【正文】 研究所的華裔科學(xué)家高錕博士于 1966 年提出；二是美國(guó)貝爾實(shí) 驗(yàn)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(xiàng)科學(xué)成就為光纖通信的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 光纖通信與光電子技術(shù)實(shí)驗(yàn) 指導(dǎo)書 1 目 錄 引 言 ............................................................................................................................. 2 實(shí)驗(yàn)一 半導(dǎo)體 激光器 PI 特性參數(shù) 測(cè)量 .......................................................................... 4 實(shí)驗(yàn)二 半導(dǎo)體光電檢測(cè)器參數(shù)測(cè)量 ................................................................................ 8 實(shí)驗(yàn)三 光纖 無(wú)源器件 參數(shù)測(cè)量 ..................................................................................... 15 實(shí)驗(yàn) 四 光纖時(shí)域反射測(cè)量 (OTDR) ................................................................................. 20 實(shí)驗(yàn) 五 語(yǔ)音、圖像光纖傳輸 及波分復(fù)用 （ WDM） .......................................................... 22 實(shí)驗(yàn) 六 摻鉺光纖放大 (EDFA) ........................................................................................ 25 實(shí)驗(yàn) 七 光纖激光器參數(shù)測(cè)量 ........................................................................................ 30 實(shí)驗(yàn) 八 光纖光柵溫度傳感與測(cè)量 ................................................................................. 32 實(shí)驗(yàn) 九 單模光纖損耗特性和 截止波長(zhǎng)測(cè)量 ................................................................... 34 實(shí)驗(yàn) 十 光纖色散測(cè)量 ................................................................................................... 38 實(shí)驗(yàn) 十 一 光纖非彈性散射及喇曼放大 (FRA) ................................................................. 41 實(shí)驗(yàn) 十 二 電吸收調(diào)制（ EAM） ...................................................................................... 46 實(shí)驗(yàn) 十三 半導(dǎo)體激光器光譜測(cè)量與模式分析 ................................................................ 48 實(shí)驗(yàn) 十四 光纖馬赫任德干涉測(cè)量 ................................................................................. 54 實(shí)驗(yàn) 十五 液晶顯示器（ LCD）電光特性曲線測(cè)量 .......................................................... 57 實(shí)驗(yàn) 十 六 輝光放電與等離子體顯示（ PDP） ................................................................ 62 實(shí)驗(yàn) 十七 多堿光電陰極光譜響應(yīng)與極限電流密度測(cè)量 .................................................. 67 實(shí)驗(yàn) 十八 微光像增強(qiáng)器電子透鏡調(diào)節(jié)與增益測(cè)量 ......................................................... 71 實(shí)驗(yàn) 十九 CCD 信號(hào)采集與處理 .................................................................................... 75 實(shí)驗(yàn)二 十 CCD 光電攝像系統(tǒng)特性測(cè)量 ......................................................................... 79 實(shí)驗(yàn)二 十一 陰極射 線顯像管（ CRT）電子聚焦與偏轉(zhuǎn) .................................................... 83 實(shí)驗(yàn)二 十二 MEMS 微鏡與 DLP 投影 ............................................................................. 91 實(shí)驗(yàn)二 十三 有機(jī)發(fā)光器件（ OLED）參數(shù)測(cè)量 ............................................................... 94 2 引 言 光通信技術(shù)是當(dāng)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(jì)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(shí)代來(lái)臨的主要物質(zhì)基礎(chǔ)之一。這種情況一直延續(xù)到本世紀(jì) 60 年代。光源使用鋁鎵砷半導(dǎo)體激光器，光電檢測(cè)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)。 第三代光纖通信的工作波長(zhǎng)為 。在另一次試驗(yàn)中，單信道速率 ／ s，不用再生器，光纖損耗用光纖放大器 (EDFA)補(bǔ)償，放大器間距為 80km，傳輸距離達(dá) 2223km。 1992 年在美國(guó)與英國(guó)的實(shí)驗(yàn)室，采用循環(huán) 回路曾將 5Gb／ s的數(shù)據(jù)傳輸 10000km以上。 LD 通過(guò)受激輻射發(fā)光，是一種閾值器件。LD 有一閾值電流 Ith，當(dāng) IIth時(shí)才發(fā)出激光。外量子效率定義為單位時(shí)間內(nèi)輸出的光子數(shù)與注入到 PN 結(jié)的電子 空穴對(duì)數(shù)之比。 6 圖 4： LD 光譜特性曲線 (3) LED 和 LD 的調(diào)制特性： 當(dāng)在規(guī)定的直流正向工作電流下 ，對(duì) LED 進(jìn)行數(shù)字脈沖或模擬信號(hào)電流調(diào)制，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出光功率的調(diào)制。 (2) 線性調(diào)頻效應(yīng)。 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。當(dāng)以適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射 PN 結(jié)時(shí)， P 型和 N 型半導(dǎo)體材料將吸收光能。這樣，在 P 區(qū)就出現(xiàn)了過(guò)?？昭ǖ姆e累， N 區(qū)出現(xiàn)了過(guò)剩電子的積累，于是在耗盡層的兩側(cè)就產(chǎn)生了一個(gè)極性如圖 1(c)所示的光生電動(dòng)勢(shì)。在吸收區(qū)產(chǎn)生的光生少數(shù)載流子只有一部分進(jìn)入作用區(qū)，這一部分光生載流子以較慢的速度擴(kuò)散至耗盡層，進(jìn)入耗盡層后在內(nèi)建電場(chǎng)作用 下作快速漂移運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)。這種結(jié)構(gòu)就是常用的 PIN 光電二極管。但是隨著 W 的增大，在耗盡層的載流子渡越時(shí)間σ cr也會(huì)增大，σ cr與 W 的關(guān)系為 σ cr=W/v 式中： v 為載流子的平均漂移速度。 InGaAs 的光探測(cè)器一般用于 和 的光纖通信系統(tǒng)中。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。 無(wú)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(guò)，這一電流稱為PIN 光電二極管的暗電流。 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)。盡管 I 區(qū)的電場(chǎng)比 N+P 區(qū)低得多，但也足 12 夠高 (可達(dá) 2x104V／ cm)，可以保證載流子達(dá)到飽和漂移速度。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。倍增噪聲是 APD 中的主要噪聲。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 的響應(yīng)速度主要取決于載流子完成倍增過(guò)程所需要的時(shí)間，載流子越過(guò)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。 14 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。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。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(wú)源器件不同的地方。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。 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(zhǎng)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(zhǎng)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。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(cè)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。不足之處是插入損耗大，隔離度低，只有 20dB 左右。 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(lái)表示。 18 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(cè)量。 20 實(shí)驗(yàn) 四 光纖時(shí)域反 射測(cè)量（ OTDR） 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? 1. 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(cè)量方法； 二、實(shí)驗(yàn)原理： 光纖時(shí)域反射測(cè)量（ OTDR）是光纖通信領(lǐng)域非常重要的測(cè)量技術(shù)。 1550nm 波長(zhǎng)的 OTDR 具有最低的衰減性能，可以進(jìn)行長(zhǎng)距離的測(cè)試，高衰減的 1310nm 或 1625nm 波長(zhǎng)， OTDR 的測(cè)試距 離受到限制。 b. 設(shè) 置 SIG 工作模式為脈沖模式 (PUS)，輸出信號(hào)幅度 Vs 調(diào)至 。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)。 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(guò)同一根光纖傳輸，實(shí)現(xiàn)多層復(fù)用。 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(yǔ)音信號(hào) 調(diào)制。 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。其中最突出的是在波分復(fù)用 (WDM)光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。圖 1為正向泵浦的 EDFA 原理性光路，其主體是泵浦源與摻鉺光纖。在激光器中自發(fā)輻射不可或缺，輸出的激光最初來(lái)自自發(fā)輻射。 圖 2：放大器自發(fā)輻射的影響 EDFA 的增益與泵浦強(qiáng)度及光纖長(zhǎng)度有關(guān)。而這一最 佳光纖長(zhǎng)度又與泵浦功率 P 大小有關(guān)。純硅的增益譜很窄，在 處 3dB 帶寬為 10nm。放大輸出信號(hào)波形的失真程度決定于光脈沖寬度和增益恢復(fù)時(shí)間。 c. 設(shè)置 SIG 工作模式 (MOD)為方波信號(hào) (SQU)，信號(hào)頻率 50Hz，信號(hào)幅度 5V。將此光譜設(shè)為增益譜計(jì)算基準(zhǔn)。 4. 光纖頭與 1550nm SLED 管芯距離必須大于 1mm。摻鉺光纖鎖模激光器能直接產(chǎn)生足夠功率的變換極限超短光脈沖；同時(shí)由于光脈沖在光纖諧振腔中傳輸時(shí)的非線性效應(yīng)，在適當(dāng)?shù)臈l件下，可產(chǎn)生脈寬為數(shù)十或數(shù)百飛秒的變換極限雙曲正割形光脈沖，是光孤子通信的理想光源。 b. 連接 1480nm 泵浦激光器控制信號(hào)至 ，設(shè)置 LD2 工作模式 (MOD)為恒流 模式(ACC)， 驅(qū)動(dòng)電流 (Ic)置為 0 c. 緩慢增加 1480nm泵浦激光器輸出功率， 0至 25mW每隔 1mW記錄一次 OPM功率數(shù)據(jù)，作 光纖激光器 Po~Pp 曲線 ，求光纖激光器泵浦閾值。 32 實(shí)驗(yàn) 八 光纖 光柵溫度傳感與 測(cè)量 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? 1. 了解光纖 傳感器 的工作原理及相關(guān)特性； 2. 掌握光纖光 柵 位移傳感 的測(cè)量方法； 二、實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)介： 隨著紫外寫入光纖光柵制作技術(shù)的日益完善 ,光纖光柵在光纖傳感領(lǐng)域的應(yīng)用得到了