光電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、 . . 88/90 . . 光電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 日期：光纖通信與光電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書目 錄 TOC o 1-3 引 言2實(shí)驗(yàn)一半導(dǎo)體激光器P-I特性參數(shù)測量4實(shí)驗(yàn)二半導(dǎo)體光電檢測器參數(shù)測量8實(shí)驗(yàn)三光纖無源器件參數(shù)測量15實(shí)驗(yàn)四光纖時域反射測量(OTDR)20實(shí)驗(yàn)五語音、圖像光纖傳輸與波分復(fù)用（WDM）22實(shí)驗(yàn)六摻鉺光纖放大(EDFA)25實(shí)驗(yàn)七光纖激光器參數(shù)測量30實(shí)驗(yàn)八光纖光柵溫度傳感與測量32實(shí)驗(yàn)九單模光纖損耗特性和截止波長測量34實(shí)驗(yàn)十光纖色散測量38實(shí)驗(yàn)十一光纖非彈性散射與喇曼放大(FRA)41實(shí)驗(yàn)十二電吸收調(diào)制（EAM）46實(shí)驗(yàn)十三半導(dǎo)體激光器光譜測量與模式分析48實(shí)驗(yàn)十四光纖馬

2、赫任德干涉測量54實(shí)驗(yàn)十五液晶顯示器（LCD）電光特性曲線測量57實(shí)驗(yàn)十六輝光放電與等離子體顯示（PDP）62實(shí)驗(yàn)十七多堿光電陰極光譜響應(yīng)與極限電流密度測量67實(shí)驗(yàn)十八微光像增強(qiáng)器電子透鏡調(diào)節(jié)與增益測量71實(shí)驗(yàn)十九CCD信號采集與處理75實(shí)驗(yàn)二十CCD光電攝像系統(tǒng)特性測量79實(shí)驗(yàn)二十一 陰極射線顯像管（CRT）電子聚焦與偏轉(zhuǎn)83實(shí)驗(yàn)二十二 MEMS微鏡與DLP投影91實(shí)驗(yàn)二十三 有機(jī)發(fā)光器件（OLED）參數(shù)測量94引 言光通信技術(shù)是當(dāng)代通信技術(shù)發(fā)展的最新成就，在信息傳輸?shù)乃俾屎途嚯x、通信系統(tǒng)的有效性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性方面取得了卓越的成就，使通信領(lǐng)域發(fā)生了巨大的變化，已成為現(xiàn)代通信的基石，是信息時

3、代來臨的主要物質(zhì)基礎(chǔ)之一?，F(xiàn)代光通信是從1880年貝爾發(fā)明光話開始的。他以日光為光源，大氣為傳輸媒質(zhì)，傳輸距離是200m。1881年，他發(fā)表了論文（關(guān)于利用光線進(jìn)行聲音的復(fù)制與產(chǎn)生）。但貝爾的光話始終未走上實(shí)用化階段。究其原因有二：一是沒有可靠的、高強(qiáng)度的光源；二是沒有穩(wěn)定的、低損耗的傳輸媒質(zhì)，無法得到高質(zhì)量的光通信。在此后幾十年的時間里，由于上述兩個障礙未能突破，也由于電通信得到高速發(fā)展，光通信的研究一度沉寂。這種情況一直延續(xù)到本世紀(jì)60年代。1970年被稱為光纖通信元年，在這一年發(fā)生了通信史上的兩件大事：一是美國康寧(Corning)玻璃制成了衰減為20dBkm的低損耗石英光纖，該工藝?yán)碚?/p>

4、由英國標(biāo)準(zhǔn)電信研究所的華裔科學(xué)家高錕博士于1966年提出；二是美國貝爾實(shí)驗(yàn)室制作出可在室溫下連續(xù)工作的鋁鎵砷(A1GaAs)半導(dǎo)體激光器，這兩項(xiàng)科學(xué)成就為光纖通信的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。此后，光纖通信以令人眩目的速度發(fā)展起來，70年代中期即進(jìn)入了實(shí)用化階段，其應(yīng)用遍與長途干線、海底通信、局域網(wǎng)、有線電視等各領(lǐng)域。其發(fā)展速度之快，應(yīng)用圍之廣，規(guī)模之大，涉與學(xué)科之多(光、電、化學(xué)、物理、材料等)，是此前任何一項(xiàng)新技術(shù)所不能與之相比的?，F(xiàn)在，光纖通信的新技術(shù)仍在不斷涌現(xiàn)，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，成本不斷下降，顯示了這一技術(shù)的強(qiáng)大生命力和廣闊應(yīng)用前景。它將成為信息高速公路的主要傳輸手段，是將來信息社會的支柱。經(jīng)過

5、30年的發(fā)展，光纖通信歷經(jīng)五次重大技術(shù)變革，前四代光纖通信均已得到廣泛應(yīng)用。第一代光纖通信的工作波長為0.85um，屬短波長波段，傳輸光纖用多模光纖。光源使用鋁鎵砷半導(dǎo)體激光器，光電檢測器為硅(Si)材料的半導(dǎo)體PIN光電二極管或半導(dǎo)體雪崩光電二極管(APD)。這一代光通信以1977年美國芝加哥進(jìn)行的碼速率為44.736Mbits的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)為標(biāo)志。第二代光纖通信的工作波長為1.3um，該波段屬長波長波段，是石英光纖的第二個低損耗窗口，有較低的損耗且有最低的色散，可大大增加中繼距離。早期的1.3um第二代光纖通信傳輸用多模光纖，相應(yīng)的光源是長波長銦鎵砷磷銦磷(InGaAsPInP)半導(dǎo)體激光器，

6、光電探測器采用鍺(Ge)材料，其中繼距離超過了20km。由于多模光纖的模間色散，使得系統(tǒng)的比特率限制在100Mbs以下。采用單模光纖能克服這種限制，單模光纖較多模光纖色散低得多，損耗也更小。一個實(shí)驗(yàn)室于1981年演示了比特率為2Gbs，傳輸距離為44km的單模光波實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并很快引入商業(yè)系統(tǒng)，至1987年1.3um單模第二代光波系統(tǒng)開始投人商業(yè)運(yùn)營，其比特率高達(dá)1.7Gbs，中繼距離約50km。第二代光纖通信系統(tǒng)的應(yīng)用推動了1.3um的InGaAs半導(dǎo)體激光器和檢測器的發(fā)展，廣泛地用于長途干線和跨洋通信中。第三代光纖通信的工作波長為1.55um。石英光纖最低損耗在1.55um附近，實(shí)驗(yàn)技術(shù)上于

7、1979年就達(dá)到了0.2dBkm的低損耗，然而由于1.55um處光纖色散較大，以與當(dāng)時多縱模同時振蕩的常規(guī)InGnAsP半導(dǎo)體激光器的譜展寬問題尚未解決，推遲了第三代光波系統(tǒng)的問世。在80年代，1.5um附近具有最小色散的色散位移光纖(DSF)與單縱模激光器這兩種技術(shù)都得到了發(fā)展，使用1.55um單模光纖的第三代光纖通信系統(tǒng)于80年代中后期實(shí)現(xiàn)。1985年的傳輸試驗(yàn)顯示，其比特率達(dá)到4Gbs，中繼距離超過100km。通過精心設(shè)計激光器和光接收機(jī)，其比特率能超過l0Gbs。后來，工作波長為1.55um的摻鉺光纖放大器問世，又使這一波長具有更重要的意義。第四代光纖通信系統(tǒng)以采用光放大器(OA)增加

8、中繼距離和采用頻分與波分復(fù)用(FDM與WDM)增加比特率為特征，這種系統(tǒng)有時采用零差或外差方案，稱為相干光波通信系統(tǒng)，在80年代在全世界得到了發(fā)展。在一次試驗(yàn)中利用星形耦合器實(shí)現(xiàn)100路622Mbs數(shù)據(jù)復(fù)用，傳輸距離50km，其信道間串音可以忽略。在另一次試驗(yàn)中，單信道速率2.5Gbs，不用再生器，光纖損耗用光纖放大器(EDFA)補(bǔ)償，放大器間距為80km，傳輸距離達(dá)2223km。光波系統(tǒng)采用相干檢測技術(shù)并不是使用EDFA的先決條件。有的實(shí)驗(yàn)室曾使用常規(guī)非相干技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了2.5Gbs，4500km和10Gbs，1500km的數(shù)據(jù)傳輸。另一實(shí)驗(yàn)曾使用循環(huán)回路實(shí)現(xiàn)了2.4Gbs，21000km和5

9、Gbs，14000km數(shù)據(jù)傳輸。90年代初期光纖放大器的問世引起了光纖通信領(lǐng)域的重大變革。第五代光纖通信系統(tǒng)的研究與發(fā)展經(jīng)歷了近20年歷程，已取得突破性進(jìn)展。它基于光纖非線性壓縮抵消光纖色散展寬的新概念產(chǎn)生的光孤子，實(shí)現(xiàn)光脈沖信號保形傳輸，雖然這種基本思想1973年就已提出，但直到1988年才由貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室采用受激喇曼散射增益補(bǔ)償光纖損耗，將數(shù)據(jù)傳輸了4000km，次年又將傳輸距離延長到6000km。EDFA用于光孤子放大開始于1989年，它在工程實(shí)際中有更大的優(yōu)點(diǎn)，自那以后，國際上一些著名實(shí)驗(yàn)室紛紛開始驗(yàn)證光孤子通信作為高速長距離通信的巨大潛力。1992年在美國與英國的實(shí)驗(yàn)室，采用

10、循環(huán)回路曾將2.5與5Gbs的數(shù)據(jù)傳輸10000km以上。1995年，法國的實(shí)驗(yàn)室則將20Gbs的數(shù)據(jù)傳輸106km，中繼距離達(dá)140km。1995年線形光孤子系統(tǒng)試驗(yàn)也將20Gbs的數(shù)據(jù)傳輸8100km，40Gbs傳輸5000km。1994年和1995年80Gbs和160Gbs的高速數(shù)據(jù)也分別傳輸500km和200km。實(shí)驗(yàn)一半導(dǎo)體激光器P-I特性曲線測量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私獍雽?dǎo)體光源和光電探測器的物理基礎(chǔ)；了解發(fā)光二極管(LED)和半導(dǎo)體激光二極管(LD)的發(fā)光原理和相關(guān)特性；了解PIN光電二極管和雪崩光電二極管(APD)的工作原理和相關(guān)特性；掌握有源光電子器件特性參數(shù)的測量方法；二、實(shí)驗(yàn)原

11、理：光纖通信中的有源光電子器件主要涉與光的發(fā)送和接收，發(fā)光二極管(LED)和半導(dǎo)體激光二極管(LD)是最重要的光發(fā)送器件，PIN光電二極管和APD光電二極管則是最重要的光接收器件。1發(fā)光二極管(LED)和半導(dǎo)體激光二極管(LD)：LED是一種直接注入電流的電致發(fā)光器件，其半導(dǎo)體晶體部受激電子從高能級回復(fù)到低能級時發(fā)射出光子，屬自發(fā)輻射躍遷。LED為非相干光源，具有較寬的譜寬(3060nm)和較大的發(fā)射角(100)，常用于低速、短距離光波系統(tǒng)。LD通過受激輻射發(fā)光，是一種閾值器件。LD不僅能產(chǎn)生高功率(10mW)輻射，而且輸出光發(fā)散角窄，與單模光纖的耦合效率高(約3050)，輻射光譜線窄(=0.

12、1-1.0nm)，適用于高比特工作，載流子復(fù)合壽命短，能進(jìn)行高速(20GHz)直接調(diào)制，非常適合于作高速長距離光纖通信系統(tǒng)的光源。使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生光增益是激光器穩(wěn)定工作的必要條件，對于處于泵浦條件下的原子系統(tǒng)，當(dāng)滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件時將會產(chǎn)生占優(yōu)勢的(超過受激吸收)受激輻射。在半導(dǎo)體激光器中，這個條件是通過向P型和N型限制層重?fù)诫s使費(fèi)密能級間隔在PN結(jié)正向偏置下超過帶隙實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)有源層載流子濃度超過一定值(稱為透明值)，就實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，由此在有源區(qū)產(chǎn)生了光增益，在半導(dǎo)體傳播的輸入信號將得到放大。如果將增益介質(zhì)放入光學(xué)諧振腔中提供反饋，就可以得到穩(wěn)定的激光輸出。(1) LED和LD的P-I

13、特性與發(fā)光效率：圖1是LED和LD的P-I特性曲線。LED是自發(fā)輻射光，所以P-I曲線的線性圍較大。LD有一閾值電流Ith，當(dāng)IIth時才發(fā)出激光。在Ith以上，光功率P隨I線性增加。圖1：LD和LED的P-I特性曲線 (a) LD的P-I特性曲線 (b) LED的P-I特性曲線閾值電流是評定半導(dǎo)體激光器性能的一個主要參數(shù)，本實(shí)驗(yàn)采用兩段直線擬合法對其進(jìn)行測定。如圖2所示，將閾值前與后的兩段直線分別延長并相交，其交點(diǎn)所對應(yīng)的電流即為閾值電流Ith。圖2：兩段直線擬合法測量LD閾值電流發(fā)光效率是描述LED和LD電光能量轉(zhuǎn)換的重要參數(shù)，發(fā)光效率可分為功率效率和量子效率。功率效率定義為發(fā)光功率和輸入

14、電功率之比，以表示。量子效率分為量子效率和外量子效率。量子效率定義為單位時間輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子數(shù)與注入PN結(jié)的電子-空穴對數(shù)之比。外量子效率定義為單位時間輸出的光子數(shù)與注入到PN結(jié)的電子-空穴對數(shù)之比。(2) LED和LD的光譜特性：LED沒有光學(xué)諧振腔選擇波長，它的光譜是以自發(fā)輻射為主的光譜，圖3為LED的典型光譜曲線。發(fā)光光譜曲線上發(fā)光強(qiáng)度最大處所對應(yīng)的波長為發(fā)光峰值波長P，光譜曲線上兩個半光強(qiáng)點(diǎn)所對應(yīng)的波長差為LED譜線寬度(簡稱譜寬)，其典型值在30-40nm之間。由圖3可以看到，當(dāng)器件工作溫度升高時，光譜曲線隨之向右移動，從P的變化可以求出LED的波長溫度系數(shù)。圖3：LED光譜特性曲

15、線激光二極管的發(fā)射光譜取決于激光器光腔的特定參數(shù)，大多數(shù)常規(guī)的增益或折射率導(dǎo)引器件具有多個峰的光譜，如圖4所示。激光二極管的波長可以定義為它的光譜的統(tǒng)計加權(quán)。在規(guī)定輸出光功率時，光譜若干發(fā)射模式中最大強(qiáng)度的光譜波長被定義為峰值波長P ，對諸如DFB、DBR型LD來說，它的P相當(dāng)明顯。一個激光二極管能夠維持的光譜線數(shù)目取決于光腔的結(jié)構(gòu)和工作電流。圖4：LD光譜特性曲線(3) LED和LD的調(diào)制特性：當(dāng)在規(guī)定的直流正向工作電流下，對LED進(jìn)行數(shù)字脈沖或模擬信號電流調(diào)制，便可實(shí)現(xiàn)對輸出光功率的調(diào)制。LED有兩種調(diào)制方式，即數(shù)字調(diào)制和模擬調(diào)制，圖5示出這兩種調(diào)制方式。調(diào)制頻率或調(diào)制帶寬是光通信用LED

16、的重要參數(shù)之一，它關(guān)系到LED在光通信中的傳輸速度大小，LED因受到有源區(qū)少數(shù)載流子壽命的限制，其調(diào)制的最高頻率通常只有幾十兆赫茲，從而限制了LED在高比特速率系統(tǒng)中的應(yīng)用，但是，通過合理設(shè)計和優(yōu)化的驅(qū)動電路，LED也有可能用于高速光纖通信系統(tǒng)。調(diào)制帶寬是衡量LED的調(diào)制能力，其定義是在保證調(diào)制度不變的情況下，當(dāng)LED輸出的交流光功率下降到某一低頻參考頻率值的一半時(-3dB)的頻率就是LED的調(diào)制帶寬。圖5：LED調(diào)制特性在LD的調(diào)制過程中存在以下兩種物理機(jī)制影響其調(diào)制特性：(1) 增益飽和效應(yīng)。當(dāng)注入電流增大，因而光子數(shù)P增大時，增益G出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，飽和的物理機(jī)制源于空間燒孔、譜燒孔、載流

17、子加熱和雙光子吸收等因素。譜燒孔也稱帶增益飽和。這些因素導(dǎo)致P增大時G的減小。(2) 線性調(diào)頻效應(yīng)。當(dāng)注入電流為時變電流對激光器進(jìn)行調(diào)制時，載流子數(shù)、光增益和有源區(qū)折射率均隨之而變，載流子數(shù)的變化導(dǎo)致模折射率五和傳播常數(shù)的變化，因此產(chǎn)生了相位調(diào)制，它導(dǎo)致了與單縱模相關(guān)的光(頻)譜加寬，又稱線寬增強(qiáng)因子。2PIN光電二極管和APD光電二極管：光電探測器的作用是完成光電轉(zhuǎn)換。光纖通信所用的光電探測器是半導(dǎo)體光電二極管。它們利用半導(dǎo)體物質(zhì)吸收光子后形成的電子一空穴對把光功率轉(zhuǎn)換成光電流。常用的有PIN光電二極管和APD光電二極管，后者有放大作用。在短波長采用硅材料，在長波長采用鍺材料或InGaAsP

18、材料。三、實(shí)驗(yàn)容與步驟：1550nm F-P半導(dǎo)體激光器P-I特性曲線測量將1550nm半導(dǎo)體激光器控制端口連接至主機(jī)LD1，光輸出連接至主機(jī)OPM端口，檢查無誤后打開電源設(shè)置OPM工作模式為OPM/mW模式，量程(RTO)切換至1mW設(shè)置LD1工作模式(MOD)為恒流驅(qū)動(ACC)，1550nm激光器為恒定電流工作模式，驅(qū)動電流(Ic)置為0緩慢增加激光器驅(qū)動電流，0至30mA每隔0.5mA測一個點(diǎn)，作PI曲線求1550nm F-P半導(dǎo)體激光器閾值電流四、注意事項(xiàng)：系統(tǒng)上電后禁止將光纖連接器對準(zhǔn)人眼，以免灼傷。光纖連接器瓷插芯表面光潔度要求極高，除專用清潔布外禁止用手觸摸或接觸硬物。空置的光

19、纖連接器端子必須插上護(hù)套。所有光纖均不可過于彎曲，除特殊測試外其曲率半徑應(yīng)大于30mm。實(shí)驗(yàn)二半導(dǎo)體光電檢測器參數(shù)測量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私獍雽?dǎo)體光電檢測器件的物理基礎(chǔ)；了解PIN光電二極管和雪崩光電二極管(APD)的工作原理和相關(guān)特性；掌握半導(dǎo)體光電檢測器件特性參數(shù)的測量方法；二、實(shí)驗(yàn)原理：光檢測器的作用是把接收到的光信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號。由于從光纖中傳過來的光信號一般是非常微弱的，因此對光檢測器提出了非常高的要求：第一，在系統(tǒng)的工作波長上要有足夠高的響應(yīng)度，即對一定的入射光功率，光檢測器能輸出盡可能大的光電流；第二，響應(yīng)速度快，頻帶寬；第三，噪聲??；第四，線性好，保真度高；第五，體積小，使用

20、壽命長。 滿足上述要求、適合于光纖通信系統(tǒng)使用的光檢測器主要有半導(dǎo)體PIN光電二極管、雪崩光電二極管、光電晶體管等。1. 半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)半導(dǎo)體光檢測器的核心是PN結(jié)的光電效應(yīng)，PN結(jié)光電二極管是最簡單的半導(dǎo)體光檢測器。圖1：PN結(jié)光電二極管 (a) PN結(jié) (b) 能帶圖 (c) PN結(jié)外電路構(gòu)成回路圖1(a)所示是一個未加電壓的PN結(jié)，它是一個由不可移動的帶正、負(fù)電荷的離子組成的耗盡層，或稱作勢壘區(qū)。當(dāng)以適當(dāng)波長的光照射PN結(jié)時，P型和N型半導(dǎo)體材料將吸收光能。如果光子能量hfKe時，則光子將被吸收，使價帶中的電子受激躍遷到導(dǎo)帶中，而在價帶中留下空穴，如圖1(b)所示。這一過程稱為光

21、吸收。因光照射而在導(dǎo)帶和價帶中產(chǎn)生的電子和空穴稱為光生載流子。產(chǎn)生在耗盡層的光生載流子在建場的作用下作漂移運(yùn)動：空穴向P區(qū)方向運(yùn)動；電子向N區(qū)方向運(yùn)動，它們在PN結(jié)的邊緣被收集。另外，耗盡層外的光生少數(shù)載流子會發(fā)生擴(kuò)散運(yùn)動：P區(qū)中的光生電子向N區(qū)擴(kuò)散；N區(qū)中的光生空穴向P區(qū)擴(kuò)散。在擴(kuò)散的同時，一部分光生少數(shù)載流子將被多數(shù)載流子復(fù)合掉。由于這些區(qū)域的電場很小，甚至可以稱為無場區(qū)，光生少數(shù)載流子在這些區(qū)域擴(kuò)散速率較慢，只有小部分能擴(kuò)散到耗盡層，繼而在建場的作用下分別快速漂移到對方區(qū)域。這樣，在P區(qū)就出現(xiàn)了過?？昭ǖ姆e累，N區(qū)出現(xiàn)了過剩電子的積累，于是在耗盡層的兩側(cè)就產(chǎn)生了一個極性如圖1(c)所示的

22、光生電動勢。這一現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。產(chǎn)生于耗盡層的電子和空穴也要產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)?；谶@一效應(yīng)，如果將PN結(jié)的外電路構(gòu)成回路，則外電路中會出現(xiàn)信號電流。這種由光照射激發(fā)的電流稱為光電流。照射到半導(dǎo)體材料上的光，由于材料的吸收等原因使光隨著深入材料的深度的增加而逐漸減弱。半導(dǎo)體部距入射表面d處的光功率為P(d)=P(0)exp(-d)式中：P(0)為照射到材料表面的平均光功率；為半導(dǎo)體材料的光吸收系數(shù)，決定了入射光深入材料部的深度，如果很大，則光子只能進(jìn)入半導(dǎo)體表面的薄層中。吸收入射光子并產(chǎn)生光生載流子的區(qū)域稱為光吸收區(qū)；耗盡層與其兩側(cè)寬度為載流子擴(kuò)散長度的區(qū)域稱為作用區(qū)。在吸收區(qū)產(chǎn)生的光生少

23、數(shù)載流子只有一部分進(jìn)入作用區(qū)，這一部分光生載流子以較慢的速度擴(kuò)散至耗盡層，進(jìn)入耗盡層后在建電場作用下作快速漂移運(yùn)動，從而產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)。由于在作用區(qū)，光生少數(shù)載流子的擴(kuò)散速度較慢，從而影響了產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)的速度，導(dǎo)致PN結(jié)對光信號響應(yīng)速度減慢。如果輸入的光信號為光脈沖；則輸出的光電脈沖會產(chǎn)生較長的拖尾。由上述分析可見，光在耗盡層外被吸收使得光電轉(zhuǎn)換效率降低、光電響應(yīng)速度變慢。為此，必須設(shè)法加寬耗盡層，使照射光子盡可能被耗盡層吸收。給PN結(jié)加負(fù)偏壓有助于加寬耗盡層。負(fù)偏壓在勢壘區(qū)產(chǎn)生的電場與建場方向一致，使勢壘區(qū)電場增強(qiáng)，加強(qiáng)了漂移運(yùn)動，而且N區(qū)的電子向正電極運(yùn)動并被中和，P區(qū)的空穴向負(fù)電極

24、運(yùn)動并被中和，這樣耗盡層被加寬。除了加負(fù)偏壓的方法外，還可以通過減小P區(qū)和N區(qū)的厚度來減小載流子的擴(kuò)散時間、減少在P區(qū)和N區(qū)被吸收的光能以與降低半導(dǎo)體的摻雜濃度來加寬耗盡層的方法來提高器件的響應(yīng)速度。這種結(jié)構(gòu)就是常用的PIN光電二極管。PIN光電二極管圖2：PIN光電二極管的結(jié)構(gòu)和它在反向偏壓下的電場分布圖2是PIN光電二極管的結(jié)構(gòu)和它在反向偏壓下的電場分布。在高摻雜P型和N型半導(dǎo)體之間生長一層本征半導(dǎo)體材料或低摻雜半導(dǎo)體材料，稱為I層。在半導(dǎo)體PN結(jié)中，摻雜濃度和耗盡層寬度有如下關(guān)系：LP/LN=DN/DP 其中：DP和DN 分別為P區(qū)和N區(qū)的摻雜濃度；LP和LN分別為P區(qū)和N區(qū)的耗盡層的寬

25、度。在PIN中，如對于P層和I層(低摻雜N型半導(dǎo)體)形成的PN結(jié)，由于I層近于本征半導(dǎo)體，有DNDPLPEg因此對于不同的半導(dǎo)體材料，均存在著相應(yīng)的下限頻率fc或上限波長c，c亦稱為光電二極管的截止波長。只有入射光的波長小于c時，光電二極管才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。Si-PIN的截止波長為1.06um，故可用于0.85um的短波長光檢測；Ge-PIN和InGaAs-PIN的截止波長為1.7um，所以它們可用于1.3um、1.55um的長波長光檢測。當(dāng)入射光波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于截止波長時，光電轉(zhuǎn)換效率會大大下降。因此，PIN光電二極管是對一定波長圍的入射光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，這一波長圍就是PIN光電二極管的波長響應(yīng)圍

26、。響應(yīng)度和量子效率表征了二極管的光電轉(zhuǎn)換效率。響應(yīng)度R定義為R=IP/Pin其中：Pin 為入射到光電二極管上的光功率；IP 為在該入射功率下光電二極管產(chǎn)生的光電流。R的單位為AW。量子效率定義為=光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的有效電子-空穴對數(shù)/入射光子數(shù) =(IP/q)/(Pin/hf)= R(hf/q)響應(yīng)速度是光電二極管的一個重要參數(shù)。響應(yīng)速度通常用響應(yīng)時間來表示。響應(yīng)時間為光電二極管對矩形光脈沖的響應(yīng)電脈沖的上升或下降時間。響應(yīng)速度主要受光生載流子的擴(kuò)散時間、光生載流子通過耗盡層的渡越時間與其結(jié)電容的影響。光電二極管的線性飽和指的是它有一定的功率檢測圍，當(dāng)入射功率太強(qiáng)時，光電流和光功率將不成正比，從

27、而產(chǎn)生非線性失真。PIN光電二極管有非常寬的線性工作區(qū)，當(dāng)入射光功率低于mW量級時，器件不會發(fā)生飽和。無光照時，PIN作為一種PN結(jié)器件，在反向偏壓下也有反向電流流過，這一電流稱為PIN光電二極管的暗電流。它主要由PN結(jié)熱效應(yīng)產(chǎn)生的電子一空穴對形成。當(dāng)偏置電壓增大時，暗電流增大。當(dāng)反偏壓增大到一定值時，暗電流激增，發(fā)生了反向擊穿(即為非破壞性的雪崩擊穿，如果此時不能盡快散熱，就會變?yōu)槠茐男缘凝R納擊穿)。發(fā)生反向擊穿的電壓值稱為反向擊穿電壓。Si-PIN的典型擊穿電壓值為100多伏。PIN工作時的反向偏置都遠(yuǎn)離擊穿電壓，一般為1030V。3. 雪崩光電二極管雪崩光電二極管APDAvalanche

28、 Photodiode是具有部增益的光檢測器，它可以用來檢測微弱光信號并獲得較大的輸出光電流。雪崩光電二極管能夠獲得部增益是基于碰撞電離效應(yīng)。當(dāng)PN結(jié)上加高的反偏壓時，耗盡層的電場很強(qiáng)，光生載流子經(jīng)過時就會被電場加速，當(dāng)電場強(qiáng)度足夠高(約3x105Vcm)時，光生載流子獲得很大的動能，它們在高速運(yùn)動中與半導(dǎo)體晶格碰撞，使晶體中的原子電離，從而激發(fā)出新的電子一空穴對，這種現(xiàn)象稱為碰撞電離。碰撞電離產(chǎn)生的電子一空穴對在強(qiáng)電場作用下同樣又被加速，重復(fù)前一過程，這樣多次碰撞電離的結(jié)果使載流子迅速增加，電流也迅速增大，這個物理過程稱為雪崩倍增效應(yīng)。圖4為APD的一種結(jié)構(gòu)。外側(cè)與電極接觸的P區(qū)和N區(qū)都進(jìn)行

29、了重?fù)诫s，分別以P+和N+表示；在I區(qū)和N+區(qū)中間是寬度較窄的另一層P區(qū)。APD工作在大的反偏壓下，當(dāng)反偏壓加大到某一值后，耗盡層從N+-P結(jié)區(qū)一直擴(kuò)展(或稱拉通)到P+區(qū)，包括了中間的P層區(qū)和I區(qū)。圖4的結(jié)構(gòu)為拉通型APD的結(jié)構(gòu)。從圖中可以看到，電場在I區(qū)分布較弱，而在N+-P區(qū)分布較強(qiáng)，碰撞電離區(qū)即雪崩區(qū)就在N+-P區(qū)。盡管I區(qū)的電場比N+-P區(qū)低得多，但也足夠高(可達(dá)2x104Vcm)，可以保證載流子達(dá)到飽和漂移速度。當(dāng)入射光照射時，由于雪崩區(qū)較窄，不能充分吸收光子，相當(dāng)多的光子進(jìn)入了I區(qū)。I區(qū)很寬，可以充分吸收光子，提高光電轉(zhuǎn)換效率。我們把I區(qū)吸收光子產(chǎn)生的電子-空穴對稱為初級電子-空

30、穴對。在電場的作用下，初級光生電子從I區(qū)向雪崩區(qū)漂移，并在雪崩區(qū)產(chǎn)生雪崩倍增；而所有的初級空穴則直接被P+層吸收。在雪崩區(qū)通過碰撞電離產(chǎn)生的電子-空穴對稱為二次電子-空穴對。可見，I區(qū)仍然作為吸收光信號的區(qū)域并產(chǎn)生初級光生電子-空穴對，此外它還具有分離初級電子和空穴的作用，初級電子在N+-P區(qū)通過碰撞電離形成更多的電子-空穴對，從而實(shí)現(xiàn)對初級光電流的放大作用。圖4: APD的結(jié)構(gòu)與電場分布碰撞電離產(chǎn)生的雪崩倍增過程本質(zhì)上是統(tǒng)計性的，即為一個復(fù)雜的隨機(jī)過程。每一個初級光生電子-空穴對在什么位置產(chǎn)生，在什么位置發(fā)生碰撞電離，總共碰撞出多少二次電子一空穴對，這些都是隨機(jī)的。因此與PIN光電二極管相比

31、，APD的特性較為復(fù)雜。與PIN光電二極管相比，APD的主要特性也包括：波長響應(yīng)圍、響應(yīng)度、量子效率、響應(yīng)速度等，除此之外，由于APD管中雪崩倍增的存在，APD的特性還包括了雪崩倍增特性、噪聲特性、溫度特性等等。APD的雪崩倍增因子M定義為M=IP/IP0式中：IP 是APD的輸出平均電流；IP0是平均初級光生電流。從定義可見，倍增因子是APD的電流增益系數(shù)。由于雪崩倍增過程是一個隨機(jī)過程，因而倍增因子是在一個平均之上隨機(jī)起伏的量，雪崩倍增因子M的定義應(yīng)理解為統(tǒng)計平均倍增因子。M隨反偏壓的增大而增大，隨W的增加按指數(shù)增長。APD的噪聲包括量子噪聲、暗電流噪聲、漏電流噪聲、熱噪聲和附加的倍增噪聲

32、。倍增噪聲是APD中的主要噪聲。倍增噪聲的產(chǎn)生主要與兩個過程有關(guān)，即光子被吸收產(chǎn)生初級電子-空穴對的隨機(jī)性和在增益區(qū)產(chǎn)生二次電子-空穴對的隨機(jī)性。這兩個過程都是不能準(zhǔn)確測定的，因此APD倍增因子只能是一個統(tǒng)計平均的概念，表示為，它是一個復(fù)雜的隨機(jī)函數(shù)。由于APD具有電流增益，所以APD的響度比PIN的響應(yīng)度大大提高，有R0=(IP/P)=(qhf)量子效率只與初級光生載流子數(shù)目有關(guān)，不涉與倍增問題，故量子效率值總是小于1。APD的線性工作圍沒有PIN寬，它適宜于檢測微弱光信號。當(dāng)光功率達(dá)到幾u(yù)w以上時，輸出電流和入射光功率之間的線性關(guān)系變壞，能夠達(dá)到的最大倍增增益也降低了，即產(chǎn)生了飽和現(xiàn)象。

33、、APD的這種非線性轉(zhuǎn)換的原因與PIN類似，主要是器件上的偏壓不能保持恒定。由于偏壓降低，使得雪崩區(qū)變窄，倍增因子隨之下降，這種影響比PIN的情況更明顯。它使得數(shù)字信號脈沖幅度產(chǎn)生壓縮，或使模擬信號產(chǎn)生波形畸變，因而應(yīng)設(shè)法避免。在低偏壓下APD沒有倍增效應(yīng)。當(dāng)偏壓升高時，產(chǎn)生倍增效應(yīng)，輸出信號電流增大。當(dāng)反偏壓接近某一電壓VB時，電流倍增最大，此時稱APD被擊穿，電壓VB稱作擊穿電壓。如果反偏壓進(jìn)一步提高，則雪崩擊穿電流使器件對光生載流子變的越來越不敏感。因此APD的偏置電壓接近擊穿電壓，一般在數(shù)十伏到數(shù)百伏。須注意的是擊穿電壓并非是APD的破壞電壓，撤去該電壓后APD仍能正常工作。APD的暗

34、電流有初級暗電流和倍增后的暗電流之分，它隨倍增因子的增加而增加；此外還有漏電流，漏電流沒有經(jīng)過倍增。APD的響應(yīng)速度主要取決于載流子完成倍增過程所需要的時間，載流子越過耗盡層所需的渡越時間以與二極管結(jié)電容和負(fù)載電阻的RC時間常數(shù)等因素。而渡越時間的影響相對比較大，其余因素可通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計使影響減至很小。三、實(shí)驗(yàn)容與步驟：PIN光電二極管反向擊穿電壓測量連接InGaAs PIN 光電二極管、高壓電源HVS和主機(jī)PD輸入，屏蔽掉PIN管光輸入。OPMMOD置PD/AM檔，OPMRTO置100nW檔。由0V開始慢慢增加HVS輸出電壓，每隔2V測一個點(diǎn)，至56V結(jié)束，作IrVr曲線，求PIN光電二極

35、管反向擊穿電壓。偏壓不可以大于56V，否則PIN管與易燒毀。PIN光電二極管響應(yīng)度測量將1550nm半導(dǎo)體激光器控制電纜連接至LD1控制器清潔光纖連接器接頭,連接1550nm半導(dǎo)體激光器和光功率計OPM調(diào)節(jié)LD1控制器，設(shè)置激光器為恒流輸出功率模式ACC，激光器輸出功率調(diào)至0.2mW。將1550nm半導(dǎo)體激光器輸出改接至被測PIN光電二極管，記錄PIN檢測器輸出電流IP計算PIN光電二極管響應(yīng)度四、注意事項(xiàng)：系統(tǒng)上電后禁止將光纖連接器對準(zhǔn)人眼，以免灼傷。光纖連接器瓷插芯表面光潔度要求極高，除專用清潔布外禁止用手觸摸或接觸硬物?？罩玫墓饫w連接器端子必須插上護(hù)套。所有光纖均不可過于彎曲，除特殊測試

36、外其曲率半徑應(yīng)大于30mm。實(shí)驗(yàn)三光纖無源器件參數(shù)測量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私夤饫w無源器件的工作原理與相關(guān)特性；掌握光纖無源器件特性參數(shù)的測量方法；二、實(shí)驗(yàn)原理：光無源器件有很多種類，主要有光纖連接器、光纖耦合器、光濾波器、光隔離器、波分復(fù)用解復(fù)用器、光開關(guān)、光衰減器、光環(huán)形器、偏振選擇與控制器等。1 光纖連接器： 光纖(光纜)連接器是使一根光纖與另一根光纖相連接的器件，實(shí)現(xiàn)光信號的平滑無損或低損連接。光纖連接器會引入一定的功率損耗，稱為插入損耗，它是衡量光纖連接器質(zhì)量的主要技術(shù)指標(biāo)之一。2 光纖耦合器：光纖耦合器是實(shí)現(xiàn)光信號分路合路的功能器件，一般是對同一波長的光功率進(jìn)行分路或合路。光纖耦合器的耦

37、合機(jī)理基于光纖的消逝場耦合的模式理論。多模與單模光纖均可做成耦合器，通常有兩種結(jié)構(gòu)型式，一種是拼接式，另一種是熔融拉錐式。拼接式結(jié)構(gòu)是將光纖埋人玻璃塊中的弧形槽中，在光纖側(cè)面進(jìn)行研磨拋光，然后將經(jīng)研磨的兩根光纖拼接在一起，靠透過纖芯一包層界面的消逝場產(chǎn)生耦合。熔融拉錐式結(jié)構(gòu)是將兩根或多根光纖扭絞在一起，用微火炬對耦合部分加熱，在熔融過程中拉伸光纖，形成雙錐形耦合區(qū)。光耦合器是一種光無源器件，該領(lǐng)域的一般技術(shù)術(shù)語對它也適用，同時，它還另有一些體現(xiàn)自身特點(diǎn)的參數(shù)。1)插入損耗(Insertion Loss)就光耦合器而言，插入損耗定義為指定輸出端口的光功率相對全部輸入光功率的減少值。該值通常以分貝

38、(dB)表示，數(shù)學(xué)表達(dá)式為:ILi=-1Olg(POi/Pi)其中，ILi是第i個輸出端口的插入損耗；POi 是第i個輸出端口測到的光功率值；Pi 是輸入端的光功率值。2)附加損耗(Excess Loss)附加損耗定義為所有輸出端口的光功率總和相對于全部輸入光功率的減小值。該值以分貝(dB)表示的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:EL=-1Olg(PO/Pi)對于光纖耦合器，附加損耗是體現(xiàn)器件制造工藝質(zhì)量的指標(biāo)，反映的是器件制作過程帶來的固有損耗；而插入損耗則表示的是各個輸出端口的輸出功率狀況，不僅有固有損耗的因素，更考慮了分光比的影響。因此不同種類的光纖耦合器之間，插入損耗的差異，并不能反映器件制作質(zhì)量的優(yōu)劣，

39、這是與其他無源器件不同的地方。3)分光比(Coupling Ratio)分光比是光耦合器所特有的技術(shù)術(shù)語，它定義為耦合器各輸出端口的輸出功率的比值，在具體應(yīng)用中常常用相對輸出總功率的百分比來表示:CR=POi/POi x 100例如對于標(biāo)準(zhǔn)X形耦合器，1:1或50：50代表了同樣的分光比，即輸出為均分的器件。實(shí)際工程應(yīng)用中，往往需要各種不同分光比的器件，這可以通過控制制作過程的停機(jī)點(diǎn)來得到。4)方向性(Directivity)方向性也是光耦合器所特有的一個技術(shù)術(shù)語，它是衡量器件定向傳輸特性的參數(shù)。以標(biāo)準(zhǔn)X形耦合器為例，方向性定義為在耦合器正常工作時，輸入一側(cè)非注入光的一端的輸出光功率與全部注入

40、光功率的比較值，以分貝(dB)為單位的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:DL=-1Olg(Pi2/Pi1)其中，Pi1代表注入光功率，Pi2代表輸入一側(cè)非注入光的一端的輸出光功率。5)均勻性(Uniformity)對于要求均勻分光的光耦合器(主要是樹形和星形器件)，實(shí)際制作時，因?yàn)楣に嚨木窒蓿豢赡茏龅浇^對的均分。均勻性就是用來衡量均分器件的“不均勻程度”的參數(shù)。它定義為在器件的工作帶寬圍，各輸出端口輸出光功率的最大變化量。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:FL=-1Olg(Min(PO)/ Max(PO)6)偏振相關(guān)損耗(Polarization Dependent Loss)偏振相關(guān)損耗是衡量器件性能對于傳輸光信號的偏振態(tài)

41、的敏感程度的參量，俗稱偏振靈敏度。它是指當(dāng)傳輸光信號的偏振態(tài)發(fā)生360變化時，器件各輸出端口輸出光功率的最大變化量:PDLi=-1Olg(Min(POi)/ Max(POi)在實(shí)際應(yīng)用中，光信號偏振態(tài)的變化是經(jīng)常發(fā)生的，因此，往往要求器件有足夠小的偏振相關(guān)損耗，否則將直接影響器件的使用效果。7)隔離度(Isolation)隔離度是指光纖耦合器件的某一光路對其他光路中的光信號的隔離能力。隔離度高，也就意味著線路之間的“串話(crosstalk)小。對于光纖耦合器來說，隔離度更有意義的是用于反映WDM器件對不同波長信號的分離能力。其數(shù)學(xué)表達(dá)式是:I=-1Olg(Pt/Pi)式中：Pt是某一光路輸出

42、端測到的其他光路信號的功率值；Pi是被檢測光信號的輸入功率值。從上述定義可知，隔離度對于分波耦合器的意義更為重大，要求也就相應(yīng)地要高些，實(shí)際工程中往往需要隔離度達(dá)到40dB以上的器件；而一般來說，合波耦合器對隔離度的要求并不苛刻，20dB左右將不會給實(shí)際應(yīng)用帶來明顯不利的影響。3 波分復(fù)用解復(fù)用器與光濾波器：波分復(fù)用解復(fù)用器是一種特殊的耦合器，是構(gòu)成波分復(fù)用多信道光波系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，其功能是將若干路不同波長的信號復(fù)合后送入同一根光纖中傳送，或?qū)⒃谕桓饫w中傳送的多波長光信號分解后分送給不同的接收機(jī)，對利用光纖頻帶資源，擴(kuò)展通信系統(tǒng)容量具有重要意義。WDM器件有多種類型，如熔錐型、光柵型、干涉

43、濾波器型和集成光波導(dǎo)型。4 光隔離器：在光纖與半導(dǎo)體激光器的耦合系統(tǒng)中，某些不連續(xù)處的反射將影響激光器工作的穩(wěn)定性。這在高碼速光纖通信系統(tǒng)，相干光纖通信系統(tǒng)，頻分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)，光纖CATV傳輸系統(tǒng)以與精密光學(xué)測量系統(tǒng)中將帶來有害的影響。為了消除這些影響，需要在激光器與光纖之間加光隔離器。光隔離器是一種只允許光線沿光路正向傳輸?shù)姆腔ヒ仔栽?，其工作原理主要是利用磁光晶體的法拉第效應(yīng)，它由兩個線偏振器中間加一法拉第旋轉(zhuǎn)器而成。5 光開關(guān)：光開關(guān)是一種具有一個或多個可選擇的傳輸端口，可對光傳輸線路或集成光路中的光信號進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換或邏輯操作的器件。端口即指連接于光器件中允許光輸入或輸出的光纖或光纖

44、連接器。光開關(guān)可用于光纖通信系統(tǒng)、光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、光纖測量系統(tǒng)或儀器以與光纖傳感系統(tǒng)，起到開關(guān)切換作用。根據(jù)其工作原理，光開關(guān)可分為機(jī)械式和非機(jī)械式兩大類。機(jī)械式光開關(guān)靠光纖或光學(xué)元件移動，使光路發(fā)生改變。它的優(yōu)點(diǎn)是：插入損耗較低，一般不大于2dB；隔離度高，一般大于45dB；不受偏振和波長的影響。不足之處是：開關(guān)時間較長，一般為毫秒數(shù)量級，有的還存在回跳抖動和重復(fù)性較差的問題。機(jī)械式光開關(guān)又可細(xì)分為移動光纖、移動套管、移動準(zhǔn)直器、移動反光鏡、移動棱鏡、移動耦合器等種類。非機(jī)械式光開關(guān)則依靠電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、聲光效應(yīng)以與熱光效應(yīng)來改變波導(dǎo)折射率，使光路發(fā)生改變，它是近年來非常熱門的研究課題。這

45、類開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是：開關(guān)時間短，達(dá)到毫微秒數(shù)量級甚至更低；體積小，便于光集成或光電集成。不足之處是插入損耗大，隔離度低，只有20dB左右。光開關(guān)在光學(xué)性能方面的特性參數(shù)主要有插入損耗、回波損耗、隔離度、遠(yuǎn)端串?dāng)_、近端串?dāng)_、工作波長、消光比、開關(guān)時間等。插入損耗定義為輸入和輸出端口之間光功率的減少，以分貝來表示。IL=-1Olg(P1/P0)式中：P0為進(jìn)入輸入端的光功率；P1為輸出端接收的光功率。插入損耗與開關(guān)的狀態(tài)有關(guān)?；夭〒p耗(也稱為反射損耗或反射率)定義為從輸入端返回的光功率與輸入光功率的比值，以分貝表示。RL=-1Olg(P1/P0)式中：P0為進(jìn)入輸入端的光功率；P1為在輸入端口接收到的

46、返回光功率?；夭〒p耗也與開關(guān)的狀態(tài)有關(guān)。隔離度定義為兩個相隔離輸出端口光功率的比值，以分貝來表示。In,m=-1Olg(Pin/Pim)式中：n、m為開關(guān)的兩個隔離端口(nm)；Pin是光從i端口輸入時n端口的輸出光功率，Pim是光從i端口輸入時在m端口測得的光功率。遠(yuǎn)端串?dāng)_定義為光開關(guān)的接通端口的輸出光功率與串入另一端口的輸出光功率的比值。FC12=-1Olg(P1/P2)式中：P1是從端口1輸出的光功率；P2是從端口2輸出的光功率。近端串?dāng)_定義為當(dāng)其它端口接終端匹配時，連接的端口與另一個名義上是隔離的端口的光功率之比。NC12=-1Olg(P2/P1)式中：P1是輸入到端口1的光功率，P2

47、是端口2接收到的光功率。消光比定義為兩個端口處于導(dǎo)通和非導(dǎo)通狀態(tài)的插入損耗之差。ERnm=ILnm-IL0nm式中：ILnm 為n,m端口導(dǎo)通時的插入損耗；IL0nm 為非導(dǎo)通狀態(tài)的插入損耗。開關(guān)時間指開關(guān)端口從某一初始態(tài)轉(zhuǎn)為通或斷所需的時間，開關(guān)時間從在開關(guān)上施加或撤去轉(zhuǎn)換能量的時刻起測量。三、實(shí)驗(yàn)裝置：實(shí)驗(yàn)裝置圖一實(shí)驗(yàn)裝置圖二四、實(shí)驗(yàn)容與步驟：測試光路準(zhǔn)備按實(shí)驗(yàn)裝置圖一所示結(jié)構(gòu)連接1550nm半導(dǎo)體激光器、單模光纖耦合器、OPM和主機(jī)，暫將1550nm半導(dǎo)體激光器輸出直接連接至OPM輸入，檢查無誤后打開電源設(shè)置OPM工作模式為OPM/dBm，量程(RTO)切換至0dBm設(shè)置LD1工作模式(

48、MOD)為恒流驅(qū)動(ACC)，1550nm激光器為恒定電流工作模式，調(diào)節(jié)驅(qū)動電流(Ic)至輸出功率為-7.0dBm(0.2mW)附近，記錄光功率值Pi連接1550nm激光器輸出(1550 Out)至待測光纖耦合器輸入端(PORT1)將待測光纖耦合器輸出端PORT3連接至OPM輸入，記錄該端口輸出光功率Po1，計算光纖耦合器插入損耗IL1繞軸向緩慢旋轉(zhuǎn)待測光纖耦合器輸入端光纖，記錄該端口輸出光功率Po1的最小值Min(PO1)和最大值Max(PO1)，計算光纖耦合器偏振依賴損耗PDL1將待測光纖耦合器輸出端PORT4連接至OPM輸入，記錄該端口輸出光功率Po2，計算光纖耦合器插入損耗IL2繞軸向

49、緩慢旋轉(zhuǎn)待測光纖耦合器輸入端光纖，記錄該端口輸出光功率Po2的最小值Min(PO2)和最大值Max(PO2)，計算光纖耦合器偏振依賴損耗PDL2計算光纖耦合器分光比CR計算光纖耦合器附加損耗EL按實(shí)驗(yàn)裝置圖二所示結(jié)構(gòu)將待測光纖耦合器輸入端PORT2連接至OPM輸入。待測光纖耦合器輸出端PORT3和PORT4分別連接一根光跳線，每根光跳線均在手指上繞5圈，使得PORT3和PORT4的輸出光功率在兩跳線中極大衰耗，最終減小其反射光對方向性測量的影響。設(shè)置OPM至合適量程(RTO)，記錄該端口反向輸出光功率Pi2，計算光纖耦合器方向性DL五、注意事項(xiàng)：系統(tǒng)上電后禁止將光纖連接器對準(zhǔn)人眼，以免灼傷。光

50、纖連接器瓷插芯表面光潔度要求極高，除專用清潔布外禁止用手觸摸或接觸硬物。空置的光纖連接器端子必須插上護(hù)套。所有光纖均不可過于彎曲，除特殊測試外其曲率半徑應(yīng)大于30mm。六、思考題：如何借助于標(biāo)準(zhǔn)3dB耦合器測量待測光纖耦合器輸入端PORT1的回波損耗？請畫出測試光路，并寫出測試步驟和數(shù)據(jù)處理方法。實(shí)驗(yàn)四光纖時域反射測量（OTDR）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私夤獠ㄏ到y(tǒng)中光信號的傳輸特性；掌握光纖時域反射法的工作原理和測量方法；二、實(shí)驗(yàn)原理：光纖時域反射測量（OTDR）是光纖通信領(lǐng)域非常重要的測量技術(shù)。OTDR首先發(fā)射光脈沖進(jìn)入光纖，光脈沖在光纖傳輸時，會由于光纖本身的性質(zhì)、連接器、接合點(diǎn)、彎曲或其它類似的

51、事件而產(chǎn)生散射和反射，通過對返回光的強(qiáng)度與時間特征進(jìn)行分析可以測知光纖介質(zhì)的傳輸特性。圖1是OTDR典型的測試波形。圖1: 光纖時域反射測量測試波形OTDR使用瑞利散射和菲涅爾反射來表征光纖的特性。瑞利散射是由于光信號沿著光纖產(chǎn)生無規(guī)律的散射而形成，這些背向散射信號表明了光纖導(dǎo)致的衰減（損耗/距離）程度，形成的軌跡是一條向下的曲線。給定光纖參數(shù)和波長，瑞利散射的功率與信號的脈沖寬度成比例，脈沖寬度越長，背向散射功率就越強(qiáng)。瑞利散射的功率還與發(fā)射信號的波長有關(guān)，波長較短則功率較強(qiáng)。在高波長區(qū)（超過1500nm），瑞利散射會持續(xù)減小，但紅外吸收的現(xiàn)象會出現(xiàn)，增加并導(dǎo)致了全部衰減值的增大。1550n

52、m波長的OTDR具有最低的衰減性能，可以進(jìn)行長距離的測試，高衰減的1310nm或1625nm波長，OTDR的測試距離受到限制。菲涅爾反射是離散的反射，它是由整條光纖中的個別點(diǎn)而引起的，這些點(diǎn)是由造成反向系數(shù)改變的因素組成，例如玻璃與空氣的間隙。在這些點(diǎn)上，會有很強(qiáng)的背向散射光被反射回來。OTDR利用菲涅爾反射的信息來定位連接點(diǎn)，光纖終端或斷點(diǎn)，通過發(fā)射信號到返回信號所用的時間以與光在玻璃物質(zhì)中的速度，可以計算出距離。三、實(shí)驗(yàn)裝置：圖2：光纖時域反射測量實(shí)驗(yàn)裝置四、實(shí)驗(yàn)容與步驟：測試光路準(zhǔn)備按圖2所示結(jié)構(gòu)連接1550nm半導(dǎo)體激光器、InGaAs PIN光電二極管、模擬接收器（COD.IN）、單

53、模光纖耦合器、待測G.652單模光纖和主機(jī)。將單模光纖耦合器輸出端PORT4連接一根FC/APC-FC/PC光跳線，將待測G.652單模光纖末端連接一根FC/APC-PC光跳線。將函數(shù)信號發(fā)生器輸出(SIG)連接至半導(dǎo)體激光控制器LD1的調(diào)制信號輸入端(MOD1)，同時使用三通將此信號連接至示波器的CH2輸入用于信號同步。將模擬接收器的輸出信號(COD.OUT)連接至示波器的CH1輸入，檢查無誤后打開系統(tǒng)電源時域反射法測定單模光纖斷點(diǎn)位置設(shè)置COD模式為ARX，量程(PD1RTO)至100uA檔。設(shè)置SIG工作模式為脈沖模式(PUS)，輸出信號幅度Vs調(diào)至5.0V。調(diào)節(jié)示波器同步CH1輸入，上

54、升沿出發(fā)，觀察到穩(wěn)定的脈沖調(diào)制信號。設(shè)置LD2工作模式(MOD)為數(shù)字調(diào)制模式(ODM)，1550nm激光器工作于5kHz脈沖模式下，調(diào)節(jié)LD2驅(qū)動電流(Ic)至40.0mA。觀察光接收機(jī)監(jiān)控信號波形，記錄兩次反射脈沖前沿之間的時間間隔TR計算單模光纖斷點(diǎn)位置(n=1.46)五、注意事項(xiàng)：系統(tǒng)上電后禁止將光纖連接器對準(zhǔn)人眼，以免灼傷。光纖連接器瓷插芯表面光潔度要求極高，除專用清潔布外禁止用手觸摸或接觸硬物?？罩玫墓饫w連接器端子必須插上護(hù)套。所有光纖均不可過于彎曲，除特殊測試外其曲率半徑應(yīng)大于30mm。實(shí)驗(yàn)五語音、圖像光纖傳輸與波分復(fù)用（WDM）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私夤饫w模擬通信和數(shù)字通信的工作原理

55、；了解光纖波分復(fù)用技術(shù)(WDM)的工作原理；二、實(shí)驗(yàn)原理：將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘柕姆绞酵ǔＳ袃煞N：直接調(diào)制和間接調(diào)制。直接調(diào)制方法適用于半導(dǎo)體光源，它將要傳送的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘栕⑷牍庠矗@得相應(yīng)的光信號輸出，是一種光強(qiáng)度調(diào)制(IM)。間接調(diào)制是利用晶體的電光、磁光和聲光效應(yīng)等性質(zhì)對光輻射進(jìn)行調(diào)制，可以采用鈮酸鋰調(diào)制器(L-M)、電吸收調(diào)制器(EA-M)和干涉型調(diào)制器(MZ-M)實(shí)現(xiàn)。對強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(IMDD)光波系統(tǒng)，并非一定要采用外調(diào)制方案，但在高速長距離光波系統(tǒng)中，采用間接調(diào)制有利于提高系統(tǒng)性能。直接調(diào)制技術(shù)具有簡單、經(jīng)濟(jì)和容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，由于光源的輸出光功率基本上與注入電流成正比，因

56、此調(diào)制電流變化轉(zhuǎn)換為光頻調(diào)制是一種線性調(diào)制。按調(diào)制信號的形式，光調(diào)制可分為模擬信號調(diào)制和數(shù)字信號調(diào)制兩種。圖1：半導(dǎo)體光源的直接調(diào)制原理LED模擬調(diào)制 (b)LED數(shù)字調(diào)制 (c)LD數(shù)字調(diào)制模擬信號調(diào)制是直接用連續(xù)的模擬信號(如話音和視頻信號)對光源進(jìn)行調(diào)制，如圖1(a)所示，連續(xù)的模擬信號電流疊加在直流偏置電流上。適當(dāng)選擇直流偏置電流的大小，可以減小光信號的非線性失真。數(shù)字信號調(diào)制主要指PCM編碼調(diào)制，先將連續(xù)變化的模擬信號通過取樣、量化和編碼，轉(zhuǎn)換成一組二進(jìn)制脈沖代碼，用矩形脈沖的1碼、0碼來表示信號，如圖1(b)和(c)所示。光波分復(fù)用(WDM)是在光域進(jìn)行的多信道復(fù)用方案，這種復(fù)用方

57、案可用獨(dú)立的電比特流，也可用在電域已復(fù)用的TDM或FDM復(fù)合比特流調(diào)制多個光載波，然后通過同一根光纖傳輸，實(shí)現(xiàn)多層復(fù)用。在接收端依次利用光域和電域解復(fù)用不同的信道，能夠最大限度地利用光纖的帶寬潛力。WDM可復(fù)用信道數(shù)或可用的載波數(shù)主要決定于信道間隔。三、實(shí)驗(yàn)裝置：圖2：光纖通信與波分復(fù)用實(shí)驗(yàn)裝置示意圖四、實(shí)驗(yàn)容：按圖2所示結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)連接，檢查無誤后打開系統(tǒng)電源將1550nm激光器輸出連接至InGaAs PIN光電二極管輸入,使用模擬調(diào)制方式在單模光纖中傳輸視頻信號。將微型攝像頭的視頻輸出信號連接至示波器CH1輸入，觀察并記錄視頻信號波形和幅度。設(shè)置LD2工作模式(MOD)為模擬調(diào)制模式(

58、OAM)，1550nm激光器輸出光功率受6MHz帶寬視頻信號調(diào)制。將模擬接收機(jī)輸出信號DEC.OUT連接至示波器CH2輸入，調(diào)節(jié)LD2偏置電流(Ic)、模擬接收機(jī)增益(PD2RTO)、模擬接收機(jī)偏移(VS2)，使得光接收機(jī)監(jiān)控信號波形與微型攝像頭的視頻輸出信號波形一致。將DEC.OUT連接至監(jiān)視器視頻輸入端Video.In，微調(diào)LD2偏置電流(Ic)，使得監(jiān)視器圖像有最小失真。將1310nm激光器輸出連接至InGaAs PIN光電二極管輸入，設(shè)置LD1工作模式(MOD)為模擬調(diào)制模式(OAM)，1310nm激光器輸出光功率受語音信號調(diào)制。將模擬接收機(jī)輸出信號COD.OUT連接至監(jiān)視器音頻輸入端

59、Audio.In，調(diào)節(jié)LD1偏置電流(Ic)、模擬接收機(jī)增益(PD1RTO)、模擬接收機(jī)偏移(VS1)，使得監(jiān)視器聲音輸出有最小失真。將兩個WDM和2km G.652單模光纖按圖2所示結(jié)構(gòu)接入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使用1550nm傳輸視頻信號，使用1310nm傳輸語音信號，進(jìn)行單模光纖波分復(fù)用技術(shù)實(shí)驗(yàn)微調(diào)LD2偏置電流(Ic)，使得監(jiān)視器圖像有最小失真。微調(diào)LD1偏置電流(Ic)，使得監(jiān)視器聲音輸出有最小失真。五、注意事項(xiàng)：系統(tǒng)上電后禁止將光纖連接器對準(zhǔn)人眼，以免灼傷。光纖連接器瓷插芯表面光潔度要求極高，除專用清潔布外禁止用手觸摸或接觸硬物?？罩玫墓饫w連接器端子必須插上護(hù)套。所有光纖均不可過于彎曲，除特殊

60、測試外其曲率半徑應(yīng)大于30mm。六、思考題：如何使用兩套設(shè)備在一根單模光纖中進(jìn)行雙向可視傳輸？請畫出系統(tǒng)光路。實(shí)驗(yàn)六摻鉺光纖放大特性參數(shù)測量(EDFA)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私鈸姐s光纖放大器的工作原理與相關(guān)特性；掌握摻鉺光纖放大器性能參數(shù)的測量方法；二、實(shí)驗(yàn)原理簡介：摻鉺光纖放大器(EDFA)的出現(xiàn)是光纖通信發(fā)展史上一個重要里程碑。1986年英國南安普敦大學(xué)制作出了最初的摻鉺光纖放大器。在此之前，由于不能直接放大光信號，所有的光纖通信系統(tǒng)都只能采用光-電-光中繼方式。光纖放大器可直接放大光信號，這就可使光-電-光中繼變?yōu)槿庵欣^。這是一次極為重要的飛躍，把光通信推向了一個新的階段，其意義可與當(dāng)年用晶