光纤通信与光电子技术实验指导书（DOC 98页）.doc

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量(OTDR)20实验五语音、图像光纤传输及波分复用（WDM）22实验六掺铒光纤放大(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实验十一光纤非弹性散射及喇曼放大(FRA)41实验十二电吸收调制（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 有机发光器件（OLED）参数测量94引 言光通信技术是当代通信技术发展的最新成就，在信息传输的速率和距离、通信系统的有效性、可靠性和经济性方面取得了卓越的成就，使通信领域发生了巨大的变化，已成为现代通信的基石，是信息时代来临的主要物质基础之一。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（关于利用光线进行声音的复制与产生）。但贝尔的光话始终未走上实用化阶段。究其原因有二：一是没有可靠的、高强度的光源；二是没有稳定的、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发展，光通信的研究一度沉寂。这种情况一直延续到本世纪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的两件大事：一是美国康宁(Corning)玻璃有限公司制成了衰减为20dBkm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锟博士于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镓砷(A1GaAs)半导体激光器，这两项科学成就为光纤通信的发展奠定了基础。此后，光纤通信以令人眩目的速度发展起来，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和广阔应用前景。它将成为信息高速公路的主要传输手段，是将来信息社会的支柱。经过30年的发展，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。光源使用铝镓砷半导体激光器，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年美国芝加哥进行的码速率为44.736Mbits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1.3um第二代光纤通信传输用多模光纤，相应的光源是长波长铟镓砷磷铟磷(InGaAsPInP)半导体激光器，光电探测器采用锗(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100Mbs以下。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。一个实验室于1981年演示了比特率为2Gbs，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1.7Gbs，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半导体激光器和检测器的发展，广泛地用于长途干线和跨洋通信中。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附近，实验技术上于1979年就达到了0.2dBkm的低损耗，然而由于1.55um处光纤色散较大，以及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附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发展，使用1.55um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4Gbs，中继距离超过100km。通过精心设计激光器和光接收机，其比特率能超过l0Gbs。后来，工作波长为1.55um的掺铒光纤放大器问世，又使这一波长具有更重要的意义。第四代光纤通信系统以采用光放大器(OA)增加中继距离和采用频分与波分复用(FDM与WDM)增加比特率为特征，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。在一次试验中利用星形耦合器实现100路622Mbs数据复用，传输距离50km，其信道间串音可以忽略。在另一次试验中，单信道速率2.5Gbs，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。光波系统采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相干技术，实现了2.5Gbs，4500km和10Gbs，1500km的数据传输。另一实验曾使用循环回路实现了2.4Gbs，21000km和5Gbs，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发展经历了近20年历程，已取得突破性进展。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，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，将数据传输了4000km，次年又将传输距离延长到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，采用循环回路曾将2.5与5Gbs的数据传输10000km以上。1995年，法国的实验室则将20Gbs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20Gbs的数据传输8100km，40Gbs传输5000km。1994年和1995年80Gbs和160Gbs的高速数据也分别传输500km和200km。实验一半导体激光器P-I特性曲线测量一、实验目的：1. 了解半导体光源和光电探测器的物理基础；2. 了解发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)的发光原理和相关特性；3. 了解PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)的工作原理和相关特性；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主要涉及光的发送和接收，发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)是最重要的光发送器件，PIN光电二极管和APD光电二极管则是最重要的光接收器件。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的电致发光器件，其半导体晶体内部受激电子从高能级回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(3060nm)和较大的发射角(100°)，常用于低速、短距离光波系统。LD通过受激辐射发光，是一种阈值器件。LD不仅能产生高功率(10mW)辐射，而且输出光发散角窄，与单模光纤的耦合效率高(约3050)，辐射光谱线窄(=0.1-1.0nm)，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定工作的必要条件，对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(超过受激吸收)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的。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，在半导体内传播的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，就可以得到稳定的激光输出。(1) LED和LD的P-I特性与发光效率：图1是LED和LD的P-I特性曲线。LED是自发辐射光，所以P-I曲线的线性范围较大。LD有一阈值电流Ith，当I>Ith时才发出激光。在Ith以上，光功率P随I线性增加。图1：LD和LED的P-I特性曲线 (a) LD的P-I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主要参数，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Ith。图2：两段直线拟合法测量LD阈值电流发光效率是描述LED和LD电光能量转换的重要参数，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，以表示。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和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P，光谱曲线上两个半光强点所对应的波长差为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P的变化可以求出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。激光二极管的波长可以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P ，对诸如DFB、DBR型LD来说，它的P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和工作电流。图4：LD光谱特性曲线(3) LED和LD的调制特性：当在规定的直流正向工作电流下，对LED进行数字脉冲或模拟信号电流调制，便可实现对输出光功率的调制。LED有两种调制方式，即数字调制和模拟调制，图5示出这两种调制方式。调制频率或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，通过合理设计和优化的驱动电路，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。图5：LED调制特性在LD的调制过程中存在以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出现饱和现象，饱和的物理机制源于空间烧孔、谱烧孔、载流子加热和双光子吸收等因素。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、光增益和有源区折射率均随之而变，载流子数的变化导致模折射率五和传播常数的变化，因此产生了相位调制，它导致了与单纵模相关的光(频)谱加宽，又称线宽增强因子。2PIN光电二极管和APD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吸收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，在长波长采用锗材料或InGaAsP材料。三、实验内容及步骤：1. 1550nm F-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. 设置OPM工作模式为OPM/mW模式，量程(RTO)切换至1mWc. 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0d. 缓慢增加激光器驱动电流，0至30mA每隔0.5mA测一个点，作PI曲线2. 求1550nm F-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要求极高，除专用清洁布外禁止用手触摸或接触硬物。空置的光纤连接器端子必须插上护套。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. 了解半导体光电检测器件的物理基础；2. 了解PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)的工作原理和相关特性；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一般是非常微弱的，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主要有半导体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。图1：PN结光电二极管 (a) PN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、负电荷的离子组成的耗尽层，或称作势垒区。当以适当波长的光照射PN结时，P型和N型半导体材料将吸收光能。如果光子能量hfKe时，则光子将被吸收，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。这一过程称为光吸收。因光照射而在导带和价带中产生的电子和空穴称为光生载流子。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，一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，甚至可以称为无场区，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累，N区出现了过剩电子的积累，于是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。这一现象称为光生伏特效应。产生于耗尽层的电子和空穴也要产生光生伏特效应。基于这一效应，如果将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为光电流。照射到半导体材料上的光，由于材料的吸收等原因使光随着深入材料的深度的增加而逐渐减弱。半导体内部距入射表面d处的光功率为P(d)=P(0)exp(-d)式中：P(0)为照射到材料表面的平均光功率；为半导体材料的光吸收系数，决定了入射光深入材料内部的深度，如果很大，则光子只能进入半导体表面的薄层中。吸收入射光子并产生光生载流子的区域称为光吸收区；耗尽层及其两侧宽度为载流子扩散长度的区域称为作用区。在吸收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。如果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，光在耗尽层外被吸收使得光电转换效率降低、光电响应速度变慢。为此，必须设法加宽耗尽层，使照射光子尽可能被耗尽层吸收。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和，P区的空穴向负电极运动并被中和，这样耗尽层被加宽。除了加负偏压的方法外，还可以通过减小P区和N区的厚度来减小载流子的扩散时间、减少在P区和N区被吸收的光能以及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光电二极管的结构和它在反向偏压下的电场分布图2是PIN光电二极管的结构和它在反向偏压下的电场分布。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/LN=DN/DP 其中：DP和DN 分别为P区和N区的掺杂浓度；LP和LN分别为P区和N区的耗尽层的宽度。在PIN中，如对于P层和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DN<<DPLP<<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可以得到加宽，并且可以通过控制I层的厚度来改变。对于高掺杂的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，首先必须使入射光能在耗尽层内被吸收，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cr也会增大，cr与W的关系为cr=W/v式中：v为载流子的平均漂移速度。由于cr 增大，PIN的响应速度将会下降。因此耗尽层宽度W需在响应速度和量子效率之间进行优化。如采用类似于半导体激光器中的双异质结构，则PIN的性能可以大为改善。在这种设计中，P区、N区和I区的带隙能量的选择，使得光吸收只发生在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，常采用InGaAs材料制成I区和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，对于波长在1.31.6um范围的光是透明的，而InGaAs的I区对1.31.6um的光表现为较强的吸收，几微米的宽度就可以获得较高响应度。在器件的受光面一般要镀增透膜以减弱光在端面上的反射。InGaAs的光探测器一般用于1.3um和1.55um的光纤通信系统中。图3：InGaAs PIN光电二极管的结构PIN光电二极管的主要特性包括波长响应范围、响应度、量子效率、响应速度、线性饱和、击穿电压和暗电流等。从光电二极管的工作原理可以知道，只有当光子能量hf大于半导体材料的禁带宽度Eg才能产生光电效应，即hf>Eg因此对于不同的半导体材料，均存在着相应的下限频率fc或上限波长c，c亦称为光电二极管的截止波长。只有入射光的波长小于c时，光电二极管才能产生光电效应。Si-PIN的截止波长为1.06um，故可用于0.85um的短波长光检测；Ge-PIN和InGaAs-PIN的截止波长为1.7um，所以它们可用于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，这一波长范围就是PIN光电二极管的波长响应范围。响应度和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；IP 为在该入射功率下光电二极管产生的光电流。R的单位为AW。量子效率定义为=光电转换产生的有效电子-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电脉冲的上升或下降时间。响应速度主要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和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的线性工作区，当入射光功率低于mW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光电二极管的暗电流。它主要由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，如果此时不能尽快散热，就会变为破坏性的齐纳击穿)。发生反向击穿的电压值称为反向击穿电压。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，一般为1030V。3. 雪崩光电二极管雪崩光电二极管APDAvalanche Photodiode是具有内部增益的光检测器，它可以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，光生载流子经过时就会被电场加速，当电场强度足够高(约3x105Vcm)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一空穴对，这种现象称为碰撞电离。碰撞电离产生的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，这个物理过程称为雪崩倍增效应。图4为APD的一种结构。外侧与电极接触的P区和N区都进行了重掺杂，分别以P+和N+表示；在I区和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(或称拉通)到P+区，包括了中间的P层区和I区。图4的结构为拉通型APD的结构。从图中可以看到，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2x104Vcm)，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，不能充分吸收光子，相当多的光子进入了I区。I区很宽，可以充分吸收光子，提高光电转换效率。我们把I区吸收光子产生的电子-空穴对称为初级电子-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+层吸收。在雪崩区通过碰撞电离产生的电子-空穴对称为二次电子-空穴对。可见，I区仍然作为吸收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和空穴的作用，初级电子在N+-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: APD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的特性较为复杂。与PIN光电二极管相比，APD的主要特性也包括：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的特性还包括了雪崩倍增特性、噪声特性、温度特性等等。APD的雪崩倍增因子M定义为M=IP/IP0式中：IP 是APD的输出平均电流；IP0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的定义应理解为统计平均倍增因子。M随反偏压的增大而增大，随W的增加按指数增长。APD的噪声包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声、热噪声和附加的倍增噪声。倍增噪声是APD中的主要噪声。倍增噪声的产生主要与两个过程有关，即光子被吸收产生初级电子-空穴对的随机性和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APD具有电流增益，所以APD的响度比PIN的响应度大大提高，有R0=<M>(IP/P)=<M>(qhf)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，输出电流和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，即产生了饱和现象。 、APD的这种非线性转换的原因与PIN类似，主要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，或使模拟信号产生波形畸变，因而应设法避免。在低偏压下APD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VB时，电流倍增最大，此时称APD被击穿，电压VB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的越来越不敏感。因此APD的偏置电压接近击穿电压，一般在数十伏到数百伏。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和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，漏电流没有经过倍增。APD的响应速度主要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以及二极管结电容和负载电阻的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光电二极管反向击穿电压测量a. 连接InGaAs PIN 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100nW档。c. 由0V开始慢慢增加HVS输出电压，每隔2V测一个点，至56V结束，作IrVr曲线，求PIN光电二极管反向击穿电压。偏压不可以大于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OPMc. 调节LD1控制器，设置激光器为恒流输出功率模式ACC，激光器输出功率调至0.2mW。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IPe. 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接触硬物。空置的光纤连接器端子必须插上护套。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。实验三光纤无源器件参数测量一、实验目的：1. 了解光纤无源器件的工作原理及相关特性；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，主要有光纤连接器、光纤耦合器、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的器件，实现光信号的平滑无损或低损连接。光纤连接器会引入一定的功率损耗，称为插入损耗，它是衡量光纤连接器质量的主要技术指标之一。2 光纤耦合器：光纤耦合器是实现光信号分路合路的功能器件，一般是对同一波长的光功率进行分路或合路。光纤耦合器的耦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，该领域内的一般技术术语对它也适用，同时，它还另有一些体现自身特点的参数。1)插入损耗(Insertion Loss)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输入光功率的减少值。该值通常以分贝(dB)表示，数学表达式为:ILi=-1Olg(POi/Pi)其中，ILi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(Excess Loss)附加损耗定义为所有输出端口的光功率总和相对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=-1Olg(PO/Pi)对于光纤耦合器，附加损耗是体现器件制造工艺质量的指标，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。因此不同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同的地方。3)分光比(Coupling Ratio)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/POi x 100例如对于标准X形耦合器，1:1或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，往往需要各种不同分光比的器件，这可以通过控制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=-1Olg(Pi2/Pi1)其中，Pi1代表注入光功率，Pi2代表输入一侧非注入光的一端的输出光功率。5)均匀性(Uniformity)对于要求均匀分光的光耦合器(主要是树形和星形器件)，实际制作时，因为工艺的局限，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=-1Olg(Min(PO)/ Max(PO)6)偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss)偏振相关损耗是衡量器件性能对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:PDLi=-1Olg(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相关损耗，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。对于光纤耦合器来说，隔离度更有意义的是用于反映WDM器件对不同波长信号的分离能力。其数学表达式是:I=-1Olg(Pt/Pi)式中：Pt是某一光路输出端测到的其他光路信号的功率值；Pi是被检测光信号的输入功率值。从上述定义可知，隔离度对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40dB以上的器件；而一般来说，合波耦合器对隔离度的要求并不苛刻，20dB左右将不会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：波分复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同波长的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的多波长光信号分解后分送给不同的接收机，对利用光纤频带资源，扩展通信系统容量具有重要意义。WDM器件有多种类型，如熔锥型、光栅型、干涉滤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CATV传输系统以及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。光隔离器是一种只允许光线沿光路正向传输的非互易性元件，其工作原理主要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多个可选择的传输端口，可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件。端口即指连接于光器件中允许光输入或输出的光纤或光纤连接器。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。根据其工作原理，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，使光路发生改变。它的优点是：插入损耗较低，一般不大于2dB；隔离度高，一般大于45dB；不受偏振和波长的影响。不足之处是：开关时间较长，一般为毫秒数量级，有的还存在回跳抖动和重复性较差的问题。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、声光效应以及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，达到毫微秒数量级甚至更低；体积小，便于光集成或光电集成。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主要有插入损耗、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的减少，以分贝来表示。IL=-1Olg(P1/P0)式中：P0为进入输入端的光功率；P1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(也称为反射损耗或反射率)定义