光纤是20世纪70年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成了新的光学技术，创造了光电子学的新天地。光纤的出现产生了光纤通信技术，而光纤传感技术是伴随着光通信技术的发展而逐步形成的。在光通信系统中，光纤被用作远距离传输光波信号的媒质，显然，在这类应用中，光纤传输的光信号受外界干扰越小越好。但是，在实际的光传输过程中，光纤易受外界环境因素影响，如温度，压力，电磁场等外界条件的变化将引起光纤光波参数如光强，相位，频率，偏振，波长等的变化。因而，人们发现如果能测出光波参数的变化，就可以知道导致光波参数变化的各种物理量的大小，于是产生了光纤传感技术。
光纤传感器始于1977年，与传统的各类传感器相比有一系列的优点，如灵敏度高，抗电磁干扰，耐腐蚀，电绝缘性好，防爆，光路有挠曲性，便于与计算机联接，结构简单，体积小，重量轻，耗电少等。
本实验主要包括LD光源的P-I、V-I特性曲线测量（必做），光纤数值孔径测量（必做），反射式光纤传感器研究（必做），利用光纤进行视频通讯（供学有余力的同学选做）等四部分内容组成。
常用的半导体光源有半导体激光器(LD)和发光二极管(LED)。它们的发光机理都是非平衡载流子的辐射复合且都工作于正向偏置状态。这两类器件都是快速响应器件，它们的响应时间为10-9 到10 -7秒数量级。由于它们具有体积小、重量轻、功耗低、安装简易以及性能稳定等优点，因而这两种光源成为光纤通信和光纤传感器的理想光源。本实验系统所采用的是LD光源，其中心波长为1.55μm，处于红外区域。
半导体激光器是一个阈值器件，它的工作状态随注入电流的不同而不同。当注入电流较小时，有源区里不能实现粒子数反转，自发辐射占主导地位，激光器发射普通的荧光，其工作状态类似于一般的发光二极管。随着注入电流的增大，有源区里实现了粒子数反转，受激辐射占主导地位，但当注入电流小于阈值电流Ith时，谐振腔的增益还不足以克服损耗，不能在腔内建立起一定的模式振荡，激光器发射的仅仅是较强的荧光，这种状态称为“超辐射”状态，只有当注入电流达到阈值以后，才能发射谱线尖锐、模式明确的激光。
图1中给出了半导体激光器的典型特性示意图，其中的曲线是输出光功率和工作电流的关系。获得阈值电流（Ith）的方法主要有以下几种：a，在P-I曲线的快速上升段上取其中的线性部分延长线与横坐标的交点的横坐标；b，把荧光部分和激光部分分别近似看成两条直线，那么两条直线的交点的横坐标；c，光功率P对驱动电流I取一阶导数，取上升沿的中点（10％和90％两点的中点）的横坐标；d，光功率P对驱动电流I取二阶导数，曲线的顶点作为阈值点。常见情形下这几个方法获得的阈值电流相差不大，a，b两种由于简单而用的比较多。
一般在分析半导体激光器的时候，会把激光器看成是一个理想的二极管和一个电阻串联在一起，这个电阻叫串联电阻。这个串联电阻一般是由于电极接触、杂质等原因造成的。
光纤的结构如图2所示，由纤芯、包层和涂敷层三部分组成。光纤是靠纤芯和包层工作，涂敷层是用来保护光纤免受物理损伤的。通信用单模光纤纤芯直径一般在8.5-9.4μm，通信用多模光纤纤芯直径常见有50μm和62.5μm两种，包层直径常见的都是125μm，涂敷层直径常见的都是250μm。
以阶跃型光纤为例，纤芯的折射率大于包层折射率，光以某一角度进入光纤后，在纤芯和包层的界面上发生全反射，从而沿光纤全长传输。光纤的折射率分布与光纤的特性密切相关，例如：多模光纤的折射率分布对其带宽具有决定性的影响，单模光纤的折射率分布决定其截止波长、模场直径和色散等。光纤的设计应保证高带宽和低色散。
光纤数值孔径是多模光纤的重要参数，它表征光纤端面接收光的能力。光纤数值孔径的一种定义是远场强度有效数值孔径。远场强度有效数值孔径是通过测量光纤远场强度分布来确定的。它被定义为光纤远场辐射图上光强值下降到最大值的5%处半张角的正弦值，国际电报电话咨询委员会（CCITT）规定的就是这种数值孔径。
图3给出了利用扫描远场强度测量光纤数值孔径的方法。数值孔径可以由下式算得：$$ \tag{1}NA=\sin{\theta_a}=\frac{d}{\sqrt{z^2+d^2}}$$
式中：z为入射光纤端面和接收光纤端面正对时的两光纤端面间的距离；d为当z一定时，接收光强下降到最大值的5%时，入射光纤的出射光在投影屏幕上所形成的光斑的半径。
采用的光纤传感器的原理如图4所示。光纤探头A由两根光纤组成，一根用于发射光，一根用于接收反射镜反射的光，R是反射镜。系统可工作在两个区域中，前沿工作区和后沿工作区(如图5所示)。当在后沿区域中工作时，可以获得较宽的动态范围。
就外部调制非功能型光纤传感器而言，其光强响应特性曲线是这类传感器的设计依据。该特性调制函数可借助于光纤端出射光场的场强分布函数给出：$$\tag{2} \varphi\left(r,x\right)=\frac{I_0}{\pi\sigma^2a_0^2\left[1+\xi\left(\frac{x}{a_0}\right)^\frac{3}{2}\right]^2}\exp{\left\{\frac{-r^2}{\sigma^2 a_0^2\left[1+\xi\left(\frac{x}{a_0^2}\right)^\frac{3}{2}\right]^2}\right\}} $$
式中，I0是由光源耦合入发送光纤中的光强；ф(r, x)是纤端光场中位置(r, x)处的光通亮密度；σ是表征光纤折射率分布的相关参数，对于阶跃折射率光纤，σ＝1；a0是光纤纤芯半径；ξ是与光源种类、光纤的数值孔径及光源与光纤耦合情况有关的综合调制参数。
如果将同种光纤置于发送光纤纤端出射光场中作为探测接收器时，所接收到的光强可表示为：
式中：\(w\left(x\right)=\sigma a_0\left[1+\xi\left(\frac{x}{a_0}\right)^\frac{3}{2}\right]\)， S为接收光纤端面，即纤芯端面。d为当z一定时，接收光强下降到最大值的5%时，入射光纤的出射光在投影屏幕上所形成的光斑的半径。
在纤端出射光场的远场区，为简便计算，可用接收光纤端面中心点处的光强作为整个纤芯面上的平均光强，在这种近似下，得到在接收光纤终端所探测到的光强公式：
如图4所示的光纤传感头，当光纤传感器固定时，反射器可在光纤探头前作平行于探头方向的移动。设反射面到探头的间距分别为x，则如图4(b)所示，光纤探头的调制函数为：
对于本系统设计采用的多模光纤，σ＝1，光纤纤芯半径a0＝0.025mm，两光纤间距r≈0.34mm，综合调制参数 ξ＝0.026。其理论曲线如图5所示。
由理论曲线可以看出，光纤位移传感器可工作在两个区域，即上升沿(前沿)和下降沿(后沿)，前沿工作区的灵敏度高但动态范围小，而后沿工作区灵敏度低而动态范围较大，可视需要而定。作为光纤传感器使用时，对传感器要进行标定。
标定方法：根据调制特性曲线选择线性区，然后在选好的线性区间内给出标定曲线，测试步骤类似于调制特性曲线测试的实验内容。每隔50μm记录下输出电压数值，作出光纤探头和反射镜间距与电压输出的特性曲线。于是，反射镜与光纤探头间的距离可由曲线的多项式拟合出来。
本实验中信号源使用彩色CCD摄像头采集视频信号，将视频信号引入电路中，通过信号发射前处理电路，做阻抗匹配，电流放大后，将信号调整到没有失真，送入光发射电路，调制半导体激光器。