光纤测量实验指导书2015

23目录实验一LD/LED的P-I-V特性曲线测试实验二光电管光照特性测试实验三单模光纤衰减系数的测试实验四单模光纤几何参数测量实验五OTDR测量仪应用实验六单模光纤模场半径测量实验七微孔直径的衍射测量实验八图像信息处理的光电实现实验九光纤传感的温度测量实验实验十光纤传感的压力测量实验说明：一次实验3课时，分两批实验，周一晚6：00，周五晚6:00实验一、二、三，比较基础,同学都要做。实验四~十相对专业一点，需花费较多的时间。为保证质量,采用分组主攻一个或两个实验，同时适当了解其他实验的方式来做。2实验一LD/LED的P-I-V特性曲线一．实验目的1．测试LD/LED的功率－电流（P-I）特性曲线和电压－电流（V-I）特性曲线，计算阈值电流（Ith）和外微分量子效率。2．了解温度（T）对阈值电流（Ith）和光功率（P）的影响。二．实验仪器1．LD激光二极管（带尾纤输出，FC型接口）1只2．LED发光二极管1只3．LD/LED电流源1台4．温控器（可选）1台5．光功率计1台6．积分球（可选）1个7．万用表2台三．实验原理激光二极管LD和发光二极管LED是光通讯系统中使用的主要光源。LD和LED都是半导体光电子器件，其核心部分都是P-N结。因此其具有与普通二极管相类似的V-I特性曲线，如图所示：VVTI图1LD/LED的V-I特性曲线由V-I曲线我们可以计算出LD/LED总的串联电阻R和开门电压VT。PLDLEDIth图2LD/LED的P-I特性曲线在结构上，由于LED与LD相比没有光学谐振腔。因此，LD和LED的功率与电流的3P-I关系特性曲线则有很大的差别。LED的P-I曲线基本上是一条近似的线性直线。从图中可以看出LD的P-I曲线有一阈值电流Ith，只有在工作电流IfIth部分，P-I曲线才近似一根直线。而在IfIth部分，LD输出的光功率几乎为零。对于LD可以根据其P-I曲线可以求出LD的外微分量子效率ηD。其具有如下关系：DVPIIthf因此在曲线中，曲线的斜率表征的就是外微分量子效率。由于光电子器件是由半导体材料制成，因此温度对其光电特性影响也很大。随着温度的增加，LD的阈值逐渐增大，光功率逐渐减小，外微分量子效率逐渐减小。阈值与温度的近似关系可以表示为：]/)exp[()()(0TTTIIrrththTT式中，Tr为室温，)(TIrth为室温下的阈值电流，T0为特征温度。不同温度下，LD的P-I曲线如图，根据此图可以求出LD的特征温度。PT1T2(T2T1)Ith1Ith2I图3LD的温度特性曲线四．实验步骤1．按图示线路连接LD/LED，注意不要将极性接反！若没有配积分球，可直接将LD与光功率计连接，将LED在暗室内放入光功率计的接口处。实验时，若不使用积分球，将只会影响到LED各参数的测量精度，对LD各参数的测量不会影响。2．LD/LED电流源光功率计图4没有使用积分球和温控器的连接框图4LD/LED电流源光功率计温控器3．若实验中用到温控器，启动温控器电源，并将温度调到200C。4．开启LD的驱动电源，缓慢调节电流旋纽逐渐增加工作电流。每隔一定电流间隔，记录LD的电压值和光功率值。绘制LD的P-I曲线和V-I曲线。I(mA)051015202535U(V)P(uW)P(dB)表格1LD的P-I-V实验测试数据5．开启LED的驱动电源，缓慢调节电流旋纽逐渐增加工作电流。每隔一定电流间隔，记录LED的电压值和光功率值。绘制LED的P-I曲线和V-I曲线。I(mA)0102030405060U(V)P(uW)P(dB)表格2LED的P-I-V实验测试数据6．调节温控器，升高LD的工作温度，重复实验步骤3，记录LD的P-I曲线和V-I曲线。比较在不同温度下，LD的特性曲线变化。T(℃)020254060I(mA)U(V)P(uW)P(dB)表格3温度特性测试数据五．思考题1．串联电阻R对于LD/LED的应用性能有何影响？2．为什么LD/LED的输出特性有较大差异？5实验二光电管光照特性测试一.实验目的1.掌握光电二极管的工作原理和使用方法。2.了解光电二极管的光照特性和伏安特性。二.实验仪器1.照度计1台2.积分球（可选）1个3.光电探测器1只4.卤素灯光源1台5.万用表2台10.照度计1台三.实验原理光电二极管是结型半导体光伏探测器。当入射光子能量大于材料禁带宽度时，半导体吸收光子能量将产生电子空穴对，在PN结区的电子空穴对被内建电场（加在光电二极管上的电压是反向偏压）分离，形成光生电势，产生光生电流。光电二极管与普通二极管相比，有许多共同之处，它们都有一个P-N结。因此，他们都属于单向导电的非线性元件。但是光电二极管是一种光电器件，在结构上有其特殊的地方。光电二极管目前度采用硅或者锗为原料，但锗器件暗电流的温度系数远大于硅器件，工艺不如硅器件成熟。下面着重介绍硅光电二极管。1.硅光电二极管的结构和工作原理硅光电二极管的结构如图所示：图1环形光电二极管结构示意图为了消除表面漏电流，在器件的SiO2表面保护层中间扩散一个环形P-N结，称为环极。在有环极的光电二极管中，通常有三根引出线。对于N+P结构器件，N侧电极称为前极，P侧电极称为后极。环极接电源正极，后极接电源负极，前极通过负载接电源正极。由于环极电位高于前极，在环极形成阻挡层阻止表面漏电流的通过。可以使得负载R的漏电流很小（一般小于0.05μA）。若不用环极也可以将其悬空。硅光电二极管的封装刻采用平面镜和聚焦透镜作为入射窗口。采用凸透镜有聚光的作用，有利于提高灵敏度。由于聚焦位置与入射光方向有关，因此能减小杂散背景光的干扰，但也引起灵敏度随入射光方向而变化。采用平面镜作窗口，虽然没有对准的问题，但易受到杂散光的干扰。2.伏安特性6硅光电二极管总是在反向偏压下工作。这样可以减小载流子渡越时间及二极管的极间电容，以提高探测器的响应的灵敏度和频率。但是方向偏压不能太高，以免引起雪崩反向击穿。光电二极管在无光照时的暗电流Id就是二极管的反向饱和电流ISO。有光照时产生的光生电流IP与ISO同一方向。不同光照下硅光电二极管的电压与电流的关系如图：图2硅光电二极管伏安特性曲线由图可见，在低反压下电流随光电压变化非常敏感。这是由于反向偏压增加使耗尽层加宽、结电场增强，它对于结区光的吸收率及光生载流子的收集效率影响很大。当反向偏压进一步增大时，光生载流子的收集已经达到极限，光电流趋向饱和。这时光电流与外加的反向偏压几乎无关，而取决于入射光功率。光电二极管在较小负载电阻下，入射光功率与光电流呈现较好的线性关系。图3光电二极管输出特性曲线3.PIN光电二极管前面讨论的扩散型P-N结光电二极管，由于它的相应时间主要取决于P-N结两侧的光生少数载流子扩散到结区所需的时间。因此，受到扩散时间和扩散过程中的复合所造成的噪声的影响。这些影响限制了这种光电二极管的应用范围，特别是在长波波段的响应速度。因此在P-N结中间加入了一层本征层（I层），这种器件称为PIN光电二极管，也叫耗尽型光电二极管。只要适当控制本征层的厚度，使它近似等于反偏压下耗尽层的宽度，就可以使响应波长范围和频率响应得到改善。7图4PIN管的结构示意图PIN硅光电二极管是常用的耗尽层光伏探测器PIN光电二极管中的本征层对提高器件灵敏度和频率响应有十分重要的作用。因为本真层相对于P区和N区是高阻区，反向偏压主要集中在侧一区域，形成高电场区域。高电阻使暗电流明显减小。本征层的引入加大了耗尽层区，展宽了光电转换的有效工作区域，从而提高了灵敏度。由于I层的存在，P区又非常薄，入射光子只能在I层被吸收，产生电子－空穴对。I区产生的光生载流子在强电场的作用下加速运动，所以载流子的渡越时间非常短。同时耗尽层的加宽也明显减少了结电容，使电容的时间常数减小，改善了光电二极管的频率响应特性。性能良好的PIN光电二极管，扩散与漂移时间一般在10-10s量级，相当于千兆赫兹的频率响应。四.实验步骤实验装置原理框图如下：灯电压源照度计毫安表毫伏表R图5光电二极管光照特性测试装置1.调节调压变压器的电压值，改变光照度。测量光电二极管的光生电流，绘制光生电流与照度的特性曲线。照度值E光生电流IP表格1偏压恒定下光照度与光生电流的实验数据2.光照度恒定不变，改变光电二极管的偏压值，测量光电二极管的光生电流值，绘制一定照度下的V-I特性曲线。3.改变光照度，多次测量光电二极管的V-I特性曲线。4.8照度值E测量值偏压值光电流偏压值光电流偏压值光电流表格2光电二极管伏安特性测试数据五.思考题a)负载电阻会给测量的数据带来何影响？b)反向电压的大小会给测量带来何影响？？9实验三光纤衰减系数的测试一．实验目的1.掌握实现模式稳态分布的方法；2.了解光纤衰减的几个因素；3.掌握用“截断法”测量光纤衰减系数的方法。二．实验仪器1．光纤3.3km2．稳定光源1台3．光功率计1台4．光纤切割刀1台5．光纤剥皮钳1把6．剪刀1把7．裸纤适配器2个8．扰模器1个9．包层模剥除器2个10．酒精泵灯1个三．实验原理光纤是一种利用全反射原理，使光线沿着弯曲路径从一端传输到另一端的光学元件。由折射定律可知，只要满足一定角度入射的光束就可以在光纤中全反射传输，最终以等于入射角的角度射出，常用光纤数值孔径反映这种特性。理论上只要满足以上条件的光线都可以在光纤中传输下去，但是实际上光束在光纤中传输会产生一定的能量损耗，这些损耗限制了光信号的传输距离，以及在接收端的输出信号的大小。在光纤的传输特性中，衰减是多模光纤和单模光纤共有的最重要的指标之一，它表明了光纤对光能的传输损耗，对光纤通信系统的中继距离有着决定性的影响。1.光纤的衰减光能在光纤中传输时，除了由于吸收、散射而使光能损失外，由于成缆敷设造成的光纤微弯曲和宏弯曲，光纤的耦合和接续，都会使光能产生附加的损失。归纳起来，产生衰减的原因大致可以分为三大类：吸收损耗，散射损耗，附加损耗。他们与光纤的材料组成、传输波长和工作情况有关。（1）吸收损耗吸收损耗主要来自三个方面：光纤材料的本征吸收、材料中杂质吸收和结构中原子缺陷造成的吸收。由于吸收作用使光能变成热能而损失掉。本征吸收是由于紫外区的电子能级跃迁和红外区的分子振动能级的跃迁所引起，这是不可避免的；杂质吸收主要是铁、钴、镍、铜、锰、铬、钒、铂等过渡金属元素和OH离子产生的吸收；结构中原子缺陷的吸收是由于在光纤制造过程中，玻璃受到某种热激励，或在某些情况下受到强辐射而感生的。（2）散射损耗散射损耗是以光能的形式把能量辐射出光纤之外的一种损耗，它包括瑞利散射、波导散射、受激拉曼散射和受激布里渊散射。瑞利散射属于固有散射，是由于光纤材料种折射率不均匀造成的；波导散射是与光纤波导结构缺陷有关的散射。（3）附加损耗附加损耗是光纤成缆之后产生的损耗。实际线路中，光纤不可避免地要受到微弯曲和宏弯曲，10其结果是传导模变换为辐射模而导致光能损耗。综上所述，瑞利散射和本征吸收最终限制了通信光纤的衰减极限。图1示出了有OH离子存在时的衰减系数与波长的特性曲线。图2示出了无OH离子时的衰减系数与波长的特性曲线。0.0000.1200.1400.1600.15.00.15.10.2衰减kmdB/）波长（nm2衰减kmdB/）波长（nm046810126.08.00.12.14.16.18.10.2（4）衰减谱光纤的损耗是随波长的不同而变化的，即不同波长的光在同一根光纤中传输，其损耗也是不同的。表示损耗随波长变化的曲线称为光纤的损耗谱曲线。其曲线如下：图1有OH离子时衰减系数与波长关系曲线图2无OH离子时衰减系数与波长关系曲线11图3光纤的衰减谱2.衰减系数光纤中平均光功率沿光纤长度减少的规律为：10/100ZPZP式中ZP和0P分别为轴向距离Z处和0Z处的光功率；是衰减系数，定义为单位长度光纤引起的光功率衰减，单位为kmdB/。当LZ时，kmdBPZPL/0log10这里表示在波长处的衰减系数。3.衰减系数测试