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(cè)量4實(shí)驗(yàn)二半導(dǎo)體光電檢測(cè)器參數(shù)測(cè)量8實(shí)驗(yàn)三光纖無(wú)源器件參數(shù)測(cè)量15實(shí)驗(yàn)四光纖時(shí)域反射測(cè)量(OTDR)20實(shí)驗(yàn)五語(yǔ)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(cè)量30實(shí)驗(yàn)八光纖光柵溫度傳感與測(cè)量32實(shí)驗(yàn)九單模光纖損耗特性和截止波長(zhǎng)測(cè)量34實(shí)驗(yàn)十光纖色散測(cè)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(cè)量與模式分析48實(shí)驗(yàn)十四光纖馬

2、赫任德干涉測(cè)量54實(shí)驗(yàn)十五液晶顯示器（LCD）電光特性曲線測(cè)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(cè)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(cè)量71實(shí)驗(yàn)十九CCD信號(hào)采集與處理75實(shí)驗(yàn)二十CCD光電攝像系統(tǒng)特性測(cè)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(cè)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(shí)

3、代來(lái)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(méi)有可靠的、高強(qiáng)度的光源；二是沒(méi)有穩(wěn)定的、低損耗的傳輸媒質(zhì)，無(wú)法得到高質(zhì)量的光通信。在此后幾十年的時(shí)間里，由于上述兩個(gè)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(guó)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(guó)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(guó)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(lái)，70年代中期即進(jìn)入了實(shí)用化階段，其應(yīng)用遍與長(zhǎng)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。現(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(lái)信息社會(huì)的支柱。經(jīng)過(guò)

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(zhǎng)為0.85um，屬短波長(zhǎng)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(cè)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(guó)芝加哥進(jìn)行的碼速率為44.736Mbits的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)為標(biāo)志。第二代光纖通信的工作波長(zhǎng)為1.3um，該波段屬長(zhǎng)波長(zhǎng)波段，是石英光纖的第二個(gè)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(zhǎng)波長(zhǎng)銦鎵砷磷銦磷(InGaAsPInP)半導(dǎo)體激光器，

6、光電探測(cè)器采用鍺(Ge)材料，其中繼距離超過(guò)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(gè)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(yíng)，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(dòng)了1.3um的InGaAs半導(dǎo)體激光器和檢測(cè)器的發(fā)展，廣泛地用于長(zhǎng)途干線和跨洋通信中。第三代光纖通信的工作波長(zhǎng)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(shí)多縱模同時(shí)振蕩的常規(guī)InGnAsP半導(dǎo)體激光器的譜展寬問(wèn)題尚未解決，推遲了第三代光波系統(tǒng)的問(wèn)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(guò)100km。通過(guò)精心設(shè)計(jì)激光器和光接收機(jī)，其比特率能超過(guò)l0Gbs。后來(lái)，工作波長(zhǎng)為1.55um的摻鉺光纖放大器問(wèn)世，又使這一波長(zhǎng)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(shí)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(cè)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(wèn)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(hào)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(zhǎng)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(guó)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(zhǎng)距離通信的巨大潛力。1992年在美國(guó)與英國(guó)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(guó)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(cè)量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私獍雽?dǎo)體光源和光電探測(cè)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(cè)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(jí)回復(fù)到低能級(jí)時(shí)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(guò)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(zhǎng)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(duì)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(shí)將會(huì)產(chǎn)生占優(yōu)勢(shì)的(超過(guò)受激吸收)受激輻射。在半導(dǎo)體激光器中，這個(gè)條件是通過(guò)向P型和N型限制層重?fù)诫s使費(fèi)密能級(jí)間隔在PN結(jié)正向偏置下超過(guò)帶隙實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)有源層載流子濃度超過(guò)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(hào)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(shí)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(píng)定半導(dǎo)體激光器性能的一個(gè)主要參數(shù)，本實(shí)驗(yàn)采用兩段直線擬合法對(duì)其進(jìn)行測(cè)定。如圖2所示，將閾值前與后的兩段直線分別延長(zhǎng)并相交，其交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流即為閾值電流Ith。圖2：兩段直線擬合法測(cè)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(shí)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(duì)數(shù)之比。外量子效率定義為單位時(shí)間輸出的光子數(shù)與注入到PN結(jié)的電子-空穴對(duì)數(shù)之比。(2) LED和LD的光譜特性：LED沒(méi)有光學(xué)諧振腔選擇波長(zhǎng)，它的光譜是以自發(fā)輻射為主的光譜，圖3為L(zhǎng)ED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(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為發(fā)光峰值波長(zhǎng)P，光譜曲線上兩個(gè)半光強(qiáng)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)差為L(zhǎng)ED譜線寬度(簡(jiǎn)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(shí)，光譜曲線隨之向右移動(dòng)，從P的變化可以求出LED的波長(zhǎng)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(gè)峰的光譜，如圖4所示。激光二極管的波長(zhǎng)可以定義為它的光譜的統(tǒng)計(jì)加權(quán)。在規(guī)定輸出光功率時(shí)，光譜若干發(fā)射模式中最大強(qiáng)度的光譜波長(zhǎng)被定義為峰值波長(zhǎng)P ，對(duì)諸如DFB、DBR型LD來(lái)說(shuō)，它的P相當(dāng)明顯。一個(gè)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(duì)LED進(jìn)行數(shù)字脈沖或模擬信號(hào)電流調(diào)制，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)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(shí)(-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(guò)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(shí)，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(shí)G的減小。(2) 線性調(diào)頻效應(yīng)。當(dāng)注入電流為時(shí)變電流對(duì)激光器進(jìn)行調(diào)制時(shí)，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(cè)器的作用是完成光電轉(zhuǎn)換。光纖通信所用的光電探測(cè)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(duì)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(zhǎng)采用硅材料，在長(zhǎng)波長(zhǎng)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(cè)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(wú)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(dòng)(ACC)，1550nm激光器為恒定電流工作模式，驅(qū)動(dòng)電流(Ic)置為0緩慢增加激光器驅(qū)動(dòng)電流，0至30mA每隔0.5mA測(cè)一個(gè)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(duì)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?/p>

19、纖連接器端子必須插上護(hù)套。所有光纖均不可過(guò)于彎曲，除特殊測(cè)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(cè)器參數(shù)測(cè)量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私獍雽?dǎo)體光電檢測(cè)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(cè)器件特性參數(shù)的測(cè)量方法；二、實(shí)驗(yàn)原理：光檢測(cè)器的作用是把接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)。由于從光纖中傳過(guò)來(lái)的光信號(hào)一般是非常微弱的，因此對(duì)光檢測(cè)器提出了非常高的要求：第一，在系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)上要有足夠高的響應(yīng)度，即對(duì)一定的入射光功率，光檢測(cè)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(zhǎng)。 滿足上述要求、適合于光纖通信系統(tǒng)使用的光檢測(cè)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(cè)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(jiǎn)單的半導(dǎo)體光檢測(cè)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(gè)未加電壓的PN結(jié)，它是一個(gè)由不可移動(dòng)的帶正、負(fù)電荷的離子組成的耗盡層，或稱作勢(shì)壘區(qū)。當(dāng)以適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射PN結(jié)時(shí)，P型和N型半導(dǎo)體材料將吸收光能。如果光子能量hfKe時(shí)，則光子將被吸收，使價(jià)帶中的電子受激躍遷到導(dǎo)帶中，而在價(jià)帶中留下空穴，如圖1(b)所示。這一過(guò)程稱為光

21、吸收。因光照射而在導(dǎo)帶和價(jià)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(chǎng)的作用下作漂移運(yùn)動(dòng)：空穴向P區(qū)方向運(yùn)動(dòng)；電子向N區(qū)方向運(yùn)動(dòng)，它們?cè)赑N結(jié)的邊緣被收集。另外，耗盡層外的光生少數(shù)載流子會(huì)發(fā)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：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(shí)，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(chǎng)很小，甚至可以稱為無(wú)場(chǎng)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(chǎng)的作用下分別快速漂移到對(duì)方區(qū)域。這樣，在P區(qū)就出現(xiàn)了過(guò)?？昭ǖ姆e累，N區(qū)出現(xiàn)了過(guò)剩電子的積累，于是在耗盡層的兩側(cè)就產(chǎn)生了一個(gè)極性如圖1(c)所示的

22、光生電動(dòng)勢(shì)。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)。基于這一效應(yīng)，如果將PN結(jié)的外電路構(gòu)成回路，則外電路中會(huì)出現(xiàn)信號(hào)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(zhǎng)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(chǎng)作用下作快速漂移運(yùn)動(dòng)，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(duì)光信號(hào)響應(yīng)速度減慢。如果輸入的光信號(hào)為光脈沖；則輸出的光電脈沖會(huì)產(chǎn)生較長(zhǎng)的拖尾。由上述分析可見(jiàn)，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(shì)壘區(qū)產(chǎn)生的電場(chǎng)與建場(chǎng)方向一致，使勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)增強(qiáng)，加強(qiáng)了漂移運(yùn)動(dòng)，而且N區(qū)的電子向正電極運(yùn)動(dòng)并被中和，P區(qū)的空穴向負(fù)電極

24、運(yùn)動(dòng)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(guò)減小P區(qū)和N區(qū)的厚度來(lái)減小載流子的擴(kuò)散時(shí)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(lái)加寬耗盡層的方法來(lái)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(chǎng)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(chǎng)分布。在高摻雜P型和N型半導(dǎo)體之間生長(zhǎng)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(duì)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(duì)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(zhǎng)c，c亦稱為光電二極管的截止波長(zhǎng)。只有入射光的波長(zhǎng)小于c時(shí)，光電二極管才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。Si-PIN的截止波長(zhǎng)為1.06um，故可用于0.85um的短波長(zhǎng)光檢測(cè)；Ge-PIN和InGaAs-PIN的截止波長(zhǎng)為1.7um，所以它們可用于1.3um、1.55um的長(zhǎng)波長(zhǎng)光檢測(cè)。當(dāng)入射光波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于截止波長(zhǎng)時(shí)，光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)大大下降。因此，PIN光電二極管是對(duì)一定波長(zhǎng)圍的入射光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，這一波長(zhǎng)圍就是PIN光電二極管的波長(zhǎng)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(duì)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(gè)重要參數(shù)。響應(yīng)速度通常用響應(yīng)時(shí)間來(lái)表示。響應(yīng)時(shí)間為光電二極管對(duì)矩形光脈沖的響應(yīng)電脈沖的上升或下降時(shí)間。響應(yīng)速度主要受光生載流子的擴(kuò)散時(shí)間、光生載流子通過(guò)耗盡層的渡越時(shí)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(cè)圍，當(dāng)入射功率太強(qiáng)時(shí)，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(jí)時(shí)，器件不會(huì)發(fā)生飽和。無(wú)光照時(shí)，PIN作為一種PN結(jié)器件，在反向偏壓下也有反向電流流過(guò)，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(duì)形成。當(dāng)偏置電壓增大時(shí)，暗電流增大。當(dāng)反偏壓增大到一定值時(shí)，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(shí)不能盡快散熱，就會(huì)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(shí)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(cè)器，它可以用來(lái)檢測(cè)微弱光信號(hào)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(shí)，耗盡層的電場(chǎng)很強(qiáng)，光生載流子經(jīng)過(guò)時(shí)就會(huì)被電場(chǎng)加速，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度足夠高(約3x105Vcm)時(shí)，光生載流子獲得很大的動(dòng)能，它們?cè)诟咚龠\(yùn)動(dòng)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(duì)，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(duì)在強(qiáng)電場(chǎng)作用下同樣又被加速，重復(fù)前一過(guò)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(gè)物理過(guò)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(chǎng)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(chǎng)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(shí)，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(duì)稱為初級(jí)電子-空

30、穴對(duì)。在電場(chǎng)的作用下，初級(jí)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(jí)空穴則直接被P+層吸收。在雪崩區(qū)通過(guò)碰撞電離產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)稱為二次電子-空穴對(duì)?？梢?jiàn)，I區(qū)仍然作為吸收光信號(hào)的區(qū)域并產(chǎn)生初級(jí)光生電子-空穴對(duì)，此外它還具有分離初級(jí)電子和空穴的作用，初級(jí)電子在N+-P區(qū)通過(guò)碰撞電離形成更多的電子-空穴對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)初級(jí)光電流的放大作用。圖4: APD的結(jié)構(gòu)與電場(chǎng)分布碰撞電離產(chǎn)生的雪崩倍增過(guò)程本質(zhì)上是統(tǒng)計(jì)性的，即為一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)過(guò)程。每一個(gè)初級(jí)光生電子-空穴對(duì)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(duì)，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(zhǎng)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(jí)光生電流。從定義可見(jiàn)，倍增因子是APD的電流增益系數(shù)。由于雪崩倍增過(guò)程是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，因而倍增因子是在一個(gè)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(jì)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(zhǎng)。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(gè)過(guò)程有關(guān)，即光子被吸收產(chǎn)生初級(jí)電子-空穴對(duì)的隨機(jī)性和在增益區(qū)產(chǎn)生二次電子-空穴對(duì)的隨機(jī)性。這兩個(gè)過(guò)程都是不能準(zhǔn)確測(cè)定的，因此APD倍增因子只能是一個(gè)統(tǒng)計(jì)平均的概念，表示為，它是一個(gè)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(jí)光生載流子數(shù)目有關(guān)，不涉與倍增問(wèn)題，故量子效率值總是小于1。APD的線性工作圍沒(méi)有PIN寬，它適宜于檢測(cè)微弱光信號(hào)。當(dāng)光功率達(dá)到幾u(yù)w以上時(shí)，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(hào)脈沖幅度產(chǎn)生壓縮，或使模擬信號(hào)產(chǎn)生波形畸變，因而應(yīng)設(shè)法避免。在低偏壓下APD沒(méi)有倍增效應(yīng)。當(dāng)偏壓升高時(shí)，產(chǎn)生倍增效應(yīng)，輸出信號(hào)電流增大。當(dāng)反偏壓接近某一電壓VB時(shí)，電流倍增最大，此時(shí)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(duì)光生載流子變的越來(lái)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(jí)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(méi)有經(jīng)過(guò)倍增。APD的響應(yīng)速度主要取決于載流子完成倍增過(guò)程所需要的時(shí)間，載流子越過(guò)耗盡層所需的渡越時(shí)間以與二極管結(jié)電容和負(fù)載電阻的RC時(shí)間常數(shù)等因素。而渡越時(shí)間的影響相對(duì)比較大，其余因素可通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(cè)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(cè)一個(gè)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(cè)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(jì)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(cè)PIN光電二極管，記錄PIN檢測(cè)器輸出電流IP計(jì)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(duì)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。空置的光纖連接器端子必須插上護(hù)套。所有光纖均不可過(guò)于彎曲，除特殊測(cè)試

36、外其曲率半徑應(yīng)大于30mm。實(shí)驗(yàn)三光纖無(wú)源器件參數(shù)測(cè)量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私夤饫w無(wú)源器件的工作原理與相關(guān)特性；掌握光纖無(wú)源器件特性參數(shù)的測(cè)量方法；二、實(shí)驗(yàn)原理：光無(wú)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(hào)的平滑無(wú)損或低損連接。光纖連接器會(huì)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(hào)分路合路的功能器件，一般是對(duì)同一波長(zhǎng)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(chǎng)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(guò)纖芯一包層界面的消逝場(chǎng)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(duì)耦合部分加熱，在熔融過(guò)程中拉伸光纖，形成雙錐形耦合區(qū)。光耦合器是一種光無(wú)源器件，該領(lǐng)域的一般技術(shù)術(shù)語(yǔ)對(duì)它也適用，同時(shí)，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(duì)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(gè)輸出端口的插入損耗；POi 是第i個(gè)輸出端口測(cè)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(duì)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(duì)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(guò)程帶來(lái)的固有損耗；而插入損耗則表示的是各個(gè)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(wú)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(yǔ)，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(duì)輸出總功率的百分比來(lái)表示:CR=POi/POi x 100例如對(duì)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(guò)控制制作過(guò)程的停機(jī)點(diǎn)來(lái)得到。4)方向性(Directivity)方向性也是光耦合器所特有的一個(gè)技術(shù)術(shù)語(yǔ)，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(shí)，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(duì)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(shí)，因?yàn)楣に嚨木窒?，往往不可能做到絕對(duì)的均分。均勻性就是用來(lái)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(duì)于傳輸光信號(hào)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(hào)的偏振態(tài)發(fā)生360變化時(shí)，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(hào)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(duì)其他光路中的光信號(hào)的隔離能力。隔離度高，也就意味著線路之間的“串話(crosstalk)小。對(duì)于光纖耦合器來(lái)說(shuō)，隔離度更有意義的是用于反映WDM器件對(duì)不同波長(zhǎng)信號(hào)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(cè)到的其他光路信號(hào)的功率值；Pi是被檢測(cè)光信號(hào)的輸入功率值。從上述定義可知，隔離度對(duì)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(lái)說(shuō)，合波耦合器對(duì)隔離度的要求并不苛刻，20dB左右將不會(huì)給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)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(zhǎng)的信號(hào)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(zhǎng)光信號(hào)分解后分送給不同的接收機(jī)，對(duì)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(cè)量系統(tǒng)中將帶來(lái)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(gè)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(gè)或多個(gè)可選擇的傳輸端口，可對(duì)光傳輸線路或集成光路中的光信號(hào)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(cè)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(dòng)，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(zhǎng)的影響。不足之處是：開關(guān)時(shí)間較長(zhǎng)，一般為毫秒數(shù)量級(jí)，有的還存在回跳抖動(dòng)和重復(fù)性較差的問(wèn)題。機(jī)械式光開關(guān)又可細(xì)分為移動(dòng)光纖、移動(dòng)套管、移動(dòng)準(zhǔn)直器、移動(dòng)反光鏡、移動(dòng)棱鏡、移動(dòng)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(lái)改變波導(dǎo)折射率，使光路發(fā)生改變，它是近年來(lái)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(shí)間短，達(dá)到毫微秒數(shù)量級(jí)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(zhǎng)、消光比、開關(guān)時(shí)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(lái)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(gè)相隔離輸出端口光功率的比值，以分貝來(lái)表示。In,m=-1Olg(Pin/Pim)式中：n、m為開關(guān)的兩個(gè)隔離端口(nm)；Pin是光從i端口輸入時(shí)n端口的輸出光功率，Pim是光從i端口輸入時(shí)在m端口測(cè)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(shí)，連接的端口與另一個(gè)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(gè)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(shí)的插入損耗；IL0nm 為非導(dǎo)通狀態(tài)的插入損耗。開關(guān)時(shí)間指開關(guān)端口從某一初始態(tài)轉(zhuǎn)為通或斷所需的時(shí)間，開關(guān)時(shí)間從在開關(guān)上施加或撤去轉(zhuǎn)換能量的時(shí)刻起測(cè)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(cè)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(wú)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(dòng)(ACC)，1550nm激光器為恒定電流工作模式，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)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(cè)光纖耦合器輸入端(PORT1)將待測(cè)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(jì)算光纖耦合器插入損耗IL1繞軸向緩慢旋轉(zhuǎn)待測(cè)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(jì)算光纖耦合器偏振依賴損耗PDL1將待測(cè)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(jì)算光纖耦合器插入損耗IL2繞軸向

49、緩慢旋轉(zhuǎn)待測(cè)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(jì)算光纖耦合器偏振依賴損耗PDL2計(jì)算光纖耦合器分光比CR計(jì)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(cè)光纖耦合器輸入端PORT2連接至OPM輸入。待測(cè)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(duì)方向性測(cè)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(jì)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(duì)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(guò)于彎曲，除特殊測(cè)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(cè)量待測(cè)光纖耦合器輸入端PORT1的回波損耗？請(qǐng)畫出測(cè)試光路，并寫出測(cè)試步驟和數(shù)據(jù)處理方法。實(shí)驗(yàn)四光纖時(shí)域反射測(cè)量（OTDR）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私夤獠ㄏ到y(tǒng)中光信號(hào)的傳輸特性；掌握光纖時(shí)域反射法的工作原理和測(cè)量方法；二、實(shí)驗(yàn)原理：光纖時(shí)域反射測(cè)量（OTDR）是光纖通信領(lǐng)域非常重要的測(cè)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(shí)，會(huì)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(guò)對(duì)返回光的強(qiáng)度與時(shí)間特征進(jìn)行分析可以測(cè)知光纖介質(zhì)的傳輸特性。圖1是OTDR典型的測(cè)試波形。圖1: 光纖時(shí)域反射測(cè)量測(cè)試波形OTDR使用瑞利散射和菲涅爾反射來(lái)表征光纖的特性。瑞利散射是由于光信號(hào)沿著光纖產(chǎn)生無(wú)規(guī)律的散射而形成，這些背向散射信號(hào)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(zhǎng)，瑞利散射的功率與信號(hào)的脈沖寬度成比例，脈沖寬度越長(zhǎng)，背向散射功率就越強(qiáng)。瑞利散射的功率還與發(fā)射信號(hào)的波長(zhǎng)有關(guān)，波長(zhǎng)較短則功率較強(qiáng)。在高波長(zhǎng)區(qū)（超過(guò)1500nm），瑞利散射會(huì)持續(xù)減小，但紅外吸收的現(xiàn)象會(huì)出現(xiàn)，增加并導(dǎo)致了全部衰減值的增大。1550n

52、m波長(zhǎng)的OTDR具有最低的衰減性能，可以進(jìn)行長(zhǎng)距離的測(cè)試，高衰減的1310nm或1625nm波長(zhǎng)，OTDR的測(cè)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(gè)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(huì)有很強(qiáng)的背向散射光被反射回來(lái)。OTDR利用菲涅爾反射的信息來(lái)定位連接點(diǎn)，光纖終端或斷點(diǎn)，通過(guò)發(fā)射信號(hào)到返回信號(hào)所用的時(shí)間以與光在玻璃物質(zhì)中的速度，可以計(jì)算出距離。三、實(shí)驗(yàn)裝置：圖2：光纖時(shí)域反射測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置四、實(shí)驗(yàn)容與步驟：測(cè)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(cè)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(cè)G.652單模光纖末端連接一根FC/APC-PC光跳線。將函數(shù)信號(hào)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(hào)輸入端(MOD1)，同時(shí)使用三通將此信號(hào)連接至示波器的CH2輸入用于信號(hào)同步。將模擬接收器的輸出信號(hào)(COD.OUT)連接至示波器的CH1輸入，檢查無(wú)誤后打開系統(tǒng)電源時(shí)域反射法測(cè)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(hào)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(hào)。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(dòng)電流(Ic)至40.0mA。觀察光接收機(jī)監(jiān)控信號(hào)波形，記錄兩次反射脈沖前沿之間的時(shí)間間隔TR計(jì)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(duì)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(guò)于彎曲，除特殊測(cè)試外其曲率半徑應(yīng)大于30mm。實(shí)驗(yàn)五語(yǔ)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(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)的方式通常有兩種：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?hào)注入光源，獲得相應(yīng)的光信號(hào)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(duì)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(duì)強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)(IMDD)光波系統(tǒng)，并非一定要采用外調(diào)制方案，但在高速長(zhǎng)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(jiǎn)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(hào)的形式，光調(diào)制可分為模擬信號(hào)調(diào)制和數(shù)字信號(hào)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(hào)調(diào)制是直接用連續(xù)的模擬信號(hào)(如話音和視頻信號(hào))對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制，如圖1(a)所示，連續(xù)的模擬信號(hào)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(hào)的非線性失真。數(shù)字信號(hào)調(diào)制主要指PCM編碼調(diào)制，先將連續(xù)變化的模擬信號(hào)通過(guò)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(lái)表示信號(hào)，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(gè)光載波，然后通過(guò)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(wú)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(hào)。將微型攝像頭的視頻輸出信號(hào)連接至示波器CH1輸入，觀察并記錄視頻信號(hào)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(hào)調(diào)制。將模擬接收機(jī)輸出信號(hào)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(hào)波形與微型攝像頭的視頻輸出信號(hào)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(yǔ)音信號(hào)調(diào)制。將模擬接收機(jī)輸出信號(hào)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(gè)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(hào)，使用1310nm傳輸語(yǔ)音信號(hào)，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(duì)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(guò)于彎曲，除特殊

60、測(cè)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(qǐng)畫出系統(tǒng)光路。實(shí)驗(yàn)六摻鉺光纖放大特性參數(shù)測(cè)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(cè)量方法；二、實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)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(gè)重要里程碑。1986年英國(guó)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(hào)，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(hào)，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(gè)新的階段，其意義可與當(dāng)年用晶