项目1
光纤器件测试

任务1：光纤跳线测试

任务 ：对不同种类的光纤连接器进行分类，理解光纤连接器的性能指标。

要求 ：能识别不同的光纤连接器，能识别光纤跳线和尾纤，能根据应用场合选择合适的光纤连接器和光纤跳线，测试光纤跳线的插入损耗。

一、知识准备

1.光纤的连接

将两根光纤进行连接时，必须达到相当高的对准精度，才能使光信号以较小的损耗从一根光纤传播到另外一根光纤中。光纤连接方式通常情况下分为固定连接、活动连接和临时连接三类。

（1）光纤的固定连接

光纤的固定连接也称为永久性连接，特点是光纤一次性连接完成后不能拆卸，工程上常将这种连接称为光纤接续，一般用于光缆线路中的光纤与光纤之间的连接。尾纤上没有光纤连接器的一端就是通过固定连接与光缆中的光纤连接的，光缆线路中由于光缆断裂或光缆距离不够长时均使用固定连接方式连接光纤。

光纤的固定连接分为熔接法和非熔接法。长途干线或中继线路以熔接法为主，使用光纤熔接机实现光纤连接。光纤接入网目前流行的冷接续法就属于非熔接方式。冷接续法是通过冷接续子进行光纤机械接续，不需要用光纤熔接机。光纤冷接续子内部的主要部件是一个精密的V形槽，在两根尾纤切割平整之后利用冷接续子和适配液来实现两根尾纤的对接，如图1-1 所示。冷接续法操作起来简单方便，且比熔接法省时间，整个接续过程可在2 min内完成。

（2）光纤的活动连接

光纤的活动连接是可以拆卸的连接，通过活动连接器和适配器将两根光纤对准。光纤的活动连接不像固定连接那样能将两根光纤完全对接在一起，连接的两根光纤间必然存在缝隙。光纤的活动连接一般用于光传输设备之间连接、光仪表耦合等方面。

（3）光纤的临时连接

光纤的临时连接一般采用V形槽对准、弹性毛细管连接、临时熔接等方法。光纤的临时连接用在光缆抢修时使用，用来临时处理光缆线路障碍。

2.光纤活动连接器

光纤活动连接器是把两个光纤端面精密结合在一起，以实现光纤与光纤之间可拆卸连接的器件，俗称活接头。光纤活动连接器已经广泛应用在光纤配线架（ODF架）、光端机、光纤测试仪器和仪表中，是目前使用数量最多的光纤无源器件。

（1）光纤连接器的结构

光纤连接器由光纤、陶瓷插芯、陶瓷支撑套管、组成散件和外壳组成，如图1-2 所示。

光纤连接器常与适配器配合使用，两个光纤连接器插针中装进两根光纤，采用机械和光学结构，通过适配器将光纤的两个端面精密对接起来，实现光纤端面物理接触，以使一根光纤上传输的光能量最大限度地耦合到另一根光纤中。

（2）光纤连接器的端面类型

光纤连接端面有平面接触型（FC型）、物理接触型（PC型）、超级物理端面（UPC型）、斜面接触型（APC）等类型，如图1-3 所示。

FC型端面呈平面形，对微尘敏感。PC型端面呈球形，接触面集中在端面的中央部分，反射损耗 35 dB，多用于测量仪器。UPC型端面由PC演进而来，对端面抛光进行了优化，从而获得了更好的表面光洁度，回波损耗高于 50 dB。APC型端面的接触端中央部分仍保持PC型的球面，但端面的其他部分加工成斜面，使端面与光纤轴线的夹角小于 90°，这样可以增加接触面积，使光耦合更加紧密；当端面与光纤轴线夹角为 8°时，回波损耗高于 60 dB。

（3）光纤连接器的性能指标

光纤连接器的性能指标主要有插入损耗、回波损耗、互换性、重复性和稳定性等。

①插入损耗

插入损耗即连接损耗，是指由于连接器的介入而引起传输线路有效功率的损耗，该值越小越好，一般要求不高于 0.5 dB。

②回波损耗

回波损耗又称后向反射损耗，是指光纤连接器处后向反射光功率与输入光功率之比的分贝数，该值越大越好。回波损耗反映了光纤连接器对链路光功率反射的抑制能力，回波被损耗得越大，回波就越小。实际应用的光纤连接器插针表面经过专门的抛光处理，回波损耗很大，一般不低于 45 dB。

③互换性

光纤连接器的互换性是指光纤连接器各部件互换时插入损耗的变化。每次互换后，其插入损耗变化量越小越好。

④重复性

光纤连接器的重复性是指光纤连接器多次插拔后插入损耗的变化。每次插拔后，插入损耗变化量越小越好。

⑤稳定性

光纤连接器的稳定性是指光纤连接器连接后，插入损耗随时间、环境温度的变化，此值越小越好。

⑥插拔寿命

光纤连接器的插拔寿命用最大可插拔次数来表示，一般由元件的机械磨损情况决定。目前，光纤连接器的插拔寿命一般大于 1 000 次。

（4）光纤连接器的种类

光纤连接器的种类很多，目前我国应用最广泛的是FC型、SC型、ST型和LC型连接器，如图1-4 所示。每种光纤连接器都有其对应的光纤适配器来实现光纤的连接。

①FC型光纤连接器

FC型光纤连接器采用金属螺纹连接结构，外壳为圆形，紧固方式为螺丝扣，插针采用外径为 2.5 mm的精密陶瓷插针，插针端面多采用球面接触PC和斜球面接触APC两种方式。FC型光纤连接器的特点是结构简单，操作方便，制作容易。FC型光纤连接器是目前使用最多的类型，占用空间大，大量用于光缆干线ODF架上。

②SC型光纤连接器

SC型光纤连接器采用插拔式结构，外壳为矩形，采用工程塑料制造，紧固方式为插拔销闩式，不需要旋转。SC型光纤连接器所采用的插针与耦合套筒的结构尺寸与FC型完全相同，插针端面多采用PC或APC方式。SC型光纤连接器的主要特点是价格低廉，插入损耗波动小，抗压强度高，插拔操作方便，操作空间小，安装密度高，广泛用于光纤接入网中。

③ST型光纤连接器

ST型光纤连接器采用带键的卡口式锁紧结构，外壳呈圆形，所采用的插针与耦合套筒的结构尺寸与FC型完全相同，插针端面多采用PC或APC方式。ST连接器的纤芯外露较长，具有很好的互换性，大量用于光纤接入网和有线电视（CATV）中。

④LC型连接器

LC型光纤连接器采用插拔式锁紧结构，外壳为矩形，用工程塑料制成，带有按压键。由于它的陶瓷插针外径仅为 1.25 mm，其外形尺寸也相应减少，大大提高了连接器在光纤通信设备上的密度。通常情况下，LC连接器是以双芯连接器的形式使用，但需要时也可分开为两个单芯连接器。

除了FC型、SC型、ST型和LC型连接器以外，还有MU型和MT-RJ型连接器。

3.光纤跳线与尾纤

光纤跳线与尾纤是光纤通信中应用最为广泛的基础元件之一，每根光纤跳线或尾纤里面都只有一根光纤。

光纤跳线两端都有光纤连接器，用来实现光纤的活动连接；光纤跳线两端光模块的收发波长必须一致，常用于ODF架或光纤终端盒与光设备相连，以及测试时与测试仪表相连。尾纤只有一端有光纤连接器，另一端是光纤的断头，通过熔接与其他光缆中的光纤相连，常出现在ODF架或光纤终端盒内，用于光缆成端。光纤跳线/尾纤使用光纤连接器的类型来命名，如图1-5 所示。

多模光纤跳线/尾纤常为橙色，波长为 850 nm，传输距离约为 2 km。单模光纤跳线/尾纤常为黄色，目前接入网中单模光纤也有蓝色，波长有 1 310 nm和 1 550 nm两种，传输距离约为60 km。

二、任务实施

本任务的目的是能选择合适的光纤适配器将光纤跳线连接起来，测试光纤跳线的插入损耗。

1.材料准备

FC-FC、FC-SC、FC-LC、SC-ST、LC-ST光纤跳线各 1 根，插入损耗为 0.2 dB的FC型、SC型、ST型、LC型光纤适配器各若干个，激光光源 1 台，光功率计 1 台。

2.操作步骤

（1）光纤跳线和光纤适配器的连接

①识别光纤跳线的类型；

②识别光纤适配器的类型；

③根据光纤跳线的类型选择合适的光纤适配器，取下光纤适配器和光纤跳线上的防尘帽，用蘸有酒精的脱脂棉擦拭光纤跳线上的光纤接头，将光纤跳线插入到光纤适配器中，进行连接。

连接时注意光纤的卡口方向，SC型、LC型以听到“咔嚓”一声为宜，FC型和ST型要将金属外套旋紧不松动为宜。

（2）测试光纤跳线的插入损耗

光纤跳线的插入损耗常采用插入法测试，具体步骤如下：

①用参考光纤跳线连接光源与光功率计，光功率计测得光功率为 P ₁ 。

根据光源和光功率计上光纤适配器的类型选择合适光纤跳线，取下光纤跳线上光纤连接器的防尘帽，用蘸有酒精的脱脂棉清洁连接器插针，一端连接在光源的OUT端，另一端在连接光功率计的IN端，如图1-6 所示。

设置光源的发光波长（如 1 310 nm）、频率（如1 kHz），调节发射光功率（如-5.02 dBm）。设置光功率计的波长与光源波长一致，选择单位为dBm，稳定几十秒后，测试接收光功率，记为 P ₁ 。

②将被测光纤跳线与光纤适配器插入到参考光纤跳线与光功率计之间，A端连接光纤适配器，B端连接光功率计，如图1-7 所示，用光功率计测得光功率为 。计算被测光纤跳线A端到B端的插入损耗 （设光纤适配器的插入损耗为 0.2 dB）。

③调换被测光纤跳线A、B端，如图1-8 所示，用光功率计测得光功率为 。计算被测光纤跳线B端到A端的插入损耗 （设光纤适配器的插入损耗为 0.2 dB）。

通过测试可以看出，光纤跳线A端到B端与B端到A端的插入损耗会有所不同，这是由于光纤的制作工艺引起的。在工程应用时，要注意将光纤的A端与B端相连接。

④计算被测光纤跳线的插入损耗为两个方向插入损耗的平均值，即 。

任务2：无源光纤器件测试

任务 ：掌握光衰减器、光耦合器、光波分复用器、光波长转换器、光隔离器、光开关、光纤光栅等无源光纤器件的功能，掌握各类无源光纤器件的性能参数。

要求 ：能识别光衰减器、光耦合器、光波分复用器、光波长转换器、光隔离器、光开关、光纤光栅等无源光纤器件，能测试光耦合器的插入损耗。

一、知识准备

在光纤通信系统中，常用到许多光纤通信器件。根据是否需要进行光电能量转换分类，光纤通信器件分为有源光纤器件和无源光纤器件。无源光纤器件工作时不需要外加电源，分为连接用器件和功能性器件。光纤连接器属于连接用无源器件，在前面的任务中已经介绍。光衰减器、光耦合器、波分复用器、波长转换器、光开关、光滤波器等属于功能性无源器件。

1.光衰减器

光衰减器是用来稳定地、准确地减少光信号功率的无源光纤器件，主要用于调节光缆线路的损耗、测量光端机的灵敏度、校准光功率计等场合。当光纤传输线路上的光信号过强时，会对光接收机造成损坏，这时需要使用光衰减器对光功率进行一定程度的减少。

根据光衰减器的工作原理，可将光衰减器分为位移型光衰减器、直接镀膜型光衰减器、损耗片型光衰减器和液晶型光衰减器。根据损耗器的损耗量是否可调，可将光衰减器分为固定光衰减器和可调光衰减器两种。

（1）固定光衰减器

固定光衰减器造成的光功率损耗值是固定不变的，具体规格有 3 dB、5 dB、10 dB、15 dB、20 dB、30 dB、40 dB等标准的损耗量，如图1-9 所示。

（2）可调光衰减器

可调光衰减器造成的光功率损耗值在一定范围内可调节，如图1-10 所示。可调光衰减器又可分为分级可调式和连续可调式两种。

对光衰减器性能的要求是：插入损耗低，回波损耗高，分辨率线性度和重复性好，损耗量可调范围大，损耗精度高，器件体积小，质量轻，环境稳定性能好。其中，分辨率线性度取决于损耗元件的特性和所采用的读数显示方式及机械调整结构；重复性也取决于所采用的读数显示方式及机械调整结构。

2.光耦合器

光耦合器是对光信号进行分路、合路或分配的无源光纤器件，依靠光波导间电磁场的相互耦合来工作。光耦合器可以把一路光信号分配成多路，即分路器，也称分光器。反过来，它也可以把多路光信号合成一路光信号，即合路器（也称合光器），如图1-11 所示。

光耦合器对光信号进行分路或合路后光信号功率有所变化。1∶ 2 ^N （ N 为正整数）的分光器平均分配出来的光信号功率相比于输入光功率而言，下降 3 × N dB。

从端口形式上划分，光耦合器包括X形（2 × 2）耦合器、Y形（1 × 2）耦合器、树形耦合器以及星形（ N × N ， N > 2）耦合器等，如图1-12 所示。

按制作原理划分，光耦合器分为熔融拉锥型（FBT）和平面波导型（PLC）两种。熔融拉锥型耦合器是将多根除去涂覆层的光纤以一定的方法靠拢，在高温加热下熔融，同时向不同方向拉伸，最终在加热区形成锥体形式的特殊波导结构，通过控制光纤扭转的角度和拉伸的长度，可得到不同的耦合比例，最后把拉锥区用固化胶固定在石英基片上，插入不锈钢管内。平面波导型耦合器采用光刻、腐蚀、显影等半导体工艺技术制作，光波导阵列位于芯片的上表面，光耦合功能集成在芯片上，在芯片两端分别耦合输入端以及输出端的多通道光纤阵列，并进行封装。

光耦合器的主要特性指标为插入损耗和隔离度。插入损耗为指定输出端口的光功率相对全部输入光功率的减小值，该值越小越好。隔离度指光耦合器的某一光路输出端口所测到的其他光路的光功率与注入光功率的比值，该值越小隔离度越好，说明各输出口之间的“串话”越小。

3.波分复用器

波分复用（WDM）技术是将不同波长的光信号合成一束，沿着单根光纤传输，实现多个信号在同一根光纤中传输的技术，每一路信号都由某种特定波长的光来传送。

波分复用系统最核心的器件是波分复用器，即合波器（也称光复用器）和分波器（也称光解复用器），如图1-13 所示。

合波器和分波器是特殊的光耦合器，两者处理的各路光信号波长不同。合波器和分波器分别置于光纤两端，实现不同光波的耦合与分离。合波器在波分复用系统的发送端，将多个不同波长的光信号组合在一起，并注入一根光纤中传输。分波器在波分复用系统的接收端，将一根光纤上组合在一起的光信号分离，送入不同的接收终端。合波器和分波器在原理上是相同的，只要改变输入、输出的方向。

波分复用器的主要特性指标除了插入损耗和隔离度以外，还有中心波长、中心波长工作范围等。

4.光波长转换器

光波长转换器的功能是使光信号从一个波长转换到另一个波长的器件。根据波长的转换机理，光波长转换器分为光电型光波长转换器和全光型光波长转换器。光波长转换器在光交叉互连、光网络管理等领域得到广泛的应用。

（1）光电型光波长转换器

光电型光波长转换器是将波长为 λ ₁ 的光信号转换成电信号，经过整形后，调制所需波长 λ ₂ 的半导体激光器（LD），输出波长为 λ ₂ 的光信号，从而实现波长转换，如图1-14 所示。光电型光波长转换器技术比较成熟，容易实现，工作稳定。其缺点是装置结构复杂，成本随速率和元件数增加，功耗大，使得它在多波长通道系统中的应用受到限制。

（2）全光型光波长转换器

全光型光波长转换器不需要将光信号转换成电信号处理，而是直接将光信号从一个波长转换到另一个波长，在光域直接实现波长转换。它将波长为 λ ₁ 的光信号与需要转换成波长为 λ ₂ 的连续探测光信号同时耦合进半导体放大器（SOA）。当输入光信号为高电平时，使SOA增益发生饱和，从而使连续的探测光受到调制，结果使得输入光信号所携带的信息转换到 λ ₂ 上，通过滤波器取出 λ ₂ 光信号，即可实现 λ ₁ 到 λ ₂ 的全光波长转换，如图1-15 所示。全光型光波长转换器克服了光电型光波长转换器速率的瓶颈，工作速率高。其缺点是长波长和短波长变换时不对称，消光比较低。

5.光隔离器和光环行器

光隔离器的作用是只允许光单向通过而阻止向相反方向通过的无源器件，其作用是对光的方向进行限制，保证光波只能正向传输，避免光缆线路中由于各种因素而产生的反射光返回进入激光器，而影响激光器的工作稳定性，如图1-16 所示。光信号从光隔离器的输入端进入时，可以畅通无阻地通过，从隔离器的输出端输出，损耗很小；光信号从相反方向进入隔离器，损耗非常大，光信号被损耗，在光纤输入端没有光信号输出。光隔离器可分为偏振相关和偏振无关两种，主要用在激光器的后面和光放大器两端。

光环行器有多个端口，其工作原理与隔离器类似，主要用于光分插复用器中。典型的环行器一般有三个或四个端口，如图1-17 所示。

6.光开关

光开关是控制光纤传输通路中光信号通或断，或进行光路切换的无源器件。光开关外形如图1-18 所示，在系统保护、系统监测及光交换技术中广泛应用。光开关有微电机械关开关（MEMS）、电光开关、热光开关和SOA光开关等类型。

7.光纤光栅

光纤光栅是在光纤的纤芯部分因折射率周期性发生变化而形成的。光纤光栅利用向光纤纤芯照射紫外线时折射率上升的现象制作而成。向光纤光栅内射入光时，只有符合折射率周期变化的波长光会受到影响（反射或向光纤外发射），如图1-19 所示。根据这一特性，可以使光纤本身具有滤波功能。

光纤光栅具有高波长选择性能、易与光纤耦合、插入损耗低、结构简单、体积小等优点，日益受到人们的关注，其应用范围不断扩展到光纤激光器、WDM合/分波器、超高速系统中的色散补偿器、EDFA增益均衡器等光纤通信及温度、应变传感等领域中。

二、任务实施

本任务识别各类无源光纤器件，测试光耦合器的插入损耗。

1.材料准备

固定光衰减器、可调光衰减器、光耦合器、光波分复用器、光波长转换器、光隔离器、光开关、光纤光栅各 1 个，激光光源 1 台、光功率计 1 台，光纤跳线两根。

2.操作步骤

（1）识别无源光纤器件

识别固定光衰减器、可调光衰减器、光耦合器、光波分复用器、光波长转换器、光隔离器、光开关、光纤光栅等无源光纤器件，说明其功能和应用场合。

图1-20 的光耦合器为 1∶ 8插片式PLC分光器，有 1 个输入端口和 8 个输出端口。

（2）测试光耦合器的插入损耗

①校准激光光源与光功率计

激光光源与光功率计如图1-21 所示。根据激光光源与光功率计适配器类型，选择合适的光纤跳线，连接激光光源的OUT端与光功率计的IN端。设置激光光源的发光波长、脉冲频率，调节发射光功率。设置光功率计的波长与激光光源波长一致，选择单位为dBm，稳定几十秒后，按下“清零”键，光功率计读数为 0。

②测试第一个输出端口的下行插入损耗

断开光功率计上的光纤连接器，连接在光耦合器的输入IN端，用另一根光纤跳线连接光耦合器的输出端口1 与光功率计的IN端，如图1-22 所示。分别设置激光光源波长为1 310 nm和 1 550 nm，读取光功率计上的读数。去掉读数前的负数符号后，即为光耦合器输入光功率与输出光功率之间的插入损耗。

③测试其他输出端口的下行插入损耗

将输出端口 1 换成输出端口 2，重复以上步骤测试光耦合器的插入损耗，直到最后一个输出端口，记录每一个输出端口的插入损耗值。比较测量值与理论值（1∶ n 光耦合器的插入损耗理论值为10 lg n ）之间的误差。若误差较大，可拔下光纤跳线进行重新连接或更换相应的光纤跳线。

④计算最大插入损耗与最小插入损耗之差，即为光耦合器插入损耗的均匀性。

任务3：有源光纤器件测试

任务 ：了解光源、光电检测器和光放大器的工作原理，掌握光源、光电检测器和光放大器的特性。

要求 ：能识别光源、光电检测器、光放大器，能测试半导体激光器的 P-I 特性。

一、知识准备

有源光纤器件需要外加电源才能工作，光源、光电检测器、光放大器属于有源器件。

（一）物理基础知识

光源、光电检测器常使用半导体材料。半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，其能带结构如图1-23 所示。半导体内部自由电子所填充的能带为导带，价电子所填充的能带为价带。导带和价带之间不允许电子填充，称为禁带。禁带宽度用 E _g 表示，单位为eV。

光可以被物质材料吸收，物质材料也可以发光。这是因为原子可以通过与外界交换能量的方法，改变电子占据轨道的运动状态。例如，处于较低能级上的电子，在受到外界的激发（光的照射、电子或原子的撞击等）而获得能量时，可以跃迁到高能级。相反的，处于较高能级上的电子可以释放能量跳到低能级。

电子从一个能级转移到另一个能级的过程称为“跃迁”。从低能级 E ₁ 向高能级 E ₂ 跃迁时吸收能量，从高能级 E ₂ 向低能级 E ₁ 跃迁时释放能量，吸收或放出的能量就是两个能级之间的能量差。如果释放出的能量以光能的形式出现，那么光的频率就与这一能量成正比，表达式为

式中， h 为普朗克常数（6.626 × 10- ³⁴ J·s）， f 是光子的频率， E ₂ 为高能级， E ₁ 为低能级， E _g 为材料的禁带宽度。

由于光子的频率与波长成反比，可以得出波长为

可见，光与物质相互作用时，发射或吸收光子的波长取决于材料的禁带宽度。不同材料的禁带宽度有所不同。GaAlAs-GaAs半导体材料的禁带宽度为 1.47 eV，这种材料制成的光源发射光的波长为 0.85 μm。若要产生 1.31~1.55 μm的发射光，则需要使用禁带宽度在 0.8~0.96 eV之间的InGaAsP-InP材料。

爱因斯坦根据辐射与原子相互作用的量子论提出，光与物质相互作用时，将发生自发辐射、受激辐射和受激吸收三种物理过程。图1-24（a）~（d）表示出光与物质作用的基本过程。

（1）自发辐射

处于高能级上的电子状态是不稳定的，它将自发地从高能级跃迁到低能级与空穴复合，同时释放出一个光子。由于不需要外部激励，该过程称为自发辐射。半导体发光二极管就是按照这种原理工作的，白炽灯、日光灯等普通光源的发光过程也是自发辐射。

处于高能级上的各个电子都是独立地、自发地、随机地跃迁，彼此无关。不同的电子可能在不同的能级之间跃迁，故辐射出的光子频率各不相同。即使有些电子在相同的能级之间跃迁，辐射出频率相同的光子，但这些光子的相位和传播方向也各不相同，因此自发辐射出的光子频率、相位和方向是随机的，是非相干光，光谱范围很宽。

（2）受激辐射

在外来光子的激励下，电子从高能级跃迁到低能级与空穴复合，同时释放出一个与外来光子同频、同相的光子。由于需要外部激励，该过程称为受激辐射。

受激辐射产生的光子和外来光子具有完全相同的特征，即它们的频率、相位、振动方向和传播方向均相同，称为全同光子。在受激辐射过程中，通过一个光子的作用可以得到两个全同光子。如果这两个全同光子再引起其他原子产生受激辐射，就能得到更多的全同光子，这就使得受激辐射光具有较窄的光谱范围。在一定的条件下，一个入射光子的作用下可以引起大量原子产生受激辐射，从而产生大量的全同光子，这种现象称为光放大。可见，在受激辐射的过程中，各个原子发出的光是互相有联系的，是相干光，光谱范围窄，受激辐射可以产生光放大。半导体激光二极管就是按照这种原理工作的。

（3）受激吸收

在外来光子激励下，电子吸收外来光子能量，从低能级跃迁到高能级，变成自由电子，这种过程称为受激吸收。受激吸收在外来光子的激发下才会产生，不是放出能量，而是消耗外来光能。半导体光电检测器就是按照这种原理工作的。

在原子体系和光子的相互作用中，自发辐射、受激吸收和受激辐射总是同时存在的。在热平衡状态下，高能级上的电子数要少于低能级上电子数，称为粒子数正常分布状态。此时物质的受激吸收总是强于受激辐射。要使物质能对光进行光放大，必须使物质中的自发辐射和受激辐射强于受激吸收，即高能级上的粒子数多于低能级上的粒子数，这种现象称为粒子数的反转分布。能够形成粒子数的反转分布状态的物质称为工作物质。给热平衡状态下的工作物质施加能量，可以把低能级上的粒子激发到高能级上，形成粒子数反转分布。此时的工作物质称为“激活物质”。外加的能量来源称为泵浦源。

（二）光源

光源是光发送机的核心器件，作用是把电信号转变成光信号，以便在光纤中传输。光源性能的好坏是保证光纤通信系统稳定可靠工作的关键。光纤通信系统对光源的要求为：

（1）发送光波的中心波长应在 850 nm、1 310 nm和 1 550 nm附近，有足够的发送功率。光谱的谱线宽度要窄，以减小光纤色散对带宽的限制。

（2）电/光转换效率高，发送光束方向性好，以提高耦合效率。

（3）允许的调制速率要高或响应速度要快，以满足系统大的传输容量。

（4）器件的温度稳定性好，可靠性高，寿命长。

（5）器件体积小，质量轻，安装使用方便，价格便宜。

目前光纤通信系统中常用的光源有半导体发光二极管（LED）和半导体激光器（LD）。LED和LD基本都使用GaAlAs和InGaP材料，可以覆盖整个光纤通信系统工作波长范围，典型值为 0.85 μm、1.31 μm、1.55 μm。短波长常用的材料是GaAlAs，长波长常用的材料是In-GaP。

1.半导体发光二极管

（1）工作原理

半导体发光二极管（LED）通常采用双异质结构，如图1-25 所示。当PN结上没有施加任何偏置电压时，电子与空穴中间隔着有源层，PN结两端的势垒较高，N型侧电子难以越过势垒，有源区几乎没有电子和空穴，器件处于热平衡状态。当在PN结两端加上正向偏压时，PN结两侧的势垒变小，有源层宽度变窄，大量电子与空穴进入有源层。电子受到外加电压的作用从低能级跃迁到高能级，形成粒子数反转分布状态。有源层的电子跃迁到价带与空穴复合，将多余的能量转换成光能，以光子的形式辐射出来，即自发辐射发光。

按照器件输出光的方式，LED有面发光型二极管、边发型光二极管及超辐射发光二极管，如图1-26 所示。面发光型二极管的发射光束垂直于有源层，光束发散角很大，相当一部分光不能进入光纤而损失掉，因而面发光型二极管与光纤的耦合效率很低。边发光型二极管的发射光束平行于有源层，发光面一般小于光纤的横截面，提高了与光纤的耦合效率。面发光型二极管的输出功率比边发光二极管大，但边发光型二极管发光面窄，光功率集中，实际进入光纤的功率并不少。由于边发光型二极管与单模光纤耦合较好，使用较为广泛。

（2）工作特性

光源的光谱特性常用谱线宽度（Δ λ ）来表示。谱线宽度定义为光谱纵模包络或主模光强度下降到最大值一半（即下降 3 dB）时对应的光谱波长宽度。谱线宽度越宽，光信号中包含的频率成分越多，光信号传输时引起的色散越大，系统所能传输的信号速率就越低。

LED是非相干光源，发光以自发辐射为主，发出的是荧光，发光功率较小，光谱较宽，In-GaAsP-InP材料的LED谱线宽度一般为 70~100 nm，如图1-27 所示。这使得光信号在光纤中传输时色散较大。

光源的光功率特性常用 P-I 曲线表示，表明输出光功率随注入驱动电流变化的关系。LED的 P-I 曲线如图1-28 所示。当驱动电流较小时， P-I 曲线的线性较好，线性范围大，调制时信号失真小，也没有阈值电流的限制，只要有注入电流，就有光功率输出。当驱动电流过大时，由于PN结发热而产生饱和现象，使 P-I 曲线的斜率减少，处于非线性区。一般情况下，LED的工作电流为 50~100 mA，输出光功率为几十μW。由于光辐射角大（约 40°~120°），耦合到光纤中的功率只有几μW。LED的温度特性比较好，使用时不需要温度控制电路。

LED的优点是寿命长、稳定可靠、调制方便、价格低。缺点是谱线宽、功率小、调制速率低。因此，LED常用于低速、短距离系统。

2.半导体激光二极管

（1）工作原理

LD主要由工作物质、激励源和光学谐振腔构成，如图1-29 所示。

激光器的工作物质可以是气体、液体、固体，也可以是半导体，主要作用是提供合适的能带结构，以使激光器能够在要求的波长处发光。LD采用的工作物质是半导体材料。激励源的主要作用是使工作物质形成粒子数反转分布状态，为受激放大提供条件。激励方式有多种，半导体LD采用电激励方式。

光学谐振腔由放在激光工作物质两端相互精确平行的两块平面反射镜构成，一块反射镜是反射系数 r 为 100%的全反射镜，另一块反射镜是反射系数 r 为 95%左右的部分反射镜。光学谐振腔是LD特有的，光在谐振腔来回往返，实现受激辐射放大，形成光的正反馈。谐振腔要满足谐振条件

式中， λ 为激光波长， n 为激活物质的折射率， L 为光学谐振腔的腔长， q 为纵模模数，取值范围是有限个正整数。由于受激辐射光只在沿谐振腔轴向方向（纵向）形成驻波，因此称为纵模。当 q 不同时，可能有不同的波长值，即有若干个谐振频率。当 q = 1 时，为单纵模；当 q > 1 时，为多纵模。

当给半导体LD的P-N结加上足够大的正向偏压时，注入有源区的电子足够多，使得有源区处于粒子数反转分布状态，电子与空穴复合，自发辐射产生方向各异的光子。那些传播方向与谐振腔反射镜垂直的光子会在有源层内部传播，碰撞其他电子，发生受激辐射，光子被放大。产生的光子经过光学谐振腔来回反射，碰撞其他电子再次发生受激辐射，光强不断加强，经谐振腔选频，当谐振腔中的光增益大于光损耗时，建立起稳定的激光振荡，从部分反射镜输出稳定的激光。

在光纤通信系统中，常用的半导体激光器有从有源层边沿发光的法布里-珀罗激光器（F-PLD）、分布反馈激光器（DFB-LD）、多量子阱激光器（MQWLD）和从有源层垂直方向发光的垂直激光器（VCSEL）。

（2）工作特性

半导体LD的 P-I 曲线如图1-30 所示。从曲线可以看出它有一个“拐点”，对应的电流称为阈值电流 I _th 。为使激光器稳定工作，阈值电流越小越好。当注入电流小于阈值电流时，激光器处于自发辐射状态，发出的是荧光，激光器输出功率很小，光功率随电流增加很缓慢。当注入电流超出阈值电流时，自发辐射已足够强，引起强烈的受激辐射，随即达到了谐振条件，激光器发出激光，激光器输出功率急剧增加，光功率随电流增大而急剧上升， P-I 曲线线性变化。使用激光器时，只有注入电流大于阈值电流 I _th 时，激光器才能建立起稳定的激光振荡，从而获得激光输出。

半导体LD的光谱随着注入电流变化而变化。当注入电流小于阈值电流时，激光器发出的是荧光，光谱很宽，相干性很差，如图1-31（a）所示；当电流大于阈值电流时，激光器发出的是相干的激光，光谱很窄，相干性很好，谱线中心强度急剧增加，如图1-31（b）所示。

LD经历了由多纵模激光器、单纵模激光器到可调谐激光器的发展过程。多纵模激光器的谱线宽度为 3~5 nm，单纵模激光器谱线宽度约为 0.1 nm。谱线宽度越小，光信号中包含的频率成分越少，光源的相干性越好，光信号传输时引起的色散越小。

与LED相比，温度对LD的阈值电流、输出光功率及峰值工作波长的影响较大。随着温度的升高，LD的阈值电流加大，输出光功率降低，峰值工作波长向长波方向漂移。LD的温度特性如图1-32所示。因此，光发送机一般需采用自动控制电路来稳定激光器的输出光功率，还要加恒温或散热装置来控制激光器本身的温度。LD的寿命定义为阈值电流增大为初始 1.5 倍的时间，约为 10 ⁵ h。

由于LD相干性好、发光功率大、光谱窄、调制方便、便于与光纤耦合、体积小，是光纤通信最为合适的光源，常用于大容量、长距离光通信系统。

（三）光电检测器

光电检测器的主要作用是将从光纤传输过来的光信号变换成电信号，其性能的好坏将对光接收机的灵敏度产生重要影响。经过长距离传输后，从光纤传来的光信号很微弱，光纤通信系统对光电检测器的基本要求是：

（1）在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，能够输出尽可能大的光电流。

（2）具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统。

（3）具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响。

（4）具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真。

（5）具有较小的体积、较长的工作寿命等。

光电检测器是利用半导体的光电效应制成的。半导体P区的多数载流子是空穴，N区的多数载流子是电子。在PN结的结合区中，多数载流子会扩散到对方的区域，形成自建电场。载流子在自建电场区域耗尽，故自建电场区又称为载流子耗尽区。当光照射到半导体的耗尽区时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则半导体材料中价带的电子将吸收光子的能量，从价带跃迁到导带，导带中出现光电子，价带中出现光空穴，即光电子-空穴对，它们合起来称为光生载流子。光生载流子在外加反向偏压的作用下，在外电路中形成光电流。

光纤通信系统常用的光电检测器有PIN光电二极管和雪崩光电二极管（ADD）两种，它们都是工作在反向偏压下。

1. PIN光电二极管

由于耗尽区是产生光生载流子的主要区域，一般都希望入射光尽可能多地在耗尽区内被吸收，这就要求半导体有较宽的耗尽区。实践和理论分析表明，耗尽区的宽度与外加偏压及半导体的掺杂浓度有关。虽然增加反向偏压可以增加耗尽区的宽度，但外加反向偏压受到P-N结击穿电压的限制。解决这个矛盾的方法是在掺杂浓度很高的P ⁺ 区和N ⁺ 区之间加上一层轻掺杂的N型半导体区，即本征区（I区）。I区很厚，吸收系数很大。这就是PIN光电二极管，其结构及电场强度分布如图1-33 所示。

当PIN器件两端加上足够大的反向偏压时，入射光很容易进入材料内部被充分吸收，产生大量电子-空穴对，I区的载流子就完全耗尽，这样耗尽区遍及整个I区，因而作用区很宽，产生光电流的效率很高，可以更有效地产生光电流。反向偏压不能无限制增大，耗尽区太宽将会使光生载流子在其中漂移的时间太长，影响光电检测器的响应速度。兼顾各种因素，实际设计I区的厚度为数十至一百微米。为了降低接触电阻，便于与外电路连接，P ⁺ 区和N ⁺ 区都是重掺杂的，厚度均为几微米。

在光纤通信系统中，接收机接收的光是很微弱的，约为几μW。PIN光电二极管仅能将光信号转换成电信号，但不能对电信号产生增益。PIN光电二极管转换后的光电流只有几μA。这就需要高增益的放大器来放大电流。而高增益放大器会引入相当大的噪声，携带信息的信号将淹没在放大器自身产生的噪声中，影响接收机的灵敏度。

2.雪崩光电二极管

如果能在光电流信号进入接收机的放大电路之前，先在光电检测器内部放大，就能减少放大器引入的噪声，有雪崩增益的光电二极管（APD）应运而生。与PIN管不同，雪崩光电二极管在结构设计上已考虑到能承受高反向偏压（50~200 V），是利用半导体材料的雪崩倍增效应制成的，其结构及电场强度分布如图1-34 所示。

其中，N ⁺ 、P ⁺ 分别为重掺杂的N型和P型半导体，I是轻掺杂的P型半导体。未加电压时，N ⁺ 与P层之间形成PN结。当很高的反向偏压加于APD两端时，大部分电压降落在PN ⁺ 结上，从而在PN ⁺ 结内部形成一个高电场区。高电场区电场强度超过雪崩临界电场，足以使进入该区的光生载流子发生碰撞电离。P区和I区都成为耗尽区，用光照射光敏面时，光生载流子在电场的作用下，分别向耗尽区两端漂移，进入高电场区后被加速，具有很大的动能。这些高速、大动能的光生载流子与半导体晶格的原子发生猛烈碰撞，使束缚在价带上的电子得到能量跃迁到导带，产生一批新的电子-空穴对，这种现象称为“碰撞电离”。新的载流子和原来的光生载流子继续被强电场加速，继续发生碰撞电离，产生更多的电子-空穴对。如此多次碰撞，耗尽层中的载流子数量迅速增加，光生电流迅速增大，形成雪崩倍增效应。可见，雪崩光电二极管既可以检测光信号，又能放大光信号电流。

（四）光放大器

光信号在光纤中传输时，不可避免会存在着一定的损耗和色散，损耗导致光信号能量的降低，色散使光信号脉冲展宽，从而限制了光纤通信传输距离和码元速率的提高。因此，每隔一定距离就要设置一个中继站，以对光信号进行放大和再生。传统的中继器是采用光电光再生器，转换过程复杂，成本高。光放大器不需要经过任何光电、电光转换，而是直接对光信号进行放大。

1.光放大器种类

光放大器有利用稀土掺杂的光纤放大器（如掺铒光纤放大器EDFA、掺镨光纤放大器PD FA）、利用半导体制作的半导体光放大器（SOA）、利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器（如拉曼光纤放大器RFA、布里渊光纤放大器BFA）三种类型。表 1-1 为三种光放大器的比较。目前应用最为广泛的是EDFA和RFA。

2.掺铒光纤放大器（EDFA）

EDFA主要由掺铒光纤、泵浦光源、光耦合器、光隔离器及光滤波器等组成，如图1-35 所示。掺铒光纤是一段长度约为10~100 m的掺铒石英光纤，纤芯中注入了微量的稀土元素铒离子，浓度为25 mg/ kg。泵浦光源为半导体激光器，输出功率为10~100 mW，工作波长为980 nm或1 480 nm。

合波器将信号光和泵浦光合在一起送入掺铒光纤中。光隔离器抑制光反射，保证光信号只能正向传输，以确保光放大器稳定工作。光滤波器滤出剩余的泵浦光等的噪声，降低噪声对光纤通信系统的影响，提高系统的信噪比。

EDFA的工作原理是利用掺铒光纤中Er ^{3 +} 离子的受激吸收和受激辐射实现光信号的放大。图1-36 为EDFA工作原理。Er ^{3 +} 离子从低到高有 3 个工作能级：基态E ₁ 、亚稳态E ₂ 、激发态E ₃ 。Er ^{3 +} 离子在未受到任何光激励情况下，处在最低能级E ₁ 上。当泵浦光源产生的980 nm或 1 480 nm激光不断地激发掺铒光纤，处于基态的Er ^{3 +} 离子吸收泵浦光的能量后，从基态E ₁ 跃迁到激发态E ₃ ，Er ^{3 +} 离子在激发态E ₃ 不稳定，其存活寿命很短约 1 μs，很快以非辐射方式跃迁到亚稳态E ₂ ，在亚稳态E ₂ 上Er ^{3 +} 离子存活寿命较长可达 11 ms。由于泵浦光源不断激发，亚稳态E ₂ 上的Er ^{3 +} 离子不断增加，基态E ₁ 上的Er ^{3 +} 离子不断减少，形成了离子数反转分布状态。当波长为 1 530~1 570 nm的信号光通过掺铒光纤时，处于亚稳态E ₂ 上的Er ^{3 +} 离子受激辐射跃迁到基态E ₁ 上，并且辐射出与输入光信号中的光子一样的全同光子，从而增加了信号光中光子的能量，实现了信号光在掺铒光纤中的放大。

EDFA工作波长在 1 530~1 570 nm范围，与光纤的最小损耗窗口一致，同时还具有增益高（约为 30~40 dB）、输出功率高（10~15 dBm）、插入损耗低（可低至 0.1 dB）、增益特性与偏振状态无关等优点。但是EDFA只能放大 1 550 nm左右的光波，还存在增益不平坦等缺点。

3.拉曼放大器（RFA）

RFA主要由泵浦光源、光隔离器、合波器等组成，如图1-37 所示。泵浦光源产生 1 480 nm的泵浦光，经光隔离器后，与输入的信号光一起通过合波器耦合到一段光纤中。在这段光纤内利用受激拉曼散射效应使泵浦光能量向信号光转移，从而实现信号光的放大。

RFA的工作原理是基于石英光纤中的受激拉曼散射效应。拉曼散射效应是指当输入到光纤中的光功率达到一定数值时（如 500 mW，即 27 dBm以上），光纤结晶晶格中的原子会受到震动而相互作用，从而产生散射现象，其结果将较短波长的光能量向较长波长的光转移。拉曼散射作为一种非线性效应本来是对系统有害的，因为它将较短波长的光能量转移到较长波长的光上，使波分系统的各复用通道的光信号出现不平衡。RFA正是利用了拉曼散射效应使泵浦光能量向在光纤中传输的光信号转移，实现对光信号的放大，其工作原理如图1-38 所示。

泵浦光子入射到光纤，光纤中电子受激吸收从基态跃迁到虚能级，虚能级的大小是由泵浦光的能量决定的。处在虚能级的电子在信号光的感应下跃迁到振动态能级，同时发出一种与信号光相同频率、相同相位、相同方向的光子，而剩余能量被介质以分子振动的形式吸收。

RFA具有很宽的增益谱，被放大光的波长主要取决于泵浦光的发射波长，理论上只要有合适的拉曼泵浦源，就可以对光纤窗口内任一波长的信号进行放大。例如，泵浦光的发射波长为1 240 nm时，可对1 310 nm波长的光信号进行放大；泵浦光的发射波长为1 450 nm时，可对1 550 nm波长C波段的光信号进行放大；泵浦光的发射波长为1 480 nm时，可对 1 550 nm波长L波段的光信号进行放大等。另外，RFA还具有噪声低、结构简单、成本低的特点。但是单级RFA的增益不高（小于 15 dB），且增益具有偏正相关性，所需的泵浦光功率高，泵浦效率低（10%~20%）。

实际应用中，常将EDFA和RFA二者配合使用，可以有效降低光纤通信系统总噪声，提高系统的信噪比，从而延长无中继传输距离及总传输距离。

二、任务实施

本任务的目的测试半导体激光器的 P-I 特性。

1.材料准备

尾纤型半导体激光器 1 个，电流源 1 个，光功率计 1 台，光纤跳线 1 根，电缆 2 根。

2.操作步骤

（1）设备连接

使用电缆将电流源的正极和负极分别连接到半导体激光器的正极（1 脚）和负极（2 脚）上，使用光纤跳线连接半导体激光器的输出接口和光功率计的输入接口，如图1-39 所示。

（2）将电流源的调节旋钮调节到最小值，打开电流源电源。

（3）打开光功率计电源开关，设置工作波长与激光器工作波长一致（如 1 310 nm），设置单位为W。

（4）缓慢调节电流源的调节旋钮，使工作电流从 0 mA逐渐增加到 21 mA，每次增加 3 mA，记录光功率计上的读数。注意：工作电流最大不超过 30 mA，否则会损坏激光器。

（5）根据测试数据，绘制 P-I 曲线。

（6）通过绘制 P-I 曲线的线性部分，斜率相差最大的直线交点处的电流值为激光器的阈值电流。 XYLXR1BwMrc3lSOrrwCmma1YzCI8ycdEjurhVkCpcGfgjJW4SJo6UUulCho389Mx