【正文】 內(nèi)部距入射表面d處的光功率為P(d)=P(0)exp(αd)式中：P(0)為照射到材料表面的平均光功率；α為半導(dǎo)體材料的光吸收系數(shù)，α決定了入射光深入材料內(nèi)部的深度，如果α很大，則光子只能進入半導(dǎo)體表面的薄層中。如果輸入的光信號為光脈沖；則輸出的光電脈沖會產(chǎn)生較長的拖尾。負偏壓在勢壘區(qū)產(chǎn)生的電場與內(nèi)建場方向一致，使勢壘區(qū)電場增強，加強了漂移運動，而且N區(qū)的電子向正電極運動并被中和，P區(qū)的空穴向負電極運動并被中和，這樣耗盡層被加寬。在高摻雜P型和N型半導(dǎo)體之間生長一層本征半導(dǎo)體材料或低摻雜半導(dǎo)體材料，稱為I層。對于高摻雜的N型薄層，產(chǎn)生于其中的光生載流子將很快被復(fù)合掉，因此這一層僅是為了減少接觸電阻而加的附加層。因此耗盡層寬度W需在響應(yīng)速度和量子效率之間進行優(yōu)化。大于InGaAs的帶隙，～，～，幾微米的寬度就可以獲得較高響應(yīng)度。只有入射光的波長小于λc時，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)時間來表示。PIN光電二極管有非常寬的線性工作區(qū)，當入射光功率低于mW量級時，器件不會發(fā)生飽和。當反偏壓增大到一定值時，暗電流激增，發(fā)生了反向擊穿(即為非破壞性的雪崩擊穿，如果此時不能盡快散熱，就會變?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)部增益的光檢測器，它可以用來檢測微弱光信號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，電場在I區(qū)分布較弱，而在N+P區(qū)分布較強，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)生的電子空穴對稱為初級電子空穴對。圖4: APD的結(jié)構(gòu)及電場分布碰撞電離產(chǎn)生的雪崩倍增過程本質(zhì)上是統(tǒng)計性的，即為一個復(fù)雜的隨機過程。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。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(ηq／hf)量子效率只與初級光生載流子數(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。當反偏壓接近某一電壓VB時，電流倍增最大，此時稱APD被擊穿，電壓VB稱作擊穿電壓。APD的暗電流有初級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PIN光電二極管，記錄PIN檢測器輸出電流IPe. 計算PIN光電二極管響應(yīng)度四、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。實驗三　光纖無源器件參數(shù)測量一、實驗?zāi)康模?. 了解光纖無源器件的工作原理及相關(guān)特性；2. 掌握光纖無源器件特性參數(shù)的測量方法；二、實驗原理：光無源器件有很多種類，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理基于光纖的消逝場耦合的模式理論。光耦合器是一種光無源器件，該領(lǐng)域內(nèi)的一般技術(shù)術(shù)語對它也適用，同時，它還另有一些體現(xiàn)自身特點的參數(shù)。該值以分貝(dB)表示的數(shù)學(xué)表達式為:EL=1Olg(ΣPO/Pi)對于光纖耦合器，附加損耗是體現(xiàn)器件制造工藝質(zhì)量的指標，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技術(shù)術(shù)語，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其他光路中的光信號的隔離能力。從上述定義可知，隔離度對于分波耦合器的意義更為重大，要求也就相應(yīng)地要高些，實際工程中往往需要隔離度達到40dB以上的器件；而一般來說，合波耦合器對隔離度的要求并不苛刻，20dB左右將不會給實際應(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；不受偏振和波長的影響。這類開關(guān)的優(yōu)點是：開關(guān)時間短，達到毫微秒數(shù)量級甚至更低；體積小，便于光集成或光電集成。IL=1Olg(P1/P0)式中：P0為進入輸入端的光功率；P1為輸出端接收的光功率。回波損耗也與開關(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，計算光纖耦合器方向性DL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。六、思考題：如何借助于標準3dB耦合器測量待測光纖耦合器輸入端PORT1的回波損耗？請畫出測試光路，并寫出測試步驟和數(shù)據(jù)處理方法。圖1: 光纖時域反射測量測試波形OTDR使用瑞利散射和菲涅爾反射來表征光纖的特性。在高波長區(qū)（超過1500nm），瑞利散射會持續(xù)減小，但紅外吸收的現(xiàn)象會出現(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，光纖終端或斷點，通過發(fā)射信號到返回信號所用的時間以及光在玻璃物質(zhì)中的速度，可以計算出距離。d. 將模擬接收器的輸出信號()連接至示波器的CH1輸入，檢查無誤后打開系統(tǒng)電源2. 時域反射法測定單模光纖斷點位置a. 設(shè)置COD模式為ARX，量程(PD1RTO)至100uA檔。d. 觀察光接收機監(jiān)控信號波形，記錄兩次反射脈沖前沿之間的時間間隔TRe. 計算單模光纖斷點位置(n=)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。實驗五　語音、圖像光纖傳輸及波分復(fù)用（WDM）一、實驗?zāi)康模?. 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、實驗原理：將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘柕姆绞酵ǔＳ袃煞N：直接調(diào)制和間接調(diào)制。直接調(diào)制技術(shù)具有簡單、經(jīng)濟和容易實現(xiàn)等優(yōu)點，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)字信號調(diào)制主要指PCM編碼調(diào)制，先將連續(xù)變化的模擬信號通過取樣、量化和編碼，轉(zhuǎn)換成一組二進制脈沖代碼，用矩形脈沖的1碼、0碼來表示信號，如圖1(b)和(c)所示。三、實驗裝置：圖2：光纖通信及波分復(fù)用實驗裝置示意圖四、實驗內(nèi)容：1. 按圖2所示結(jié)構(gòu)進行實驗系統(tǒng)連接，檢查無誤后打開系統(tǒng)電源2. 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。d. ，微調(diào)LD2偏置電流(Ic)，使得監(jiān)視器圖像有最小失真。b. 微調(diào)LD1偏置電流(Ic)，使得監(jiān)視器聲音輸出有最小失真。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。在此之前，由于不能直接放大光信號，所有的光纖通信系統(tǒng)都只能采用光電光中繼方式。摻鉺光纖放大器的意義不僅在于可進行全光中繼，它還在多方面推動了光纖通信的發(fā)展，引起了光纖通信的革命性變革。這極大地降低了設(shè)備成本，提高了傳輸質(zhì)量。EDFA細長的纖形結(jié)構(gòu)使得有源區(qū)能量密度很高，光與物質(zhì)的作用區(qū)很長，有利于降低對泵浦源功率的要求。光隔離器的作用是防止反射光對光放大器的影響，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。在激光放大器和激光器中一樣，存在著自發(fā)輻射。放大器是用來放大輸入光信號的，自發(fā)輻射與光信號伴生卻毫無益處。圖2為加入1536nm和不加入1536nm信號光時的輸出光譜,可以看出放大器自發(fā)輻射對系統(tǒng)性能有很大的影響。圖3(a)用泵浦光功率P做參變量，給出了增益G(dB)與光纖長度l之間的關(guān)系曲線。因而就放大器的總增益而言，存在一最佳的光纖長度。因此在給定的摻鉺光纖的情況下，應(yīng)選合適的泵浦功率與光纖長度，進行優(yōu)化設(shè)計。增益譜的尖銳程度及帶寬對光纖芯子的摻雜情況十分敏感。即使摻鉺光纖放大器芯子的組分相同，不同放大器的增益譜也會有所差別，這是因為增益譜還與光纖長度有關(guān)的原故。通常在小信號線性放大工作區(qū)，放大過程中基本不產(chǎn)生波形失真，但是在大信號飽和放大工作區(qū)運用時，由于增益飽和或增益壓縮的影響，將導(dǎo)致輸出波形的失真，這種現(xiàn)象稱為增益圖形效應(yīng)或簡稱圖形效應(yīng)。圖5：EDFA響應(yīng)特性三、實驗裝置：圖6：摻鉺光纖放大器實驗裝置示意圖四、實驗內(nèi)容：1. 實驗裝置連接按圖示光路連接實驗裝置，將實驗儀主機背板通訊接口用串行通訊電纜連接至計算機主機COM1口，打開實驗儀主機電源后再運行計算機上的測試軟件。COD模式置于ARX，量程置于10mA檔。g. 觀察摻鉺光纖受激自發(fā)輻射特性(ASE)。測量鹵素光源輸出光譜，波長范圍15201650nm。e. 設(shè)置LD2工作模式(MOD)為恒流模式(ACC)，驅(qū)動電流(Ic)置為200mAf. 測量EDFA輸出光譜，波長范圍15201650nm。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。在不改變原有的噪聲特性和誤碼率前提下，可以直接放大數(shù)字、模擬或者二者的混合數(shù)據(jù)格式。4. 光纖激光器可以作為光孤子源?？烧{(diào)諧光纖光柵是光纖器件，用光纖光柵作為調(diào)諧裝置能與光纖兼容，可有效克服用非光纖調(diào)諧方法所造成的插入損耗問題。2. 光纖激光器Po~Pp曲線測量a. 連接光纖激光器輸出端至光功率計OPM，OPM量程置1mW檔。c. 設(shè)置LD2工作模式(MOD)為恒流模式(ACC)，驅(qū)動電流(Ic)置為300mAd. 測量光纖激光器輸出光譜，波長范圍15401580nm。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。光纖光柵型傳感器除了光纖傳感器的基本優(yōu)點之外，還具有分辨率高、重復(fù)性好、穩(wěn)定性高、測量動態(tài)范圍大，可以進行絕對測量，不必考慮光源強度的隨機起伏波動，對光路的損耗不敏感，能滿足多參量、復(fù)用式、陣列式、分布式傳感的要求?！　”緦嶒灉y量用光纖光柵作溫度傳感時的定標曲線。b. 將1550nm激光器控制端口連接至LD1，將光纖光柵溫度傳感器控制端口連接至LD2。d. 將光譜分析器功率探頭輸出連接至PD，OPMMOD置PD/mW，量程(OPMRTO)置100uW檔。b. 求光纖光柵溫度傳感器定標關(guān)系式五、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。實驗九　單模光纖損耗特性和截止波長測量一、實驗?zāi)康模?. 了解單模光纖的工作原理及相關(guān)特性；2. 掌握階躍型光纖截止波長的測量方法；二、實驗原理簡介：1．光纖的結(jié)構(gòu)與導(dǎo)波特性光纖是一種高度透明的玻璃絲，由純石英經(jīng)復(fù)雜的工藝拉制而成，從橫截面上看基本由3部分組成，即折射率較高的芯區(qū)，折射率較低的包層和表面涂層。圖1：階躍光纖(a)與漸變光纖(b)的橫截面和折射率分布圖2：光在光纖中的傳播途徑圖2所示為階躍光纖剖面，入射光在纖芯和包層的界面發(fā)生全反射，所有滿足全反射條件的光線都將被限制在纖芯中，這是光纖約束和導(dǎo)引光傳輸?shù)幕緳C制。圖3：漸變光纖中的光線軌跡光纖是光纖通信的傳輸媒質(zhì)，用石英材料制成，屬于介質(zhì)波導(dǎo)，可將光線限制在光纖芯子中傳播。吸收損耗與光纖材料有關(guān)，散射損耗則與光纖材料及光纖中的結(jié)構(gòu)缺陷有關(guān)，而輻射損耗則由光纖幾何形狀的微觀和宏觀擾動引起。目前，／km，／km，已接近光纖固有損耗的極限。對于一定波長的光，它在光纖內(nèi)傳輸時包含哪些模式，取決于光纖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(nna和b的數(shù)值)。圖4：光纖彎曲損耗與波長的關(guān)系光纖彎曲時，在光纖內(nèi)傳輸?shù)墓庥幸徊糠州椛涞焦饫w之外，光纖內(nèi)導(dǎo)波的強度將發(fā)生衰減。三、實驗裝置：圖2　光纖截止波長測量實驗裝置圖四、實驗內(nèi)容：1. 實驗裝置連接a. 按圖示光路連接實驗裝置，溴鎢燈電源連接至LVS輸出，緩慢增加LVS輸出電壓至12Vb. 將實驗儀主機背板通訊接口用串行通訊電纜連接至計算機主機COM1口，打開實驗儀主機電源后再運行計算機上的測試軟件。d. 將此光譜設(shè)為損耗譜計算基準。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。色散導(dǎo)致光脈沖產(chǎn)生相當大的展寬(約10us/km)，引起相鄰脈沖發(fā)生重疊，影響光纖的帶寬，從而限制光纖的傳輸容量和傳輸距離。它是纖芯材料的折射率隨波長變化而引起的，這使得一個給定模式的群速度產(chǎn)生對波長的依賴關(guān)系。如果在很寬的頻帶內(nèi)能同時得到低損耗和低色散，則可充分發(fā)揮光纖的寬帶潛力，擴展其傳輸容量。相移法測試裝置見圖2。光檢測器應(yīng)適合于測試的信噪比和時間分辨率，必要時可接低噪聲放大器。三、實驗裝置：圖3：脈沖時延法光纖色散測量實驗光路圖四、實驗內(nèi)容及步驟：1. 測試光路準備a. 按圖3所示結(jié)構(gòu)連接實驗裝置。調(diào)節(jié)示波器同步CH1輸入，上升沿出發(fā)，觀察到穩(wěn)定的脈沖調(diào)制信號。f. ，記錄此時示波器的CH2脈沖波形與CH1脈沖波形的延時ΔT ?？罩玫墓饫w連接器端子必須插上護套。介質(zhì)的非線性效應(yīng)，其起因與施加到介質(zhì)上的場的影響下束縛電子的非諧振運動有關(guān)，結(jié)果導(dǎo)致電偶極子的極化強度P隨電場E的非線性變化，并滿足通常的關(guān)系:P=ε0[χ(1)然而，χ(2)只在某些分子結(jié)構(gòu)非