光纤通信与光电子技术实验指导书样本.doc
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1、 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
2、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 有机发光器件(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1880年贝尔创造光话开始。她以日光为光源,大气为传
3、播媒质,传播距离是200m。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,由于上述两个障碍未能突破,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20dBkm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持续工作铝镓砷(A
4、1GaAs)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0.85um,属短波长波段
5、,传播光纤用多模光纤。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44.736Mbits现场实验为标志。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。由于多模光纤模间色散,使得系统比特率限制在100Mbs如下。采用单模光纤能克服这种限制,单
6、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2Gbs,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0.2dBkm低损耗,然而由于1.55um处光纤色散较大,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
7、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1.55um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4Gbs,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l0Gbs。日后,工作波长为1.55um掺铒光纤放大器问世,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(FDM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
8、100路622Mbs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2.5Gbs,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2.5Gbs,4500km和10Gbs,1500km数据传播。另一实验曾使用循环回路实现了2.4Gbs,21000km和5Gbs,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
9、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,将数据传播了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5Gbs数据传播10000km以上。1995年,法国实验室则将20Gbs数据传播106km,中继距离达140km。1995年线形光孤子系统实验也将20Gbs数据传播8100km,40Gb
10、s传播5000km。1994年和1995年80Gbs和160Gbs高速数据也分别传播500km和200km。实验一半导体激光器P-I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APD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
11、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(3060nm)和较大发射角(100),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。LD不但能产生高功率(10mW)辐射,并且输出光发散角窄,与单模光纤耦合效率高(约3050),辐射光谱线窄(=0.1-1.0nm),合用于高比特工作,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
12、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-I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Ith,当IIth时才发出激光。在Ith以上,光功率P随I线性增长。图1:LD和LEDP-I特性曲线 (a) LDP
13、-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
14、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P,光谱曲线上两个半光强点所相应波长差为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变化可以求出LED波长温度系数。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P ,对诸如DFB、DBR型LD来说,它P相称
15、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。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通信用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载流子寿命限制,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
16、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。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率五和传播常数变化,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。2PIN光电二极
17、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转换成光电流。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,在长波长采用锗材料或InGaAsP材料。三、实验内容及环节: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. 设立OPM工作模式为OPM/mW模式,量程(RTO)切换至1mWc. 设立LD1工作模式(MOD)为恒流驱动(ACC),1550nm激光
18、器为恒定电流工作模式,驱动电流(Ic)置为0d. 缓慢增长激光器驱动电流,0至30mA每隔0.5mA测一种点,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
19、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测器重要有半导体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。图1:PN结光电二极管 (a) PN结 (b) 能带图 (c)
20、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hfKe时,则光子将被吸取,使价带中电子受激跃迁到导带中,而在价带中留下空穴,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
21、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些区域扩散速率较慢,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,于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,由于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(-d)式
22、中:P(0)为照射到材料表面平均光功率;为半导体材料光吸取系数,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
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