【正文】 。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^。六、思考題：如何使用兩套設(shè)備在一根單模光纖中進行雙向可視電話傳輸？請畫出系統(tǒng)光路。五、注意事項：1. 系統(tǒng)上電后禁止將光纖連接器對準人眼，以免灼傷。3. 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。a. 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。光波分復(fù)用(WDM)是在光域進行的多信道復(fù)用方案，這種復(fù)用方案可用獨立的電比特流，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，實現(xiàn)多層復(fù)用。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。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，是一種光強度調(diào)制(IM)。2. 光纖連接器陶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。b. 設(shè)置SIG工作模式為脈沖模式(PUS)。三、實驗裝置：圖2：光纖時域反射測量實驗裝置四、實驗內(nèi)容及步驟：1. 測試光路準備a. 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（）、單模光纖耦合器、。1550nm波長的OTDR具有最低的衰減性能，可以進行長距離的測試，高衰減的1310nm或1625nm波長，OTDR的測試距離受到限制。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。 實驗四　光纖時域反射測量（OTDR）一、實驗?zāi)康模?. 了解光波系統(tǒng)中光信號的傳輸特性；2. 掌握光纖時域反射法的工作原理和測量方法；二、實驗原理：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)。2. 光纖連接器陶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。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。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。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。插入損耗與開關(guān)的狀態(tài)有關(guān)。不足之處是插入損耗大，隔離度低，只有20dB左右。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。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)或儀器以及光纖傳感系統(tǒng)，起到開關(guān)切換作用。為了消除這些影響，需要在激光器與光纖之間加光隔離器。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，對利用光纖頻帶資源，擴展通信系統(tǒng)容量具有重要意義。隔離度高，也就意味著線路之間的“串話(crosstalk)小。其數(shù)學(xué)表達式為: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)的敏感程度的參量，俗稱偏振靈敏度。以標準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光功率的比較值，以分貝(dB)為單位的數(shù)學(xué)表達式為: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。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，這是與其他無源器件不同的地方。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。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。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，實現(xiàn)光信號的平滑無損或低損連接。2. 光纖連接器陶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。c. 由0V開始慢慢增加HVS輸出電壓，每隔2V測一個點，至56V結(jié)束，作Ir～Vr曲線，求PIN光電二極管反向擊穿電壓。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及二極管結(jié)電容和負載電阻的RC時間常數(shù)等因素。如果反偏壓進一步提高，則雪崩擊穿電流使器件對光生載流子變的越來越不敏感。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。APD的線性工作范圍沒有PIN寬，它適宜于檢測微弱光信號。倍增噪聲是APD中的主要噪聲。從定義可見，倍增因子是APD的電流增益系數(shù)。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，這些都是隨機的。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。盡管I區(qū)的電場比N+P區(qū)低得多，但也足夠高(可達2x104V／cm)，可以保證載流子達到飽和漂移速度。外側(cè)與電極接觸的P區(qū)和N區(qū)都進行了重摻雜，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)。雪崩光電二極管能夠獲得內(nèi)部增益是基于碰撞電離效應(yīng)。發(fā)生反向擊穿的電壓值稱為反向擊穿電壓。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。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)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。；，、。在器件的受光面一般要鍍增透膜以減弱光在端面上的反射。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。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)?。在半?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)的耗盡層的寬度。除了加負偏壓的方法外，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散時間、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。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。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)寬度為載流子擴散長度的區(qū)域稱為作用區(qū)?；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。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)域擴散速率較慢，只有小部分能擴散到耗盡層，繼而在內(nèi)建場的作用下分別快速漂移到對方區(qū)域。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。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、負電荷的離子組成的耗盡層，或稱作勢壘區(qū)。實驗二　半導(dǎo)體光電檢測器參數(shù)測量一、實驗?zāi)康模?. 了解半導(dǎo)體光電檢測器件的物理基礎(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)體光電檢測器件特性參數(shù)的測量方法；二、實驗原理：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。三、實驗內(nèi)容及步驟：1. 1550nm FP半導(dǎo)體激光器PI特性曲線測量a. 將1550nm半導(dǎo)體激光器控制端口連接至主機LD1，光輸出連接至主機OPM端口，檢查無誤后打開電源b. 設(shè)置OPM工作模式為OPM/mW模式，量程(RTO)切換至1mWc. 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0d. 緩慢增加激光器驅(qū)動電流，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：1. 系統(tǒng)上電后禁止將光纖連接器對準人眼，以免灼傷。光纖通信所用的光電探測器是半導(dǎo)體光電二極管。這些因素導(dǎo)致P增大時G的減小。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。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。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λP的變化可以求出LED的波長溫度系數(shù)。內(nèi)量子效率定義為單位時間內(nèi)輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子數(shù)與注入PN結(jié)的電子空穴對數(shù)之比。如圖2所示，將閾值前與后的兩段直線分別延長并相交，其交點所對應(yīng)的電流即為閾值電流Ith。LED是自發(fā)輻射光，所以PI曲線的線性范圍較大。在半導(dǎo)體激光器中，這個條件是通過向P型和N型限制層重摻雜使費密能級間隔在PN結(jié)正向偏置下超過帶隙實現(xiàn)的。)，常用于低速、短距離光波系統(tǒng)。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。EDFA用于光孤子放大開始于1989年，它在工程實際中有更大的優(yōu)點，自那以后，國際上一些著名實驗室紛紛開始驗證光孤子通信作為高速長距離通信的巨大潛力。／s，21000km和5Gb／s，14000km數(shù)據(jù)傳輸。在一次試驗中利用星形耦合器實現(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。1985年的傳輸試驗顯示，其比特率達到4Gb／s，中繼距離超過100km。廣泛地用于長途干線和跨洋通信中。相應(yīng)的光源是長波長銦鎵砷磷／銦磷(InGaAsP／InP)半導(dǎo)體激光器，光電探測器采用鍺(Ge)材料，其中繼距離超過了20km。，屬短波長波段，傳輸光纖用多模光纖。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)，是此前任何一項新技術(shù)所不能與之相比的。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。他以日光為光源，大氣為傳輸媒質(zhì)，傳輸距離是200m?，F(xiàn)代光通信是從1880年貝爾發(fā)明‘光話’開始的。究其原因有二：一是沒有可靠的、高強度的光源；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。此后，光纖通信以令人眩目的速度發(fā)展起來，70年代中期即進入了實用化階段，其應(yīng)用遍及長途干線、海底通信、局域網(wǎng)、有線電視等各領(lǐng)域。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。，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。一個實驗室于1981年演示了比特率為2Gb／s，傳輸距離為44km的單模光波實驗系統(tǒng)，并很快引入商業(yè)系統(tǒng)，／s，中繼距離約50km。在80年代，(DSF)與單縱模激光器這兩種技術(shù)都得到了發(fā)展。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。有的實驗室曾使用常規(guī)非相干技術(shù)，／s，4500km和10Gb／s，1500km的數(shù)據(jù)傳輸。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)實驗室采用受激喇曼散射增益補償光纖損耗，將數(shù)據(jù)傳輸了4000km，次年又將傳輸距離延長到6000km。1995年線形光孤子系統(tǒng)試驗也將20Gb／s的數(shù)據(jù)傳輸8100km，40Gb／s傳輸5000km。LED為非相干光源，具有較寬的譜寬(30～60nm)和較大的發(fā)射角(≈100176。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。(1) LED和LD的PI特性與發(fā)光效率：圖1是LED和LD的PI特性曲線。圖1：LD和LED的PI特性曲線 (a) LD的PI特性曲線 (b) LED的PI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)，本實驗采用兩段直線擬合法對其進行測定。量子效率分為內(nèi)量子效率和外量子效率。發(fā)光光譜曲線上發(fā)光強度最大處所對應(yīng)的波長為發(fā)光峰值波長λP，光譜曲線上兩個半光強點所對應(yīng)的波長差Δλ為LED譜線寬度(簡稱譜寬)，其典型值在3040nm之間。在規(guī)定輸出光功率時，光譜內(nèi)若干發(fā)射模式中最大強度的光譜波長被定義為峰值波長λP ，對諸如DFB、DBR型LD來說，它的λP相當(dāng)明顯。調(diào)制頻率或調(diào)制帶寬是光通信用LED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)內(nèi)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)。譜燒孔也稱帶內(nèi)增益飽和。2．PIN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。在短波長采用硅材料，在長波長采用鍺材料或InGaAsP材料。3. 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。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。這一過程稱為光吸收。在擴散的同時，一部分光生少數(shù)載流子將被多數(shù)載流子復(fù)合掉。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)。半導(dǎo)體