实验一 数据的可视化：光纤横截面上的场分布模拟

光的传播路径可视化系列实验的设计与应用1. 引言光的传播路径可视化是一项重要的技术，在光学、光通信、光纤通信等领域都有着广泛的应用。

本系列实验旨在通过模拟光的传播路径，了解光波在不同材料中的传播特性及其应用方面的基础知识。

同时，通过实验数据的收集和分析，深入理解光的物理特性。

2. 实验设备与材料本次实验所需设备和材料如下：•激光器•平行板•透镜•光学台•半透明镜•光路元件支架•杠杆•毛玻璃•遮光板•纸片•调节杆•互换展板3. 实验目的本次实验旨在掌握以下技能：1.利用实验装置，建立各种光学系统，观测平行光、集束光、散射光、衍射光等现象。

2.分析不同介质中的光学现象，理解各种材料对光学信号传播的影响。

3.掌握光学路径的设计方法，并应用其到实际问题中。

4. 实验步骤与实验数据处理实验一：检测激光器输出的光强度1.调整激光器的输出强度，使其达到稳定的模式。

2.使用光功率计检测激光器的输出强度并记录数据。

3.改变激光器的输出功率，重新记录数据。

实验二：观测平行光的色散现象1.在光学台上架设平行板，与半透明镜交替摆放，设法产生平行光束。

2.使用三棱镜实验观察平行光的色散现象，并记录数据。

3.改变光线的入射角度或改变不同材料制成的平行板比较不同的色散现象，添加数据实验观察。

实验三：观测透镜成像和展宽物体图像1.在光学台上架设透镜，通过透镜将光线聚焦在远离透镜位置的物体上。

2.调整透镜距离物体的距离，观察图像的大小和清晰度，并记录数据。

3.使用毛玻璃或遮光板增加照度，观察物体图像的展宽，记录数据。

实验四：观测光的散射、衍射和激光的光束1.在光学台上架设一组光路元件，制备散射光和衍射光的实验器材。

使用荧光粉、干涉条、被试品等介质制成的散射和衍射效果器材，分别观察散射和衍射现象，并记录数据。

2.将激光通过狭缝，观察激光的光束并观察衍射效果，记录数据。

实验五：利用光线追迹法解决问题1.制作一组互换展板，并用透镜、平行板、凸面透镜、透明介质等光学元件，决定面各种光学系统。

实验一光纤通信演示实验光纤通信以光波作为载波，以光纤作为传输媒质，正在成为当今通讯的主流。

本套系统将通信网络完整的演示为传输平台、接入平台、监控平台、管理平台。

通过本系统可实现视频、语音、数据在统一的光平台上传播。

一、实验目的：本实验目的了解光通信中各种信号的传输，熟悉光通信原理，掌握光通信的基本结构。

二、实验仪器：1. H10M0-120单频光端机一对2. 智能PCM局端、远端各一3. 用户交换机一台4. VT600视频编、解码器两对5. E1/10Basee－T适配器一对6. 电源一对7. 监视器(电视机)25寸、29寸各一台8. 工业摄像机一部9. 计算机10. 1.3μm单模光纤10m11. 室内全方位云台一套三、实验原理：本套系统将通信网络完整的演示为传输平台、接入平台、监控平台、管理平台。

通过本系统可将视频、语音、数据在传输平台上自由传送与通信，语音传输应用的是智能PCM；传输平台选用120单频光端机；监控应用层以VT600视频编解码器为核心，实现视频的传输；数字传输通过E1/10Basee－T适配器来完成。

系统组成图如图1所示。

下面我们逐一介绍传输平台、语音传输、监控、数据传输的实现。

（一）传输平台传输平台由一对H10M0－120单频光端机、电源和10m长的1.3μm单模光纤组成。

120单频光端机是光电一体跳群光纤传输设备，采用全数字处理跳群系统专用集成电路。

包含减小抖动技术、数字锁相和时钟提取技术、抗干扰的2M接口技术等。

具有RS232、RS485和V.35等辅助数据通道、公务通道。

可实现集中监控。

设备具有体积小、重量轻、功耗低、抗干扰能力强和可靠性高等突出特点。

机箱厚度仅为4.5厘米，整机重约4公斤。

设备外观图见图2所示。

图1实验系统图图2 H10M0－120型光传输设备立体图H10M0－120型光传输设备的内部结构可由图3表示：H10M0－120型光端机的核心部分为其跳群单元，由HMX3101专用集成电路实现。

实验一数据的可视化：光纤横截面上的场分布模拟一、实验目的MATLAB不仅在数值计算方面独占鳌头，而且在数据可视化方面也是功能强大。

MATLAB可以给出数据的二维、三维甚至四维的图形表现。

通过对图形的线型、立面、色彩、渲染、光线、视角等的控制，可以把数据的特征表现的淋漓尽致。

本次实验拟通过对光纤横截面上的模场分布进行模拟，使大家熟悉MATLAB常用的二维、三维绘图函数以及和绘图有关的命令，学会如何用不同的色彩来表示数值的大小，同时对单模、多模光纤的模场分布规律建立感性认识，为更好的学习后续专业课程打基础。

二、MATLAB的常用绘图函数1. 二维绘图函数MATLAB中最常用的二维绘图函数是plot函数，其调用格式如下：①plot ( X, Y, 's')●若X、Y为同维向量，则分别以X、Y中的元素为横、纵坐标绘制曲线；●若X为向量，Y是有一维和X等维的矩阵，则绘制多个不同色彩的曲线，曲线数等于Y的另一维；●若X为矩阵，Y为向量，情况和上相同；●若X，Y为同维矩阵，则以X，Y对应的列元素为横、纵坐标绘制曲线族，曲线条数等于矩阵的列数；●s是字串，是用来指定线型、色彩的选项。

各种可选项如下表所示②plot ( X1, Y1, 's1'，X2, Y2, 's2'，…)同时绘制多个曲线，每个绘线三元组（X, Y, 's'）的结构和作用与plot(X, Y, 's')相同，不同的是三元组之间可以互不相关。

例1：t=0:0.01:2*pi; y1=t.*sin(t.^2) ; y2=exp(t)+cos(t.^2) ; plot (t, [y1 ; y2], '-r ' ) ;% 或者plot(t, y1,'-r', t, y2,'-.m')其他的二维绘图函数如ezplot，可用于绘制隐函数图、参数绘图，其调用格式：函数说明ezplot(‘f’,[a, b]) 绘制隐函数f(x,y)=0的图形，横坐标范围[a,b] ezplot(‘f’,[xmin,xmax,ymin,ymax]) 绘制隐函数f(x,y)=0的图形，横坐标范围[xmin, xmax], 纵坐标范围[ymin, ymax] ezplot(‘fx’, ‘fy’, [tmin,tmax]) 绘参数图，绘出fx(t), fy(t), t的范围[tmin,tmax]例2：画圆：x2+y2=R2( R=5µm )a=5*1e-06; h1=ezplot('x^2 + y^2 - (5*1e-6)^2',[-a,a]); % h1 返回图形的句柄（标识）2. 三维绘图函数①画三维曲线图—plot3函数调用格式：plot3(X1, Y1, Z1,’s1’, X2, Y2, Z2,’s2’, ...)，除包含第三维之外，用法与plot函数相同。

光纤通信实验讲义————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：光纤通信实验讲义实验一P-I特性曲线的绘制及光纤熔接机的使用一、实验目的1、学习半导体激光器发光原理2、了解半导体激光器平均输出光功率与注入电流的关系3、掌握半导体激光器P-I曲线的测试及绘制方法4、了解光纤熔接机的操作方法二、实验内容测量半导体激光器功率和注入电流，并画出P-I关系曲线。

使用光纤熔接机实现两根光纤的熔接。

三、实验仪器示波器，RC-GT-III型光纤通信实验系统，光功率计，万用表，光纤熔断器一台。

四、基本原理1、半导体激光器的功率特性及伏安特性图1-1 激光器的功率特性图1-2 激光器的伏安特性半导体激光器的输出光功率与驱动电流的关系如图1-1所示，该特性有一个转折点，相应的驱动电流称为门限电流(或称阈值电流)，用I th表示。

在门限电流以下，激光器工作于自发发射，输出荧光功率很小，通常小于100puW；在门限电流以上，激光器工作于受激发射，输出激光，功率随电流迅速上升，基本上成直线关系。

激光器的电流与电压的关系相似于正向二极管的特性，如图1-2所示，但由于双异质结包含两个PN结，所以在正常工作电流下激光器两极间的电压约为1.2V。

阈值条件就是光谐振腔中维持光振荡的条件。

图1-3 LD半导体激光器P-I曲线示意图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，激光二极管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I th，当输入电流小于I th时，其输出光为非相干的荧光，类似于LED发出光，当电流大于I th时，则输出光为激光，且输入电流和输出光功率成线性关系，该实验就是对该线性关系进行测量，以验证P-I的线性关系．在实验中所用到半导体激光器其输出波长为1310nm，带尾纤及FC型接口。

物理实验中的实验数据可视化技巧引言：物理实验是科学研究中不可或缺的一部分，通过实验可以验证理论，探索新知识。

然而，实验数据的分析和呈现往往是一个繁琐而有挑战性的任务。

本文将介绍一些物理实验中常用的实验数据可视化技巧，帮助研究人员更好地理解和解释实验结果。

一、散点图的应用散点图是最常见的数据可视化方式之一。

在物理实验中，我们经常需要观察两个变量之间的关系，比如温度和压力、电压和电流之间的关系。

通过将这些数据以散点图的形式呈现，可以直观地观察到它们之间的趋势和相关性。

在绘制散点图时，可以使用不同的颜色、形状或大小来表示不同的实验条件，从而更好地展示数据的多样性。

二、曲线拟合与回归分析曲线拟合是一种常用的数据处理技术，可以用来找到实验数据中的趋势和规律。

通过选择合适的数学模型，将实验数据与模型进行比较，可以得到最佳拟合曲线。

常见的曲线拟合方法包括线性拟合、多项式拟合和指数拟合等。

拟合曲线的斜率和截距可以提供有关实验结果的重要信息，例如反应速率、材料特性等。

回归分析是曲线拟合的一种扩展，可以用来预测未知数据点的值，并评估模型的可靠性。

三、误差棒的使用在物理实验中，测量数据往往存在一定的误差。

为了更好地表示这种误差，可以使用误差棒来展示数据的范围。

误差棒通常由垂直线段组成，其长度表示数据的误差范围。

误差棒可以用于表示测量误差、系统误差或统计误差等。

通过将误差棒添加到散点图或曲线图中，可以更清晰地了解数据的可靠性和置信度。

四、直方图和频率分布直方图是一种用来表示数据分布的图表。

在物理实验中，我们经常需要分析一组数据的频率分布，例如测量结果的分布、粒子能量的分布等。

直方图将数据划分为若干个区间，并统计每个区间中数据出现的次数。

通过直方图，可以直观地观察到数据的集中趋势、偏态和峰值等特征。

直方图还可以与理论模型进行比较，从而验证实验结果的可靠性。

五、动态可视化技术动态可视化技术是近年来发展迅速的一种实验数据展示方式。

物理实验技术中如何进行实验数据的可视化处理物理实验是科学研究的重要组成部分，而实验数据的可视化处理则是将实验结果转化为可视化图像、图表或动画的过程。

实验数据的可视化处理能够帮助科学家更直观地理解实验结果，揭示潜在的模式和规律。

本文将探讨物理实验技术中如何进行实验数据的可视化处理。

一、选择合适的可视化工具在进行实验数据的可视化处理之前，首先需要选择合适的可视化工具。

常见的物理实验数据可视化工具包括Matplotlib、Gnuplot、Origin等。

这些工具都提供了丰富的绘图功能，可以满足不同实验数据的可视化需求。

根据实验数据的特点和研究目的，选择合适的可视化工具非常重要。

二、数据预处理在进行实验数据的可视化处理之前，通常需要对数据进行预处理。

数据预处理的目的是清洗和整理数据，消除噪声和异常值。

常见的数据预处理方法包括平滑、插值、滤波等。

通过数据预处理，可以提高实验数据的质量，使得可视化结果更加准确和可靠。

三、绘制折线图折线图是物理实验数据可视化处理中常用的一种图形方法。

折线图以自变量为横轴，因变量为纵轴，通过连接各个数据点形成折线来表示数据的变化趋势。

折线图直观地展示了实验数据的变化规律，使得科学家能够更好地理解数据背后的物理过程。

四、制作柱状图柱状图是另一种常见的物理实验数据可视化处理方法。

柱状图以自变量为横轴，因变量为纵轴，通过不同长度的矩形柱体来表示数据量的大小。

柱状图可以清晰地展示不同实验条件下的数据差异，帮助科学家发现潜在的因果关系。

五、绘制散点图散点图是展示两个变量之间关系的一种常见可视化方法。

在散点图中，自变量和因变量分别表示为横轴和纵轴，每个数据点表示一组自变量和因变量之间的数值关系。

绘制散点图可以帮助科学家发现实验数据中存在的相关性和趋势，揭示物理过程中的内在规律。

六、使用动画和模拟除了静态的图像和图表，动画和模拟也是物理实验数据可视化处理的重要手段。

通过动画和模拟，可以更直观地展示实验过程的变化，并将复杂的物理过程转化为易于理解的图像。

实验一半导体激光器P-I特性测试实验一、实验目的1、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2、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3、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、实验内容1、测量半导体激光器输出功率和注入电流，并画出P-I关系曲线2、根据P－I特性曲线，找出半导体激光器阈值电流，计算半导体激光器斜率效率三、实验仪器1、ZY12OFCom23BH1型光纤通信原理实验箱1台2、FC接口光功率计1台3、FC-FC单模光跳线 1根4、万用表1台5、连接导线 20根四、实验原理光源是把电信号变成光信号的器件，在光纤通信中占有重要的地位。

性能好、寿命长、使用方便的光源是保证光纤通信可靠工作的关键。

光纤通信对光源的基本要求有如下几个方面：首先，光源发光的峰值波长应在光纤的低损耗窗口之内，要求材料色散较小。

其次，光源输出功率必须足够大，入纤功率一般应在10微瓦到数毫瓦之间。

第三，光源应具有高度可靠性，工作寿命至少在10万小时以上才能满足光纤通信工程的需要。

第四，光源的输出光谱不能太宽以利于传输高速脉冲。

第五，光源应便于调制，调制速率应能适应系统的要求。

第六，电—光转换效率不应太低，否则会导致器件严重发热和缩短寿命。

第七，光源应该省电，光源的体积、重量不应太大。

作为光源，可以采用半导体激光二极管（LD,又称半导体激光器）、半导体发光二极管（LED）、固体激光器和气体激光器等。

但是对于光纤通信工程来说，除了少数测试设备与工程仪表之外，几乎无例外地采用半导体激光器和半导体发光二极管。

本实验简要地介绍半导体激光器，若需详细了解发光原理，请参看各教材。

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，是一种阈值器件。

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。

郑雪梅李伟臣“了解光的直线传播现象。

”“了解平面镜或放大镜可以改变光的传播路线。

”这是现行课程标准中有关光的传播内容教学的基本要求。

由于光的传播路径不可见，在具体教学过程中，大家通常都会利用“转换法”设计一些实验，即在空气、水中充人一些杂质形成胶体，切实让学生借助“丁达尔效应”看到光的传播路径，为学生初步建构有关光传播的概念提供典型的科学事实。

光与色、光的传播、光的反射、光的折射等是一组需要学生探究的、与光有关的内容。

十余年来，我们一直在尝试借鉴相关成功经验，努力将“光的传播路径可视化”实验形成系列，灵活运用于教学，收到较好的效果。

一、“光的传播路径可视化”系列实验的设计（一）设计系列实验的意义系列化的实验设计有助于学生在充分感知光沿直线传播现象、建构相应科学概念的基础上，在相对熟悉的实验情境下，通过实验材料的细微调整，相继感知光的反射和折射现象并初步建构概念。

希望学生发现光遇到障碍物反射回来的光同样是沿直线传播的，光从空气进入水（或从水进入空气）发生折射后的光依然是沿直线传播的。

与相对独立的“光的传播路径可视化”实验相比，利用系列化的实验有助于学生通过典型的科学事实，认识光的直线传播、反射、折射等概念之间的内在联系，从而更好地理解和运用概念。

（二）设计系列实验的原则我们在“光的传播路径可视化”系列实验的设计过程中，努力体现经济、实用、安全原则。

经济主要指实验器材的低成本；实用主要指实验装置操作方便，实验效果明显；安全主要指确保不出现伤害事故。

我们认为，只有体现了经济、实用、安全的原则，系列实验才能彰显自身特色，具有普适性。

（三）设计系列实验的方法 1．实验器材的选择基于既定的设计系列实验的原则，我们所选择的实验器材有的是实验室的已有器材，如带盒盖的透明水槽（浮力实验盒）、塑料水槽、激光笔、香、火柴等；有的是特别购置的低值耗材，如用于记录的透明胶片、黑卡纸、记号笔、直尺、小夹子等；还有的是教师自己寻找的替代品，如自行车条、香座（泡沫块儿）、香皂头之类。

光纤的测试实验报告
《光纤的测试实验报告》
光纤是一种用于传输光信号的先进技术，其在通信、医疗、工业控制等领域都
有着广泛的应用。

为了确保光纤传输的稳定性和可靠性，我们进行了一系列的
测试实验，并将结果进行了报告。

首先，我们对光纤的损耗进行了测试。

通过在不同长度的光纤上发送光信号，
并测量接收端的光功率，我们得出了光纤在不同长度下的损耗曲线。

实验结果
表明，光纤的损耗随着长度的增加而增加，但在一定范围内保持在可接受的范
围内。

其次，我们对光纤的带宽进行了测试。

通过发送不同频率的光信号，并测量接
收端的带宽，我们得出了光纤在不同频率下的传输性能。

实验结果表明，光纤
的带宽在高频率下会有所减小，但在常规通信频率范围内能够满足需求。

此外，我们还对光纤的折射率进行了测试。

通过测量光纤中不同位置的折射率，并进行数据分析，我们得出了光纤的折射率分布规律。

实验结果表明，光纤的
折射率在不同位置有所差异，但整体上符合设计要求。

最后，我们对光纤的耐压性进行了测试。

通过在光纤上施加不同程度的压力，
并测量光纤的传输性能，我们得出了光纤在不同压力下的稳定性。

实验结果表明，光纤能够在一定范围内承受压力，并且不会对传输性能产生明显影响。

综合以上实验结果，我们得出了光纤的测试实验报告，证明了光纤在传输性能、稳定性和可靠性方面都具有良好的表现。

这些实验结果为光纤的应用提供了有
力的支持，也为光纤技术的进一步发展提供了重要参考。

模拟信号光纤传输实验报告一、实验目的1、了解模拟信号光纤通信原理。

2、了解不同频率不同幅度的正弦波、三角波、方波等模拟信号的系统光传输性能情况。

二、实验器材主控&信号源模块25号光收发模块23号光功率计模块示波器三、实验原理本实验是输入不同的模拟信号，测量模拟光调制系统性能。

如模拟信号光调制传输系统框图所示，不同频率不同幅度的正弦波、三角波和方波等信号，经25号模块的光发射机单元，完成电光转换，然后通过光纤跳线传输至25号模块的光接收机单元，进行光电转换处理，从而还原出原始模拟信号。

实验中利用光功率计对光发射机的功率检测，了解模拟光调制系统的性能。

四、实验步骤1、登录e-Labsim仿真系统，创建实验文件，选择实验所需模块和示波器。

2、参考系统框图，依次按下面说明进行连线。

（1）用连接线将信号源A-OUT，连接至25号模块的TH1模拟输入端。

（2）连接25号模块的光发端口和光收端口，此过程是将电信号转换为光信号，经光纤跳线传输后再将光信号还原为电信号。

（3）将25号模块的P4光探测器输出端，连接至23号模块的P1光探测器输入端。

3、设置25号模块的功能初状态。

（1）将收发模式选择开关S3拨至“模拟”，即选择模拟信号光调制传输。

（2）将拨码开关J1拨至“ON”，即连接激光器；拨码开关APC此时选择“ON”或“OFF”都可，即APC功能可根据需要随意选择。

（3）将功能选择开关S1拨至“光功率计”，即选择光功率计测量功能。

4、运行仿真，开启所有模块的电源开关。

5、进行系统联调和观测。

（1）设置主控模块的菜单，选择【主菜单】→【光纤通信】→【模拟信号光调制】。

此时系统初始状态中A-OUT输出为1KHz正弦波。

调节信号源模块的旋钮W1，使A-OUT输出正弦波幅度为1V。

（2）选择进入主控&信号源模块的【光功率计】功能菜单，根据所选模块波长类型选择波长【1310nm】或【1550nm】。

（3）保持信号源频率不变，改变信号源幅度测量光调制性能：调节信号源模块的W1，改变输入信号的幅度，记录不同幅度时的光调制功率变化情况。