光纤通信与光电子技术实验指导书doc

光纤通信与光电子技术实验指导书doc内容摘要：

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。 SiPIN 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 10～ 30V。 3. 雪崩光电二极管 雪崩光电二极管 APD— Avalanche 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 3x105V／ 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 12 够高 (可达 2x104V／ cm)，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。 13 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(η q／ 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 Ir～ Vr 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 OPM c. 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。 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 IP 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。 14 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。 15 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(Σ 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/Σ 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 16 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 360176。 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。