光纤通信与光电子技术实验指导书

光纤通信与光电子技术实验指导书

目录

引言............................................................................2

实验一半导体激光器P-I特性参数测量............................................4

实验二半导体光电检测器参数测量................................................8

实验三光纤无源器件参数测量....................................................15

实验四光纤时域反射测晟（OTDR）.............................................20

实验五语音、图像光纤传输及波分复用（WDM）................................22

实验六掺银光纤放大（EDFA）.................................................25

实验七光纤激光器参数测量......................................................30

实验八光纤光栅温度传感与测量.................................................32

实验九单模光纤损耗特性与截止波长测量.........................................34

实验十光纤色散测量............................................................38

实验十一光纤非弹性散射及喇曼放大（FRA）....................................41

实验十二电汲取调制（EAM）................................................46

实验十三半导体激光器光谱测量与模式分析......................................48

实验十四光纤马赫任德干涉测量.................................................54

实验十五液晶显示器（LCD）电光特性曲线测量...................................57

实验十六辉光放电与等离子体显示（PDP）....................................62

实验十七多碱光电阴极光谱响应与极限电流密度测量..............................67

实验十八微光像增强器电子透镜调节与增益测量..................................71

实验十九CCD信号采集与处理...................................................75

实验二十CCD光电摄像系统特性测量............................................79

实验二十一阴极射线相像管（CRT）电子聚焦与偏转...............................X3

实验二十二MEMS微镜与DLP投影...............................................91

实验二十三有机发光器性（OLED）参数测量......................................94

引言

光通信技术是当代通信技术进展的最新成就，在信息传输的速率与距离、通信系统的有

效性、可靠性与经济性方面取得了卓著的成就，使通信领域发生了巨大的变化，已成为现代

通信的基石，是信息时代来临的要紧物质基础之一。

现代光通信是从1880年贝尔发明‘光话’开始的。他以日光为光源，大气为传输媒质，

传输距离是200m。1881年，他发表了论文(关于利用光发进行声音的复制与产生但贝尔

的光话始终未走上有用化阶段。究其原因有二：一是没有可靠的、高强度的光源；二是没有

稳固的、低损耗的传输媒质，无法得到高质量的光通信。在此后几十年的时间里，由于上述

两个障碍未能突破，也由于电通信得到高速进展，光通信的研究一度沉寂。这种情况一直连

续到本世纪60年代。

1970年被称之光纤通信元年，在这一年发生了通信史上的两件大事：一是美国康宁

(Corning)玻璃有限公司制成了衰减为20dB/km的低损耗石英光纤，该工艺理论由英国标准

电信研究所的华裔科学家高银博士于1966年提出；二是美国贝尔实验室制作出可在室温下

连续工作的铝钱碑(AlGaAs)半导体激光器，这两项科学成就为光纤通信的进展奠定「基础。

此后，光纤通信以令人眩目的速度进展起来，70年代中期即进入了有用化阶段，其应用遍

及长途干线、海底通信、局域网、有线电视等各领域。其进展速度之快，应用范围之广，规

模之大，涉及学科之多(光、电、化学、物理、材料等)，是此前任何一项新技术所不能与之

相比的。现在，光纤通信的新技术仍在不断涌现，生产规模不断扩大，成本不断下降，显示

了这一技术的强大生命力与广阔应用前景。它将成为信息高速公路的要紧传输手段，是将来

信息社会的支柱。通过30年的进展，光纤通信历经五次重大技术变革，前四代光纤通信均

已得到广泛应用。

第一代光纤通信的工作波长为0.85um,属短波长波段，传输光纤用多模光纤。光源使

用铝钱碑半导体激光器，光电检测器为硅(Si)材料的半导体PIN光电二极管或者半导体雪崩

光电二极管(APD)。这一代光通信以1977年美国芝加哥遂行的码速率为44.736Mbit/s的现

场实验为标志。

第二代光纤通信的工作波长为1.3um,该波段属长波长波段，是石英光纤的第二个低损

耗窗口，有较低的损耗且有最低的色散，可大大增加中继距离。早期的L3um第二代光纤通

信传输用多模光纤，相应的光源是长波长锢钱碎磷/锢磷(InGaAsP/InP)半导体激光器，光

电探测器使用错(Ge)材料，其中继距离超过了20km。由于多模光纤的模间色散，使得系统

的比特率限制在100Mb/s下列。使用单模光纤能克服这种限制，单模光纤较多模光纤色散

低得多，损耗也更小。一个实验室于1981年演示了比特率为2Gb/s,传输距离为44km的

单模光波实验系统，并很快引入商业系统，至1987年1.3um单模第二代光波系统开始投人

商业运营，其比特率高达1.7Gb/s,中继距离约50km。第二代光纤通信系统的应用推动了

1.3um的InGaAs半导体激光器与检测器的进展，广泛地用于长途干线与跨洋通信中。

第三代光纤通信的工作波长为1.55um。石英光纤最低损耗在1.55um邻近，实验技术上

于1979年就达到了0.2dB/km的低损耗，然而由于1.55um处光纤色散较大，与当时多纵模

同时振荡的常规InGnAsP半导体激光器的谱展宽问题尚未解决,推迟了第三代光波系统的问

世。在80年代，1.5um邻近具有最小色散的色散位移光纤(DSF)与单纵模激光器这两种技术

都得到了进展，使用L55um单模光纤的第三代光纤通信系统于80年代中后期实现。1985

年的传输试验显示，其比特率达到4Gb/s,中继距离超过100km。通过精心设计激光器与光

接收机，其比特率能超过10Gb/s。后来，工作波长为1.55um的掺饵光纤放大器问世，又

使这一波长具有更重要的意义。

第四代光纤通信系统以使用光放大器(0A)增加中继距离与使用频分与波分复用(FDM与

WDM)增加比特率为特征,这种系统有的时候使用零差或者外差方案，称之相干光波通信系统,

在80年代在全世界得到了进展。在一次试验中利用星形耦合器实现100路622Mb/s数据复

用，传输距离50km,其信道间串音能够忽略。在另一次试验中，单信道速率2.5Gb/s,不

用再生器，光纤损耗用光纤放大器(EDFA)补偿，放大器间距为80km,传输距离达2223km。

光波系统使用相干检测技术并不是使用EDFA的先决条件。有的实验室曾使用常规非把干技

术，实现了2.5Gb/s,4500km与10Gb/s,1500km的数据传输。另一实验曾使用循环回路

实现了2.4Gb/s,21000km与5Gb/s,14000km数据传输。90年代初期光纤放大器的问世

引起了光纤通信领域的重大变革。

第五代光纤通信系统的研究与进展经历了近20年历程，己取得突破性进展。它基于光

纤非线性压缩抵消光纤色散展宽的新概念产生的光孤子，实现光脉冲信号保形传输，尽管这

种基本思想1973年就已提出，但宜到1988年才由贝尔(Bell)实验室使用受激喇曼散射增益

补偿光纤损耗，将数据传输了4000km,次年又将传输距需延长到6000km。EDFA用于光孤子

放大开始于1989年，它在工程实际中有更大的优点，自那以后，国际上一些著名实验室纷

纷开始验证光孤子通信作为高速长距离通信的巨大潜力。1992年在美国与英国的实验室，

使用循环回路曾将2.5与5Gb/s的数据传输10000km以上。1995年，法国的实验室则将20Gb

/s的数据传输106km,中继距离达140km。1995年线形光孤子系统试验也将20Gb/s的数

据传输8100km,40Gb/s传输5000km。1994年与1995年80Gb/s与160Gb/s的高速数据

也分别传输500km与200km。

实验一半导体激光器PT特性曲线测量

一、实验目的：

1.熟悉半导体光源与光电探测器的物理基础；

2.熟悉发光二极管(LED)与半导体激光二极管(LD)的发光原理与有关特性；

3.熟悉PIN光电二极管与雪崩光电二极管(APD)的工作原理与有关特性；

4.掌握有源光电子器件特性参数的测量方法；

二、实验原理：

光纤通信中的有源光电子器件要紧涉及光的发送与接收，发光二极管(LED)与半导体激

光二极管(LD)是最重要的光发送器件，PIN光电二极管与API)光电二极管则是最重要佗光接

收器件。

1.发光二极管(LED)与半导体激光二极管(LD)：

LED是一种直接注入电流的电致发光器件，其半导体晶体内部受激电子从高能级问复到

低能级时发射出光子，属自发辐射跃迁。LED为非相干光源，具有较宽的谱宽(30〜60nm)与

较大的发射角(和100°)，常用于低速、短距离光波系统。

LD通过受激辐射发光，是一种阙值器件。LD不仅能产生富功率(010mW)辐射，而且输

出光发散角窄，与单模光纤的耦合效率高(约30%—50%),辐射光谱线窄(△入

=0.1-1.Onm),适用于高比特工作，载流子复合寿命短，能进行高速(〉20GHz)直接调制，非

常适合于作高速长距离光纤通信系统的光源。

使粒子数反转从而产生光增益是激光器稳固工作的必要条件，关于处于泵浦条件下的原

子系统，当满足粒子数反转条件时将会产生占优势的(超过受激汲取)受激幅射。在半导体激

光器中，这个条件是通过向P型与N型限制层重掺杂使费密能级间隔在PN结正向偏置下超

过带隙实现的。当有源层载流子浓度超过一定值(称之透明值)，就实现了粒子数反转，由此

在有源区产生了光增益，在半导体内传播的输入信号将得到放大。假如将增益介质放入光学

谐振腔中提供反馈，就能够得到稳固的激光输出。

(1)LED与LD的P-I特性与发光效率：

图1是LED与LD的PT特性曲线。LED是自发辐射光，因此PT曲线的线性范围较大。

LD有一阈值电流I”，当DLh时才发出激光。在L以上，光功率P随I线性增加。

020406080

驱动电流〃mA驱动电流"mA

(a)S)

图1：LD与LED的PT特性曲线

(a)LD的P-1特性曲线(b)LED的P-I特性曲线

阈值电流是评定半导体激光器性能的一个要紧参数,本实验使用两段直线拟合法对其进

行测定。如图2所示，将阈值前与后的两段直线分别延长并相交，其交点所对应的电流即为

阈值电流1小。

图2：两段直线拟合法测量LD阈值电流

发光效率是描述LED与LI）电光能量转换的重要参数，发光效率可分为功率效率与量子

效率。功率效率定义为发光功率与输入电功率之比，以n-表示。量子效率分为内量子效率

与外量子效率。内量子效率定义为单位时间内辐射复合产生的光子数与注入PN结的电子-

空穴对数之比。外量子效率定义为单位时间内输出的光子数与注入到PN结的电子空穴对数

之比。

（2）LED与LD的光谱特性:

LED没有光学谐振腔选择波长，它的光谱是以自发辐射为主的光谱，图3为LED的典型

光谱曲线。发光光谱曲线上发光强度最大处所对应的波长为发光峰值波长1，，光谱曲线.上

两个半光强点所对应的波长差△入为LED谱线宽度（简称谱宽），其典型值在30-40nm之间。

由图3能够看到，当器件工作温度升高时，光谱曲线随之向右移动，从脑的变化能够求出

LED的波长温度系数。

图3：LED光谱特性曲线

激光二极管的发射光谱取决于激光器光腔的特定参数，大多数常规的增益或者折射率导

引器件具有多个峰的光谱，如图4所示。激光二极管的波长能够定义为它的光谱的统计加权。

在规定输出光功率时，光谱内若干发射模式中最大强度的光谱波长被定义为峰值波长M，

对诸如DFB、DBR型LD来说，它的猫，相当明显。一个激光二极管能够维持的光谱线数目取

决于光腔的结构与工作电流。

7995800800.5

波氏(nm)

图4：LD光谱特性曲线

(3)LED与LD的调制特性：

当在规定的直流正向工作电流下，对LED进行数字脓冲或者模拟信号电流调制，便可实

现对输出光功率的调制。LED有两种调制方式，即数字调制与模拟调制，图5示出这两种调

制方式。调制频率或者调制带宽是光通信用LED的重要参数之一，它关系到LED在光通信中

的传输速度大小，LED因受到有源区内少数载流子寿命的限制，其调制的最高频率通常只有

几十兆赫兹，从而限制了LED在高比特速率系统中的应用，但是，通过合理设计与优化的驱

动电路，LED也有可能用于高速光纤通信系统。调制带宽是衡量LED的调制能力，其定义是

在保证调制度不变的情况下，当LED输出的交流光功率下降到某一低频参考频率值的一半时

(-3dB)的频率就是LED的调制带宽。

在LD的调制过程中存在下列两种物理机制影响其调制特性：(1)增益饱与效应。当注

入电流增大，因而光子数P增大时，增益G出现饱与现象，饱与的物理机制源于空间烧孔、

谱烧孔、载流子加热与双光子汲取等因素。谱烧孔也称帝内增益饱与。这些因素导致P增大

时G的减小。(2)线性调频效应。当注入电流为时变电流对激光器进行调制时，载流子数、

光增益与有源区折射率均随之而变，我流子数的变化导致模折射率五与传播常数的变化，因

此产生了相位调制，它导致了与单纵模有关的光(频)谱加宽，乂称线宽增强因子。

2.PIN光电二极管与API)光电二极管：

光电探测器的作用是完成光电转换。光纤通信所用的光电探测器是半导体光电二极管。

它们利用半导体物质汲取光子后形成的电子一空穴对把光功率转换成光电流。常用的有PIN

光电二极管与API)光电二极管，后者有放大作用。在短波长使用硅材料，在长波长使用锯材

料或者InGaAsP材料。

三、实验内容及步骤：

1.1550nmF-P半导体激光器P-I特性曲线测量

a.将1550nm半导体激光器操纵端口连接至主机LD1,光输出连接至主机OPM端口，

检查无误后打开电源

b.设置OPM工作模式为OPM/mW模式，量程(RTO)切换至1mW

c.设置LD1工作模式(MOD)为恒流驱动(ACC),1550nm激光器为恒定电流工作模式，

驱动电流(Ic)置为0

d.缓慢增加激光器驱动电流，0至30mA每隔0.5mA测一个点，作P〜I曲线

2.求1550nmF-P半导体激光器阈值电流

四、注意事项：

1.系统上电后禁止将光纤连接器对准人眼，以免灼伤。

2.光纤连接器陶在插芯表面光洁度要求极高，除专用清洁布外禁止用手触摸或者接触硬

物。空置的光纤连接器端子务必插上护套。

3.所有光纤均不可过于弯曲，除特殊测试外其曲率半径应大于30mm。

实验二半导体光电检测器参数测量

一、实验目的：

1.熟悉半导体光电检测器件的物理基础；

2.熟悉PIN光电二极管与雪崩光电二极管(APD)的工作原理与有关特性；

3.掌握半导体光电检测器件特性参数的测量方法；

二、实验原理：

光检测器的作用是把接收到的光信号转换成相应的电信号。由于从光纤中传过来的光信

号通常是非常微弱的，因此对光检测器提出了非常高的要求：第一，在系统的工作波长上要

有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，光检测器能输出尽可能大的光电流；第二，响

应速度快，频带宽；第三，噪声小；第四，线性好，保真度高；第五，体积小，使用寿命长。

满足上述要求、适合于光纤通信系统使用的光检测器要紧有半导体PIN光电二极管、雪崩光

电二极管、光电晶体管等。

1.半导体PN结的光电效应

半导体光检测器的核心是PN结的光电效应，PN结光电二极管是最简单的半导体光检测

器。

照射光波

图1：PN结光电二极管

(a)不结(b)能带图(c)PN结外电路构成回路

图1(a)所示是一个未加电压的PN结，它是一个由不可移动的带正、负电荷的离子构成

的耗尽层，或者称作势垒区。当以适当波长的光照射PN结时，P型与N型半导体材料将汲

取光能。假如光子能量hf2Ke时，则光子将被汲取，使价带中的电子受激跃迁到导带中，

而在价带中留下空穴，如图1(b)所示。这一过程称之光汲取。因光照射而在导带与价带中

产生的电子与空穴称之光生载流子。

产生在耗尽层的光生载流子在内建场的作用下作漂移运动：空穴向P区方向运动；电子

向N区方向运动，它们在PN结的边缘被收集。另外，耗尽层外的光生少数载流子会发生扩

散运动：P区中的光生电子向N区扩散；N区中的光生空穴向P区扩散。在扩散的同时，

部分光生少数载流子将被多数载流子复合掉。由于这些区域的电场很小，甚至能够称之无场

区，光生少数载流子在这些区域扩散速率较慢，只有小部分能扩散到耗尽层，继而在内建场

的作用下分别快速漂移到对方区域。这样，在P区就出现了过剩空穴的积存，N区出现了过

剩电子的积存，因此在耗尽层的两侧就产生了一个极性如图1(c)所示的光生电动势。这•

现象称之光生伏特效应。产生于耗尽层的电子与空穴也要产生光生伏特效应。基于这一效应,

假如将PN结的外电路构成回路，则外电路中会出现信号电流。这种由光照射激发的电流称

之光电流。

照射到半导体材料上的光，由于材料的汲取等原因使光随着深入材料的深度的增加而逐

步减弱。半导体内部距入射表面d处的光功率为

P(d)=P(O)exp(-ad)

式中：P(0)为照射到材料表面的平均光功率；a为半导体材料的光汲取系数，a决定了

入射光深入材料内部的深度，假如。很大，则光子只能进入半导体表面的薄层中。汲取入射

光子并产生光生载流子的区域称之光汲取区；耗尽层及其两侧宽度为载流子扩散长度的区域

称之作用区。在汲取区产生的光生少数载流子只有一部分进入作用区，这一部分光生载流子

以较慢的速度扩散至耗尽层，进入耗尽层后在内建电场作用下作快速漂移运动，从而产生光

生伏特效应。由于在作用区内，光生少数载流子的扩散速度较慢，从而影响了产生光生伏特

效应的速度，导致PN结对光信号响应速度减慢。假如输入的光信号为光脉冲；则输出的光

电脉冲会产生较长的拖尾°

由上述分析可见，光在耗尽层外被汲取使得光电转换效率降低、光电响应速度变慢。为

此，务必设法加宽耗尽层，使照射光子尽可能被耗尽层汲取。给PN结加负偏压有助于加宽

耗尽层。负偏压在势垒区产生的电场与内建场方向一致，使势垒区电场增强，加强了漂移运

动，而且N区的电子向正电极运动并被中与，P区的空穴向负电极运动并被中与，这样耗尽

层被加宽。

除了加负偏压的方法外，还能够通过减小P区与N区的厚度来减小载流子的扩散时间、

减少在P区与N区被汲取的光能与降低半导体的掺杂浓度来加宽耗尽层的方法来提高器件的

响应速度。这种结构就是常用的PIN光电二极管。

2.PIN光电二极管

图2：PIN光电二极管的结构与它在反向偏压下的电场分布

图2是PIN光电二极管的结构与它在反向偏压下的电场分布。在高掺杂P型与N型半导

体之间生长一层本征半导体材料或者低掺杂半导体材料，称之1层。在半导体PN结中，掺

杂浓度与耗尽层宽度有如下关系：

LP/L^IX/D,.

其中：Dp与D,分别为P区与N区的掺杂浓度：L，与L分别为P区与N区的耗尽层的

宽度。在PIN中，如关于P层与I层（低掺杂N型半导体）形成的PN结，由于I层近于本征

半导体，有

Dx«Dp

LI>«LN

即在I层中形成很宽的耗尽层。由于I层有较高的电阻，因此电压基本上降落在该区，使得

耗尽层宽度w能够得到加宽，同时能够通过操纵I层的厚度来改变。关于高掺杂的N型薄层,

产生于其中的光生载流子将很快被复合掉，因此这一层仅是为了减少接触电阻而加的附加

层。

要使入射光功率有效地转换成光电流，首先务必使入射光能在耗尽层内被汲取，这要求

耗尽层宽度W足够宽。但是随着W的增大，在耗尽层的载流子渡越时间Tcl也会增大，Tcr

与W的关系为

Tcr=W/v

式中：V为载流子的平均漂移速度。由于Jr增大，PIN的响应速度将会下降,因此耗尽层

宽度W需在响应速度与量子效率之间进行优化。

如使用类似于半导体激光器中的双异质结构，则PIN的性能能够大为改善。在这种设计

中，P区、N区与I区的带隙能量的选择，使得光汲取只发生在I区，完全消除了扩散电流

的影响。在光纤通信系统的应用中，常使用InGaAs材料制成I区与InP材料制成P区及N

区的PIN光电二极管，图3为它的结构。InP材料的带隙为1.35eV,大于InGaAs的带隙，

关于波长在1.3~1.6um范围的光是透明的，而InGaAs的I区对1.3~1.6um的光表现为较

强的汲取，儿微米的宽度就能够获得较高响应度。在器件的受光面通常要镀增透膜以减弱光

在端面上的反射。InGaAs的光探测器通常用于1.3um与1.55um的光纤通信系统中。

Au/Au-Su

图3：InGaAsPIN光电二极管的结构

PIN光电二极管的要紧特性包含波长响应范围、响应度、量子效率、响应速度、线性饱

与、击穿电压与暗电流等。

从光电二极管的工作原理能够明白，只有当光子能量hf大于半导体材料的禁带宽度反

才能产生光电效应，即

hf>EK

因此关于不一致的半导体材料，均存在着相应的下限频率f,或者上限波长晨，3亦称

之光电二极管的截止波长。只有入射光的波长小于入c的，光电二极管才能产生光电效应。

S1-PIN的截止波长为1.06um,故可用于0.85um的短波长光检测;Ge-PIN与InGaAs-PIN的

截止波长为1.7um,因此它们可用于1.3um、1.55um的长波长光检测。

当入射光波长远远小于截止波长时，光电转换效率会大大下降。因此，PIN光电二极管

是对一定波长范围内的入射光进行光电转换，这•波长范围就是PIN光电二极管的波长响应

范围。

响应度与量子效率表征了二极管的光电转换效率。响应度R定义为

R=Ip/Pin

其中：Pin为入射到光电二极管上的光功率；L，为在该入射功率下光电二极管产生的光电流。

R的单位为A/凡

量子效率n定义为

n二光电转换产生的有效电子-空穴对数/入射光子数

=(b/q)/(P111/hf)

=R(hf/q)

响应速度是光电二极管的一个重要参数。响应速度通常用响应时间来表示。响应时间为

光电二极管对矩形光脉冲的响应一一电脉冲的上升或者下降时间。响应速度要紧受光生载流

子的扩散时间、光生载流子通过耗尽层的渡越时间及其结电容的影响。

光电二极管的线性饱与指的是它有一定的功率检测范围，当入射功率太强时，光电流与

光功率将不成正比，从而产生非线性失真。P【N光电二极管有非常宽的线性工作区，当入射

光功率低于mW量级时，器件不可能发生饱与。

无光照时，PIN作为一种PN结器件，在反向偏压下也有反向电流流过，这一电流称之

PIN光电二极管的暗电流。它要紧由PN结内热效应产生的电子一空穴对形成。当偏置电压

增大时，暗电流增大。当反偏压增大到一定值时，暗电流激增，发生了反向击穿(即为非破

坏性的雪崩击穿，假如如今不能尽快散热，就会变为破坏性的齐纳击穿)。发生反向击穿的

电压值称之反向由穿电压。Si-PIN的典型击穿电压值为100多伏。PIN工作时的反向偏置都

远离击穿电压，通常为10〜30V。

3.雪崩光电二极管

雪崩光电二极管APD-AvalanchoPhotodiode是具有内部增益的光检测器，它能够用来

检测微弱光信号并获得较大的输出光电流。

雪崩光电二极管能够获得内部增益是基于碰撞电离效应。当PN结上加高的反偏压时，

耗尽层的电场很强，光生载流子通过时就会被电场加速，当电场强度足够高(约3x10、"cm)

时，光生载流子获得很大的动能，它们在高速运动中与半导体晶格碰撞，使晶体中的原子电

离，从而激发出新的电子••空穴对，这种现象称之碰撞电离。碰撞电离产生的电子••空穴对

在强电场作用下同样乂被加速,重复前一过程，这样多次碰撞电离的结果使载流子迅速增加,

电流也迅速增大，这个物理过程称之雪崩倍增效应。

图4为APD的一种结构。外侧与电极接触的P区与N区都进行了重掺杂，分别以P'与

N表示；在I区与N.区中间是宽度较窄的另一层P区。APD工作在大的反偏压下，当反偏压

加大到某一值后，耗尽层从N'-P结区一直扩展(或者称拉通)到P'区，包含了中间的P层区

与I区。图4的结构为拉通型APD的结构。从图中能够看到，电场在I区分布较弱，而在

N-P区分布较强，碰撞电离区即雪崩区就在N-P区。尽管I区的电场比N-P区低得多，但

也足够高(可达2xl()'V/cm),能够保证载流子达到饱与漂移速度。当入射光照射时，由于雪

崩区较窄，不能充分汲取光子，相当多的光子进入了I区。I区很宽，能够充分汲取光子，

提高光电转换效率。我们把I区汲取光子产生的电子-空穴对称之初级电子-空穴对。在电场

的作用下，初级光生电子从I区向雪崩区漂移，并在雪崩区产生雪崩倍增；而所有的初级空

穴则直接被P'层汲取。在雪崩区通过碰撞电离产生的电子-空穴对称之二次电子-空穴对。可

见，I区仍然作为汲取光信号的区域并产生初级光生电子-空穴对，此外它还具有分离初级

电子与空穴的作用，初级电子在M-P区通过碰撞电离形成更多的电子-空穴对，从而实现对

初级光电流的放大作用。

图4:API)的结构及电场分布

碰撞电离产生的雪崩倍增过程本质上是统计性的，即为一个复杂的随机过程。每一个初

级光生电子-空穴对在什么位置产生，在什么位置发生碰撞电离，总共碰撞出多少二次电子

一空穴对，这些都是随机的。因此与PIN光电二极管相比，APD的特性较为更杂。

与PIN光电二极管相比，APD的要紧特性也包含：波长响应范围、响应度、量子效率、

响应速度等，除此之外，由于APD管中雪崩倍增的存在，APD的特性还包含了雪崩倍增特性、

噪声特性、温度特性等等。

APD的雪崩倍增因子M定义为

式中：L是APD的输出平均电流；M是平均初级光生电流。从定义可见，倍增因子是

APD的电流增益系数。由于雪崩倍增过程是一个随机过程，因而倍增因子是在一个平均之上

随机起伏的量，雪崩倍增因子M的定义应懂得为统计平均倍增因子。M随反偏压的增大而增

大，随N的增加按指数增长。

APD的噪声包含量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声、热噪声与附加的倍增噪声。倍增

噪声是APD中的要紧噪声。

倍增噪声的产生要紧与两个过程有关，即光子被汲取产生初级电子-空穴对的随机性与

在增益区产生二次电子-空穴对的随机性。这两个过程都是不能准确测定的，因此APD倍增

因子只能是一个统计平均的概念，表示为<M>,它是一个复杂的随机函数。

由于API)具有电流增益，因此API)的响度比PIN的响应度大大提高，有

R(F<M>(IP/P)=<M>(nq/hf)

量子效率只与初级光生载流子数目有关，不涉及倍增问题，故量子效率值总是小于1。

APD的线性工作范围没有PIN宽，它适宜于检测微弱光信号。当光功率达到几uw以上

时，输出电流与入射光功率之间的线性关系变坏，能够达到的最大倍增增益也降低了，即产

生了饱与现象。、

APD的这种非线性转换的原因与PIN类似，要紧是器件上的偏压不能保持恒定。由于偏

压降低，使得雪崩区变窄，倍增因子随之下降，这种影响比PIN的情况更明显。它使得数字

信号脉冲幅度产生压缩，或者使模拟信号产生波形畸变，因而应设法避免。

在低偏压下API)没有倍增效应。当偏压升高时，，产生倍增效应，输出信号电流增大。当

反偏压接近某一电压片时，电流倍增最大，如今称APD被击穿，电压称作击穿电压。假

如反偏压进一步提高，则雪崩击穿电流使器件对光生载流子变的越来越不敏感。因此API)

的偏置电压接近击穿电压，通常在数十伏到数百伏。须注意的是击穿电压并非是APD的破坏

电压，撤去该电压后APD仍能正常工作。

APD的暗电流有初级暗电流与倍增后的暗电流之分，它随倍增因子的增加而增加；此外

还有漏电流，漏电流没有通过倍增。

APD的响应速度要紧取决于载流子完成倍增过程所需要的时间，载流子越过耗尽层所需

的渡越时间与二极管结电容与负载电阻的RC时间常数等因素。而渡越时间的影响相对比较

大，其余因素可通过改进结构设计使影响减至很小。

三、实验内容及步骤：

1.PIN光电一极管反向击穿电压测量

a.连接InGaAsPIN光电二极管、高压电源HVS与主机PD输入，屏蔽掉PIN管光输

入。

b.OPMMOD置PD/AM档,OPMRTO置1OOnW档。

c.由0V开始慢慢增加HYS输出电压，每隔2V测一个点，至56V结束，作Ir〜Yr曲

线，求PIN光电二极管反向击穿电压。偏压不能够大于56V,否则PIN管及易烧毁。

2.PIN光电二极管响应度测量

a.将1550nm半导体激光器操纵电缆连接至LD1操纵器

b.清洁光纤连接器接头,连接1550nm半导体激光器与光功率计OPM

c.调节操纵器，设置激光器为恒流输出功率模式ACC,激光器输出功率调至

0.2mWo

d.将1550nm半导体激光器输出改接至被测PIN光电二极管，记录PIN检测器输出电

流

e.计算PIN光电二极管响应度

四、注意事项：

1.系统上电后禁止将光纤连接器对准人眼，以免灼伤。

2.光纤连接器陶瓷插芯表面光洁度要求极高，除专用清洁布外禁止用手触摸或者接触硬

物。空置的光纤连接器端子务必插上护套。

3.所有光纤均不可过于弯曲，除特殊测试外其曲率半径应大于30mln。

实验三光纤无源器件参数测量

一、实验目的：

1.熟悉光纤无源器件的工作原理及有关特性；

2.掌握光纤无源器件特性参数的测量方法；

二、实验原理：

光无源器件有很多种类，要紧有光纤连接器、光纤耨合器、光滤波器、光隔离器、波分

复用解复用器、光开关、光衰减器、光环形器、偏振选择与操纵器等。

1.光纤连接器：

光纤(光缆)连接器是使一根光纤与另一根光纤相连接的器件，实现光信号的平滑无损或

者低损连接。光纤连接器会引入一定的功率损耗，称之插入损耗，它是衡量光纤连接器质量

的要紧技术指标之一。

2.光纤耦合器：

光纤耦合器是实现光信号分路/合路的功能器件,通常是对同一波长的光功率进行分路

或者合路。光纤耦合器的稿合机理基于光纤的消逝场耦合的模式理论。多模与单模光纤均可

做成耦合器，通常有两种结构型式，一种是拼接式，另一种是熔融拉锥式。拼接式结构是将

光纤埋人玻璃块中的弧形槽中，在光纤侧面进行研磨抛光，然后将经研磨的两根光纤拼接在

一起，靠透过纤芯一包层界面的消逝场产生耦合。熔融拉锥式结构是将两根或者多根光纤扭

绞在一起，用微火炬对耦合部分加热，在熔融过程中拉伸光纤，形成双锥形耦合区。

光耦合器是一种光无源器件，该领域内的通常技术术语对它也适用，同时，它还另有一

些表达自身特点的参数。

1).插入损耗(InsertionLoss)

就光耦合器而言，插入损耗定义为指定输出端口的光功率相对全部愉入光功率的减少

值。该值通常以分贝(dB)表示，数学表达式为：

ILi=-lOlg(Poi/Pi)

其中，IL是第i个输出端口的插入损耗；Poi是第i个输出端口测到的光功率值：Pi是输

入端的光功率值。

2).附加损耗(ExcessLoss)

附加损耗定义为所有输出端U的光功率总与相关于全部输入光功率的减小值。该值以分

贝(dB)表示的数学表达式为：

EL=-101g(SP()/P1)

关于光纤耦合器，附加损耗是表达器件制造工艺质置：的指标，反映的是器件制作过程带

来的固有损耗；而插入损耗则表示的是各个输出端口的输出功率状况，不仅有固有损耗的因

素，更考虑了分光比的影响。因此不一致种类的光纤耦合器之间，插入损耗的差异，并不能

反映器件制作质量的优劣，这是与其他无源器件不一致的地方。

3).分光比(CouplingRatio)

分光比是光耦合器所特有的技术术语，它定义为耦合器各输出端口的输出功率的比值，

在具体应用中常常用相对输出总功率的百分比来表示：

CR=Poi/SPoix100%

比如关于标准X形耦合器，1:1或者50：50代表了同样的分光比，即输出为均分的器件。

实际工程应用中，往往需要各类不一致分光比的器件，这能够通过操纵制作过程的停机点来

得到。

4).方向性(Directivity)

方向性也是光耦合器所特有的一个技术术语，它是衡量器件定向传输特性的参数。以标

准X形耦合器为例，方向性定义为在耦合器正常工作时，输入一侧非注入光的一端的输出光

功率与全部注入光功率的比较值，以分贝(dB)为单位的数学表达式为：

DL=-101g(Pi2/PH)

其中，儿代表注入光功率，PM代表输入一侧非注入光的一端的输出光功率。

5).均匀性(Uniformity)

关于要求均匀分光的光耦合器(要紧是树形与星形器件)，实际制作时，由于工艺的局限,

往往不可能做到绝对的均分。均匀性就是用来衡量均分器件的“不均匀程度”的参数。它定

义为在器件的工作带宽范围内，各输出端口输出光功率的最大变化量。其数学表达式为：

FL=-101g(Min(Po)/Max(Po))

6).偏振有关损耗(PolarizationDependentLoss)

偏振有关损耗是衡量器件性能关于传输光信号的偏振态的敏感程度的参量，俗称偏振灵

敏度。它是指当传输光信号的偏振态发生360°变化时，器件各输出端口输出光功率的最大

变化量：

PDL=101g(Min(Poi)/Max(Poi))

在实际应用中，光信号偏振态的变化是经常发生的，因此，往往要求器件有足够小的偏

振有关损耗，否则将直接影响器件的使用效果。

7).隔离度(Isolation)

隔离度是指光纤耦合器件的某一光路对其他光路中的光信号的隔离能力。隔离度高，也

就意味着线路之间的“串话”(crosstalk)小。关于光纤耦合器来说，隔离度更有意义的是用

于反映WDM器件对不一致波长信号的分离能力。其数学表达式是：

I=-101g(Pt/Pi)

式中：巴是某一光路输出端测到的其他光路信号的功率值；P是被检测光信号的输入功率值。

从上述定义可知，隔离度关于分波耦合器的意义更为重大，要求也就相应地要高些，实

际工程中往往需要隔离度达到40(115以上的器件；而通常来说，合波耦合器对隔离度的要求

并不苛刻，20dB左右将不可能给实际应用带来明显不利的影响。

3.波分复用/解复用器与光滤波器：

波分兔用/解复用器是一种特殊的耦合器，是构成波分复用多信道光波系统的关键器

件，其功能是将若干路不一致波长的信号复合后送入同一根光纤中传送，或者将在同一根光

纤中传送的多波长光信号分解后分送给不一致的接收机，对利用光纤频带资源，扩展通信系

统容量具有重要意义。阳训器件有多种类型，如熔锥型、光栅型、干涉滤波器型与集成光波

导型。

4.光隔离器：

在光纤与半导体激光器的耦合系统中，某些不连续处的反射将影响激光器工作的稳固

性。这在高码速光纤通信系统，相干光纤通信系统，频分复用光纤通信系统，光纤CATV传

输系统与精密光学测量系统中将带来有害的影响。为了消除这些影响，需要在激光器与光纤

之间加光隔离器。光隔离器是一种只同意光线沿光路正向传输的非互易性元件，其工作原理

要紧是利用磁光晶体的法拉第效应，它由两个线偏振器中间加一法拉第旋转器而成。

5.光开关：

光开关是一种具有一个或者多个可选择的传输端口，可对光传输线路或者集成光路中的

光信号进行相互转换或者逻辑操作的器件。端口即指连接于光器件中同意光输入或者输出的

光纤或者光纤连接器。光开关可用于光纤通信系统、光纤网络系统、光纤测量系统或者仪器

与光纤传感系统，起到开关切换作用。

根据其工作原理，光开关可分为机械式与非机械式两大类。机械式光开关靠光纤或者光

学元件移动，使光路发生改变。它的优点是：插入损耗较低，通常不大于2dB；隔离度高，

通常大于45dB；不受偏振与波长的影响。不足之处是：开关时间较长，通常为亳秒数量级,

有的还存在回跳抖动与重复性较差的问题。机械式光开关又可细分为移动光纤、移动套管、

移动准直器、移动反光镜、移动棱镜、移动耦合器等种类。非机械式光开关则依靠电光效应、

磁光效应、声光效应与热光效应来改变波导折射率，使光路发生改变，它是近年来非常热门

的研究课题。这类开关的优点是：开关时间短，达到毫微秒数最级甚至更低；体积小，便于

光集成或者光电集成。不足之处是插入损耗大，隔离度低，只有20dB左右。

光开关在光学性能方面的特性参数要紧有插入损耗、回波损耗、隔离度、远端串扰、近

端串扰、工作波K、消光比、开关时间等。

插入损耗定义为输入与输出端口之间光功率的减少，以分贝来表示。

lL=TOlg(P1/Po)

式中：P。为进入输入端的光功率；Pi为输出端接收的光功率。插入损耗与开关的状态有关。

回波损耗(也称之反射损耗或者反射率)定义为从输入端返回的光功率与输入光功率的

比值，以分贝表示。

Ri-ioigCP./Po)

式中：p。为进入输入端的光功率；Pi为在输入端口接收到的返回光功率。回波损耗也与开关

的状态有关。

隔离度定义为两个相隔离输出端口光功率的比值，以分贝来表示。

In.n=-101g(Pin/Pin)

式中：n、m为开关的两个隔离端口(nWm)；Pu,是光从i端口输入时n端口的输出光功率，

Pm是光从i端口输入时在m端口测得的光功率。

远端串扰定义为光开关的接通端II的输出光功率与串入另一端口的输出光功率的比值。

FCI2=-101g(P1/P2)

式中：Pi是从端口1输出的光功率；P?是从端口2输出的光功率。

近端串扰定义为当其它端口接终端匹配时，连接的端口与另一个名义上是隔离的端口的

光功率之比。

NC12=-101g(P2/P))

式中：R是输入到端口1的光功率,P2是端口2接收到的光功率。

消光比定义为两个端口处于导通与非导通状态的插入损耗之差。

ERnn=ILnn-IL°nn

式中：IL向为n,m端口导通时的插入损耗；IL°nn为非导通状态的插入损耗。

开关时间指开关端口从某一初始态转为通或者断所需的时间，开关时间从在开关上施加

或者撤去转换能量的时刻起测量。

三、实验装置:

LDC

四、实验内容及步骤：

1.测试光路准备

a.按实验装置图一所示结构连接1550nm半导体激光器、单模光纤耦合器、OPM与主

机，暂将1550nni半导体激光器输出直接连接至OPU输入，检查无误后打开电源

b.设置OPM工作模式为OPM/dBm,量程(RTO)切换至OdBm

c.设置LD1工作模式(MOD)为恒流驱动(ACC),1550nm激光器为恒定电流工作模式，

调节驱动电流(I。至输出功率为-7.0dBm(0.2晒)邻近，记录光功率值P,

d.连接1550nm激光器输出(1550Out)至待测光纤耦合器输入端(P0RT1)

2.将待测光纤耦合器输出端P0RT3连接至OPM输入，定录该端口输出光功率Po,,计算光

纤耦合器插入损耗IL,

3.绕轴向缓慢旋转待测光纤耦合器输入端光纤，记录该端口输出光功率Poi的最小值

Min(P(ll)与最大值Max(P(“)，计算光纤耦合器偏振依靠损耗PDL,

4.将待测光纤耦合器输出端P0RT4连接至OPM输入，无录该端口输出光功率P02,计算光

纤耦合器插入损耗IU

5.绕轴向缓慢旋转待测光纤耦合器输入端光纤，记录该端口输出光功率P。？的最小值

Min(Po2)与最大值Max(Ps),计算光纤耦合器偏振依靠损耗PDL2

6.计算光纤耦合器分光比CR

7.计算光纤耦合器附加损耗EL

8.按实验装置图二所示结构将待测光纤耦合器输入端P0RT2连接至OPM输入。待测光纤耦

合器输出端P0RT3与P0RT4分别连接一根光跳线，每根光跳线均在手指上绕5圈，使得

P0RT3与P0RT4的输出光功率在两跳线中极大衰耗，最终减小其反射光对方向性测最的

影响。设置OPM至合适量程(RTO),记录该端口反向输出光功率Pm计算光纤耦合器方

向性DL

五、注意事项：

1.系统上电后禁止将光纤连接器对准人眼，以免灼伤。

2.光纤连接器陶瓷插芯表面光洁度要求极高，除专用清洁布外禁止用手触摸或者接触硬

物。空置的光纤连接器端子务必插上护套。

3.所有光纤均不可过于弯曲，除特殊测试外其曲率半径应大于30nlm。

六、思考题：

如何借助于标准3dB耦合器测量待测光纤耦合器愉入端PORT1的回波损耗？请面出测

试光路，并写出测试步骤与数据处理方法。

实验四光纤时域反射测量（OTDR）

一、实验目的：

1.熟悉光波系统中光信号的传输特性；

2.掌握光纤时域反射法的工作原理与测量方法；

二、实验原理：

光纤时域反射测量（OTDR）是光纤通信领域非常重要的测量技术。OTDR首先发射光脉

冲进入光纤，光脉冲在光纤内传愉时，会由于光纤木身的性质、连接器、接合点、弯曲或者

其它类似的事件而产生散射与反射，通过对返回光的强度及时间特征进行分析能够测知光纤

介质的传输特性。图1是OTDR典型的测试波形。

0.0

dB

-5.0

-10.0

-15.0

-20.0

-25.0

-30.0

05.010.015.020.025.030.0km35.0

图1：光纤时域反射测量测试波形

OTDR使用瑞利散射与菲涅尔反射来表征光纤的特性。瑞利散射是由于光信号沿着光纤

产生无规律的散射而形成，这些背向散射信号说明了光纤导致的衰减（损耗/距离）程度，

形成的轨迹是一条向下的曲线。给定光纤参数与波长，瑞利散射的功率与信号的脉冲宽度成

比例，脉冲宽度越长，背向散射功率就越强。瑞利散射的功率还与发射信号的波长有关，波

长较短则功率较强。在高波长区（超过1500nm）,瑞利散射会持续减小，但红外汲取的现象

会出现，增加并导致了全部衰减值的增大。1550nm波长的OTDR具有最低的衰减性能，能够

进行长距离的测试，高衰减的1310nm或者1625nm波长，OTDR的测试距离受到限制。

菲涅尔反射是离散的反射，它是由整条光纤中的个别点而引起的，这些点是由造成反向

系数改变的因素构成，比如玻璃与空气的间隙。在这些点上，会有很强的背向散射光被反射

回来。OTDR利用菲涅尔反射的信息来定位连接点，光纤终端或者断点，通过发射信号到返

回信号所用的时间与光在玻璃物质中的速度，能够计算出距离。

三、实验装置:

1950Cut3

13l0nm/15fi0nm待测G.652光纤

1550nmFP-LD

Coupler

图2：光纤时域反射测量实验装置

四、实验内容及步骤：

1.测试光路准备

a.按图2所示结构连接1550nm半导休激光器、InGaAsPIN光电二极管、模拟接收器

(COD.IN)、单模光纤耦合器、待测G.652单模光纤与主机。

b.将单模光纤耦合器输出端P0RT4连接一根FC/APC-FC/PC光跳线，将待测G.652单

模光纤末端连接一根FC/APC-PC光跳线。

c.将函数信号发生器输出(SIG)连接至半导体激光操纵器LD1的调制信号输入端

(MODI),同时使用三通将此信号连接至示波器口勺CH2输入用于信号同步。

d.将模拟接收器的输出信号(COD.OUT)连接至示波器的CH1输入，检查无误后打开系

统电源

2.时域反射法测定单模光纤断点位置

a.设置COD模式为ARX,量程(PD1RTO)至100uA档。

b.设置SIG工作模式为脉冲模式(PUS),输出信号幅度Vs调至5.0也调节示波器同

步CH1输入，上升沿出发，观察到稳固的脉冲调制信号。

c.设置LD2工作模式;(MOD)为数字调制模式(ODM),1550nm激光器工作于5kHz脉冲

模式下，调节LD2驱动电流(Ic)至40.0mAo

d.观察光接收机监控信号波形，记录两次反射脉冲前沿之间的时间间隔「

e