【正文】 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。常用的有PIN光電二極管和APD光電二極管，后者有放大作用。光纖通信所用的光電探測(cè)器是半導(dǎo)體光電二極管。當(dāng)注入電流為時(shí)變電流對(duì)激光器進(jìn)行調(diào)制時(shí)，載流子數(shù)、光增益和有源區(qū)折射率均隨之而變，載流子數(shù)的變化導(dǎo)致模折射率五和傳播常數(shù)的變化，因此產(chǎn)生了相位調(diào)制，它導(dǎo)致了與單縱模相關(guān)的光(頻)譜加寬，又稱線寬增強(qiáng)因子。這些因素導(dǎo)致P增大時(shí)G的減小。當(dāng)注入電流增大，因而光子數(shù)P增大時(shí)，增益G出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，飽和的物理機(jī)制源于空間燒孔、譜燒孔、載流子加熱和雙光子吸收等因素。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。LED有兩種調(diào)制方式，即數(shù)字調(diào)制和模擬調(diào)制，圖5示出這兩種調(diào)制方式。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。激光二極管的波長可以定義為它的光譜的統(tǒng)計(jì)加權(quán)。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)。(2) LED和LD的光譜特性：LED沒有光學(xué)諧振腔選擇波長，它的光譜是以自發(fā)輻射為主的光譜，圖3為LED的典型光譜曲線。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。功率效率定義為發(fā)光功率和輸入電功率之比，以ηω表示。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。在Ith以上，光功率P隨I線性增加。LED是自發(fā)輻射光，所以PI曲線的線性范圍較大。如果將增益介質(zhì)放入光學(xué)諧振腔中提供反饋，就可以得到穩(wěn)定的激光輸出。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。LD不僅能產(chǎn)生高功率(≥10mW)輻射，而且輸出光發(fā)散角窄，與單模光纖的耦合效率高(約30％—50％)，輻射光譜線窄(Δλ=)，適用于高比特工作，載流子復(fù)合壽命短，能進(jìn)行高速(20GHz)直接調(diào)制，非常適合于作高速長距離光纖通信系統(tǒng)的光源。)，常用于低速、短距離光波系統(tǒng)。1．發(fā)光二極管(LED)和半導(dǎo)體激光二極管(LD)：LED是一種直接注入電流的電致發(fā)光器件，其半導(dǎo)體晶體內(nèi)部受激電子從高能級(jí)回復(fù)到低能級(jí)時(shí)發(fā)射出光子，屬自發(fā)輻射躍遷。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。1995年，法國的實(shí)驗(yàn)室則將20Gb／s的數(shù)據(jù)傳輸106km，中繼距離達(dá)140km。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。第五代光纖通信系統(tǒng)的研究與發(fā)展經(jīng)歷了近20年歷程，已取得突破性進(jìn)展。／s，21000km和5Gb／s，14000km數(shù)據(jù)傳輸。光波系統(tǒng)采用相干檢測(cè)技術(shù)并不是使用EDFA的先決條件。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。后來，又使這一波長具有更重要的意義。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。／km的低損耗，以及當(dāng)時(shí)多縱模同時(shí)振蕩的常規(guī)InGnAsP半導(dǎo)體激光器的譜展寬問題尚未解決，推遲了第三代光波系統(tǒng)的問世。廣泛地用于長途干線和跨洋通信中。采用單模光纖能克服這種限制，單模光纖較多模光纖色散低得多，損耗也更小。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(cè)器采用鍺(Ge)材料，其中繼距離超過了20km。／s的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)為標(biāo)志。，屬短波長波段，傳輸光纖用多模光纖。它將成為信息高速公路的主要傳輸手段，是將來信息社會(huì)的支柱。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。1970年被稱為光纖通信元年，在這一年發(fā)生了通信史上的兩件大事：一是美國康寧(Corning)玻璃有限公司制成了衰減為20dB／km的低損耗石英光纖，該工藝?yán)碚撚捎鴺?biāo)準(zhǔn)電信研究所的華裔科學(xué)家高錕博士于1966年提出；二是美國貝爾實(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)。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。但貝爾的光話始終未走上實(shí)用化階段。他以日光為光源，大氣為傳輸媒質(zhì)，傳輸距離是200m。 光纖通信與光電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書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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)代來臨的主要物質(zhì)基礎(chǔ)之一?，F(xiàn)代光通信是從1880年貝爾發(fā)明‘光話’開始的。1881年，他發(fā)表了論文（關(guān)于利用光線進(jìn)行聲音的復(fù)制與產(chǎn)生）。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。這種情況一直延續(xù)到本世紀(jì)60年代。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?，F(xiàn)在，光纖通信的新技術(shù)仍在不斷涌現(xiàn)，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，成本不斷下降，顯示了這一技術(shù)的強(qiáng)大生命力和廣闊應(yīng)用前景。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。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)。，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。由于多模光纖的模間色散，使得系統(tǒng)的比特率限制在100Mb／s以下。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。通過精心設(shè)計(jì)激光器和光接收機(jī)，其比特率能超過l0Gb／s。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。在另一次試驗(yàn)中，／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。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。90年代初期光纖放大器的問世引起了光纖通信領(lǐng)域的重大變革。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。1992年在美國與英國的實(shí)驗(yàn)室，／s的數(shù)據(jù)傳輸10000km以上。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。實(shí)驗(yàn)一　半導(dǎo)體激光器PI特性曲線測(cè)量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?. 了解半導(dǎo)體光源和光電探測(cè)器的物理基礎(chǔ)；2. 了解發(fā)光二極管(LED)和半導(dǎo)體激光二極管(LD)的發(fā)光原理和相關(guān)特性；3. 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；4. 掌握有源光電子器件特性參數(shù)的測(cè)量方法；二、實(shí)驗(yàn)原理：光纖通信中的有源光電子器件主要涉及光的發(fā)送和接收，發(fā)光二極管(LED)和半導(dǎo)體激光二極管(LD)是最重要的光發(fā)送器件，PIN光電二極管和APD光電二極管則是最重要的光接收器件。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。LD通過受激輻射發(fā)光，是一種閾值器件。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(shì)的(超過受激吸收)受激輻射。當(dāng)有源層載流子濃度超過一定值(稱為透明值)，就實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，由此在有源區(qū)產(chǎn)生了光增益，在半導(dǎo)體內(nèi)傳播的輸入信號(hào)將得到放大。(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。LD有一閾值電流Ith，當(dāng)IIth時(shí)才發(fā)出激光。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(cè)定。圖2：兩段直線擬合法測(cè)量LD閾值電流發(fā)光效率是描述LED和LD電光能量轉(zhuǎn)換的重要參數(shù)，發(fā)光效率可分為功率效率和量子效率。量子效率分為內(nèi)量子效率和外量子效率。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。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(jiǎn)稱譜寬)，其典型值在3040nm之間。圖3：LED光譜特性曲線激光二極管的發(fā)射光譜取決于激光器光腔的特定參數(shù)，大多數(shù)常規(guī)的增益或折射率導(dǎo)引器件具有多個(gè)峰的光譜，如圖4所示。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。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。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)。圖5：LED調(diào)制特性在LD的調(diào)制過程中存在以下兩種物理機(jī)制影響其調(diào)制特性：(1) 增益飽和效應(yīng)。譜燒孔也稱帶內(nèi)增益飽和。(2) 線性調(diào)頻效應(yīng)。2．PIN光電二極管和APD光電二極管：光電探測(cè)器的作用是完成光電轉(zhuǎn)換。它們利用半導(dǎo)體物質(zhì)吸收光子后形成的電子一空穴對(duì)把光功率轉(zhuǎn)換成光電流。在短波長采用硅材料，在長波長采用鍺材料或InGaAsP材料。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. 所有光纖均不可過于彎曲，除特殊測(cè)試外其曲率半徑應(yīng)大于30mm。由于從光纖中傳過來的光信號(hào)一般是非常微弱的，因此對(duì)光檢測(cè)器提出了非常高的要求：第一，在系統(tǒng)的工作波長上要有足夠高的響應(yīng)度，即對(duì)一定的入射光功率，光檢測(cè)器能輸出盡可能大的光電流；第二，響應(yīng)速度快，頻帶寬；第三，噪聲?。坏谒?，線性好，保真度高；第五，體積小，使用壽命長。1. 半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)半導(dǎo)體光檢測(cè)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(jiǎn)單的半導(dǎo)體光檢測(cè)器。當(dāng)以適當(dāng)波長的光照射PN結(jié)時(shí)，P型和N型半導(dǎo)體材料將吸收光能。這一過程稱為光吸收。產(chǎn)生在耗盡層的光生載流子在內(nèi)建場(chǎng)的作用下作漂移運(yùn)動(dòng)：空穴向P區(qū)方向運(yùn)動(dòng)；電子向N區(qū)方向運(yùn)動(dòng)，它們?cè)赑N結(jié)的邊緣被收集。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。這樣，在P區(qū)就出現(xiàn)了過?？昭ǖ姆e累，N區(qū)出現(xiàn)了過剩電子的積累，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)。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)。這種由光照射激發(fā)的電流稱為光電流。半導(dǎo)體內(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(jìn)入半導(dǎo)體表面的薄層中。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)。如果輸入的光信號(hào)為光脈沖；則輸出的光電脈沖會(huì)產(chǎn)生較長的拖尾。為此，必須設(shè)法加寬耗盡層，使照射光子盡可能被耗盡層吸收。負(fù)偏壓在勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生的電場(chǎng)與內(nèi)建場(chǎng)方向一致，使勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)增強(qiáng)，加強(qiáng)了漂移運(yùn)動(dòng)，而且N