光纤通信与光电子技术实验指导书样本

光纤通信与光电子技术实验指引书

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量（OTDR）.............................................20

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

实验六掺饵光纤放大（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和截止波长测量.........................................34

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

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

实验十二电吸取调制（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

实验十五液晶显示屏（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

实验十匕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信号采集与解决..................................................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显像管(CRT)电子聚焦与偏转...............................83

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

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

引言

光通信技术是当代通信技术发展最新成就，在信息传播速率和距离、通信系统有效性、

可靠性和经济性方面获得了卓越成就，使通信领域发生了巨大变化，已成为当代通信基石，

是信息时代来临重要物质基本之一。

当代光通信是从188Q年贝尔创造'光话’开始。她以日光为光源，大气为传播媒质，

传播距离是2()0川。1881年，她刊登了论文(关于运用光线进行声音复制与产生)。但贝尔光

话始终未走上实用化阶段。究其因素有二：一是没有可靠、高强度光源；二是没有稳定、低

损耗传播媒质，无法得到高质量光通信。在此后几十年时间里，由于上述两个隙碍未能突破,

也由于电通信得到高速发展，光通信研究一度沉寂。这种状况始终延续到本世纪60年代。

1970年被称为光纤通信元年，在这一年发生了通信史上两件大事：一是美国康宁

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

信研究所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持续

工作铝钱碑(AlGaAs)半导体激光器，这两项科学成就为光纤通信发展奠定了基本。此后，光

纤通信以令人眩目速度发展起来，70年代中期即进入了实用化阶段，其应用遍及长途干线、

海底通信、局域网、有线电视等各领域。其发展速度之快，应用范畴之广，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。当前，

光纤通信新技术仍在不断涌现，生产规模不断扩大，成本不断下降，显示了这一技术强大生

命力和辽阔应用前景。它将成为信息高速公路重要传播手段，是将来信息社会支柱。通过

30年发展，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。

第一代光纤通信工作波长为().85um,属短波长波段，传播光纤用多模光纤。光源使用

铝铁珅半导体激光器，光电检测器为硅(Si)材料半导体PIN光电二极管或半导体雪崩光电二

极管(APD)。这一代光通信以1977年美国芝加哥进行码速率为44.736Mbit/s现场实验为标

O

第二代光纤通信工作波长为1.3um,该波段属长波长波段，是石英光纤第二个低损耗窗

口，有较低损耗且有最低色散，可大大增长中继距离。初期1.3um第二代光纤通信传播用多

模光纤，相应光源是长波长锢钱神磷/锢磷(InGaAsP/InP)半导体激光器，光电探测器采用

错(Ge)材料，其中继距离超过了20km。由于多模光纤模间色散，使得系统比特率限制在100Mb

/s如卜。采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。

一种实验室于1981年演示了比特率为2Gb/s,传播距离为44km单模光波实验系统，并不

久引入商业系统，至1987年L3um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应用推动了1.3umInGaAs半导体激光器

和检测器发展，广泛地用于长途干线和跨洋通信中。

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

1979年就达到了0.2dB/km低损耗，然而由于1.55um史光纤色散较大，以及当时多纵模同

步振荡常规InGnAsP半导体激光器谱展宽问题尚未解决，推迟了第三代光波系统问世。在

80年代，1.5um附近具备最小色散色散位移光纤(DSF)与单纵模激光器这两种技术都得到了

发展，使用L55um单模光纤第三代光纤通信系统于80年代中后期实现。1985年传播实验

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和光接受机，其比

特率能超过10Gb/s0日后，工作波长为1.55um掺饵光纤放大器问世，又使这一波长具备

更重要意义。

第四代光纤通信系统以采用光放大器(OA)增长中继距离和采用频分与波分复用(F皿与

WDM)增长比特率为特性，这种系统有时采用零差或外差方案，称为相干光波通信系统，在

80年代在全世界得到了发展。在一次实验中运用星形耦合器实现100路622Mb/s数据复用，

传播距离50km,其信道间串音可以忽视。在另一次实验中，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,传播距离达2223km。光波

系统采用相干检测技术并不是使用EDFA先决条件。有实验室曾使用常规非相干技术，实现

了2.5Gb/s,4500km和10Gb/s,1500km数据传播。另一实验曾使用循环回路实现了2.4Gb

/s,21000kmft5Gb/s,14000km数据传播。90年代初期光纤放大器问世引起了光纤通信

领域重大变革。

第五代光纤通信系统研究与发展经历了近历程，已获得突破性进展。它基于光纤非线性

压缩抵消光纤色散展宽新概念产生光孤子，实现光脉冲信号保形传播，虽然这种基本思想

1973年就已提出，但直到1988年才由贝尔（Bell）实验室采用受激喇曼散射增益补偿光纤损

耗，将数据传播J'4000km,次年又将传播距离延长到6000km。EDFA用于光孤子放大开始于

1989年，它在工程实际中有更大长处，自那后来，国际上某些知名实验室纷纷开始验证光

孤子通信作为高速长距离通信巨大潜力。1992年在美国与英国实验室，采用循环回路曾将

2.5与5Gb/s数据传播10000km以上。1995年，法国实验室则将20Gb/s数据传播106km,

中继距离达140km。1995年线形光孤子系统实验也将20Gb/s数据传播8100km,40C-b/s

传播5000km.1994年和1995年80Gb/s和160Gb/s高速数据也分别传播500km和200km«

实验一半导体激光器p-1特性曲线测量

一、实验目：

1.理解半导体光源和光电探测器物理基本；

2.理解发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)发光原理和有关特性；

3.理解PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)工作原理和有关特性；

4.掌握有源光电子器件特性参数测量办法；

二、实验原理：

光纤通信中有源光电子器件重要涉及光发送和接受，发光二极管(LED)和半导体激光二

极管(LD)是最重要光发送器件，PIN光电二极管和API)光电二极管则是最重要光接受器件。

1.发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)：

LED是一种直接注入电流电致发光器件，其半导体晶体内部受激电子从高能级回答到低

能级时发射出光子，属自发辐射跃迁。LED为非相干光源，具备较宽谱宽(30〜60nm)和较大

发射角(2100°),惯用于低速、短距离光波系统。

LD通过受激辐射发光，是一种阈值器件。LI)不但能产生高功率(NlOmW)辐射，并且输

出光发散角窄，与单模光纤耦合效率高(约30%—50%),辐射光谱线窄(△入=0.IT.Onm),

合用于高比特工作，载流子复合寿命短，能进行高速(>23GHz)直接调制，非常适合于作高速

长距离光纤通信系统光源。

使粒子数反转从而产生.光增益是激光器稳定工作必要条件，对于处在泵浦条件下原子系

统，当满足粒子数反转条件时将会产生占优势(超过受激吸取)受激辐射。在半导体激光器中，

这个条件是通过向P型和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。当有源层载流子浓度超过一定值(称为透明值)，就实现了粒子数反转，由此在有源区产

生了光增益，在半导体内传播输入信号将得到放大。如果将增益介质放入光学谐振腔中提供

反馈，就可以得到稳定激光输出。

(1)LED和LDP-1特性与发光效率:

图1是LED和LDP-I特性曲线。LED是自发辐射光，因此P-I曲线线性范畴较大.LD

有一阈值电流1皿当I>Ih时才发出激光。在Lh以上，光功率P随I线性增长。

020406080

驱动电流驱动电流"mA

(a)S)

图1：LD和LEDP-I特性曲线

(a)LDP-I特性曲线(b)LEDP-I特性曲线

阈值电流是评估半导体激光器性能一种重要参数，本实验采用两段直线拟合法对其进行

测定。如图2所示，将阈值前与后两段直线分别延长并相交，其交点所相应电流即为阈值电

流Ilho

图2：两段直线拟合法测量LD阈值电流

发光效率是描述［㈤)和LD电光能量转换重要参数，发光效率可分为功率效率和量子效

率。功率效率定义为发光功率和输入电功率之比，以表达。量子效率分为内量子效率和

外量子效率.。内量子效率定义为单位时间内辐射复合产生光子数与注入PN结电子-空穴对数

之比。外量子效率定义为单位时间内输出光子数与注入到PN结电子-空穴对数之比。

(2)LED和LD光谱特性:

LED没有光学谐振腔选取波长，它光谱是以自发辐射为主光谱，图3为LED典型光谱曲

线。发光光谱曲线上发光强度最大处所相应波长为发光峰值波长入°,光谱曲线上两个半光

强点所相应波长差八人为LED谱线宽度(简称谱宽)，其典型值在30-40nm之间。由图3可以

看到，当器件工作温度升高时，光谱曲线随之向右移动，从储变化可以求出LED波长温度

系数,，

I220I26()13001340I380

波长(mn)

图3：LED光谱特性曲线

激光二极管发射光谱取决于激光器光腔特定参数，大多数常规增益或折射率导引器件具

备各种峰光谱，如图4所示。激光二极管波长可以定义为它光谱记录加权。在规定输出光功

率时，光谱内若干发射模式中最大强度光谱波长被定义为峰值波长Ap,对诸如DFB、DBR

型LD来说，它储相称明显。一种激光二极管可以维持光谱线数目取决于光腔构造和工作电

流。

(

W

S版-

出

)

处

率

七

五

图4：LD光谱特性曲线

(3)LED和LD调制特性:

当在规定直流正向工作电流下，对LED进行数字脉冲或模仿信号电流调制，便可实现对

输出光功率调制。LED有两种调制方式，即数字调制和模仿调制，图5示出这两种调制方式。

调制频率或调制带宽是光速信用LED重要参数之一，它关系到LED在光通信中传播速度大小,

LED因受到有源区内少数我流子寿命限制，其调制最高频率普通只有几十兆赫兹，从而限制

了LED在高比特速率系统中应用，但是，通过合理设计和优化驱动电路，LED也有也许用于

高速光纤通信系统。调制带宽是衡量LED调制能力，其定义是在保证调制度不变状况下，当

LED输出交流光功率下降到某一低频参照频率值一半时(-3dB)频率就是LED调制带宽。

出U

第

三1

叵I1

/gLED光输出波形

三

上时间

电(b)LED模拟调制

3堤

一

芯

芋

图5：LED调制特性

在LD调制过程中存在如下两种物理机制影响其调制特性：(1)增益饱和效应。当注入

电流增大，因而光子数P增大时，增益G浮现饱和现象，饱和物理机制源于空间烧孔、谱烧

孔、载流子加热和双光子吸取等因素。谱烧孔也称带内增益饱和。这些因素导致P增大时G

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

和有源区折射率均随之而变，载流子数变化导致模折射型五和传播常数变化，因而产生了相

位调制，它导致了与单纵模有关光(频)谱加宽，又称线宽增强因子。

2.PIN光电二极管和APD光电二极管:

光电探测器作用是完毕光电转换。光纤通信所用光电探测器是半导体光电二极管。它们

运用半导体物质吸取光子后形成电子一空穴对把光功率延换成光电流。惯用有PIN光电二极

管和APD光电二极管，后者有放大作用。在短波长采用硅材料，在长波长采用铝材料或

InGaAsP材料。

三、实验内容及环节：

1.1550nmF-P半导体激光器P-I特性曲线测量

a.将1550nm半导体激光器控制端口连接至主机LD1,光输出连接至主机OPM端口，

检查无误后打开电源

b.设立OPM工作模式为OPM/mW模式，量程(RTO)切换至ImW

c.设立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.缓慢增长激光器驱动电流，0至30mA每隔0.5mA测一种点，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.光纤连接器陶瓷插芯表面光洁度规定极高，除专用清洁布外禁止用手触摸或接触硬物。

空置光纤连接器端子必要插上护套。

3.所有光纤均不可过于弯曲，除特殊测试外其曲率半径应不不大于30mm。

实验二半导体光电检测器参数测量

一、实验目：

1.理解半导体光电检测器件物理基本；

2.理解PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)工作原理和有关特性；

3.掌握半导体光电检测器件特性参数测量办法；

二、实验原理：

光检测器作用是把接受到光信号转换成相应电信号。由于从光纤中传过来光信号普通是

非常薄弱，因而对光检测器提出了非常高规定：第一，在系统工作波长上要有足够高响应度,

即对一定入射光功率，光检测器能输出尽量大光电流；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。满足上述规定、适合

于光纤通信系统使用光检刻器重要有半导体PIN光电二极管、雪崩光电二极管、光电晶体管

等。

1.半导体PN结光电效应

半导体光检测器核心是PN结光电效应，PN结光电二极管是最简朴半导体光检测器。

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)所示是一种未加电压PN结，它是一种由不可移动带正、负电荷离子构成耗尽层，

或称作势垒区。当以恰当波长光照射PN结时，P型和N型半导体材料将吸取光能。如果光

子能量hf与K。时，则光子将被吸取，使价带中电子受激跃迁到导带中，而在价带中留卜空

穴，如图1(b)所示。这一过程称为光吸取。因光照射而在导带和价带中产生电子和空穴称

为光生载流子。

产生在耗尽层光生载流子在内建场作用下作漂移运动：空穴向P区方向运动；电子向N

区方向运动，它们在PN结边沿被收集。此外，耗尽层外光生少数载流子会发生扩散运动：P

区中光生电子向N区扩散；N区中光生空穴向P区扩散。在扩散同步，一某些光生少数载流

子将被多数载流子复合掉，由于这些区域电场很小，甚至可以称为无场区，光生少数载流子

在这叫区域扩散速率较慢，只有小某些能扩散到耗尽层，继而在内建场作用下分别迅速漂移

到对方区域。这样，在P区就浮现了过剩空穴积累，N区浮现了过剩电子积累，卜是在耗尽

层两侧就产生了一种极性如图1(c)所示光生电动势。这一现象称为光生伏特效应。产生于

耗尽层电了和空穴也要产生光生伏特效应。基「这效应，如果将PN结外电路构成回路，

则外电路中会浮现信号电流。这种由光照射激发电流称为光电流。

照射到半导体材料上光，由「材料吸取等因素使光随着进一步材料深度增长而逐渐削

弱。半导体内部距入射表面d处光功率为

P(d)=P(0)exp(-ad)

式中：PS)为照射到材料表面平均光功率；a为半导体材料光吸取系数，a决定了入射

光进一步材料内部深度，如果。很大，则光子只能进入半导体表面薄层中。吸取入射光子并

产生光生载流子区域称为光吸取区；耗尽层及其两侧宽度为载流子扩散长度区域称为作用

区。在吸取区产生光生少数载流子只有一某些进入作用区，这一某些光生载流子以较慢速度

扩散至耗尽层，进入耗尽层后在内建电场作用下作迅速漂移运动，从而产生光生伏特效应。

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

PN结对光信号响应速度减慢。如果输入光信号为光脉冲；则输出光电脉冲会产生较长拖尾。

由上述分析可见，光在耗尽层外被吸取使得光电转换效率减少、光电响应速度变慢。为

此，必要设法加宽耗尽层，使照射光子尽量被耗尽层吸取。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，

并且N区电了•向正电极运动并被中和，P区空穴向负电极运动并被中和，这样耗尽层被加宽。

除了加负偏压办法外，还可以通过减小P区和N区厚度来减小我流子扩散时间、减少在

P区和N区被吸取光能以及减少半导体掺杂浓度来加宽耗尽层办法来提高器件响应速度。这

种构造就是惯用PIN光电二极管。

2.PIN光电二极管

图2：PIN光电二极管构造和它在反向偏压下电场分布

图2是PIN光电二极管构造和它在反向偏压下电场分布。在高掺杂P型和N型半导体之

间生长一层本征半导体材料或低掺杂半导体材料，称为I层。在半导体PN结中，掺杂浓度

和耗尽层宽度有如下关系：

Lp/Lx-Dx/Dp

其中：叫和队分别为P区和N区掺杂浓度；Lp和L分别为P区和N区耗尽层宽度。

在PIN中，如对于P层和I层（低掺杂N型半导体）形成PN结，由于I层近于本征半导体，

有

D\«Dr

L(>«U

即在I层中形成很宽耗尽层。由于I层有较高电阻，囚而电压基本，降落在该区，使得耗尽

层宽度W可以得到加宽，并且可以通过控制I层厚度来变化。对于高掺杂N型薄层，产生于

其中光生载流子将不久被复合掉，因而这一层仅是为了减少接触电阻而加附加层。

要使入射光功率有效地转换成光电流，•方面必要使入射光能在耗尽层内被吸取，这规

定耗尽层宽度W足够宽。但是随着W增大，在耗尽层载流子渡越时间T”也会增大，与

W关系为

Tcr=W/V

式中：V为载流子平均漂移速度。由于增大，PIN响应速度将会下降。因而耗尽层宽度

W需在响应速度和量子效率之间进行优化。

如采用类似于半导体激光器中双异质构造，则PIN性能可以大为改进。在这种设计中，

P区、N区和I区带隙能量选取，使得光吸取只发生在I区，完全消除了扩散电流影响。在

光纤通信系统应用中,常采用InGaAs材料制成I区和InP材料制成P区及N区PIN光电二

极管，图3为它构造。InP材料带隙为1.35cV,不不大于InGaAs带隙，对于波长在1.3〜

1.6um范畴光是透明，而InGaAsi区对1.3~1.6um光体现为较强吸取，几微米宽度就可以

获得较高响应度。在器件受光面普通要镶增透膜以削弱光在端面上反射。InGaAs光探测器

普通用于1.3um和1.55um光纤通信系统中。

图3：InGaAsPIN光电二极管构造

PIN光电二极管重要特性涉及波长响应范畴、响应度、最子效率、响应速度、线性饱和、

击穿电压和暗电流等。

从光电二极管工作原理可以懂得，只有当光子能量hf不不大于半导体材料禁带宽度L

才干产生光电效应，即

hf>EK

因而对于不同半导体材料，均存在着相应下限频率K或上限波长入c，L亦称为光电二

极管截止波长。只有入射光波长不大于L时，光电二极管才干产生光电效应。Si-PIN截止

波长为1.06um,故可用于O85um短波长光检测;Ge-PIN和InGaAs-PIN截止波长为1.7um,

因此它们可用于1.3um、1.55um长波长光检测。

当入射光波长远远不大于截止波长时，光电转换效率会大大下降。因而，PIN光电二极

管是对一定波长范畴内入射光进行光电转换，这一波长范畴就是PIN光电二极管波长响应范

畴。

响应度和量子效率表征了二极管光电转换效率。响应度R定义为

R=Ip/PIn

其中：Pin为入射到光电二极管上光功率；IP为在该入射功率下光电二极管产生光电流。R

单位为A/限

量子效率n定义为

n二光电转换产生有效电子-空穴对数/入射光子数

=(Ip/q)/(Pin/hf)

=R(hf/q)

响应速度是光电二极管一种重要参数。响应速度通惯用响应时间来表达。响应时间为光

电一极管对矩形光脉冲响应一一电脉冲上升或下降时间。响应速度重要受光生载流子力,散时

间、光生载流子通过耗尽层渡越时间及其结电容影响。

光电二极管线性饱和指是它有一定功率检测范畴，当入射功率太强时，光电流和光功率

将不成正比，从而产生非线性失真。PIN光电二极管有非常宽线性工作区，当入射光功率低

于晒量级时，器件不会发生饱和。

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，这一电流称为

PIN光电二极管暗电流。它重要由PN结内热效应产生电子一空穴对形成。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

雪崩击穿，如果此时不能尽快散热，就会变为破坏性齐纳击穿）。发生反向击穿电压值称为

反向击穿电压。Si-PIN典型击穿电压值为100多伏。PIN_L作时反向偏置都远离击穿电压，

普通为10〜30V。

3.雪崩光电二极管

雪崩光电二极管APD-AvalanchePhotodiode是具备内部增益光检测器，它可以用来检

测薄弱光信号并获得较大输出光电流。

雪崩光电二极管可以获得内部增益是基于碰撞电离效应。当PN结上加高反偏压时，耗

尽层电场很强，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%/cir）时，

光生载流子获得很大动能，它们在高速运动中与半导体晶格碰撞，使晶体中原子电离，从而

激发出新电子一空穴对，这种现象称为碰撞电离。碰撞电离产生电子一空穴对在强电场作用

下同样又被加速，重复前一过程，这样多次碰撞电离成果使截流子迅速增长，电流也迅速增

大，这个物理过程称为雪崩倍增效应。

图4为APD一种构造，外侧与电极接触P区和N区都进行了重掺杂,分别以P和N'表达;

在I区和N'区中间是宽度较窄另一层P区。APD工作在大反偏压下，当反偏压加大到某一值

后，耗尽层从N=P结区始终扩展（或称拉通）到P'区，涉及了中间P层区和I区。图4构造

为拉通型APD构造。从图中可以看到，电场在I区别仙较弱，而在V-P区别布较强，碰撞

电离区即雪崩区就在N=P区。尽管I区电场比N'-P区低得多，但也足够高（可达2xlO'V/cni）,

可以保证载流子达到饱和漂移速度。当入射光照射时，由于雪崩区较窄，不能充分吸取光子,

相称多光子进入了I区。【区很宽，可以充分吸取光子，提高光电转换效率。咱们把I区吸

取光子产生电子-空穴对称为初级电子-空穴对。在电场作用下，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；而所有初级空穴则直接被P.层吸取。在雪崩区通过碰撞

电离产生电子-空穴对称为二次电子-空穴对。可见，I区依然作为吸取光信号区域并产生初

级光生电子-空穴对，此外它还具备分离初级电子和空穴作用，初级电子在N'-P区通过碰撞

电离形成更多电子-空穴对，从而实现对初级光电流放大作用。

图4：APD构造及电场分布

碰撞电离产生雪崩倍增过程本质上是记录性，即为一种复杂随机过程。每一种初级光生

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。因而与PIN光电二极管相比，APD特性较为复杂。

与PIN光电二极管相比，APD重要特性也涉及：波长响应范畴、响应度、量子效率、响

应速度等，除此之外，由于-APD管中雪崩倍增存在，APC特性还涉及了雪崩倍增特性、噪声

特性、温度特性等等。

APD雪崩倍增因子M定义为

M=Ip/Iro

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

电流增益系数。由于雪崩倍增过程是一种随机过程，因而倍增因子是在一种平均之上随机起

伏量，雪崩倍增因子M定义应理解为记录平均倍增因子。M随反偏压增大而增大，随W增长

按指数增长。

APD噪声涉及量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声、热噪声和附加倍增噪声。倍增噪声

是APD中重要噪声。

倍增噪声产生重要与两个过程关于，即光子被吸取产生初级电子-空穴对随机性和在增

益区产生二次电子-空穴对随机性。这两个过程都是不能精确测定，因而APD倍增因子只能

是一种记录平均概念，表达为QD,它是一种复杂随机函数。

由于APD具备电流增益，因此APD响度比PIN响应度大大提高，有

Ro=<M>(Ip/P)=<M>(nq/hf)

量子效率只与初级光生载流子数目关于，不涉及倍增问题，故量子效率值总是不大于1。

APD线性工作范畴没有PIN宽，它适当于检测薄弱光信号。当光功率达到几uw以上时,

输出电流和入射光功率之间线性关系变坏，可以达到最大倍增增益也减少了，即产生了饱和

现象。、

APD这种非线性转换因素与PIN类似，重要是器件上偏压不能保持恒定。由于偏压减少，

使得雪崩区变窄，倍增因子随之下降，这种影响比PIN状况更明显。它使得数字信号脉冲幅

度产生压缩，或使模仿信号产生波形畸变，因而应设法避免。

在低偏压卜"PD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％时，电流倍增最大，此时称API)被击穿，电压片称作击穿电压。如

果反偏压进一步提高，则雪崩击穿电流使器件对光生载流子变越来越不敏感。因而APD偏置

电压接近击穿电压，普通在数十伏到数百伏。须注意是击穿电压并非是API)破坏电压，撤去

该电压后APD仍能正常工作。

APD暗电流有初级暗电流和倍增后暗电流之分，它随倍增因子增长而增长；此外尚有漏

电流，漏电流没有通过倍增。

APD响应速度重要取决于载流子完毕倍增过程所需要时间，载流子越过耗尽层所需渡越

时间以及二极管结电容和负载电阻RC时间常数等因素、而渡越时间影响相对比较大，别的

因素可通过改进构造设计使影响减至很小。

三、实验内容及环节：

1.PIN光电二极管反向击穿电压测量

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

入。

b.OPMMOD置PD/AM档，OPMRTO置1OOnW档。

c.由0V开始慢慢增长HVS输出电压，每隔2V测一种点，至56V结束，作Ir〜Yr曲

线，求PIN光电二极管反向击穿电压。偏压不可以不不人于56V,否则PIN管及易

烧毁。

2.PIN光电二极管响应度测量

a.将1550nm半导体激光器控制电缆连接至LD1控制器

b.清洁光纤连接器接头,连接1550nm半导体激光器和光功率计OPM

c.调节LD1控制器，设立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港人眼，以免灼伤。

2.光纤连接器陶瓷插芯表面光洁度规定极高，除专用清洁布外禁止用手触摸或接触硬物。

空置光纤连接器端子必要插上护套。

3.所有光纤均不可过于弯曲，除特殊测试外其曲率半径应不不大于30mm。

实验三光纤无源器件参数测量

一、实验目：

1.理解光纤无源器件工作原理及有关特性；

2.掌握光纤无源器件特性参数测量办法；

二、实验原理：

光无源器件有诸各种类，重要有光纤连接器、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、偏振选取与控制器等。

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器件，实现光信号平滑无损或低损

连接。光纤连接器会引入一定功率损耗，称为插入损耗，它是衡量光纤连接器质量重要技术

指标之一。

2.光纤耦合器：

光纤耦合器是实现光信号分路/合路功能器件，普通是对同一波长光功率进行分路或合

路。光纤耦合器耦合机理基于光纤消逝场耦合模式理论。多模与单模光纤均可做成耦合器，

普通有两种构造型式，一种是拼接式，另一种是熔融拉锥式。拼接式构造是将光纤埋入玻璃

块中弧形槽中，在光纤侧面进行研磨抛光，然后将经研磨两根光纤拼接在一起，靠透过纤芯

一包层界面消逝场产生耦合。熔融拉锥式构造是将两根或多根光纤扭绞在一起，用微火炬对

耦合某些加热，在熔融过程中拉伸光纤，形成双锥形耦合区。

光耦合器是•种光无源器件，该领域内普通技术术语对它也合用，同步，它还另有某些

体现自身特点参数。

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光功率相对所有输入光功率减少值。该

值普通以分贝（dB）表达，数学表达式为:

ILi^lOlgCPoi/Pi)

其中，IL是第i个输出端口插入损耗；%是第i个输出端口测到光功率值；P,是输入端

光功率值。

2).附加损耗(ExcessLoss)

附加损耗定义为所有输出端口光功率总和相对于所有输入光功率减小值。该值以分贝

(dB)表达数学表达式为：

EL=-101g(SPo/Pi)

对「光纤耦合器，附加损耗是体现器件制造工艺质景指标，反映是器件制作过程带来固

有损耗；而插入损耗则表达是各个输出端口输出功率状况，不但有固有损耗因素，更考虑了

分光比影响。因而不同种类光纤耦合器之间，插入损耗差别，并不能反映器件制作质量优劣,

这是与其她无源器件不同地方。

3).分光比(CouplingRatio)

分光比是光耦合器所特有技术术语，它定义为耦合器各输出端口输出功率比值，在详细

应用中常惯用相对输出总功率比例来表达：

CR=Poi/ZPoix100%

例如对于原则X形耦合器，1:1或50：50代表了同样分光比，即输出为均分器件。实际工

程应用中，往往需要各种不同分光比器件，这可以通过控制制作过程停机点来得到。

4).方向性(Directivity)

方向性也是光耦合器所特有一种技术术语，它是衡量器件定向传播特性参数。以原则X

形耦合器为例，方向性定义为在耦合器正常工作时，输入一侧非注入光一端输出光功率与所

有注入光功率比较值，以分贝(dB)为单位数学表达式为：

DL=-101g(Pi2/Pn)

其中，P"代表注入光功率，Pi2代表输入一侧非注入光一端输出光功率。

5).均匀性(Uniformity)

对于规定均匀分光光耦合器(重要是树形和星形器件)，实际制作时，由于工艺局限，往

往不也许做到绝对均分。均匀性就是用来衡量均分器件"不均匀限度”参数。它定义为在器

件工作带宽范畴内，各输出端口输出光功率最大变化量。其数学表达式为：

FL=-lOlg(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对于传播光信号偏振态敏感限度参量，俗称偏振敏捷度。

它是指当传播光信号偏振态发生360。变化时，器件各输出端口输出光功率最大变化量：

PDLi=-lOlg(Min(Poi)/Max(Po>))

在实际应用中，光信号偏振态变化是经常发生，因而，往往规定器件有足够小偏振有关

损耗，否则将直接影响器件使用效果。

7).隔离度(Isolation)

隔离度是指光纤耦合器件某一光路对其她光路中光信号隔离能力。隔离度高，也就意味

着线路之间“串话”(crosstalk)小。对于光纤耦合器来说，隔离度更故意义是用于反映WDM

器件对不同波长信号分离能力。其数学表达式是：

I=-101g(Pt/Pj

式中：R是某•光路输出端测到其她光路信号功率值；R是被检测光信号输入功率值。

从上述定义可知，隔岗度对于分波耦合器意义更为重大，规定也就相应地要高些，实际

工程中往往需要隔离度达到40dB以上器件；而普通来说，合波耦合器对隔离度规定并不苛

刻，20dB左右将不会给实际应用带来明显不利影响。

3.波分复用/解复用器与光滤波器：

波分复用/解复用器是一种特殊耦合器，是构成波分复用多信道光波系统核心器作，其

功能是将若干路不同波长信号复合后送入同一根光纤中传送，或将在同一根光纤中传送多波

长光信号分解后分送给不同接受机，对运用光纤频带资源,扩展通信系统容量具备重要意义。

WDM器件有各种类型，如熔锥型、光栅型、干涉灌波器型和集成光波导型。

4.光隔离器:

在光纤与半导体激光器耦合系统中，某些不持续处反射将影响激光器工作粒定性。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CATY传播系统以

及精密光学测量系统中将带来有害影响。为了消除这些影响，需要在激光器与光纤之间加光

隔离器。光隔离器是一种只容许光线沿光路正向传播非互易性元件，其工作原理重要是运用

磁光晶体法拉第效应，它由两个线偏振器中间加•法拉第旋转器而成。

5.光开关：

光开关是一种具备一种或各种可选取传播端口，可对光传播线路或集成光路中光信号进

行互相转换或逻辑操作器件。端口即指连接于光器件中容许光输入或输出光纤或光纤连接

器。光开关可用于光纤通信系统、光纤网络系统、光纤测量系统或仪器以及光纤传感系统，

起到开关切换作用。

依照其工作原理，光开关可分为机械式和非机械式两大类。机械式光开关靠光纤或光学

元件移动，使光路发生变化。它长处是：插入损耗较低，普通不不不大于2dB；隔离度高，

普通不不大于45dB；不受偏振和波长影响。局限性之处是：开关时间较长，普通为亳秒数

量级，有还存在回跳抖动和重复性较差问题。机械式光开关乂可细分为移动光纤、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托电光效应、

磁光效应、声光效应以及热光效应来变化波导折射率，使光路发生变化，它是近年来非常热

门研究课题。此类开关长处是：开关时间短，达到亳微秒数量级甚至更低；体积小，便于光

集成或光电集成。局限性之处是插入损耗大，隔离度低，只有20dB左右。

光开关在光学性能方面特性参数重要有插入损耗、回波损耗、隔离度、远端串扰、近端

串扰、工作波长、消光比、开关时间等。

插入损耗定义为输入和输出端口之间光功率减少，以分贝来表达。

lL=T01g（P1/P。）

式中：P。为进入输入端光功率；Pi为输出端接受光功率。插入损耗与开关状态关于。

回波损耗(也称为反射损耗或反射率)定义为从输入端返回光功率与输入光功率比值，以

分贝表达。

—(Pl/Po)

式中：P。为进入输入端光功率；Pl为在输入端口接受到返回光功率。回波损耗也与开关状态

关于。

隔离度定义为两个相隔离输出端口光功率比值，以分贝来表达。

U01g(Pin/PQ

式中：n、m为开关两个隔离端II(nWm)；是光从i端口输入时n端II输出光功率，Pm是

光从i端口输入时在m端口测得光功率。

远端串扰定义为光开关接通端口输出光功率与串入另一端口输出光功率比值。

FCJ2=-101g(P,/P2)

式中：Pi是从端口1输出光功率；P2是从端口2输出光功率。

近端串扰定义为当其他端口接终端匹配时•，连接端口与另一种名义上是隔离端口光功率

之比。

NCi2=-101g(P2/Pi)

式中：Pl是输入到端II1光功率，P2是端口2接受到光功率。

消光比定义为两个端口处在导通和非导通状态插入损耗之差。

ER„,=ILnn-IL°nn

式中：IL.“为n,m端口导通时插入损耗；IL\为非导通状态插入损耗。

开关时间指开关端口从某一初始态转为通或断所需时间，开关时间从在开关上施加或撤

去转换能量时刻起测量。

三、实验装置:

实验装置图一

四、实验内容及环节：

1.测试光路准备

a.按实验装置图一所示构造连接1550nm半导体激光器、单模光纤耦合器、0PM和主

机，暂将1550nm半导体激光器输出直接连接至0PM输入，检查无误后打开电源

b.设立0PM工作模式为OPM/dBm,量程(RTO)切换至OdBm

c.设立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(Ic)至输出功率为-7.OdBm(O.2mW)附近，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，汜录该端口输出光功率Poi,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最小值Min(Pm)

和最大值Max(P01),计算光纤耦合器偏振依赖损耗PDL.

4.将待测光纤耦合器输出端P0RT4连接至OPM输入，汜录该端口输出光功率PO2,计算光

纤耦合器插入损耗IL2

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Ps最小值Min(Pn2)

和最大值Max(Po2),计算光纤耦合器偏振依赖损耗PDU

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构造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和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和P0RT4输出光功率在两跳线中极大衰耗,最后减小其反射光对方向性测量影响。

设立OPU至适当量程(RTO),记录该端口反向输出光功率已2,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规定极高，除专用清洁布外禁止用手触摸或接触硬物。

空置光纤连接器端子必要插上护套。

3.所有光纤均不可过于弯曲，除特殊测试外其曲率半径应不不大J--30mmo

六、思考题：

如何借助于原则3dB耦合器测量待测光纤耦合器输入端P0RT1回波损耗？请画出测试

光路，并写出测试环节和数据解决办法。

实验四光纤时域反射测量(OTDR)

一、实验目：

i.理解光波系统中光信号传播特性；

2.掌握光纤时域反射法工作原理和测量办法;

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测量技术。OTDR一方面发射光脉

冲进入光纤，光脉冲在光纤内传播时，会由于光纤自身性质、连接器、接合点、弯曲或其他

类似事件而产生散射和反射，通过对返回光强度及时间特性进行分析可以测知光纤介质传播

特性。图1是OTDR典型测试波形。

图1：光纤时域反射测量测试波形

OTDR使用瑞利散射和菲涅尔反射来表征光纤特性。瑞利散射是由于光信号沿着光纤产

生无规律散射而形成，这些背向散射信号表白了光纤导致衰减(损耗/距离)限度，形成轨

迹是一条向下曲线。给定光纤参数和波长，瑞利散射功率与信号脉冲宽度成比例，脉冲宽度

越长，背向散射功率就越强。瑞利散射功率还与发射信号波长关于，波长较短则功率较强。

在高波长区(超过15()0rm),瑞利散射会持续减小，但红外吸取现象会浮现，增长并导致了

所有衰减值增大。1550nm波长OTDR具备最低衰减性能，可以进行长距离测试,高衰减1310nm

或1625nm波长，OTDR测试距离受到限制。

菲涅尔反射是离散反射，它是由整条光纤中个别点而引起，这些点是由导致反向系数变

化因素构成，例如玻璃与空气间隙。在这些点上，会有很强背向散射光被反射回来。OTDR

运用非涅尔反射信息来定位连接点，光纤终端或断点，通过发射信号到返回信号所用时间以

及光在玻璃物质中速度，可以计算出距禽。

三、实验装置：

LDC-----------------匚SigIn1550OutP0RT1PORT3二

13lOnm/1550nm待测G.652光纤

1550nmFP-LD

CoupIor

CPM-----匚PORT2P0RT4□

图2：光纤时域反射测量实盘装置

四、实验内容及环节：

1.测试光路准备

a.按图2所示构造连接1550nm半导体激光器、InGaAsPIN光电二极管、模仿接受器

(COD.IN),单模光纤耦合器、待测G.652单模光纤和主机。

b.将单模光纤耦合器输出端PORT4连接一根FCMC-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)连接至半导体激光控制器LD1调制信号输入端

(MODI),同步使用三通将此信号连接至示波器CH2输入用于信号同步。

d.将模仿接受器输出信号(COD.OUT)连接至示波器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.设立COD模式为ARX,量程(PD1RTO)至IOOUA档。

b.设立SIG工作模式为脉冲模式(PUS),输出信号幅度V