【正文】 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。 3. 光纖激光器和光纖放大器與現(xiàn)有的光纖器件 (如耦合器、偏振器和調(diào)制器 )完全相容，可以制作出完全由光纖器件組成的全光纖傳輸系統(tǒng)。 實驗裝置如圖 2 所示 。 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. 設置 LD2 工作模式 (MOD)為恒流 模式 (ACC)， 驅動電流 (Ic)置為 300mA d. 測量 光纖激光器輸出光譜，波長范圍 15401580nm，波長間隔 ?？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。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。 e. 設置 LD2 工作模式 (MOD)為恒流 模式 (ACC)， 驅動電流 (Ic)置為 200mA f. 測量 EDFA 輸出光譜，波長范圍 15201650nm，波長間隔 。 g. 觀察摻鉺光纖受激自發(fā)輻射特性 (ASE)。 圖 5： EDFA 響應特性 三、實驗裝置： 28 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。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的原故。因此在給定的摻鉺光纖的情況下，應選合適的泵浦功率與光纖長度，進行優(yōu)化設計。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之間的關系曲線。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。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。這極大地降低了設備成本，提高了傳輸質量。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。 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。 三、實驗裝置： 23 圖 2：光纖通信及波分復用實驗裝置示意圖 四、實驗內(nèi)容： 1. 按圖 2 所示結構進行實驗系統(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。 直接調(diào)制技術具有簡單、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)制電流變化轉換為光頻調(diào)制是一種線性調(diào)制。 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 TR e. 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。 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中的速度，可以計算出距離。 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。設置 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 ： 19 1. 系統(tǒng)上電后禁止將光纖連接器對準人眼，以免灼傷。 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。 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。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。這在高碼速光纖通信系統(tǒng)，相干光纖通信系統(tǒng)，頻分復用光纖通信系統(tǒng)，光纖 CATV 傳輸系統(tǒng)以及精密光學測量系統(tǒng)中將帶來有害的影響。 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。 4)．方向性 (Directivity) 方向性也是光耦合器所特有的一個技術術語，它是衡量 器件定向傳輸特性的參數(shù)。 光耦合器是一種光無源器件，該領域內(nèi)的一般技術術語對它也適用，同時，它還另有一些體現(xiàn)自身特點的參數(shù)。 15 實驗三 光纖 無源器件 參數(shù)測量 一、實驗目的： 1. 了解光纖無源器件的工作原理及相關特性； 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、波分復用解復用器、光開關、光衰減器、光環(huán)形器、偏振選擇與控制器等。 b. OPMMOD 置 PD/AM 檔， OPMRTO 置 100nW 檔。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。 13 由于 APD 具有電流增益，所以 APD 的響度比 PIN 的響應度大大提高，有 R0=M(IP/P)=M(η q／ hf) 量子效率只與初級光生載流子數(shù)目有關，不涉及倍增問題，故量子效率值總是小于 1。 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。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 為 APD 的一種結構。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 )。響應速度通常用響應時間來 表示。只有入射光的波長小于λ c時，光電二極管才能產(chǎn)生光電效應。 如采用類似于半導體激光器中的雙異質結構，則 PIN 的性能可以大為改善。在半導體 PN 結中，摻雜濃度和耗盡層寬度有如下關系： 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。 由上述分析可見，光在耗盡層外被吸收使得光電轉換效率降低、光電響應速度變慢?；谶@一效應，如果將 PN 結的外電路構成回路，則外電路中會出現(xiàn)信號電流。因光照射而在導帶和價帶中產(chǎn)生的電子和空穴稱為光生載流子。 8 實驗二 半導體光電檢測器參數(shù)測量 一、實驗目的： 1. 了解半導體光電檢測器件的物理基礎； 2. 了解 PIN 光電二極管和雪崩光電二極管 (APD)的工作原理和相關特性； 3. 掌握半導體光電檢測器件 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換成相應的電信號。光纖通信所用的光電探測器是半導體光電二極管。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 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。由圖 3 可以看到，當器件工作溫度升高時，光譜曲線隨之向右移動，從λ P的 變化可以求出LED 的波長溫度系數(shù)。如圖 2 所示，將閾值前與后的兩段直線分別延長并相交，其交點所對應的電流即為閾值電流 Ith。在半導體激光器中，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 結正向偏置下超過帶隙實現(xiàn)的。 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。另一實驗曾使用循環(huán)回路實現(xiàn)了 ／ s， 21000km 和 5Gb／ s， 14000km 數(shù)據(jù)傳輸。 1985年的傳輸試驗顯示，其比特率達到 4Gb／ s，中繼距離超過 100km。早期的 第二代光纖通信傳輸用多模光纖，相應的光源是長波長銦鎵砷磷／銦磷 (InGaAsP／ InP)半導體激光器，光電探測器采用鍺 (Ge)材料，其中繼距離超過了 20km。其發(fā)展速度之快，應用范圍之廣，規(guī)模之大，涉及學科之多 (光、電、化學、物理、材料等 )，是此前任何一項新技術所不能與之相比的。他以日光為光源，大氣為傳輸媒質，傳輸距離是 200m。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，無法得到高質量的光通信。經(jīng)過 30 年的發(fā)展，光纖通信歷經(jīng)五次重大技術變革，前四代光纖通信均已得到廣泛應用。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)，至 1987 年 單模第二代光波系統(tǒng)開始投人商業(yè)運營，其比特率高達 ／ s，中繼距離 約 50km。 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。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。 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。 (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。量子效率分為內(nèi)量子效率和外量子效率 。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λ P ，對諸如 DFB、 DBR 型 LD 來說，它的λ P相當明顯。譜燒孔也稱帶內(nèi)增益飽和。在短波長采用硅材料，在長波長采用鍺材料或 InGaAsP 材料。 1. 半導體 PN 結的光電效應 半導體光檢測器的核心是 PN 結的光電效應， PN 結光電二極管是最簡單的半導體光檢測器。在擴散的同時，一部分光生少數(shù)載流子將被多數(shù)載流子復合掉。半導體內(nèi)部距入射表面 d 處的光功率為 P(d)=P(0)exp(α d) 式中： P(0)為照射到材料表面的平均光功率；α為半導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體表面的薄層中。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。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合掉，因此這一層僅是為了減少接觸電阻而加的附加層。 InP 材料的帶隙為 ，大于 InGaAs 的帶隙，對于波長在 ～ 范圍的光是透明的，而 InGaAs的 I 區(qū)對 ～ 的光表現(xiàn)為較強的吸收，幾微米的寬度就可以獲得較高響應度。因此， PIN 光電二極管是對一定波長范圍內(nèi)的入射光進行光電轉換，這一波長范圍就是 PIN 光電二極管的波長響應范圍。 光電二極管的線性飽和指的是它有一定的功率檢測范圍，當入射功率太強時，光電流和光功率將不成正比，從而產(chǎn)生非線性失真。 PIN 工作時的反向偏置都遠離擊穿電壓，一般為 10～ 30V。圖 4 的結構為拉通型 APD 的結構?？梢?，I 區(qū)仍然作為吸收光信號的區(qū)域并產(chǎn)生初級光生電子 空穴對，此外它還具有分離初級電子和空穴的作用，初級電子在 N+P 區(qū)通過碰撞電離形成更多的電子 空穴對，從而實現(xiàn)對初級光電流的放大作用。 M 隨反偏壓的增大而增大，隨 W 的增加按指數(shù)增長。 、 APD 的這種非線性轉換的原因與 PIN 類似，主要是器件上的偏壓不能保持恒定。須注意的是擊穿電壓并非是 APD 的破壞電壓，撤去該電壓后 APD 仍能正常工作。 2. PIN 光電二極管響應度測量 a. 將 1550nm 半導體激光器控制電纜連接至 LD1 控制器 b. 清潔光纖連接器接頭 ,連接 1550nm 半導體激光器和光功率計 OPM c. 調(diào)節(jié) LD1 控制器，設置激光器為恒流輸出功率模式 ACC，激光器輸出功率調(diào)至。 2． 光纖耦合器： 光纖耦合器是實現(xiàn)光信號分路／合路的功能器件，一般是對同一波長的光功率進行分路或合路。 2)．附加損耗 (Excess Loss) 附加損耗定義為所有輸出端口的光功率總和相對于全部輸入光功率的減小值。均勻性就是用來衡量均分器件的“不均勻程度”的參數(shù)。其數(shù)學表達式是 : I=1Olg(Pt/Pi) 式中： Pt是某一光路輸出端測到的其他光路信號的功率值； Pi是被檢測光信號的輸入功率值。 5． 光開關： 17 光開關是一種具有一個或多個可選擇的傳輸端口，可對光傳輸線路或集成光路中的光信號進行相互轉換或邏輯操作的器件。非機械式光開關則依靠電光效應、磁光效應、聲光效應以及熱光效應來改變波導折射率，使光路發(fā)生改變，它是近年來非常熱門的研究課題。 RL=1Olg(P1/P0) 式中： P0為進入輸入端的光功率； P1為在輸入端口接收到的返回光功率。 消光比定義為兩個端口處于導通和非導通狀態(tài)的插入損耗之差。 3. 所有光纖均不可過于彎曲，除特殊測試外其曲率半徑應大于 30mm。瑞利散射的功率還與發(fā)射信號的波長有關，波長較短則功率較強。 c. 將函數(shù)信號發(fā)生器輸出