 2014 学年第 2 学期课程名称数字光纤通信指导教师刘丰年职称副教授学生姓名专业班级学号 题目图像、声音的光纤传输系统 成绩起止日期2014 年05月16 日～2014年05月22 日 目录清单
湖南工业大学 课程设计任务书 2013—2014学年第2学期 计算机与通信学院通信工程专业班级课程名称：数字光纤通信 设计题目：图像、声音的光纤传输系统 完成期限：自 2014 年 5 月 16日至 2014 年5月22 日共 1 周 指导教师（签字）：年月日 系（教研室）主任（签字）：年月日
数字光纤通信 设计说明书 声音、图像光纤传输系统 起止日期： 2014年 05 月 16 日至 2014年 05 月 22 日 学生姓名 班级 学号 成绩 指导教师(签字) 计算机与通信学院 2014年 05 月 22 日
指导教师（签字）：年月日系（教研室）主任（签字）：年月日
图像、声音光纤传输系统 一、设计原理 1、GT-RC-II 型光纤通信实验系统简介： （1）、电源模块：提供实验箱各模块电源。 （2）、1310nm光发送模块：实现模拟信号、数字信号在1310nm光发送机中的光传输及自动光功率控制功能（采用电路来实现）。 (3) 1550nm光发送模块：实现模拟信号、数字信号在1550nm光发送机中的光传输及自动光功率控制功能（采用专用芯片来实现）。 (4) 1310nm光接收模块：实现1310nm光纤传输信号的接收，实现接收信号光电转换，滤波及放大，将其恢复为标准的电脉冲数据信号。 （5）1550nm光接收模块：实现1550nm光纤传输信号的接收，实现接收信号光电转换，滤波及放大，将其恢复为标准的电脉冲数据信号。 实验系统主要由光发模块、光收模块、光无源器件和辅助通信模块等组成。光发端机完成将电信号直接调制至光载波上去，采用强度调制（IM）；光接收机完成光信号的解调，采用直接检测（DD），属于非相干解调。光载波由半导体光源产生，由半导体光检测器将光信号转换成电信号从而达到传输信号的目的。 2、模拟光纤通信系统的结构 模拟基带直接光强调制(DIM)光纤传输系统由光发射机(光源通常为发光二极管)、光纤线路和光接收机(光检测器)组成，这种系统的方框图如图1所示。 图1 模拟光纤通信系统由以下五个部分组成: （1）光发送机：光发送机是实现电/光转换的光端机。它由光源、驱动器和调
本科生实验报告 实验课程电子系统设计 学院名称 专业名称测控技术与仪器 学生姓名 学生学号 指导教师 实验地点 实验成绩 二〇年月——二〇年月
实验一、运放应用电路设计 一、实验目的 （1）了解并运用NE555定时器或者其他电路，学会脉冲发生器的设计，认识了解各元器件的作用和用法。 （2）掌握运算放大器基本应用电路设计 二、实验要求 （1）使用555或其他电路设计一个脉冲发生器，并能满足以下要求：产生三角波V2，其峰峰值为4V，周期为0.5ms，允许T有±5%的误差。 V2/V +2 图1-1 三角波脉冲信号 （2）使用一片四运放芯片LM324设计所示电路，实现如下功能：设计加法器电路，实现V3=10V1+V2,V1是正弦波信号，峰峰值0.01v，频率10kHz。 V3 图1-2 加法电路原理
三、实验内容 1、555定时器的说明： NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率的脉波讯号。 a. NE555的特点有： 1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。 2.它的操作电源范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑闸配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。 3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。 4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。 b. NE555引脚位配置说明下： NE555接脚图： 图1-3 555定时器引脚图 Pin 1 (接地) -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。 Pin 2 (触发点) -这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。
?光纤准直器是光无源器件中的一个重要的组件，在光通信系统中有着非常普遍的应用。 它是由单模尾纤和准直透镜组成，具有低插入损耗，高回波损耗，工作距离长，宽带宽，高 稳定性，高可靠性，小光束发散角，体积小和重量轻等特点。可将光纤端面出射的发散光束变换为平行光束，或者将平行光束会聚并高效率耦合入光纤，是制作多种光学器件的基础器件，因此被广泛应用于光束准直，光束耦合，光隔离器，光衰减器，光开关，环行器， ＭＭ，密集波分复用器ＥＳ之中。 目录 ?光纤准直器的结构与参数 ?光纤准直器的原理 ?光纤准直器的优点 ?光纤准直器的装配 光纤准直器的结构与参数 ?光纤准直器的结构参数如图5 所示，因光纤头端面的8 度斜角，造成输出光束与准直器轴线存在夹角θ，称为点精度。图6 所示为两准直器的理想耦合情况，二者的输出光场完全重合，其间距为准直器的工作距离Zw。准直器输出高斯光束的束腰距离其端面Zw/2，束腰直径为2ωt，而高斯光束的发散角与其束腰直径成反比关系。到此我们介绍了光纤准直器的三个主要参数：工作距离、点精度和光斑尺寸。 光纤准直器的原理 ?光纤准直器的基本原理是，将光纤端面置于准直透镜的焦点处，使光束得到准直，然后在焦点附近轻微调节光纤端面位置，得到所需工作距离，因此准直器的工作距离与光纤头和透镜的间距L相关。光纤准直器的设计方法是，根据实际需求确定准直器的工作距离，依据高斯光束传输理论，确定光纤头和透镜间距L并计算光斑尺寸，然后依据光线理论计算准直器的点精度。 光纤准直器的优点 ?低插损、高回损、尺寸小 工作距离长、宽带宽
高稳定性、高可靠性 光纤准直器的装配 (1)采用斜端面插针耦合,可大大提高光纤准直器的回波损耗,当斜面倾角为8°01%增 透膜时,光纤准直器的时,光纤准直器的自聚焦透镜后端面镀反射率为0.回波损耗可达 60dB。采用斜端面插针耦合,主要是为了满足器件高回波损耗的求,角度越大,准直器的回波损耗越大。但插针的端面角度越大,准直器的插入损耗就会越大(要求是:插入损耗越小越好,回波损耗越大越好),这和准直器要求的低插入损耗矛盾,对于准直器插入损耗而言,透镜和毛细管是垂直端面最为理想。因此本文采用8°是针对环行器在这种互相制约关系下的一个折中。视应用场合不同其端面斜角可做成6°、8°、9°、11°或任何角度。 (2)透镜与光纤毛细管端面的间隙也主要是和器件高回波损耗有关,为了达到器件高回 波损耗的要求,其间隙一般大于200μm,当间隙大于200μm,器件的回波损耗值近似达到理论上最大值。但透镜和毛细管端面的间隙越大,同时会造成准直器的插入损耗增大,这又是一对矛盾,根据准直器图纸的精度要求,其间隙是0.385mm,这同时能满足高回波损耗的距离要求,也能使其插入损耗达到要求。准直器的插入损耗和回波损耗相比较而言,回波损耗更容易保证,因此在准直器装配时,以其插入损耗为检测依据,就是这个道理。
设计前的准备 Zemax公司感谢Suss MicroOptics SA公司的Reinhard Voelkel博士提供本文使用到的实验数据。 我们同时提供本文的的日文版本 本文描述了一种商用的光纤耦合器，系统使用SUSS MicroOptics FC-Q-250微透镜阵列来耦合两根康宁（Corning）SMF-28e光纤。如下图所示： 供应商提供的上述元件的参数如下：单模光纤，康宁SMF-28e 数值孔径 0.14纤芯直径8.3μm 模场直径@1.31μm 9.2±0.4μm 微透镜阵列，SUSS MicroOptics SMO39920 基片材料熔融石英基片厚度 0.9mm内部透过率 >0.99透镜直径240μm 透镜节距250μm 曲率半径330μm 圆锥常数（Conic constant） 0数值孔径 0.17附件中的文件single mode coupler.zmx是整个系统的Zemax文件。请注意一下几点： 物面到透镜的距离和透镜到像面的距离设定为0.1mm，是因为这比较接近实际情况。后面经过优化过程时候，这个尺寸还会发生变化；透镜到像面的距离使用了Pick-up solve，以确保和前面的物面到透镜的距离之间相等。既然两组透镜
和光纤之间是完全一致的（在制造公差之内），因而整个系统也就应该是空间反演对称和轴对称的（either way round）；两个透镜之间的距离设定为2mm，因为这个是实验中使用的数据。同样地，这个距离后面也将会被严格的优化；系统孔径光阑设定为根据光阑尺寸浮动（float by stop size），而光阑设定在第一个透镜的后表面。这就意味着系统的孔径光阑由透镜的实际孔径决定。因而光纤的模式在这个系统中传输的过程中，就有可能受限于透镜的实际孔径。在这个例子中，光纤的模式要比透镜的实际孔径小很多。当心“数值孔径”的多种不同定义。它有可能指的是边缘光束倾角的正弦值，有可能是光强降低到1/e2时的光束倾角的正弦值（我们将会看到Zemax会在不同的场合使用这两种定义），也有可能定义为光强降到1%峰值强度时光束倾角的正弦值，康宁便使用这种定义。这些非常重要！孔径上定义了高斯切趾（Gaussian apodization），用来产生光束的高斯分布。当前这只是一种近似，后面将会做进一步的精确的计算。透镜孔径的大部分区域是衍射受限的光学质量的，并且被光纤模式照射到的区域是衍射受限的。 使用旁轴高斯光束计算旁轴高斯光束算法是最简单可以用来分析光纤耦合的分析方法。不过，这种方法只能获得对系统性能初步的了解。
光电计数器实验报告 学生姓名李志 学号081244115 专业名称光信息科学与技术 指导教师易煦农 时间日期2011-10-19 摘要 21世纪是信息时代，是获取信息，处理信息，运用信息的时代。传感与检测技术的重要性在于它是获得信息并对信息进行必要处理 的基础技术，是获取信 息和处理加工信息的手段，无法获取信息则无法运用信息。 光电式传感器是将光信号转化为电信号的一种传感器。它的理论基础是光电效应。这类效应大致可分为三类。第一类是外光电效应，即在光照射下，能使电子逸出物体表面。利用这种效应所做成的器件有真空光电管、光电倍增管等。第二类是内光电效应，即在光线照射下，能使物质的电阻率改变。这类器件包括各类半导体光敏电阻。第三类是光生伏特效应，即在光线作用下，物体内产生电动势的现象，此电动势称为光生电动势。这类器件包括光电池、光电晶体管等。光电效应都是利用光电元件受光照后，电特性发生变化。敏感的光波长是在可见光附近，包括红外波长和紫外波长。数字式电子计数器有直观和计数精确的优点，目前已在各种行业中普遍使用。数字式电子计
数器有多种计数触发方式，它是由实际使用条件和环境决定的。有采用机械方式的接触式触发的，有采用电子传感器的非接触式触发的，光电式传感器是其中之一，它是一种非接触式电子传感器。采用光电传感器制作的光电式电子计数器。这种计数器在工厂的生产流水线上作产品统计，有着其他计数器不可取代的优点。 【关键词】光电效应光电传感器光电计数器 ABSTRACT The 21st century is the age of information, it is the access to information, treatment information, use of the information age. Sensing and detection technology is important because it is the access to information and the information necessary to deal with the underlying technology, is access to information and means of processing information, unable to get information you won't be able to use information. Photoelectric sensor is a light signal into an electric signal of the sensor. It is the theoretical basis of the photoelectric effect. These effects can be broadly divided into three categories. The first type is outside of the photoelectric effect, namely, in daylight, can make the tungsten surface. Use this effect caused by device with vacuum photocell, photomultiplier tubes, etc. The second category is the photoelectric effect, i.e., in the light, can make the electrical resistivity of the material change. Such devices include various types of photosensitive semiconductor. The third category is photo voltaic effect, in the light, the objects within the EMF EMF, this is called light-induced electromotive force. This class of
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
单片机电子时钟课程设 计实验报告 Pleasure Group Office【T985AB-B866SYT-B182C-BS682T-STT18】
《单片机原理与应用》课程设计 总结报告 题目：单片机电子时钟（带秒表）的设计 设计人员：张保江江润洲 学号： 班级：自动化1211 指导老师：阮海容 目录 1.题目与主要功能要求 (2) 2.整体设计框图及整机概述 (3) 3.各硬件单元电路的设计、参数分析及原理说明 (3) 4.软件流程图和流程说明 (4) 5.总结设计及调试的体会 (10) 附录 1.图一：系统电路原理图 (11) 2.图二：系统电路 PCB (12) 3.表一：元器件清单 (13) 4.时钟程序源码 (14)
题目：单片机电子时钟的设计与实现 课程设计的目的和意义 课程设计的目的与意义在于让我们将理论与实践相结合。培养我们综合运用电子课程中的理论知识解决实际性问题的能力。让我们对电子电路、电子元器件、印制电路板等方面的知识进一步加深认识，同时在软件编程、排错调试、焊接技术、相关仪器设备的使用技能等方面得到较全面的锻炼和提高，为今后能够独立完成某些单片机应用系统的开发和设计打下一个坚实的基础。 课程设计的基本任务 利用89C51单片机最小系统，综合应用单片机定时器、中断、数码显示、键盘输入等知识，设计一款单片机和简单外设控制的电子时钟。 主要功能要求 最基本要求 1)使用MCS-51单片机设计一个时钟。要求具有6位LED显示、3个按键输入。 2)完成硬件实物制作或使用Pruteus仿真（注意位驱动应能提供足够的电流）。 3)6位LED数码管从左到右分别显示时、分、秒(各占用2位)，采用24小时标准计时制。开始计时时为000000，到235959后又变成000000。 4)使用3个键分别作为小时、分、秒的调校键。每按一次键，对应的显示值便加1。分、秒加到59后再按键即变为00；小时加到23后再按键即变为00。在调校时均不向上一单位进位 (例如分加到59后变为00，但小时不发生改变)。 5) 软件设计必须使用MCS-51片内定时器，采用定时中断结构，不得使用软件延时法，也不得使用其他时钟芯片。 6）设计八段数码管显示电路并编写驱动程序，输入并调试拆字程序和数码显示程序。7）掌握硬件和软件联合调试的方法。 8）完成系统硬件电路的设计和制作。 9）完成系统程序的设计。 10）完成整个系统的设计、调试和制作。
光纤准直器原理 曾孝奇 一. 模型 光纤准直器通过透镜能实现将从发散角较大（束腰小）的光束转换为发散角较小（束腰大）的光束，从而以较低损耗耦合进入其他光学器件。在这里，我们将从光纤中的出射光束认为是基模高斯光束；光纤准直器基本模型如下： 图1 光纤准直器原理示意图 其中，i q （i=0,1,2,3）为高斯光束的q 参数，q 参数定义为： ()()() z w i z R z q 211πλ-=， （1） ()z f z z R 2 +=，()2 01??? ? ??+=f z w z w ，λπ2 0w f =； （2） 图1中，i q （i=0,1,2,3）分别表示光纤端面，透镜入射面，透镜出射面，和出射光束的束腰处的q 参数，而01w 和02w 分别表示透镜变换前后的束腰；l 表示光纤端面与透镜间隔，l w 为准直器的设计工作距离。 二. 理论分析 根据ABCD 理论，高斯光束q 参数经透镜变换后， D Cq B Aq q ++= 112， （3） 而且，l q q +=01，2/32w l q q -=，12 010if w i q ==λπ，22 023if w i q ==λ π。
这样，我们可以得到经过透镜后的束腰大小： () () 2 12 01 02Cf D Cl BC AD w w ++-=， （4） 工作距离： ()()()()2 12212 Cf D Cl ACf D Cl B Al l w +++++-=， （5） 方程（5）是关于l 的二次方程，为使得l 有实根，方程（5）的判别式应该不小于零，从而我们可以得到： 1 2 1 2f C ACf BC AD l w --≤ ， （6） 方程（6）表示准直器的工作距离有上限，就是一个最大工作距离 ()() 121max /2f C ACf BC AD l w --=。此时，我们得到：C D f l - =1。 分析：不论对于何种透镜，准直器的出射光斑和工作距离都取决于透镜的传输矩阵ABCD ；对于给定的透镜，它们还跟入射光斑大小和光纤端面与透镜间的距离l 有关，也就是说，对于给定的入射光束和给定的透镜，我们可以通过在透镜焦距附近改变l 来实现不同的工作距离。在实际制作准直器当中，我们正是通过这种方法来实现不同的工作距离的。 进一步地，如果我们需要定量计算准直器的出射束腰和工作距离，需要具体知道不同透镜的ABCD 系数。对于G Lens （自聚焦透镜，通常为0.23P ），它的ABCD 矩阵为： () () () () ?? ? ? ???? ?? -=??????L A L A A n L A A n L A D C B A o o cos sin sin 1 cos ， （7） 其中，0n 透镜的透镜的轴线折射率，L 为透镜的中心厚度，A 为透镜的聚焦常数。由于G Lens 的ABCD 系数取决于0n ，L 和A ，因而，适当选择这些参数，同样能改变准直器的出射光斑大小和工作距离。 对于 C lens(厚透镜)，它的传输矩阵为：
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。
学院实验报告 学院：专业：班级：成绩： 姓名：学号：组别：组员： 实验地点：实验日期：指导教师签名： 实验（2）项目名称：加速度传感器、速度传感器振动测量实验和悬臂梁固有频率测量实验 1.实验项目名称 加速度传感器、速度传感器振动测量实验和悬臂梁固有频率测量实验 2.实验目的和要求 （1）了解并掌握机械振动信号测量的基本方法 （2）掌握用瞬态激振方式，进行机械阻抗测试的仪器组合及使用方法，了解瞬态激振时的数据处理方法 （3）测出悬臂梁的固有频率 3.实验原理 （1）振动测量原理 机械在运动时，由于旋转件的不平衡、负载的不均匀、结构刚度的各向异性、间隙、润滑不良、支撑松动等因素，总是伴随着各种振动。 机械振动在大多数情况下是有害的，振动往往会降低机器性能，破坏其正常工作，缩短使用寿命，甚至造成事故。机械振动还伴随着同频率的噪声，恶化环境，危害健康。另一方面，振动也被利用来完成有益的工作，如运输、夯实、清洗、粉碎、脱水等。这时必须正确选择振动参数，充分发挥振动机械的性能。 在现代企业管理制度中，除了对各种机械设备提出低振动和低噪声要求外，还需随时对机器的运行状况进行监测、分析、诊断，对工作环境进行控制。为了提高机械结构的抗振性能，有必要进行机械结构的振动分析和振动设计。这些都离不开振动测试。 振动测试包括两种方式：一是测量机械或结构在工作状态下的振动，如振动位移、速度、加速度、频率和相位等，了解被测对象的振动状态，评定等级和寻找振源，对设备进行监测、分析、诊断和预测。二是对机械设备或结构施加某种激励，测量其受迫振
动，以便求得被测对象的振动力学参量或动态性能，如固有频率、阻尼、刚度、频率响应和模态等。 振动的幅值、频率和相位是振动的三个基本参数，称为振动三要素。 幅值：幅值是振动强度的标志，它可以用峰值、有效值、平均值等方法来表示。 频率：不同的频率成分反映系统内不同的振源，通过频谱分析可以确定主要频率成分及其幅值大小，从而寻找振源，采取响应的措施。 相位：振动信号的相位信息十分重要，如利用相位关系确定共振点、测量振型、旋转件动平衡、有源振动控制、降噪等。对于复杂振动的波形分析，各谐波的相位关系是不可缺少的。 在振动测量时，应合理选择测量参数，如振动位移是研究强度和变形的重要依据；振动加速度与作用力或载荷成正比，是研究动力强度和疲劳的重要依据；振动速度决定了噪声的高低，人对机械振动的敏感程度在很大频率范围内是由速度决定的。速度又与能量和功率有关，并决定动量的大小。 （2）YD-37加速度传感器简介 压电传感器的力学模型可简化为一个单自由度质量——弹簧系统。根据压电效应的原理，当晶体上受到振动作用力时后，将产生电荷量，该电荷量与作用力成正比，这就是压电传感器完成机电转换的工作原理。压电式加速度传感器在振动测试领域中应用广泛，可以测量各种环境中的振动量。YD-37加速度传感器与DRBS-12-A型简易电荷放大器的综合灵敏度约是6080mV/m.s-2。 (3)CD-21速度传感器简介 CD-21振动速度传感器的基本原理是基于一个惯性质量（线圈组件）和壳体，壳体中固定有磁铁，惯性质量用弹性元件悬挂在壳体上工作时，将传感器壳体固定在振动体上，这样当振动体振动时，在传感器工作频率范围内，线圈与磁铁相对运动，切割磁力线，在线圈内产生感应电压，该电压值正比于振动速度值，这就是振动速度传感器的工作原理。CD-21振动速度传感器的测量范围是10~1000Hz，灵敏度约是200mv/cm.s-2。 （4）悬臂梁试验台架由底座、悬臂梁、加速度传感器、激振捶等构成。悬臂梁结构总体尺寸为120*110*150mm（长*宽*高）。可进行悬臂梁固有频率和阻尼系数的测量。 实验时通过激振捶敲击悬臂梁，产生脉冲激振，通过安装在悬臂梁上的加速度传感器获取悬臂梁受瞬态激励后输出的振动信号波形（信号触发采样方式），经信号调理设备处理后，通过数据采集仪输入计算机中，从悬臂梁脉冲响应信号波形或信号功率谱就
课程设计报告 课程名称光纤通信 课题名称通信系统综合实验 一、设计内容与设计要求 1、设计内容 1）多路数据＋多路电话光纤综合传输系统的实现 2）多路数据＋多计算机＋单路图像/语音全双工光纤综合传输系统的实现3）*多路计算机＋双路图像/语音全双工光纤综合传输系统的实现 2、设计目的 掌握变速率时分复用的原理、实现方法； 学习并掌握计算机RS232通信技术； 掌握时分复用技术和波分复用技术的灵活搭配使用； 实现数字和语音同时通信。 3、实验仪器与设备 1.光纤通信实验系统2台。 2.示波器1台。 3.波分复用器2个。 4.电话2部。 I
5.FC/FC光纤跳线2根。 6.计算机若干台串口通信电缆若干根。 7.1310nm/1550nm波长波分复用器2个。 8.摄像头1个。 9.监视器1个（或用电话代替）。 4、设计原理 《多路数据＋多路电话光纤综合传输系统》综合了固定速率时分复用、解固定速率时分复用、PCM编译码、波分复用等几个子系统，具体的实验原理可以参看《光纤通信原理教学系统实验指导书》中的实验二十一、实验二十四、实验二十五、实验二十的方法； 《多路数据＋多计算机＋单路图像图像/语音全双工光纤综合传输系统》拟实现模拟图像、数据在同一光纤中传输。即在光纤中同时传输数字数据和模拟信号。一种解决方案综合了《光纤通信原理教学系统实验指导书》中的实验二十六、实验二十七、实验十六的知识； 《多路计算机＋双路图像/语音全双工光纤综合传输系统》综合了固定速率时分复用、解固定速率时分复用、变速率时分复用、解变速率时分复用、位时钟提取（数字锁相环DPLL）原理及实现五个实验，具体的实验原理可以参看《光纤通信原理教学系统实验指导书》中的实验二十一、实验二十三、实验二十四、实验二十五、实验二十六、实验二十七。 5、设计要求 掌握结构化系统设计的主体思想，以自下而上逐步完善的方法实现指定的通信系统功能，并按要求测试相关参数、波形等实验数据，以积累一些典型的通信子系统的功能、性能、参数等知识以及系统集成的知识。 (1)在规定的时间内以小组为单位完成相关的系统功能实现、数据测试和记录并进行适当的分析。 (2)按本任务书的要求，编写《课程设计报告》（Word文档格式）。并用A4纸打印并装订； II
基于FPGA的现代电子实验设计报告 ——数字式秒表设计（VHDL）学院：物理电子学院 专业： 学号： 学生姓名： 指导教师：刘曦 实验地点：科研楼303 实验时间：
摘要： 通过使用VHDL语言开发FPGA的一般流程，重点介绍了秒表的基本原理和相应的设计方案，最终采用了一种基于FPGA 的数字频率的实现方法。该设计采用硬件描述语言VHDL，在软件开发平台ISE上完成。该设计的秒表能准确地完成启动,停止,分段,复位功能。使用ModelSim 仿真软件对VHDL 程序做了仿真，并完成了综合布局布线，最终下载到EEC-FPGA实验板上取得良好测试效果。 关键词：FPGA，VHDL，ISE，ModelSim
目录 绪论 (4) 第一章实验任务 (5) 第二章系统需求和解决方案计划 (5) 第三章设计思路 (6) 第四章系统组成和解决方案 (6) 第五章各分模块原理 (8) 第六章仿真结果与分析 (11) 第七章分配引脚和下载实现 (13) 第八章实验结论 (14)
绪论： 1.1课程介绍： 《现代电子技术综合实验》课程通过引入模拟电子技术和数字逻辑设计的综合应用、基于MCU/FPGA/EDA技术的系统设计等综合型设计型实验，对学生进行电子系统综合设计与实践能力的训练与培养。 通过《现代电子技术综合实验》课程的学习，使学生对系统设计原理、主要性能参数的选择原则、单元电路和系统电路设计方法及仿真技术、测试方案拟定及调测技术有所了解；使学生初步掌握电子技术中应用开发的一般流程，初步建立起有关系统设计的基本概念，掌握其基本设计方法，为将来从事电子技术应用和研究工作打下基础。 本文介绍了基于FPGA的数字式秒表的设计方法，设计采用硬件描述语言VHDL ，在软件开发平台ISE上完成，可以在较高速时钟频率（48MHz）下正常工作。该数字频率计采用测频的方法，能准确的测量频率在10Hz到100MHz之间的信号。使用ModelSim仿真软件对VHDL程序做了仿真，并完成了综合布局布线，最终下载到芯片Spartan3A上取得良好测试效果。 1.2VHDL语言简介:
3) 而且， q 1 q 0 l ， q 2 q 3 l w /2， q 0 i 2 w01 if 1， q 3 i 2 w 02 2 if 2。 一 . 模型 光纤准直器通过透镜能实现将从发散角较大 (束腰小) 的光束转换为发散角 较小(束腰大)的光束，从而以较低损耗耦合进入其他光学器件。在这里，我们 将从光纤中的出射光束认为是基模高斯光束；光纤准直器基本模型如下： 其中， q i ( i=0,1,2,3 )为高斯光束的 q 参数，q 参数定义为： 图 1 中， q i (i=0,1,2,3 )分别表示光纤端面，透镜入射面，透镜出射面，和出 射光束的束腰处的 q 参数，而w 01和 w 02分别表示透镜变换前后的束腰； l 表示光 纤端面与透镜间隔， l w 为准直器的设计工作距离。 二 . 理论分析 根据 ABCD 理论，高斯光束 q 参数经透镜变换后， Aq 1 B q2 Cq 1 D ， 光纤准直器原理 曾孝奇 11 qz Rz i w 2z ， 1) 2 ， w z w 0 1 2 w 2)
这样，我们可以得到经过透镜后的束腰大小： AD BC w 02 w 01 2 Cl D 2 Cf 1 工作距离： 2 l 2 Al B Cl D ACf 12 ， （ 5） l w 2 2 2 ， （ 5） w Cl D 2 Cf 1 2 方程（ 5）是关于 l 的二次方程，为使得 l 有实根，方程（ 5）的判别式应该不小 于零，从而我们可以得到： AD BC 2ACf 1 ， w 2 ， C 2 f 1 方程（ 6）表示准直器的工作距离有上限，就是一个最大工作距离 2D l wmax AD BC 2ACf 1 / C 2 f 1 。此时，我们得到： l f 1 D 。 C 分析：不论对于何 种透镜， 准直器的出射光斑和工作距离都取决于透镜的传 输矩阵 ABCD ；对于给定的透镜，它们还跟入射光斑大小和光纤端面与透镜间的 距离 l 有关， 也就是说，对于给定的入射光束和给定的透镜， 我们可以通过在透 镜焦距附近改变 l 来实现不同的工作距离。 在实际制作准直器当中， 我们正是通 过这种方法来实现不同的工作距离的。 进一步地， 如果我们需要定量计算准直器的出射束腰和工作距离， 需要具体 知道不同透镜的 ABCD 系数。对于 G Lens （自聚焦透镜，通常为 0.23P ），它的 ABCD 矩阵为： 1 cos AL 1 sin AL n o A ， （ 7） n o Asin AL cos AL 其中，n 0 透镜的透镜的轴线折射率， L 为透镜的中心厚度， A 为透镜的聚焦常数。 由于G Lens 的ABCD 系数取决于 n 0，L 和 A ，因而，适当选择这些参数，同样能 改变准直器的出射光斑大小和工作距离。 对于 C lens （ 厚透镜 ） ，它的传输矩阵为： 4） 6） C A D B
光电检测技术 实验报告 题目：光电报警系统的设计和制作学院：仪器科学与光电工程学院专业：测控技术与仪器 班级： 学生姓名： 指导老师：
实验三 光电报警系统的设计和制作 一、设计任务 红外报警器系统的原理框图如图1所示。由红外光源发出的红外辐射被红外探测器接收，红外辐射信号变为电信号，经信号放大和处理电路后送报警电路。系统分成发送和接收两部分，分开放置。当没有人和物体进入这两部分之间，红外辐射没有被阻挡时，报警处于不报警状态。一旦有人或物体进入这两部分之间。红外辐射被阻挡，报警器立即翻转到报警状态。 图1 红外报警器系统原理框图 二、设计方案 （1）发射端电路 用NE555组成振荡器来驱动发光管，NE555构成多谐振荡器原题图如图2所示。下面对照电路图简述其工作原理及参数选择。 图2 多谐振荡器 注：1地 GND 2触发 3输出 4复位 5控制电压 6门限(阈值) 7放电 8电源电压Vc 当3脚为高电平（略低于Vc 时），输出电压将通过R1对C1充电。A 点电压按指数规律上升，时间常数为R1C1。 当A 点电压上升到上限阙值电压（约2Vc/3时），定时器输出翻转成低电平
（略大于0V）。这时，A点电压将随C1放电而按指数规律下降。当A点下降到下限阙值电压（约Vc/3）时，定时器输出变成高电平，调整R2的阻值得到严格的方波输出。 用NE555组成振荡器来驱动发光管时，要注意发光管上串联一个限流电阻。使输出电流小于或等于发光管的最大正向电流 F I。若振荡器输出电压为Vo，则 限流电阻R取值为F F O I V V R - ≥ 。如果限流电阻低于上述公式所得值，或未加限流电阻，则会造成发光管和定时器烧毁。 D2 LED 图3 振荡发射电路原理图 （2）光电检测、比较报警电路 D4 LED R8 500 图4 光电检测放大器电路原理图比较报警电路的设计利用光敏二极管的反向特性，当接收到光信号时，光敏二极管导通良好，产生电压，放大器即可对信号处理；当没有接收到光信号时，光敏二极管截止，放大器的同相端电压几乎为0。利用1/2LF353构成的光放大器，如图所示。用1/2LF353构成一个比较放大器。放大器的正端加2V左右偏压，负端加信号电压。当光线未阻断时，从主放大器来的交流信号经二极管检波电路，再经低通滤波器后得到直流电压，使后面的放大器负载输入端电位大于（或等于）正输入端电位。