【正文】 檢測(cè)(IM／DD)光波系統(tǒng)，并非一定要采用外調(diào)制方案，但在高速長(zhǎng)距離光波系統(tǒng)中，采用間接調(diào)制有利于提高系統(tǒng)性能。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)。3. 所有光纖均不可過(guò)于彎曲，除特殊測(cè)試外其曲率半徑應(yīng)大于30mm。2. 光纖連接器陶瓷插芯表面光潔度要求極高，除專(zhuān)用清潔布外禁止用手觸摸或接觸硬物。c. 設(shè)置LD2工作模式(MOD)為數(shù)字調(diào)制模式(ODM)，1550nm激光器工作于5kHz脈沖模式下，調(diào)節(jié)LD2驅(qū)動(dòng)電流(Ic)。b. 設(shè)置SIG工作模式為脈沖模式(PUS)。c. 將函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出(SIG)連接至半導(dǎo)體激光控制器LD1的調(diào)制信號(hào)輸入端(MOD1)，同時(shí)使用三通將此信號(hào)連接至示波器的CH2輸入用于信號(hào)同步。三、實(shí)驗(yàn)裝置：圖2：光纖時(shí)域反射測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟：1. 測(cè)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、。在這些點(diǎn)上，會(huì)有很強(qiáng)的背向散射光被反射回來(lái)。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。瑞利散射的功率還與發(fā)射信號(hào)的波長(zhǎng)有關(guān)，波長(zhǎng)較短則功率較強(qiáng)。瑞利散射是由于光信號(hào)沿著光纖產(chǎn)生無(wú)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(xiàn)。圖1是OTDR典型的測(cè)試波形。 實(shí)驗(yàn)四　光纖時(shí)域反射測(cè)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(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)。3. 所有光纖均不可過(guò)于彎曲，除特殊測(cè)試外其曲率半徑應(yīng)大于30mm。2. 光纖連接器陶瓷插芯表面光潔度要求極高，除專(zhuān)用清潔布外禁止用手觸摸或接觸硬物。待測(cè)光纖耦合器輸出端PORT3和PORT4分別連接一根光跳線(xiàn)，每根光跳線(xiàn)均在手指上繞5圈，使得PORT3和PORT4的輸出光功率在兩跳線(xiàn)中極大衰耗，最終減小其反射光對(duì)方向性測(cè)量的影響。開(kāi)關(guān)時(shí)間指開(kāi)關(guān)端口從某一初始態(tài)轉(zhuǎn)為通或斷所需的時(shí)間，開(kāi)關(guān)時(shí)間從在開(kāi)關(guān)上施加或撤去轉(zhuǎn)換能量的時(shí)刻起測(cè)量。消光比定義為兩個(gè)端口處于導(dǎo)通和非導(dǎo)通狀態(tài)的插入損耗之差。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。遠(yuǎn)端串?dāng)_定義為光開(kāi)關(guān)的接通端口的輸出光功率與串入另一端口的輸出光功率的比值。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。RL=1Olg(P1/P0)式中：P0為進(jìn)入輸入端的光功率；P1為在輸入端口接收到的返回光功率。插入損耗與開(kāi)關(guān)的狀態(tài)有關(guān)。插入損耗定義為輸入和輸出端口之間光功率的減少，以分貝來(lái)表示。不足之處是插入損耗大，隔離度低，只有20dB左右。非機(jī)械式光開(kāi)關(guān)則依靠電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、聲光效應(yīng)以及熱光效應(yīng)來(lái)改變波導(dǎo)折射率，使光路發(fā)生改變，它是近年來(lái)非常熱門(mén)的研究課題。不足之處是：開(kāi)關(guān)時(shí)間較長(zhǎng)，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(wèn)題。機(jī)械式光開(kāi)關(guān)靠光纖或光學(xué)元件移動(dòng)，使光路發(fā)生改變。光開(kāi)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(kāi)關(guān)切換作用。5． 光開(kāi)關(guān)：光開(kāi)關(guān)是一種具有一個(gè)或多個(gè)可選擇的傳輸端口，可對(duì)光傳輸線(xiàn)路或集成光路中的光信號(hào)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換或邏輯操作的器件。為了消除這些影響，需要在激光器與光纖之間加光隔離器。4． 光隔離器：在光纖與半導(dǎo)體激光器的耦合系統(tǒng)中，某些不連續(xù)處的反射將影響激光器工作的穩(wěn)定性。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。其數(shù)學(xué)表達(dá)式是:I=1Olg(Pt/Pi)式中：Pt是某一光路輸出端測(cè)到的其他光路信號(hào)的功率值；Pi是被檢測(cè)光信號(hào)的輸入功率值。隔離度高，也就意味著線(xiàn)路之間的“串話(huà)(crosstalk)小。變化時(shí)，器件各輸出端口輸出光功率的最大變化量:PDLi=1Olg(Min(POi)/ Max(POi))在實(shí)際應(yīng)用中，光信號(hào)偏振態(tài)的變化是經(jīng)常發(fā)生的，因此，往往要求器件有足夠小的偏振相關(guān)損耗，否則將直接影響器件的使用效果。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(chēng)偏振靈敏度。均勻性就是用來(lái)衡量均分器件的“不均勻程度”的參數(shù)。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。實(shí)際工程應(yīng)用中，往往需要各種不同分光比的器件，這可以通過(guò)控制制作過(guò)程的停機(jī)點(diǎn)來(lái)得到。因此不同種類(lèi)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。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(duì)于全部輸入光功率的減小值。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。熔融拉錐式結(jié)構(gòu)是將兩根或多根光纖扭絞在一起，用微火炬對(duì)耦合部分加熱，在熔融過(guò)程中拉伸光纖，形成雙錐形耦合區(qū)。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。2． 光纖耦合器：光纖耦合器是實(shí)現(xiàn)光信號(hào)分路／合路的功能器件，一般是對(duì)同一波長(zhǎng)的光功率進(jìn)行分路或合路。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(wú)損或低損連接。3. 所有光纖均不可過(guò)于彎曲，除特殊測(cè)試外其曲率半徑應(yīng)大于30mm。2. 光纖連接器陶瓷插芯表面光潔度要求極高，除專(zhuān)用清潔布外禁止用手觸摸或接觸硬物。2. PIN光電二極管響應(yīng)度測(cè)量a. 將1550nm半導(dǎo)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(dǎo)體激光器和光功率計(jì)OPMc. 調(diào)節(jié)LD1控制器，設(shè)置激光器為恒流輸出功率模式ACC。c. 由0V開(kāi)始慢慢增加HVS輸出電壓，每隔2V測(cè)一個(gè)點(diǎn)，至56V結(jié)束，作Ir～Vr曲線(xiàn)，求PIN光電二極管反向擊穿電壓。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟：1. PIN光電二極管反向擊穿電壓測(cè)量a. 連接InGaAs PIN 光電二極管、高壓電源HVS和主機(jī)PD輸入，屏蔽掉PIN管光輸入。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。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。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(lái)越不敏感。當(dāng)偏壓升高時(shí)，產(chǎn)生倍增效應(yīng)，輸出信號(hào)電流增大。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的這種非線(xiàn)性轉(zhuǎn)換的原因與PIN類(lèi)似，主要是器件上的偏壓不能保持恒定。APD的線(xiàn)性工作范圍沒(méi)有PIN寬，它適宜于檢測(cè)微弱光信號(hào)。這兩個(gè)過(guò)程都是不能準(zhǔn)確測(cè)定的，因此APD倍增因子只能是一個(gè)統(tǒng)計(jì)平均的概念，表示為M，它是一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)函數(shù)。倍增噪聲是APD中的主要噪聲。M隨反偏壓的增大而增大，隨W的增加按指數(shù)增長(zhǎng)。從定義可見(jiàn)，倍增因子是APD的電流增益系數(shù)。與PIN光電二極管相比，APD的主要特性也包括：波長(zhǎng)響應(yīng)范圍、響應(yīng)度、量子效率、響應(yīng)速度等，除此之外，由于APD管中雪崩倍增的存在，APD的特性還包括了雪崩倍增特性、噪聲特性、溫度特性等等。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?？梢?jiàn)，I區(qū)仍然作為吸收光信號(hào)的區(qū)域并產(chǎn)生初級(jí)光生電子空穴對(duì)，此外它還具有分離初級(jí)電子和空穴的作用，初級(jí)電子在N+P區(qū)通過(guò)碰撞電離形成更多的電子空穴對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)初級(jí)光電流的放大作用。在電場(chǎng)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。I區(qū)很寬，可以充分吸收光子，提高光電轉(zhuǎn)換效率。盡管I區(qū)的電場(chǎng)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。圖4的結(jié)構(gòu)為拉通型APD的結(jié)構(gòu)。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)。碰撞電離產(chǎn)生的電子一空穴對(duì)在強(qiáng)電場(chǎng)作用下同樣又被加速，重復(fù)前一過(guò)程，這樣多次碰撞電離的結(jié)果使載流子迅速增加，電流也迅速增大，這個(gè)物理過(guò)程稱(chēng)為雪崩倍增效應(yīng)。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)。PIN工作時(shí)的反向偏置都遠(yuǎn)離擊穿電壓，一般為10～30V。發(fā)生反向擊穿的電壓值稱(chēng)為反向擊穿電壓。當(dāng)偏置電壓增大時(shí)，暗電流增大。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(chēng)為PIN光電二極管的暗電流。光電二極管的線(xiàn)性飽和指的是它有一定的功率檢測(cè)范圍，當(dāng)入射功率太強(qiáng)時(shí)，光電流和光功率將不成正比，從而產(chǎn)生非線(xiàn)性失真。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。量子效率η定義為η=光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的有效電子空穴對(duì)數(shù)/入射光子數(shù) =(IP/q)/(Pin/hf)= R(hf/q)響應(yīng)速度是光電二極管的一個(gè)重要參數(shù)。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。因此，PIN光電二極管是對(duì)一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的入射光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，這一波長(zhǎng)范圍就是PIN光電二極管的波長(zhǎng)響應(yīng)范圍。；，、。從光電二極管的工作原理可以知道，只有當(dāng)光子能量hf大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg才能產(chǎn)生光電效應(yīng)，即hfEg因此對(duì)于不同的半導(dǎo)體材料，均存在著相應(yīng)的下限頻率fc或上限波長(zhǎng)λc，λc亦稱(chēng)為光電二極管的截止波長(zhǎng)。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。在光纖通信系統(tǒng)的應(yīng)用中，常采用InGaAs材料制成I區(qū)和InP材料制成P區(qū)及N區(qū)的PIN光電二極管，圖3為它的結(jié)構(gòu)。如采用類(lèi)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。由于τcr 增大，PIN的響應(yīng)速度將會(huì)下降。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)?。由于I層有較高的電阻，因此電壓基本上降落在該區(qū)，使得耗盡層寬度W可以得到加寬，并且可以通過(guò)控制I層的厚度來(lái)改變。在半導(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。2. PIN光電二極管圖2：PIN光電二極管的結(jié)構(gòu)和它在反向偏壓下的電場(chǎng)分布圖2是PIN光電二極管的結(jié)構(gòu)和它在反向偏壓下的電場(chǎng)分布。除了加負(fù)偏壓的方法外，還可以通過(guò)減小P區(qū)和N區(qū)的厚度來(lái)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(lái)加寬耗盡層的方法來(lái)提高器件的響應(yīng)速度。給PN結(jié)加負(fù)偏壓有助于加寬耗盡層。由上述分析可見(jiàn)，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。由于在作用區(qū)內(nèi)，光生少數(shù)載流子的擴(kuò)散速度較慢，從而影響了產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)的速度，導(dǎo)致PN結(jié)對(duì)光信號(hào)響應(yīng)速度減慢。吸收入射光子并產(chǎn)生光生載流子的區(qū)域稱(chēng)為光吸收區(qū)；耗盡層及其兩側(cè)寬度為載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度的區(qū)域稱(chēng)為作用區(qū)。照射到半導(dǎo)體材料上的光，由于材料的吸收等原因使光隨著深入材料的深度的增加而逐漸減弱?；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(huì)出現(xiàn)信號(hào)電流。這一現(xiàn)象稱(chēng)為光生伏特效應(yīng)。由于這些區(qū)域的電場(chǎng)很小，甚至可以稱(chēng)為無(wú)場(chǎng)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(chǎng)的作用下分別快速漂移到對(duì)方區(qū)域。另外，耗盡層外的光生少數(shù)載流子會(huì)發(fā)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：P區(qū)中的光生電子向N區(qū)擴(kuò)散；N區(qū)中的光生空穴向P區(qū)擴(kuò)散。因光照射而在導(dǎo)帶和價(jià)帶中產(chǎn)生的電子和空穴稱(chēng)為光生載流子。如果光子能量hf≥Ke時(shí)，則光子將被吸收，使價(jià)帶中的電子受激躍遷到導(dǎo)帶中，而在價(jià)帶中留下空穴，如圖1(b)所示。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(chēng)作勢(shì)壘區(qū)。 滿(mǎn)足上述要求、適合于光纖通信系統(tǒng)使用的光檢測(cè)器主要有半導(dǎo)體PIN光電二極管、雪崩光電二極管、光電晶體管等。實(shí)驗(yàn)二　半導(dǎo)體光電檢測(cè)器參數(shù)測(cè)量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?. 了解半導(dǎo)體光電檢測(cè)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(cè)器件特性參數(shù)的測(cè)量方法；二、實(shí)驗(yàn)原理：光檢測(cè)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)?？罩玫墓饫w連接器端子必須插上護(hù)套。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(xiàn)測(cè)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(wú)誤后打開(kāi)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