光纖通信與光電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)

目錄

引言2

實(shí)驗(yàn)一半導(dǎo)體激光器P-I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(wú)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(yǔ)音、圖像光纖傳輸及波分復(fù)用（WDM）22

實(shí)驗(yàn)六摻餌光纖放大（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(zhǎng)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)十二電吸取調(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)劑與增益測(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)進(jìn)展的最新成就，在信息傳輸?shù)乃俾屎途?/p>

離、通信系統(tǒng)的有效性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性方面取得了杰出的成就，使通信

領(lǐng)域發(fā)生了龐大的變化，已成為現(xiàn)代通信的基石，是信息時(shí)代來(lái)臨的要緊

物質(zhì)基礎(chǔ)之一。

現(xiàn)代光通信是從1880年貝爾發(fā)明‘光話’開(kāi)始的。他以日光為光源，

大氣為傳輸媒質(zhì)，傳輸距離是200m。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)。但貝爾的光話始終未走上有用化時(shí)期。究其緣

故有二：一是沒(méi)有可靠的、高強(qiáng)度的光源；二是沒(méi)有穩(wěn)固的、低損耗的傳

輸媒質(zhì)，無(wú)法得到高質(zhì)量的光通信。在此后幾十年的時(shí)刻里，由于上述兩

個(gè)障礙未能突破，也由于電通信得到高速進(jìn)展，光通信的研究一度沉靜。

這種情形一直連續(xù)到本世紀(jì)60年代。

1970年被稱(chēng)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(guó)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?guó)標(biāo)準(zhǔn)電信研究所的華裔科學(xué)家高鎘博士于1966

年提出；二是美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室制作出可在室溫下連續(xù)工作的鋁錢(qián)種(AlGaA

s)半導(dǎo)體激光器，這兩項(xiàng)科學(xué)成就為光纖通信的進(jìn)展奠定了基礎(chǔ)。此后，光

纖通信以令人眩目的速度進(jìn)展起來(lái)，70年代中期即進(jìn)入了有用化時(shí)期，其

應(yīng)用遍及長(zhǎng)途干線、海底通信、局域網(wǎng)、有線電視等各領(lǐng)域。其進(jìn)展速度

之快，應(yīng)用范疇之廣，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?，F(xiàn)在，光纖通信的新技

術(shù)仍在持續(xù)涌現(xiàn)，生產(chǎn)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，成本持續(xù)下降，顯示了這一技術(shù)的

強(qiáng)大生命力和寬敞應(yīng)用前景。它將成為信息高速公路的要緊傳輸手段，是

今后信息社會(huì)的支柱。通過(guò)30年的進(jìn)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。

第一代光纖通信的工作波長(zhǎng)為0.85um,屬短波長(zhǎng)波段，傳輸光纖用多

模光纖。光源使用鋁銀種半導(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)。這一代光通信以1977年

美國(guó)芝加哥進(jìn)行的碼速率為44.736Mbit/s的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)為標(biāo)志。

第二代光纖通信的工作波長(zhǎng)為1.3um,該波段屬長(zhǎng)波長(zhǎng)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。早期的L3um第二代光纖通信傳輸用多模光纖，相應(yīng)的光源是長(zhǎng)波

長(zhǎng)錮錢(qián)碑磷/錮磷(InGaAsP/InP)半導(dǎo)體激光器，光電探測(cè)器采納錯(cuò)(Ge)材

料，其中繼距離超過(guò)了20km。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。采納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。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)，并專(zhuān)門(mén)快引入商業(yè)系統(tǒng)，至

1987年1.3um單模第二代光波系統(tǒng)開(kāi)始投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，其比特率高達(dá)1.7G

b/s,中繼距離約50km。第二代光纖通信系統(tǒng)的應(yīng)用推動(dòng)了1.3um的InGa

As半導(dǎo)體激光器和檢測(cè)器的進(jìn)展，廣泛地用于長(zhǎng)途干線和跨洋通信中。

第三代光纖通信的工作波長(zhǎng)為1.55um。石英光纖最低損耗在L55um鄰

近，實(shí)驗(yàn)技術(shù)上于1979年就達(dá)到了0.2dB/km的低損耗，然而由于1.55u

m處光纖色散較大，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

器的譜展寬咨詢(xún)題尚未解決，推遲了第三代光波系統(tǒng)的咨詢(xún)世。在80年代，

1.5um鄰近具有最小色散的色散位移光纖(DSF)與單縱模激光器這兩種技術(shù)

都得到了進(jìn)展，使用1.55um單模光纖的第三代光纖通信系統(tǒng)于80年代中

后期實(shí)現(xiàn)。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(guò)

lOOkmo通過(guò)精心設(shè)計(jì)激光器和光接收機(jī)，其比特率能超過(guò)10Gb/s。后來(lái)，

工作波長(zhǎng)為L(zhǎng)55um的摻餌光纖放大器咨詢(xún)世，又使這一波長(zhǎng)具有更重要的

意義。

第四代光纖通信系統(tǒng)以采納光放大器(OA)增加中繼距離和采納頻分與

波分復(fù)用(FDM與WDM)增加比特率為特點(diǎn)，這種系統(tǒng)有時(shí)采納零差或外差

方案，稱(chēng)為相干光波通信系統(tǒng)，在80年代在全世界得到了進(jìn)展。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

信道間串音能夠忽略。在另一次試驗(yàn)中，單信道速率2.5Gb/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。光波系統(tǒng)采納相干檢測(cè)技術(shù)并不是使用EDFA的先決條件。有的

實(shí)驗(yàn)室曾使用常規(guī)非相干技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了2.5Gb/s,4500km和10Gb/s,15

00km的數(shù)據(jù)傳輸。另一實(shí)驗(yàn)曾使用循環(huán)回路實(shí)現(xiàn)了2.4Gb/s,21000km和

5Gb/s,14000km數(shù)據(jù)傳輸。90年代初期光纖放大器的咨詢(xún)世引起了光纖

通信領(lǐng)域的重大變革。

第五代光纖通信系統(tǒng)的研究與進(jìn)展經(jīng)歷了近20年歷程，已取得突破性

進(jìn)展。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，盡管這種差不多思想1973年就已提出，但直到

1988年才由貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室采納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(zhǎng)到6000km。EDFA用于光孤子放大

開(kāi)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(guó)際上一些聞

名實(shí)驗(yàn)室紛紛開(kāi)始驗(yàn)證光孤子通信作為高速長(zhǎng)距離通信的龐大潛力。1992

年在美國(guó)與英國(guó)的實(shí)驗(yàn)室，采納循環(huán)回路曾將2.5與5Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸10

000km以上。1995年，法國(guó)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。1995年線形光孤子系統(tǒng)試驗(yàn)也將20Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸81

00km,40Gb/s傳輸5000kmo1994年和1995年80Gb/s和160Gb/s的

高速數(shù)據(jù)也分不傳輸500km和200kmo

實(shí)驗(yàn)一半導(dǎo)體激光器P-I特性曲線測(cè)量

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

了解半導(dǎo)體光源和光電探測(cè)器的物理基礎(chǔ)；

7解發(fā)光二極管(LED)和半導(dǎo)體激光二極管(LD)的發(fā)光原理和有關(guān)特

性；

了解PIN光電二極管和雪崩光電二極管(APD)的工作原理和有關(guān)特性；

把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要緊涉及光的發(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。

1.發(fā)光二極管(LED)和半導(dǎo)體激光二極管(LD)：

LED是一種直截了當(dāng)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。LED為非

相干光源，具有較寬的譜寬(30?60nm)和較大的發(fā)射角(仁100。),常用于

低速、短距離光波系統(tǒng)。

LD通過(guò)受激輻射發(fā)光，是一種閾值器件。LD不僅能產(chǎn)生高功率(210

mW)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(△入=0.1-L0nm),適用于高比特工作，載流子復(fù)合壽命短，

能進(jìn)行高速(>20GHz)直截了當(dāng)調(diào)制，專(zhuān)門(mén)適合于作高速長(zhǎng)距離光纖通信系

統(tǒng)的光源。

使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生光增益是激光器穩(wěn)固工作的必要條件，關(guān)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(guò)受激吸取)受激輻射。在半導(dǎo)體激光器中，那個(gè)條件是通過(guò)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(guò)帶隙實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)有源

層載流子濃度超過(guò)一定值(稱(chēng)為透亮值)，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。如果將增益介

質(zhì)/\業(yè)_比拒口電小短/#U幽林納必坦如I瑾固的激光輸出。

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目是自發(fā)輻射光，因此曲

興DP-I

王

線

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軍當(dāng)I>Ith時(shí)才發(fā)出激光。在1th

以」020406080

驅(qū)動(dòng)電流〃mA驅(qū)動(dòng)電流〃mA

(a)S）

圖1:LD和LED的P-I特性曲線

曲線（b）LED的P-I特性曲線

體激光器性能的一個(gè)要緊參數(shù)，本實(shí)驗(yàn)采納兩段

直多,如圖2所示，將閾值前與后的兩段直線分不延

長(zhǎng)手的電流即為閾值電流1th。

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。功率效率定義為發(fā)光功率和輸入電功率之比，以

T]3表示。量子效率分為內(nèi)量子效率和外量子效率。內(nèi)量子效率定義為單

位時(shí)刻內(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。外量

子效率定義為單位時(shí)刻內(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。

（2）LED和LD的光譜特性：

LED沒(méi)有光學(xué)諧振腔選擇波長(zhǎng)，它的光譜是以自發(fā)輻射為主的光譜，

圖3為L(zhǎng)ED的典型光譜曲線。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(zhǎng)為發(fā)光峰值波長(zhǎng)入P,光譜曲線上兩個(gè)半光強(qiáng)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)差△人為

LED譜線寬度（簡(jiǎn)稱(chēng)譜寬），其典型值在30-40nm之間。由圖3能夠看到，

當(dāng)

求出L

能夠

變化

入P的

，從

移動(dòng)

向右

138()

I340

130()

1260

1220

(nm)

波長(zhǎng)

曲線

特性

光譜

LED

圖3：

規(guī)的

數(shù)常

大多

數(shù)，

定參

的特

:光腔

增、

子(

3

的波

極管

光二

。激

所示

圖4

屆,如

長(zhǎng)游

育出

)

干發(fā)

內(nèi)若

光譜

時(shí)，

功率

出光

胡，定輸

射醺

木々

、DBR

DFB

諸如

,對(duì)

長(zhǎng)XP

型安'值波

I

取

數(shù)目

譜線

的光

堅(jiān)持

能夠

極管

七二

決弓

800.5

800

799.5

(nm)

波長(zhǎng)

曲線

特性

光譜

LD

圖4：

：

特性

調(diào)制

LD的

ED和

(3)L

電

信號(hào)

模擬

沖或

字脈

行數(shù)

ED進(jìn)

，對(duì)L

流下

作電

向工

流正

的直

規(guī)定

當(dāng)在

字調(diào)

，即數(shù)

制方式

兩種調(diào)

ED有

制。L

的調(diào)

功率