【正文】 。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^。六、思考題：如何使用兩套設(shè)備在一根單模光纖中進(jìn)行雙向可視電話傳輸？請(qǐng)畫出系統(tǒng)光路。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。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(hào)調(diào)制。a. 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。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，然后通過同一根光纖傳輸，實(shí)現(xiàn)多層復(fù)用。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。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)。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(shí)驗(yàn)裝置：圖2：光纖時(shí)域反射測量實(shí)驗(yàn)裝置四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟：1. 測試光路準(zhǔn)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(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。瑞利散射是由于光信號(hào)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(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。 實(shí)驗(yàn)四　光纖時(shí)域反射測量（OTDR）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?. 了解光波系統(tǒng)中光信號(hào)的傳輸特性；2. 掌握光纖時(shí)域反射法的工作原理和測量方法；二、實(shí)驗(yàn)原理：光纖時(shí)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(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)刻起測量。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。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(shí)間較長，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(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。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(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)的敏感程度的參量，俗稱偏振靈敏度。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。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(duì)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(shí)現(xiàn)光信號(hào)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(gè)點(diǎn)，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(shí)間，載流子越過耗盡層所需的渡越時(shí)間以及二極管結(jié)電容和負(fù)載電阻的RC時(shí)間常數(shù)等因素。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越不敏感。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。APD的線性工作范圍沒有PIN寬，它適宜于檢測微弱光信號(hào)。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(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。在電場的作用下，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。盡管I區(qū)的電場比N+P區(qū)低得多，但也足夠高(可達(dá)2x104V／cm)，可以保證載流子達(dá)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(jìn)行了重?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)。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(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，這一電流稱為PIN光電二極管的暗電流。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)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?cè)鐾改ひ詼p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(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。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(kuò)散長度的區(qū)域稱為作用區(qū)。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。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，繼而在內(nèi)建場的作用下分別快速漂移到對(duì)方區(qū)域。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。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，或稱作勢壘區(qū)。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?. 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(shí)驗(yàn)原理：光檢測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)。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(dòng)(ACC)，1550nm激光器為恒定電流工作模式，驅(qū)動(dòng)電流(Ic)置為0d. 緩慢增加激光器驅(qū)動(dòng)電流，作P～I(xiàn)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。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(shí)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(shí)(3dB)的頻率就是LED的調(diào)制帶寬。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。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(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。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(duì)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(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。)，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(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。／s，21000km和5Gb／s，14000km數(shù)據(jù)傳輸。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。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。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(xiàng)新技術(shù)所不能與之相比的。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。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(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。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(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。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)，／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(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。有的實(shí)驗(yàn)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(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到6000km。1995年線形光孤子系統(tǒng)試驗(yàn)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(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(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(qiáng)度最大處所對(duì)應(yīng)的波長為發(fā)光峰值波長λP，光譜曲線上兩個(gè)半光強(qiáng)點(diǎn)所對(duì)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(shí)，光譜內(nèi)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λP ，對(duì)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(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)。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(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。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