光纤通信与光电子器件
光纤通信与光电子技术实验指导书
光纤通信与光电子技术实验指导书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剂与增益测量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进展的最新成就，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杰出的成就，使通信领域发生了庞大的变化，已成为现代通信的基石，是信息时代来临的要紧物质基础之一。
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有用化时期。
究其缘故有二：一是没有可靠的、高强度的光源；二是没有稳固的、低损耗的传输媒质，无法得到高质量的光通信。
在此后几十年的时刻里，由于上述两个障碍未能突破，也由于电通信得到高速进展，光通信的研究一度沉静。
这种情形一直连续到本世纪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20dB／km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(A1GaA s)半导体激光器，这两项科学成就为光纤通信的进展奠定了基础。
常用光电子器件介绍
主要光电子器件介绍【内容摘要】光自身固有的优点注定了它在人类历史上充当不可忽略的角色，本文从几种常见的光电子器件的介绍来展示光纤通信技术的发展。
【关键词】光纤通信光电子器件【正文】光自身固有的优点注定了它在人类历史上充当不可忽略的角色，随着人类技术的发展，其应用越来越广泛，优点也越来越突出。
将优点突出的光纤通信真正应用到人类生活中去，和很多技术一样，都需要一个发展的过程。
从宏观上来看，光纤通信主要包括光纤光缆、光电子器件及光通信系统设备等三个部分，本文主要介绍几种常见的光电子器件。
1、光有源器件1)光检测器常见的光检测器包括：PN光电二极管、PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）。
目前的光检测器基本能满足了光纤传输的要求，在实际的光接收机中，光纤传来的信号及其微弱，有时只有1mW左右。
为了得到较大的信号电流，人们希望灵敏度尽可能的高。
光电检测器工作时，电信号完全不延迟是不可能的，但是必须限制在一个范围之内，否则光电检测器将不能工作。
随着光纤通信系统的传输速率不断提高，超高速的传输对光电检测器的响应速度的要求越来越高，对其制造技术提出了更高的要求。
由于光电检测器是在极其微弱的信号条件下工作的，而且它又处于光接收机的最前端，如果在光电变换过程中引入的噪声过大，则会使信噪比降低，影响重现原来的信号。
因此，光电检测器的噪声要求很小。
另外，要求检测器的主要性能尽可能不受或者少受外界温度变化和环境变化的影响。
2)光放大器光放大器的出现使得我们可以省去传统的长途光纤传输系统中不可缺少的光－电－光的转换过程，使得电路变得比较简单，可靠性也变高。
早在1960年激光器发明不久，人们就开始了对光放大器的研究，但是真正开始实用化的研究是在1980年以后。
随着半导体激光器特性的改善，首先出现了法布里－泊罗型半导体激光放大器，接着开始了对行波式半导体激光放大器的研究。
另一方面，随着光纤技术的发展，出现了光纤拉曼放大器。
光通信基本器件
0
滤波器
解复用器
•用途：
波长选择、光放大器的噪声滤除、光复用/解复用
Wavelength filter
Wavelength multiplexer
Wavelength Demultiplexer
0/
0滤波器中心波长, 信号波长.
一、熔锥光纤滤波器
•利用熔锥型光纤耦合器的波长依赖性。设计熔融区 的锥度，控制拉锥速度。 •特点：插损低、结构简单、温度稳定性高、隔离度 低、复用波长数少（两波） •应用：波长间隔较宽，常用于1300nm/1550nm、 980nm/1550nm、1480nm/1550nm波长的分 离
DWDM
• filters • Fiber gratings • Circulators • Mux/Demux
modules
Amplifiers
• Isolators • Tap couplers • Pump lasers • Attenuators • Integrated
amplifiers • SOAs
输出功率的比值。
Le 10lg
Pin dB
Pi
3、串扰：一个端口的输入信号与散
射或反射回另一个输入端口的光功率 间的隔离度。以22光纤耦合器为例：
串扰＝10
lg
P3 P0
[dB ]
4、分光比或耦合比：输出
端口间光功率分配的百分比
SR
Pi
100%
Pi
3dB coupler
第一部分 基本光器件
克尔(Kerr)效应：晶
体折射率与外加电场幅 度的平方成比例变化
电光调制器主要利用普科尔(Pocket)效应.
第二部分 光调制器和光检测器
光电子器件与应用
光电子器件与应用光电子器件是一种利用光电效应或光导效应来转换光信号与电信号之间能量转变的器件，广泛应用于光通信、光储存、显示技术、光传感等领域。
本文将对光电子器件的原理、种类以及应用进行详细介绍。
1. 光电子器件的原理光电子器件的工作原理主要依赖于光电效应和光导效应。
光电效应是指当光照射到材料表面时，光子的能量被电子吸收后，电子从材料中跃迁到导电带或价带，产生电子-空穴对，从而形成电流。
光电效应被广泛应用于太阳能电池、光电二极管等器件中。
光导效应是指当光通过材料时，由于折射率的差异，光会沿着特定的方向传播。
这种现象被应用于光纤通信中，使得信号可以在光纤中传输，实现高速、远距离的信息传递。
2. 主要的光电子器件种类2.1 光电二极管光电二极管是一种利用光电效应转换光信号与电信号的器件。
当光照射到光电二极管上，光子的能量被电子吸收后，电子会从价带跃迁到导带，产生电流。
光电二极管被广泛应用于光通信、光测量、光传感等领域。
2.2 光敏电阻光敏电阻是一种利用光电效应实现光强度和电阻变化之间关系的器件。
当光照射到光敏电阻上，其电阻值会发生变化。
光敏电阻可以应用于光控开关、光控电源等场景，实现对光强度的测量和控制。
2.3 光电晶体管光电晶体管是一种结合了光电效应和晶体管技术的器件。
当光照射到光电晶体管上时，光子的能量被电子吸收后，电子会通过基极电流放大，从而产生放大后的电流信号。
光电晶体管广泛应用于光电子放大、光电检测等领域。
2.4 光电子存储器件光电子存储器件是利用光信号来实现信息读写和存储的器件。
其中最典型的就是光盘，它利用激光束来读取数据，具有大容量、高速读写的优势，被广泛应用于光存储和光储存器件。
3. 光电子器件的应用3.1 光通信光通信是一种利用光信号传输信息的通信方式，具有带宽大、传输距离远、干扰小等优势。
光纤光电转换器件（如光电二极管、光敏电阻）在光通信中发挥着重要作用，实现光信号和电信号之间的转换。
光电子技术与光通信
光电子技术与光通信近年来，随着信息技术的迅猛发展，光电子技术和光通信成为了电子与电气工程领域中备受关注的热门话题。
光电子技术作为一门综合性的学科，涵盖了光学、电子学、半导体技术等多个学科的知识，其在光通信领域的应用尤为广泛。
首先，光电子技术在光通信中的应用已经成为现代通信技术的重要组成部分。
光通信是指利用光信号进行信息传输的技术，相比传统的电信号传输，光通信具有更高的传输速度、更大的带宽和更低的信号衰减。
而光电子技术则是实现光通信的基础，通过光电子器件的研发和制造，可以实现高速、稳定的光信号传输。
例如，光纤通信系统中的激光器、光电探测器、光纤等设备都是光电子技术的应用。
其次，光电子技术在光通信领域的发展也带来了许多创新应用。
一方面，随着光电子器件的不断进步，光通信系统的传输速率也在不断提高。
目前，已经实现了数百Gbps甚至Tbps级别的光通信传输速率，为大规模数据传输提供了强有力的支持。
另一方面，光电子技术的发展也推动了光通信系统的应用拓展，例如光纤传感、光子计算等领域的研究与应用。
光电子技术在光通信领域的发展离不开对光学和电子学的深入研究。
光学是研究光的传播、反射、折射等现象的学科，而电子学则是研究电子器件和电子电路的学科。
光电子技术的发展需要光学和电子学的相互融合，通过光学器件和电子器件的结合，实现光信号的产生、调制、传输和检测。
光电子技术的研究还涉及到材料科学、半导体物理学等多个学科的知识，需要综合运用各种学科的理论和方法。
在光电子技术和光通信领域的研究中，还存在一些挑战和问题需要解决。
首先，随着光通信系统的规模不断扩大，光纤的传输损耗和非线性效应成为了限制光通信传输距离和速率的重要因素。
其次，光电子器件的制造和集成技术也面临着挑战，如如何实现更小尺寸、更高性能的光电子器件。
此外，光通信系统的安全性和稳定性也是需要关注的问题，如何保护光信号的安全性和抵御外界干扰。
总之，光电子技术与光通信的发展为现代通信技术的进步提供了强有力的支持。
光电子技术在通信领域的应用
光电子技术在通信领域的应用一、引言随着科技的不断发展，通信技术也在不断进步。
光电子技术作为一种新兴的技术手段，已经在通信领域得到广泛应用。
本文将对光电子技术在通信领域的应用进行探讨。
二、光电子器件光电子器件是光电子技术中的重要组成部分，它主要由光电二极管、半导体激光器和光纤传感器等组成。
光电二极管能够将光信号转换成电信号，而半导体激光器则可以发射出高亮度的激光光束。
光电子器件的发展为通信技术的提升奠定了坚实的基础。
三、光纤通信技术光纤通信技术是光电子技术的核心，它通过利用光的传播特性来传输信息。
相比传统的电信号传输方式，光纤通信技术具有更高的传输速度和更大的带宽。
光纤通信技术可以分为单模光纤通信和多模光纤通信两种方式，其中单模光纤通信用于远距离传输，而多模光纤通信则适用于短距离传输。
四、光口技术光口技术是一种将光信号转换成电信号或者将电信号转换成光信号的技术。
通过光口技术，我们可以实现光与电之间的互相转换，从而实现信息的传输和处理。
光口技术在通信领域的应用非常广泛，它被广泛应用于光纤通信、光传感器、光存储器等技术领域。
五、光纤传感技术光纤传感技术是光电子技术的另一重要应用领域，它主要通过利用光在纤芯中传播的特性来实现对环境变量的测量。
利用光纤传感技术，我们可以实现对温度、压力、湿度、光强等参数的准确测量。
光纤传感技术具有实时性好、灵敏度高等优点，因此被广泛应用于石油、化工、环保等行业领域。
六、光通信技术光通信技术是光电子技术在通信领域的核心应用。
它主要通过利用激光器将信息转换成光信号，并通过光纤将光信号传输到目标地点。
光通信技术具有传输速度快、带宽大等优势，在无线通信、卫星通信、宽带接入等领域都有广泛应用。
七、光电子技术的挑战与发展尽管光电子技术在通信领域取得了巨大的成功，但它仍面临着一些挑战。
首先，光纤通信技术需要高质量的光纤线路和光纤连接器，这对制造技术提出了更高的要求。
其次，光电子器件的发展也需要更多的研究和投入。
光电子技术在光纤通信中的应用
光电子技术在光纤通信中的应用随着科技的不断进步与发展，光电子技术作为一种新兴的技术手段，已经快速地被广泛地应用于光纤通信领域。
光电子技术可以将光信号与电信号进行转换，并进行去噪、放大、增强等一系列处理，以提高光纤通信质量和传输速率。
本文将会详细探讨光电子技术在光纤通信中的应用。
光电子技术介绍光电子技术是一种将光信号和电信号相互转换的技术。
通过将光信号转化为电信号或者将电信号转化为光信号实现信号传输，在光通信、光存储、图像处理、激光雷达、医疗仪器、工业制造、光电控制等领域均有广泛的应用。
尤其是在光纤通信领域，光电子技术发挥了极其重要的作用。
光电子技术在光纤通信中的应用1. 光纤传感器光纤传感器是一种通过测量光学信号的变化，来检测物理量、化学量等量值的传感器。
它利用了光信号传输特性中的可调制、弱耦合等特点，以及光纤的机械特性、光电探测技术等优点，具有高灵敏度、可靠性高、传输距离远、不受电磁干扰、对环境影响小等优点。
它能够被广泛地应用于通信、能源、医疗、环保等领域中，例如：在油井中应用光纤传感技术，能够实现实时监测天然气、原油内部的运动情况并提供可视化图像，提高生产效率与安全性。
2. 光放大器技术光放大器技术是指一种将光信号电子放大器将电信号转化为光信号后再放大的技术。
通过对光信号进行加强，在信号传输的过程中，可以有效地抵抗信号的衰减，提高信号品质，延长信号传输距离，对于光纤信号的传输质量和速率的提升具有非常重要的作用。
更进一步的，大部分通信公司都已经采用了光放大器技术，以提高信号质量和传输速率，这也使得光纤通信的应用得以实现更高速、更稳定，更安全的数据传输。
3. 光电路技术光电路技术是一种利用光电子设备实现功能的技术方法。
通俗来说，就是将传统的电子技术中使用的半导体器件替换成光电子器件实现相应的功能。
光电路技术应用于整个光通讯领域，是将光纤通信从电路网络向光学网络的转换。
总结随着信息技术的不断发展，光纤通信越来越成为人们进行数据传输的首选方式。
光电系统技术在通信电子中的应用
光电系统技术在通信电子中的应用随着科技的不断发展，光电系统技术在通信电子中的应用也越来越广泛。
光电技术可以实现信息传输、能量传递等多种功能，已经成为现代传感器、控制系统、通讯系统等的重要组成部分。
本文将深入探讨光电系统技术在通信电子中的应用及其发展趋势。
一、光电系统技术的优势光电系统技术是将光学、电子技术和计算机技术相结合，形成的一种先进的技术体系。
与传统通信电子技术相比，光电系统技术具有以下优势：1. 安全性较高。
相比较于传输电信号的电磁波，光信号可以在介质之间隔离，从而改善了数据的安全性。
2. 传输速度更快。
在数字信号的传输方面，光传输速度更快，可以支持更大的容量。
3. 能耗更低。
相比较于传统电子通讯领域的无线电通讯技术，光通讯技术因为训练减少电功率消耗，降低了设备散热量。
4. 需要维护和保养的设备较少。
光电系统技术不像传统电子通信领域的无线电通讯技术，需要频繁保养和更换设备，可以降低企业的维护和管理成本。
二、1. 光纤通信技术光纤通信技术通过利用纤维传递光信号，来传输数据。
相比较于传统通信电子技术，它具有传输速度快、容量大、抗干扰性强等优势。
在现代通信电子领域，光纤通信技术得到广泛的应用，对于提升通信质量和传输性能起到了重要的作用。
目前，光纤通信技术已经广泛应用于互联网、数据中心、智能城市、工业控制等领域，这种技术不仅可以在传输的速度和容量方面得到优化，还可以支持新兴的虚拟和云服务。
2. 光学传感器技术光学传感器技术是将光学、电子技术和计算机技术相结合，可以将光的电信号转换为传感器的信号。
光学传感器技术有很多种，包括启发式传感器、谐振光纤传感器、纳米纤维传感器等。
在通信电子领域，光学传感器技术可以用于测量光的传递和变化，以支持光通信技术的实现。
另外，光学传感器技术还可以用于智慧城市的能源、环境监测等领域中，监测环境中的光信号，为城市运营提供数据支持。
3. 光电子器件技术光电子器件是一类将光电子技术与学科相关机械结构（如反射镜、透镜）相结合的器件。
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大 器
10
多模(Gbຫໍສະໝຸດ s•Km）10.1 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992
15
光纤
光纤：光导纤维的简称，是一种 能利用光的全反射作用来传导光 线的透明度极高的(玻璃)纤维。
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光纤分类
根据材料: 石英光纤、玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤和氟化物碲 化物光纤等。 塑料光纤是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃） 制成。
7
指明通过“原材料的提纯制造出适合于长距离通信使 用的低损耗光纤”这一发展方向。
8
高锟博士 1998年在英国接受IEE授予的奖章
9
光纤
• 1970年，光纤研制取得了重大突破：美国康宁(Corning)公司研制成功损 耗20dB/km的石英光纤，把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。
• 1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km。 • 1973 年，美国贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km。1974 年降 低到1.1dB/km。 • 1976 年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到0.47 dB/km(波长 1.2μm)。 • 此后的 10 年中，波长为1.55 μm的光纤损耗：1979 年是0.20 dB/km， 1984年是0.157 dB/km，1986 年是0.154 dB/km， 接近了光纤最低损耗的理论 极限。
目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统将成为未来 国家信息基础设施的支柱。
在许多发达国家，生产光纤通信产品的行业已在国民经济中占重要地位。
14
光纤通信整体发展时间表
100000
1.55μm 光孤子
系 10000
相干检测
统
1.55μm
性 1000 能
直接检测
光
1.3μm
放
100 0.8μm 单模
Lowell L. Scheiner eds., Pearson Education, Inc., 2001. 光纤通 信技术，科学出版社，2002 (国外高校电子信息类优秀教材) ❖ IEEE & IEE & OSA
2
第1章 光纤通信与光电子器件
3
Contents
光纤通信系统简介 光发射机 光调制器 光纤光缆 光放大器 光接收机
6
在这个时期，美国麻省理工学院的研究人员利用He - Ne激光器和 CO2激光器进行了大气激光通信试验。 由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质，对光通信的研究曾一 度走入了低潮。 1966年，英籍华裔学者高锟(C. K. Kao)和霍克哈姆(C. A. Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文《光频率的介质纤维 表面波导》 ，指出了利用光纤（ Optical Fiber ）进行信息传输的 可能性和技术途径，奠定了现代光通信——光纤通信的基础。
12
光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：
• 第一阶段(1966~1976年)，这是从基础研究到商业应用 的开发时期。
• 第二阶段(1976~1986年)，这是以提高传输速率和增加 传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。
• 第三阶段(1986~1996年)，这是以超大容量超长距离为 目标、全面深入开展新技术研究的时期。
光无源器件
4
• 原始形式的光通信:中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用
旗语传送信息。
5
• 1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音的 “光电话”。贝尔光电话是现代光通信的雏型。 • 1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器， 给光通信带来了新的希望。激光器的发明和应用， 使沉睡了80 年的光通信进入一个崭新的阶段。
10
光源
• 1970年，光纤通信用光源取得了实质性的进展：美国贝尔实验室、日本 电气公司(NEC)和前苏联先后研制成功室温下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双 异质结半导体激光器(短波长)。虽然寿命只有几个小时，但它为半导体激光 器的发展奠定了基础。
• 1973 年，半导体激光器寿命达到7000小时。 • 1976年，日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3 μm的铟镓砷磷 (InGaAsP)激光器。 • 1977 年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时。 • 1979年美国电报电话(AT&T)公司和日本电报电话公司研制成功发射波 长为1.55 μm的连续振荡半导体激光器。
1970 年成为光纤通信发展的一个重要里程碑
11
光纤通信
实用光纤通信系统的发展 • 1976 年，美国在亚特兰大(Atlanta)进行了世界上第一个实用光纤通信系 统的现场试验。 • 1980 年，美国标准化FT - 3光纤通信系统投入商业应用。 • 1976 年和 1978 年，日本先后进行了速率为34 Mb/s的突变型多模光纤通 信系统， 以及速率为100 Mb/s的渐变型多模光纤通信系统的试验。 • 1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。 • 随后，由美、日、 英、法发起的第一条横跨大西洋 TAT-8海底光缆通信 系统于1988年建成。 • 第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系统于1989年建成。从 此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全球通信网的发展。
13
1976年美国在亚特兰大进行的现场试验，标志着光纤通信从基础研究 发展到了商业应用的新阶段。
此后，光纤通信技术不断创新：光纤从多模发展到单模，工作波长从 0.85 μm发展到1.31 μm和1.55 μm(短波长向长波长），传输速率从几十 Mb/s发展到几十Gb/s。
随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断下降，应用范围 不断扩大。
光纤通信与光电子器件
参考资料
《光纤通信用光电子器件和组件》,, ❖ 《光通信器件与系统》，J.H.Franz，徐宏杰等译，电子工业
出版社 ❖ 《光通信器件》, (德)N. Grote, H. Venghaus 王景山，沈欣捷，
孙玮译，国防工业出版社 ❖ 光纤通信, Joseph C.Palais, 王江平等译, 电子工业出版社 ❖ Fiber-Optic Communications Technology, Djafar K. Mynbaev,