【正文】 00km。有的實(shí)驗(yàn)室曾使用常規(guī)非相干技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了 ／ s， 4500km 和 10Gb／ s， 1500km 的數(shù)據(jù)傳輸。 第四代光纖通信系統(tǒng)以采用光放大器 (OA)增加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 80 年代， 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 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)。一個(gè)實(shí)驗(yàn)室于 1981 年演示了比特率為 2Gb／ s，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 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) ／ s，中繼距離 約 50km。 第二代光纖通信的工作波長(zhǎng)為 ，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 。經(jīng)過 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。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)用遍及長(zhǎng)途干線、海底通信、局域網(wǎng)、有線電視等各領(lǐng)域。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(wú)法得到高質(zhì)量的光通信。 現(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。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。其發(fā)展速度之快，應(yīng)用范圍之廣，規(guī)模之大，涉及學(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。 第一代光纖通信的工作波長(zhǎng)為 ，屬短波長(zhǎng)波段，傳輸光纖用多模光纖。早期的 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 (InGaAsP／ InP)半導(dǎo)體激光器，光電探測(cè)器采用鍺 (Ge)材料，其中繼距離超過了 20km。第二代光纖通信系統(tǒng)的應(yīng)用推動(dòng)了 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。 1985年的傳輸試驗(yàn)顯示，其比特率達(dá)到 4Gb／ s，中繼距離超過 100km。在一次試驗(yàn)中利用星形耦合器實(shí)現(xiàn) 100路 622Mb／ s數(shù)據(jù)復(fù)用，傳輸距離 50km，其信道間串音可以忽略。另一實(shí)驗(yàn)曾使用循環(huán)回路實(shí)現(xiàn)了 ／ s， 21000km 和 5Gb／ s， 14000km 數(shù)據(jù)傳輸。 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。 1994 年和 1995年 80Gb／ s和 160Gb／ s 的高速數(shù)據(jù)也分別傳輸 500km 和 200km。 )，常用于低速、短距離光波系統(tǒng)。在半導(dǎo)體激光器中，這個(gè)條件是通過向 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)正向偏置下超過帶隙實(shí)現(xiàn)的。 LED 是自發(fā)輻射光，所以 PI 曲線的線性范圍較大。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。內(nèi)量子效率定義為單位時(shí)間內(nèi)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。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λ P的 變化可以求出LED 的波長(zhǎng)溫度系數(shù)。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。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。這些因素導(dǎo)致 P 增大時(shí) G 的減小。光纖通信所用的光電探測(cè)器是半導(dǎo)體光電二極管。 三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟： 1. 1550nm FP 半導(dǎo)體激光器 PI 特性曲線測(cè)量 a. 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 b. 設(shè)置 OPM 工作模式為 OPM/mW 模式，量程 (RTO)切換至 1mW c. 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 d. 緩慢增加激光器驅(qū)動(dòng)電流， 0 至 30mA 每隔 測(cè)一個(gè)點(diǎn)，作 P～ I 曲線 2. 求 1550nm FP 半導(dǎo)體激光器閾值電流 四 、注意事項(xiàng) ： 1. 系統(tǒng)上電后禁止將光纖連接器對(duì)準(zhǔn)人眼，以免灼傷。 8 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? 1. 了解半導(dǎo)體光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)； 2. 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； 3. 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)。 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)。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。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，繼而在內(nèi)建場(chǎng)的作用下分別快速漂移到對(duì)方區(qū)域?；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(huì)出現(xiàn)信號(hào)電流。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)；耗盡層及其兩側(cè)寬度為載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度的區(qū)域稱為作用區(qū)。 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。 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(shí)間、減少在 P區(qū)和 N區(qū)被吸收的光能以及降低半導(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。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： 10 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)的耗盡層的寬度。 要使入射光功率有效地轉(zhuǎn)換成光電流，首先 必須使入射光能在耗盡層內(nèi)被吸收，這要求耗盡層寬度 W 足夠?qū)挕? 如采用類似于半導(dǎo)體激光器中的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，則 PIN 的性能可以大為改善。在器件的受光面一般要鍍?cè)鐾改ひ詼p弱光在端面上的反射。只有入射光的波長(zhǎng)小于λ c時(shí)，光電二極管才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。 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)速度通常用響應(yīng)時(shí)間來 表示。 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。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 )。 3. 雪崩光電二極管 雪崩光電二極管 APD— Avalanche Photodiode 是具有內(nèi)部增益的光檢測(cè)器，它可以用來檢測(cè)微弱光信號(hào)并獲得較大的輸出光電流。 圖 4 為 APD 的一種結(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)。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 空穴對(duì)。 圖 4: APD 的結(jié)構(gòu)及電場(chǎng)分布 碰撞電離產(chǎn)生的雪崩倍增過程本質(zhì)上是統(tǒng)計(jì)性的，即為一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)過程。 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。 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。 13 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=M(IP/P)=M(η q／ hf) 量子效率只與初級(jí)光生載流子數(shù)目有關(guān)，不涉及倍增問題，故量子效率值總是小于 1。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。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。 APD 的暗電流有初級(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，漏電流沒有經(jīng)過倍增。 b. OPMMOD 置 PD/AM 檔， OPMRTO 置 100nW 檔。 d. 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 e. 計(jì)算 PIN 光電二極管響應(yīng)度 四 、注意事項(xiàng) ： 1. 系統(tǒng)上電 后禁止將光纖連接器對(duì)準(zhǔn)人眼，以免灼傷。 15 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? 1. 了解光纖無(wú)源器件的工作原理及相關(guān)特性； 2. 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。光纖耦合器的耦合機(jī)理基于光纖的消逝場(chǎng)耦合的模式理論。 光耦合器是一種光無(wú)源器件，該領(lǐng)域內(nèi)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)。該值以分貝 (dB)表示的數(shù)學(xué)表達(dá)式為 : EL=1Olg(Σ 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程帶來的固有損耗；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。 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)。它定義為在器件的工作帶寬范圍內(nèi) ，各輸出端口輸出光功率的最大變化量。 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。 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；而一般來說，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)用帶來明顯不利的影響。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)以及精密光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)中將帶來有害的影響。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連接器。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。這類開關(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。 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?；夭〒p耗也與開關(guān)的狀態(tài)有關(guān)。 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。 ERnm=ILnmIL0nm 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。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) ： 19 1. 系統(tǒng)上電后禁止將光纖連接器對(duì)準(zhǔn)人眼，以免灼傷。 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。 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表征光纖的特性。在高波長(zhǎng)區(qū)（超過 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。 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(hào)到返回信號(hào)所用的時(shí)間以及光在玻璃物質(zhì)中的速度，可以計(jì)算出距離。 d. 將 模擬接收器 的輸出信號(hào) ()連接至示波器的 CH1 輸入，檢查無(wú)誤后打開系統(tǒng)電源 2. 時(shí)域反射法測(cè)定單模光纖斷點(diǎn)位置 a. 設(shè)置 COD 模式為 ARX， 量程 (PD1RTO)至 100uA 檔。 d. 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 e. 計(jì)算單模光纖斷點(diǎn)位置 (n=) 五、注意事項(xiàng) ： 1. 系統(tǒng)上電后禁止將光纖連接器對(duì)準(zhǔn)人眼，以免灼傷。 22 實(shí)驗(yàn) 五 語(yǔ)音、圖像 光纖 傳輸 及波分復(fù)用 （ WDM） 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? 1. 了解 光纖模擬通信和數(shù)字通信的工作原理 ； 2. 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。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(hào)，如圖 1(b)和 (c)所示。 三、實(shí)驗(yàn)裝置： 23