【正文】 為插入損耗，它是衡量光纖連接器質(zhì)量的主要技術(shù)指標之一。空置的光纖連接器端子必須插上護套。 偏壓不可以大于 56V，否則 PIN 管及易燒毀。而渡越時間的影響相對比較大，其余因素可通過改進結(jié)構(gòu)設(shè)計使影響減至很小。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。 在低偏壓下 APD 沒有倍增效應(yīng)。當光功率達到幾 uw 以上時，輸出電流和入射光功率之間的線性關(guān)系變壞，能夠達到的最大倍增增益也降低了，即產(chǎn)生了飽和現(xiàn)象。 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 空穴對的隨機性和在增益區(qū)產(chǎn)生二次電子 空穴對的隨機性。由于雪崩倍增過程是一個隨機過程，因而倍增因子是在一個平均之上隨機起伏的量，雪崩倍增因子 M 的定義應(yīng)理解為統(tǒng)計平均倍增因子。因此與 PIN 光電二極管相比， APD 的特性較為復(fù)雜。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。當入射光照射時，由于雪崩區(qū)較窄，不能充分吸收光子，相當多的光子進入了 I 區(qū)。 APD 工作在大的反偏壓下，當反偏壓加大到某一值后，耗盡層從 N+P 結(jié)區(qū)一直擴展 (或稱拉通 )到 P+區(qū)，包括了中間的 P 層區(qū)和 I區(qū)。 當 PN 結(jié)上加高的反偏壓時，耗盡層的電場很強，光生載流子經(jīng)過時就會被電場加速，當電場強度足夠高 (約 3x105V／ cm)時，光生載流子獲得很大的動能，它們在高速運動中與半導(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。 SiPIN 的典型擊穿電壓值為 100 多伏。它主要由 PN 結(jié)內(nèi)熱效應(yīng)產(chǎn)生的電子一空穴對形成。響應(yīng)速度主要受光生載流子的擴散時間、光生載流子通過耗盡層的渡越時間及其結(jié)電容的影響。R 的單位為 A／ W。 11 當入射光波長遠遠小于截止波長時，光電 轉(zhuǎn)換效率會大大下降。 圖 3： InGaAs PIN 光電二極管的結(jié)構(gòu) PIN 光電二極管的主要特性包括波長響應(yīng)范圍、響應(yīng)度、量子效率、響應(yīng)速度、線性飽和、擊穿 電壓和暗電流等。在光纖通信系統(tǒng)的應(yīng)用中，常采用 InGaAs 材料制成 I 區(qū)和 InP 材 料制成 P 區(qū)及 N區(qū)的 PIN 光電二極管，圖 3 為它的結(jié)構(gòu)。由于σ cr 增大， PIN 的響應(yīng)速度將會下降。由于 I 層有較高的電阻，因此電壓基本上降落在該區(qū)，使得耗盡層寬度 W 可以得到加寬，并且可以通過控制 I 層的厚度來改變。 2. 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。給 PN 結(jié)加負偏壓有助于加寬耗盡層。由于在作用區(qū)內(nèi)，光生少數(shù)載流子的擴散速度較慢，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。 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。這一現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。另外，耗盡層外的光生少數(shù)載流子會發(fā)生擴散運動： P 區(qū)中的光生電子向 N 區(qū)擴散； N 區(qū)中的光生空穴向 P 區(qū)擴散。如果光子能量 hf≥ Ke 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。 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?？罩玫墓饫w連接器端子必須插上護套 。常用的有 PIN光電二極管和 APD 光電二極管，后者有放大作用。當注入電流為時變電流對激光器進行調(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 7 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，又稱線寬增強因子。當注入電流增大，因而光子數(shù) P 增大時，增益 G 出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，飽和的物理機制源于空間燒孔、譜燒孔、載流子加熱和雙光子吸收等因素。 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。激光二極管的波長可以定義為它的光譜的統(tǒng)計加權(quán)。 (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。功率效率定義為發(fā)光功率和輸入電功率之比，以η ω 表示。在 Ith 以上，光功率 P 隨 I 線性增加。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。 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 30％ — 50％ )，輻射光譜線窄 (Δλ=)，適用于高比特工作，載流子復(fù)合壽命短，能進行高速 (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。 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)體晶體內(nèi)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。 1995年，法國的實驗室則將 20Gb／ s 的數(shù)據(jù)傳輸 106km，中繼距離達 140km。 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，已取得突破性進展。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。后來，工作波長為 的摻鉺光纖放大器問世，又使這一波長具有更重要的意義。石英光纖最低損耗在 附近，實驗技術(shù)上于 1979 年就達到了 ／ km 的低損耗，然而由于 處光纖色散較大，以及當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 3 問世。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。這一代光通信以 1977 年美國芝加哥進行的碼速率為 ／ s 的現(xiàn)場實驗為標志。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。 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)玻璃有限公司制成了衰減為 20dB／ km 的低損耗石英光纖，該工藝理論由英國標準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 驗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，這兩項科學(xué)成就為光纖通信的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。但貝爾的光話始終未走上實用化階段。 光纖通信與光電子技術(shù)實驗 指導(dǎo)書 1 目 錄 引 言 ............................................................................................................................. 2 實驗一 半導(dǎo)體 激光器 PI 特性參數(shù) 測量 .......................................................................... 4 實驗二 半導(dǎo)體光電檢測器參數(shù)測量 ................................................................................ 8 實驗三 光纖 無源器件 參數(shù)測量 ..................................................................................... 15 實驗 四 光纖時域反射測量 (OTDR) ................................................................................. 20 實驗 五 語音、圖像光纖傳輸 及波分復(fù)用 （ WDM） .......................................................... 22 實驗 六 摻鉺光纖放大 (EDFA) ........................................................................................ 25 實驗 七 光纖激光器參數(shù)測量 ........................................................................................ 30 實驗 八 光纖光柵溫度傳感與測量 ................................................................................. 32 實驗 九 單模光纖損耗特性和 截止波長測量 ................................................................... 34 實驗 十 光纖色散測量 ................................................................................................... 38 實驗 十 一 光纖非彈性散射及喇曼放大 (FRA) ................................................................. 41 實驗 十 二 電吸收調(diào)制（ EAM） ...................................................................................... 46 實驗 十三 半導(dǎo)體激光器光譜測量與模式分析 ................................................................ 48 實驗 十四 光纖馬赫任德干涉測量 ................................................................................. 54 實驗 十五 液晶顯示器（ LCD）電光特性曲線測量 .......................................................... 57 實驗 十 六 輝光放電與等離子體顯示（ PDP） ................................................................ 62 實驗 十七 多堿光電陰極光譜響應(yīng)與極限電流密度測量 .................................................. 67 實驗 十八 微光像增強器電子透鏡調(diào)節(jié)與增益測量 ......................................................... 71 實驗 十九 CCD 信號采集與處理 .................................................................................... 75 實驗二 十 CCD 光電攝像系統(tǒng)特性測量 ......................................................................... 79 實驗二 十一 陰極射 線顯像管（ CRT）電子聚焦與偏轉(zhuǎn) .................................................... 83 實驗二 十二 MEMS 微鏡與 DLP 投影 ............................................................................. 91 實驗二 十三 有機發(fā)光器件（ OLED）參數(shù)測量 ............................................................... 94 2 引 言 光通信技術(shù)是當代通信技術(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，是信息時代來臨的主要物質(zhì)基礎(chǔ)之一。 1881 年，他發(fā)表了論文（關(guān)于利用光線進行聲音的復(fù)制 與產(chǎn)生）。這種情況一直延續(xù)到本世紀 60 年代?，F(xiàn)在，光纖通信的新技術(shù)仍在不斷涌現(xiàn)，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，成本不斷下降，顯示了這一技術(shù)的強大生命力和廣闊應(yīng)用前景。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)。由于多模光纖的模間色散，使得系統(tǒng)的比特率限制在 100Mb／ s 以下。 第三代光纖通信的工作波長為 。通過精心設(shè)計激光器和光接收機，其比特率能超過 l0Gb／ s。在另一次試驗中，單信道速率 ／ s，不用再生器，光纖損耗用光纖放大器 (EDFA)補償，放大器間距為 80km，傳輸距離達 2223km。 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。 1992 年在美國與英國的實驗室，采用循環(huán) 回路曾將 5Gb／ s的數(shù)據(jù)傳輸 10000km以上。 4 實驗一 半導(dǎo)體激光器 PI 特性曲線測量 一、實驗?zāi)康模? 1. 了解半導(dǎo)體光源和光電探測器的物理基礎(chǔ)； 2.