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 电吸收调制（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节与增益测量 .................................................................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发展的最新成就，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卓越的成就，使通信领域发生了巨大的变化，已成为现代
通信的基石，是信息时代来临的主要物质基础之一。
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实用化阶段。究其原因有二：一是没有可靠的、高强度的光源；二是没
有稳定的、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，光通信的研究一度沉寂。这种情况一直
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(A1GaAs)半导体激光器，这两项科学成就为光纤通信的发展奠定了基础。
此后，光纤通信以令人眩目的速度发展起来，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，应用范围之广，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
相比的。现在，光纤通信的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
了这一技术的强大生命力和广阔应用前景。它将成为信息高速公路的主要传输手段，是将来
信息社会的支柱。经过 30 年的发展，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。
第一代光纤通信的工作波长为 ，属短波长波段，传输光纤用多模光纤。光源使
用铝镓砷半导体激光器，光电检测器为硅(Si)材料的半导体 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 年美国芝加哥进行的码速率为 ／s 的现场
实验为标志。
第二代光纤通信的工作波长为 ，该波段属长波长波段，是石英光纤的第二个低损
耗窗口，有较低的损耗且有最低的色散，可大大增加中继距离。早期的 第二代光纤通
信传输用多模光纤，相应的光源是长波长铟镓砷磷／铟磷(InGaAsP／InP)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。由于多模光纤的模间色散，使得系统
的比特率限制在 100Mb／s 以下。采用单模光纤能克服这种限制，单模光纤较多模光纤色散
低得多，损耗也更小。一个实验室于 1981 年演示了比特率为 2Gb／s，传输距离为 44km 的
单模光波实验系统，并很快引入商业系统，至 1987 年 单模第二代光波系统开始投人
商业运营，其比特率高达 ／s，中继距离约 50km。第二代光纤通信系统的应用推动了
的 InGaAs 半导体激光器和检测器的发展，广泛地用于长途干线和跨洋通信中。
第三代光纤通信的工作波长为 。石英光纤最低损耗在 附近，实验技术上
于 1979 年就达到了 ／km 的低损耗，然而由于 处光纤色散较大，以及当时多
纵模同时振荡的常规 InGnAsP 半导体激光器的谱展宽问题尚未解决，推迟了第三代光波系
统的问世。在 80 年代， 附近具有最小色散的色散位移光纤(DSF)与单纵模激光器这两
种技术都得到了发展，使用 单模光纤的第三代光纤通信系统于 80 年代中后期实现。
1985 年的传输试验显示，其比特率达到 4Gb／s，中继距离超过 100km。通过精心设计激光
器和光接收机，其比特率能超过 l0Gb／s。后来，工作波长为 的掺铒光纤放大器问
世，又使这一波长具有更重要的意义。
第四代光纤通信系统以采用光放大器(OA)增加中继距离和采用频分与波分复用(FDM
与 WDM)增加比特率为特征，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。在一次试验中利用星形耦合器实现 100 路 622Mb／s 数据
复用，传输距离 50km，其信道间串音可以忽略。在另一次试验中，单信道速率 ／s，
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，传输距离达
2223km。光波系统采用相干检测技术并不是使用 EDFA 的先决条件。有的实验室曾使用常
规非相干技术，实现了 ／s，4500km 和 10Gb／s，1500km 的数据传输。另一实验曾使
用循环回路实现了 ／s，21000km 和 5Gb／s，14000km 数据传输。90 年代初期光纤放
大器的问世引起了光纤通信领域的重大变革。
第五代光纤通信系统的研究与发展经历了近 20 年历程，已取得突破性进展。它基于光
纤非线性压缩抵消光纤色散展宽的新概念产生的光孤子，实现光脉冲信号保形传输，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，将数据传输了 4000km，次年又将传输距离延长到 6000km。EDFA 用于光孤
子放大开始于 1989 年，它在工程实际中有更大的优点，自那以后，国际上一些著名实验室
纷纷开始验证光孤子通信作为高速长距离通信的巨大潜力。1992 年在美国与英国的实验室，
采用循环回路曾将 与 5Gb／s 的数据传输 10000km 以上。1995 年，法国的实验室则将
20Gb／s 的数据传输 106km，中继距离达 140km。1995 年线形光孤子系统试验也将 20Gb／
s 的数据传输 8100km，40Gb／s 传输 5000km。1994 年和 1995 年 80Gb／s 和 160Gb／s 的高
速数据也分别传输 500km 和 200km。
实验一 半导体激光器 P-I 特性曲线测量
一、实验目的：
1. 了解半导体光源和光电探测器的物理基础；
2. 了解发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)的发光原理和相关特性；
3. 了解 PIN 光电二极管和雪崩光电二极管(APD)的工作原理和相关特性；
4. 掌握有源光电子器件特性参数的测量方法；
二、实验原理：
光纤通信中的有源光电子器件主要涉及光的发送和接收，发光二极管(LED)和半导体激
光二极管(LD)是最重要的光发送器件，PIN 光电二极管和 APD 光电二极管则是最重要的光
接收器件。
1．发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)：
LED 是一种直接注入电流的电致发光器件，其半导体晶体内部受激电子从高能级回复
到低能级时发射出光子，属自发辐射跃迁。LED 为非相干光源，具有较宽的谱宽(30～60nm)
和较大的发射角(≈100°)，常用于低速、短距离光波系统。
LD 通过受激辐射发光，是一种阈值器件。LD 不仅能产生高功率(≥10mW)辐射，而且
输出光发散角窄，与单模光纤的耦合效率高(约 30％—50％)，辐射光谱线窄(Δλ=)，
适用于高比特工作，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的光源。
使粒子数反转从而产生光增益是激光器稳定工作的必要条件，对于处于泵浦条件下的原
子系统，当满足粒子数反转条件时将会产生占优势的(超过受激吸收)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
超过带隙实现的。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，在半导体内传播的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，就可以得到稳定的激光输出。
(1) LED 和 LD 的 P-I 特性与发光效率：
图 1 是 LED 和 LD 的 P-I 特性曲线。LED 是自发辐射光，所以 P-I 曲线的线性范围较大。
LD 有一阈值电流 Ith，当 I>Ith 时才发出激光。在 Ith 以上，光功率 P 随 I 线性增加。
图 1：LD 和 LED 的 P-I 特性曲线
(a) LD 的 P-I 特性曲线 (b) LED 的 P-I 特性曲线
阈值电流是评定半导体激光器性能的一个主要参数，本实验采用两段直线拟合法对其进
行测定。如图 2 所示，将阈值前与后的两段直线分别延长并相交，其交点所对应的电流即为
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 电光能量转换的重要参数，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ηω表示。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的光子数与注入 PN 结的电子-
空穴对数之比。外量子效率定义为单位时间内输出的光子数与注入到 PN 结的电子-空穴对
数之比。
(2) LED 和 LD 的光谱特性：
LED 没有光学谐振腔选择波长，它的光谱是以自发辐射为主的光谱，图 3 为 LED 的典
型光谱曲线。发光光谱曲线上发光强度最大处所对应的波长为发光峰值波长λP，光谱曲线上
两个半光强点所对应的波长差Δλ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λP 的变化可以求出
LED 的波长温度系数。
图 3：LED 光谱特性曲线
激光二极管的发射光谱取决于激光器光腔的特定参数，大多数常规的增益或折射率导引
器件具有多个峰的光谱，如图 4 所示。激光二极管的波长可以定义为它的光谱的统计加权。
在规定输出光功率时，光谱内若干发射模式中最大强度的光谱波长被定义为峰值波长λP ，
对诸如 DFB、DBR 型 LD 来说，它的λP 相当明显。一个激光二极管能够维持的光谱线数目
取决于光腔的结构和工作电流。
图 4：LD 光谱特性曲线
(3) LED 和 LD 的调制特性：
当在规定的直流正向工作电流下，对 LED 进行数字脉冲或模拟信号电流调制，便可实
现对输出光功率的调制。LED 有两种调制方式，即数字调制和模拟调制，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 的重要参数之一，它关系到 LED 在光通信
中的传输速度大小，LED 因受到有源区内少数载流子寿命的限制，其调制的最高频率通常
只有几十兆赫兹，从而限制了 LED 在高比特速率系统中的应用，但是，通过合理设计和优
化的驱动电路，LED 也有可能用于高速光纤通信系统。调制带宽是衡量 LED 的调制能力，
其定义是在保证调制度不变的情况下，当 LED 输出的交流光功率下降到某一低频参考频率
值的一半时(-3dB)的频率就是 LED 的调制带宽。
图 5：LED 调制特性
在 LD 的调制过程中存在以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 出现饱和现象，饱和的物理机制源于空间烧孔、
谱烧孔、载流子加热和双光子吸收等因素。谱烧孔也称带内增益饱和。这些因素导致 P 增
大时 G 的减小。(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，载流子数的变化导致模折射率五和传播常数的变化，因
此产生了相位调制，它导致了与单纵模相关的光(频)谱加宽，又称线宽增强因子。
2．PIN 光电二极管和 APD 光电二极管：
光电探测器的作用是完成光电转换。光纤通信所用的光电探测器是半导体光电二极管。
它们利用半导体物质吸收光子后形成的电子一空穴对把光功率转换成光电流。常用的有 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、实验内容及步骤：
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. 设置 OPM 工作模式为 OPM/mW 模式，量程(RTO)切换至 1mW
c. 设置 LD1 工作模式(MOD)为恒流驱动(ACC)，1550nm 激光器为恒定电流工作模式，
驱动电流(Ic)置为 0
d. 缓慢增加激光器驱动电流，0 至 30mA 每隔 测一个点，作 P～I 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。
实验二 半导体光电检测器参数测量
一、实验目的：
1. 了解半导体光电检测器件的物理基础；
2. 了解 PIN 光电二极管和雪崩光电二极管(APD)的工作原理和相关特性；
3. 掌握半导体光电检测器件特性参数的测量方法；
二、实验原理：
光检测器的作用是把接收到的光信号转换成相应的电信号。由于从光纤中传过来的光信
号一般是非常微弱的，因此对光检测器提出了非常高的要求：第一，在系统的工作波长上要
有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，光检测器能输出尽可能大的光电流；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。
满足上述要求、适合于光纤通信系统使用的光检测器主要有半导体 PIN 光电二极管、雪崩
光电二极管、光电晶体管等。
1. 半导体 PN 结的光电效应
半导体光检测器的核心是 PN 结的光电效应，PN 结光电二极管是最简单的半导体光检
测器。
图 1：PN 结光电二极管
(a) PN 结 (b) 能带图 (c) PN 结外电路构成回路
图 1(a)所示是一个未加电压的 PN 结，它是一个由不可移动的带正、负电荷的离子组成
的耗尽层，或称作势垒区。当以适当波长的光照射 PN 结时，P 型和 N 型半导体材料将吸收
光能。如果光子能量 hf≥Ke 时，则光子将被吸收，使价带中的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。这一过程称为光吸收。因光照射而在导带和价带中产生的
电子和空穴称为光生载流子。
产生在耗尽层的光生载流子在内建场的作用下作漂移运动：空穴向 P 区方向运动；电
子向 N 区方向运动，它们在 PN 结的边缘被收集。另外，耗尽层外的光生少数载流子会发生
扩散运动：P 区中的光生电子向 N 区扩散；N 区中的光生空穴向 P 区扩散。在扩散的同时，
一部分光生少数载流子将被多数载流子复合掉。由于这些区域的电场很小，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，只有小部分能扩散到耗尽层，继而在内建
场的作用下分别快速漂移到对方区域。这样，在 P 区就出现了过剩空穴的积累，N 区出现了
过剩电子的积累，于是在耗尽层的两侧就产生了一个极性如图 1(c)所示的光生电动势。这一
现象称为光生伏特效应。产生于耗尽层的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 结的外电路构成回路，则外电路中会出现信号电流。这种由光照射激发的电流称
为光电流。
照射到半导体材料上的光，由于材料的吸收等原因使光随着深入材料的深度的增加而逐
渐减弱。半导体内部距入射表面 d 处的光功率为
P(d)=P(0)exp(-αd)
式中：P(0)为照射到材料表面的平均光功率；α为半导体材料的光吸收系数，α决定了入
射光深入材料内部的深度，如果α很大，则光子只能进入半导体表面的薄层中。吸收入射光
子并产生光生载流子的区域称为光吸收区；耗尽层及其两侧宽度为载流子扩散长度的区域称
为作用区。在吸收区产生的光生少数载流子只有一部分进入作用区，这一部分光生载流子以
较慢的速度扩散至耗尽层，进入耗尽层后在内建电场作用下作快速漂移运动，从而产生光生
伏特效应。由于在作用区内，光生少数载流子的扩散速度较慢，从而影响了产生光生伏特效
应的速度，导致 PN 结对光信号响应速度减慢。如果输入的光信号为光脉冲；则输出的光电
脉冲会产生较长的拖尾。
由上述分析可见，光在耗尽层外被吸收使得光电转换效率降低、光电响应速度变慢。为
此，必须设法加宽耗尽层，使照射光子尽可能被耗尽层吸收。给 PN 结加负偏压有助于加宽
耗尽层。负偏压在势垒区产生的电场与内建场方向一致，使势垒区电场增强，加强了漂移运
动，而且 N 区的电子向正电极运动并被中和，P 区的空穴向负电极运动并被中和，这样耗尽
层被加宽。
除了加负偏压的方法外，还可以通过减小 P 区和 N 区的厚度来减小载流子的扩散时间、
减少在 P 区和 N 区被吸收的光能以及降低半导体的掺杂浓度来加宽耗尽层的方法来提高器
件的响应速度。这种结构就是常用的 PIN 光电二极管。
2. PIN 光电二极管
图 2：PIN 光电二极管的结构和它在反向偏压下的电场分布
图 2 是 PIN 光电二极管的结构和它在反向偏压下的电场分布。在高掺杂 P 型和 N 型半
导体之间生长一层本征半导体材料或低掺杂半导体材料，称为 I 层。在半导体 PN 结中，掺
杂浓度和耗尽层宽度有如下关系：
LP/LN=DN/DP
其中：DP 和 DN 分别为 P 区和 N 区的掺杂浓度；LP 和 LN 分别为 P 区和 N 区的耗尽
层的宽度。在 PIN 中，如对于 P 层和 I 层(低掺杂 N 型半导体)形成的 PN 结，由于 I 层近于
本征半导体，有
DN<<DP
LP<<LN
即在 I 层中形成很宽的耗尽层。由于 I 层有较高的电阻，因此电压基本上降落在该区，使得
耗尽层宽度 W 可以得到加宽，并且可以通过控制 I 层的厚度来改变。对于高掺杂的 N 型薄
层，产生于其中的光生载流子将很快被复合掉，因此这一层仅是为了减少接触电阻而加的附
加层。
要使入射光功率有效地转换成光电流，首先必须使入射光能在耗尽层内被吸收，这要求
耗尽层宽度 W 足够宽。但是随着 W 的增大，在耗尽层的载流子渡越时间τcr 也会增大，τcr
与 W 的关系为
τcr=W/v
式中：v 为载流子的平均漂移速度。由于τcr 增大，PIN 的响应速度将会下降。因此耗尽层宽
度 W 需在响应速度和量子效率之间进行优化。
如采用类似于半导体激光器中的双异质结构，则 PIN 的性能可以大为改善。在这种设
计中，P 区、N 区和 I 区的带隙能量的选择，使得光吸收只发生在 I 区，完全消除了扩散电
流的影响。在光纤通信系统的应用中，常采用 InGaAs 材料制成 I 区和 InP 材料制成 P 区及
N 区的 PIN 光电二极管，图 3 为它的结构。InP 材料的带隙为 ，大于 InGaAs 的带隙，
对于波长在 ～ 范围的光是透明的，而 InGaAs 的 I 区对 ～ 的光表现为较强
的吸收，几微米的宽度就可以获得较高响应度。在器件的受光面一般要镀增透膜以减弱光在
端面上的反射。InGaAs 的光探测器一般用于 和 的光纤通信系统中。
图 3：InGaAs PIN 光电二极管的结构
PIN 光电二极管的主要特性包括波长响应范围、响应度、量子效率、响应速度、线性饱
和、击穿电压和暗电流等。
从光电二极管的工作原理可以知道，只有当光子能量 hf 大于半导体材料的禁带宽度 Eg
才能产生光电效应，即
hf>Eg
因此对于不同的半导体材料，均存在着相应的下限频率 fc 或上限波长λc，λc 亦称为光电
二极管的截止波长。只有入射光的波长小于λc 时，光电二极管才能产生光电效应。Si-PIN 的
截止波长为 ，故可用于 的短波长光检测；Ge-PIN 和 InGaAs-PIN 的截止波长
为 ，所以它们可用于 、 的长波长光检测。
当入射光波长远远小于截止波长时，光电转换效率会大大下降。因此，PIN 光电二极管
是对一定波长范围内的入射光进行光电转换，这一波长范围就是 PIN 光电二极管的波长响
应范围。
响应度和量子效率表征了二极管的光电转换效率。响应度 R 定义为
R=IP/Pin
其中：Pin 为入射到光电二极管上的光功率；IP 为在该入射功率下光电二极管产生的光电流。
R 的单位为 A／W。
量子效率η定义为
η=光电转换产生的有效电子-空穴对数/入射光子数
=(IP/q)/(Pin/hf)
= R(hf/q)
响应速度是光电二极管的一个重要参数。响应速度通常用响应时间来表示。响应时间为
光电二极管对矩形光脉冲的响应——电脉冲的上升或下降时间。响应速度主要受光生载流子
的扩散时间、光生载流子通过耗尽层的渡越时间及其结电容的影响。
光电二极管的线性饱和指的是它有一定的功率检测范围，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。Si-PIN 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。
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>(ηq／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。
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。
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(ΣPO/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/ΣPOi 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
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 360°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，它由两个线偏振器中间加一法拉第旋转器而成。
5． 光开关：
光开关是一种具有一个或多个可选择的传输端口，可对光传输线路或集成光路中的光信
号进行相互转换或逻辑操作的器件。端口即指连接于光器件中允许光输入或输出的光纤或光
纤连接器。光开关可用于光纤通信系统、光纤网络系统、光纤测量系统或仪器以及光纤传感
系统，起到开关切换作用。
根据其工作原理，光开关可分为机械式和非机械式两大类。机械式光开关靠光纤或光学
元件移动，使光路发生改变。它的优点是：插入损耗较低，一般不大于 2dB；隔离度高，一
般大于 45dB；不受偏振和波长的影响。不足之处是：开关时间较长，一般为毫秒数量级，
有的还存在回跳抖动和重复性较差的问题。机械式光开关又可细分为移动光纤、移动套管、
移动准直器、移动反光镜、移动棱镜、移动耦合器等种类。非机械式光开关则依靠电光效应、
磁光效应、声光效应以及热光效应来改变波导折射率，使光路发生改变，它是近年来非常热
门的研究课题。这类开关的优点是：开关时间短，达到毫微秒数量级甚至更低；体积小，便
于光集成或光电集成。不足之处是插入损耗大，隔离度低，只有 20dB 左右。
光开关在光学性能方面的特性参数主要有插入损耗、回波损耗、隔离度、远端串扰、近
端串扰、工作波长、消光比、开关时间等。
插入损耗定义为输入和输出端口之间光功率的减少，以分贝来表示。
IL=-1Olg(P1/P0)
式中：P0 为进入输入端的光功率；P1 为输出端接收的光功率。插入损耗与开关的状态有关。
回波损耗(也称为反射损耗或反射率)定义为从输入端返回的光功率与输入光功率的比
值，以分贝表示。
RL=-1Olg(P1/P0)
式中：P0 为进入输入端的光功率；P1 为在输入端口接收到的返回光功率。回波损耗也与开
关的状态有关。
隔离度定义为两个相隔离输出端口光功率的比值，以分贝来表示。
In,m=-1Olg(Pin/Pim)
式中：n、m 为开关的两个隔离端口(n≠m)；Pin 是光从 i 端口输入时 n 端口的输出光功率，Pim
是光从 i 端口输入时在 m 端口测得的光功率。
远端串扰定义为光开关的接通端口的输出光功率与串入另一端口的输出光功率的比值。
FC12=-1Olg(P1/P2)
式中：P1 是从端口 1 输出的光功率；P2 是从端口 2 输出的光功率。
近端串扰定义为当其它端口接终端匹配时，连接的端口与另一个名义上是隔离的端口的
光功率之比。
NC12=-1Olg(P2/P1)
式中：P1 是输入到端口 1 的光功率，P2 是端口 2 接收到的光功率。
消光比定义为两个端口处于导通和非导通状态的插入损耗之差。
ERnm=ILnm-IL0nm
式中：ILnm 为 n,m 端口导通时的插入损耗；IL0nm 为非导通状态的插入损耗。
开关时间指开关端口从某一初始态转为通或断所需的时间，开关时间从在开关上施加或
撤去转换能量的时刻起测量。
三、实验装置：
实验装置图一
实验装置图二
四、实验内容及步骤：
1. 测试光路准备
a. 按实验装置图一所示结构连接 1550nm 半导体激光器、单模光纤耦合器、OPM 和
主机，暂将 1550nm 半导体激光器输出直接连接至 OPM 输入，检查无误后打开电
源
b. 设置 OPM 工作模式为 OPM/dBm，量程(RTO)切换至 0dBm
c. 设置 LD1 工作模式(MOD)为恒流驱动(ACC)，1550nm 激光器为恒定电流工作模式，
调节驱动电流(Ic)至输出功率为()附近，记录光功率值 Pi
d. 连接 1550nm 激光器输出(1550 Out)至待测光纤耦合器输入端(PORT1)
2. 将待测光纤耦合器输出端 PORT3 连接至 OPM 输入，记录该端口输出光功率 Po1，计算
光纤耦合器插入损耗 IL1
3. 绕轴向缓慢旋转待测光纤耦合器输入端光纤，记录该端口输出光功率 Po1 的最小值
Min(PO1)和最大值 Max(PO1)，计算光纤耦合器偏振依赖损耗 PDL1
4. 将待测光纤耦合器输出端 PORT4 连接至 OPM 输入，记录该端口输出光功率 Po2，计算
光纤耦合器插入损耗 IL2
5. 绕轴向缓慢旋转待测光纤耦合器输入端光纤，记录该端口输出光功率 Po2 的最小值
Min(PO2)和最大值 Max(PO2)，计算光纤耦合器偏振依赖损耗 PDL2
6. 计算光纤耦合器分光比 CR
7. 计算光纤耦合器附加损耗 EL
8. 按实验装置图二所示结构将待测光纤耦合器输入端 PORT2 连接至 OPM 输入。待测光
纤耦合器输出端 PORT3 和 PORT4 分别连接一根光跳线，每根光跳线均在手指上绕 5
圈，使得 PORT3 和 PORT4 的输出光功率在两跳线中极大衰耗，最终减小其反射光对
方向性测量的影响。设置 OPM 至合适量程(RTO)，记录该端口反向输出光功率 Pi2，计
算光纤耦合器方向性 DL
五、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。
六、思考题：
如何借助于标准 3dB 耦合器测量待测光纤耦合器输入端 PORT1 的回波损耗？请画出
测试光路，并写出测试步骤和数据处理方法。
实验四 光纤时域反射测量（OTDR）
一、实验目的：
1. 了解光波系统中光信号的传输特性；
2. 掌握光纤时域反射法的工作原理和测量方法；
二、实验原理：
光纤时域反射测量（OTDR）是光纤通信领域非常重要的测量技术。OTDR 首先发射光
脉冲进入光纤，光脉冲在光纤内传输时，会由于光纤本身的性质、连接器、接合点、弯曲或
其它类似的事件而产生散射和反射，通过对返回光的强度及时间特征进行分析可以测知光纤
介质的传输特性。图 1 是 OTDR 典型的测试波形。
图 1: 光纤时域反射测量测试波形
OTDR 使用瑞利散射和菲涅尔反射来表征光纤的特性。瑞利散射是由于光信号沿着光纤
产生无规律的散射而形成，这些背向散射信号表明了光纤导致的衰减（损耗/距离）程度，
形成的轨迹是一条向下的曲线。给定光纤参数和波长，瑞利散射的功率与信号的脉冲宽度成
比例，脉冲宽度越长，背向散射功率就越强。瑞利散射的功率还与发射信号的波长有关，波
长较短则功率较强。在高波长区（超过 1500nm），瑞利散射会持续减小，但红外吸收的现象
会出现，增加并导致了全部衰减值的增大。1550nm 波长的 OTDR 具有最低的衰减性能，可
以进行长距离的测试，高衰减的 1310nm 或 1625nm 波长，OTDR 的测试距离受到限制。
菲涅尔反射是离散的反射，它是由整条光纤中的个别点而引起的，这些点是由造成反向
系数改变的因素组成，例如玻璃与空气的间隙。在这些点上，会有很强的背向散射光被反射
回来。OTDR 利用菲涅尔反射的信息来定位连接点，光纤终端或断点，通过发射信号到返回
信号所用的时间以及光在玻璃物质中的速度，可以计算出距离。
三、实验装置：
图 2：光纤时域反射测量实验装置
四、实验内容及步骤：
1. 测试光路准备
a. 按图 2 所示结构连接 1550nm 半导体激光器、InGaAs PIN 光电二极管、模拟接收
器（）、单模光纤耦合器、待测 单模光纤和主机。
b. 将单模光纤耦合器输出端 PORT4 连接一根 FC/APC-FC/PC 光跳线，将待测
单模光纤末端连接一根 FC/APC-PC 光跳线。
c. 将函数信号发生器输出(SIG)连接至半导体激光控制器 LD1 的调制信号输入端
(MOD1)，同时使用三通将此信号连接至示波器的 CH2 输入用于信号同步。
d. 将模拟接收器的输出信号()连接至示波器的 CH1 输入，检查无误后打开
系统电源
2. 时域反射法测定单模光纤断点位置
a. 设置 COD 模式为 ARX，量程(PD1RTO)至 100uA 档。
b. 设置 SIG 工作模式为脉冲模式(PUS)，输出信号幅度 Vs 调至 。调节示波器同
步 CH1 输入，上升沿出发，观察到稳定的脉冲调制信号。
c. 设置 LD2 工作模式(MOD)为数字调制模式(ODM)，1550nm 激光器工作于 5kHz 脉
冲模式下，调节 LD2 驱动电流(Ic)至 。
d. 观察光接收机监控信号波形，记录两次反射脉冲前沿之间的时间间隔 TR
e. 计算单模光纤断点位置(n=)
五、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。
实验五 语音、图像光纤传输及波分复用（WDM）
一、实验目的：
1. 了解光纤模拟通信和数字通信的工作原理；
2. 了解光纤波分复用技术(WDM)的工作原理；
二、实验原理：
将电信号转变为光信号的方式通常有两种：直接调制和间接调制。直接调制方法适用于
半导体光源，它将要传送的信息转变为电流信号注入光源，获得相应的光信号输出，是一种
光强度调制(IM)。间接调制是利用晶体的电光、磁光和声光效应等性质对光辐射进行调制，
可以采用铌酸锂调制器(L-M)、电吸收调制器(EA-M)和干涉型调制器(MZ-M)实现。对强度
调制直接检测(IM／DD)光波系统，并非一定要采用外调制方案，但在高速长距离光波系统
中，采用间接调制有利于提高系统性能。
直接调制技术具有简单、经济和容易实现等优点，由于光源的输出光功率基本上与注入
电流成正比，因此调制电流变化转换为光频调制是一种线性调制。按调制信号的形式，光调
制可分为模拟信号调制和数字信号调制两种。
图 1：半导体光源的直接调制原理
(a) LED 模拟调制 (b)LED 数字调制 (c)LD 数字调制
模拟信号调制是直接用连续的模拟信号(如话音和视频信号)对光源进行调制，如图 1(a)
所示，连续的模拟信号电流叠加在直流偏置电流上。适当选择直流偏置电流的大小，可以减
小光信号的非线性失真。数字信号调制主要指 PCM 编码调制，先将连续变化的模拟信号通
过取样、量化和编码，转换成一组二进制脉冲代码，用矩形脉冲的 1 码、0 码来表示信号，
如图 1(b)和(c)所示。
光波分复用(WDM)是在光域进行的多信道复用方案，这种复用方案可用独立的电比特
流，也可用在电域已复用的 TDM 或 FDM 复合比特流调制多个光载波，然后通过同一根光
纤传输，实现多层复用。在接收端依次利用光域和电域解复用不同的信道，能够最大限度地
利用光纤的带宽潜力。WDM 可复用信道数或可用的载波数主要决定于信道间隔。
三、实验装置：
图 2：光纤通信及波分复用实验装置示意图
四、实验内容：
1. 按图 2 所示结构进行实验系统连接，检查无误后打开系统电源
2. 将 1550nm 激光器输出连接至 InGaAs PIN 光电二极管输入,使用模拟调制方式在单模
光纤中传输视频信号。
a. 将微型摄像头的视频输出信号连接至示波器 CH1 输入，观察并记录视频信号波形
和幅度。
b. 设置 LD2 工作模式(MOD)为模拟调制模式(OAM)，1550nm 激光器输出光功率受
6MHz 带宽视频信号调制。
c. 将模拟接收机输出信号 连接至示波器 CH2 输入，调节 LD2 偏置电流
(Ic)、模拟接收机增益(PD2RTO)、模拟接收机偏移(VS2)，使得光接收机监控信号
波形与微型摄像头的视频输出信号波形一致。
d. 将 连接至监视器视频输入端 ，微调 LD2 偏置电流(Ic)，使得监
视器图像有最小失真。
3. 将 1310nm 激光器输出连接至 InGaAs PIN 光电二极管输入，设置 LD1 工作模式(MOD)
为模拟调制模式(OAM)，1310nm 激光器输出光功率受语音信号调制。
a. 将模拟接收机输出信号 连接至监视器音频输入端 ，调节 LD1
偏置电流(Ic)、模拟接收机增益(PD1RTO)、模拟接收机偏移(VS1)，使得监视器声
音输出有最小失真。
4. 将两个 WDM 和 2km 单模光纤按图 2 所示结构接入实验系统，使用 1550nm 传输
视频信号，使用 1310nm 传输语音信号，进行单模光纤波分复用技术实验
a. 微调 LD2 偏置电流(Ic)，使得监视器图像有最小失真。
b. 微调 LD1 偏置电流(Ic)，使得监视器声音输出有最小失真。
五、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。
六、思考题：
如何使用两套设备在一根单模光纤中进行双向可视电话传输？请画出系统光路。
实验六 掺铒光纤放大特性参数测量(EDFA)
一、实验目的：
1. 了解掺铒光纤放大器的工作原理及相关特性；
2. 掌握掺铒光纤放大器性能参数的测量方法；
二、实验原理简介：
掺铒光纤放大器(EDFA)的出现是光纤通信发展史上一个重要里程碑。1986 年英国南安
普敦大学制作出了最初的掺铒光纤放大器。在此之前，由于不能直接放大光信号，所有的光
纤通信系统都只能采用光-电-光中继方式。光纤放大器可直接放大光信号，这就可使光-电-
光中继变为全光中继。这是一次极为重要的飞跃，把光通信推向了一个新的阶段，其意义可
与当年用晶体管代替电子管相提并论。当作为掺铒光纤放大器泵浦源的 和
的大功率半导体激光器研制成功后，掺铒光纤放大器趋于成熟，进入了实用化阶段。掺铒光
纤放大器的意义不仅在于可进行全光中继，它还在多方面推动了光纤通信的发展，引起了光
纤通信的革命性变革。其中最突出的是在波分复用(WDM)光纤通信系统中的应用。波分复
用是在一根光纤上传输多个光信道，从而充分利用光纤带宽，有效扩展通信容量的光纤通信
方式。由于掺铒光纤放大器具有约 40nm 的极宽带宽，可覆盖整个波分复用信号的频带，因
而用一只掺铒光纤放大器就可取代与信道数相应的光一电一光中继器，实现全光中继。这极
大地降低了设备成本，提高了传输质量。这一优越性推动了波分复用技术的发展。现在
EDFA+WDM 已成为高速光纤通信网发展的主流，代表新一代的光纤通信技术。
掺铒光纤放大器的基本工作原理与一般光放大器相同，工作物质粒子经泵浦源作用，由
低能级跃迁到高能级(一般通过另一辅助能级)，在一定的泵浦强度下，得到粒子数反转分布
而具有光放大作用，当工作频带范围内的信号光输入时便得到放大。EDFA 细长的纤形结构
使得有源区能量密度很高，光与物质的作用区很长，有利于降低对泵浦源功率的要求。图 1
为正向泵浦的 EDFA 原理性光路，其主体是泵浦源与掺铒光纤。WDM 为波分复用器，它的
作用是将不同波长的泵浦光和信号光混合而送入掺铒光纤。对它的要求是能将两信号有效地
混合而损耗最小。光隔离器的作用是防止反射光对光放大器的影响，保证系统稳定工作。滤
波器的作用是滤除放大器的噪声提高系统的信噪比。在泵浦源作用下的掺铒光纤中，通过光
与工作物质的相互作用，泵浦光将能量转移给信号光而将其放大。
图 1：EDFA 原理性光路图
自发辐射(ASE)是掺铒光纤放大器的一个重要问题。在激光放大器和激光器中一样，存
在着自发辐射。在激光器中自发辐射不可或缺，输出的激光最初来自自发辐射。激光腔正是
从最初的宽谱自发辐射中选择了特定频率的光进行放大输出的。如果说自发辐射在激光器中
的作用是有用的“种子”，则在激光放大器中，它充当的角色却是有害的“稗子”。放大器是用
来放大输入光信号的，自发辐射与光信号伴生却毫无益处。它与待放大的光信号一起参与激
光物质粒子的受激辐射，与信号竞争，自身得到放大，同时消耗高能级的粒子，降低信号增
益。更严重的是，放大了的自发辐射传到接收端，在对信号光进行检测时，与信号光一起形
成拍频噪声。这将降低系统的信噪比，限制光接收机的灵敏度。图 2 为加入 1536nm 和不加
入 1536nm 信号光时的输出光谱,可以看出放大器自发辐射对系统性能有很大的影响。
图 2：放大器自发辐射的影响
EDFA 的增益与泵浦强度及光纤长度有关。图 3 给出了掺铒光纤放大器小信号增益 G
与泵浦功率 P 及光纤长度 l 的关系曲线。它的泵浦光波长为 ，信号光波长为 ，
采用了典型的光纤参数。图 3(a)用泵浦光功率 P 做参变量，给出了增益 G(dB)与光纤长度 l
之间的关系曲线。在 l 较短处，增益沿纤增加很快，当 l 超过某值时，增长变慢。这是由于
放大中的消耗，使 P(z)随光纤长度的增加而减少的原故。在某一长度处，信号不再被放大，
超过此长度后，信号反而因衰减而减小。因而就放大器的总增益而言，存在一最佳的光纤长
度。而这一最佳光纤长度又与泵浦功率 P 大小有关。图 3(b)以光纤长度 l 做参变量给出了增
益 G 与泵浦功率 P 之间的关系。可见增益与光纤长度和泵浦功率有关。因此在给定的掺铒
光纤的情况下，应选合适的泵浦功率与光纤长度，进行优化设计。上述光纤的定性特性可在
所有 EDFA 中观察到。
图 3：EDFA 放大特性
实际的 EDFA 的增益随频率变化关系还与基质光纤及其掺杂有关。图 4 给出了具有不
同组分掺铒光纤的增益谱，可见增益谱具有双峰。增益谱的尖锐程度及带宽对光纤芯子的掺
杂情况十分敏感。纯硅的增益谱很窄，在 处 3dB 带宽为 10nm。合适的掺杂可将增
益谱展宽，由图可见，掺入 Al、P 展宽了频带。人们在研究通过改变掺杂以展宽增益带宽
方面做了大量工作，现 EDFA 的增益谱宽已可达上百纳米，而且增益谱较平坦。即使掺铒
光纤放大器芯子的组分相同，不同放大器的增益谱也会有所差别，这是因为增益谱还与光纤
长度有关的原故。由于泵浦功率沿纤变化，所以各处的增益系数是不同的，而增益须在整个
光纤上积分得到。这一特性可用来通过选择光纤长度得到较为平坦的增益谱。
图 4：EDFA 增益谱
光信号的放大输出波形与光信号脉冲的比特率基本无关，但是与工作区有关，或者说与
脉宽和增益有关。通常在小信号线性放大工作区，放大过程中基本不产生波形失真，但是在
大信号饱和放大工作区运用时，由于增益饱和或增益压缩的影响，将导致输出波形的失真，
这种现象称为增益图形效应或简称图形效应。放大输出信号波形的失真程度决定于光脉冲宽
度和增益恢复时间。如图 5 所示，当脉宽远大于增益恢复时间时，增益在很短的时间内就能
恢复，波形失真很小，这种失真对数字脉冲传输不产生重要影响，因而不存在图形效应。当
脉宽与增益恢复时间可比时，波形失真和图形效应将变得严重。
图 5：EDFA 响应特性
三、实验装置：
图 6：掺铒光纤放大器实验装置示意图
四、实验内容：
1. 实验装置连接
按图示光路连接实验装置，将实验仪主机背板通讯接口用串行通讯电缆连接至计算机
主机 COM1 口，打开实验仪主机电源后再运行计算机上的测试软件。
2. 掺铒光纤放大器 Gs~Pp 特性曲线测量
a. 设置 LD1 工作模式(MOD)为恒流模式(ACC)，将 1550nm 激光器输出直接连接至
OPM ，调节 1550nm 激光器输出功率为 。
b. 将 1550nm 激光器输出和 OPM 恢复为图示连接，设置 LD2 工作模式(MOD)为恒流
模式(ACC)，驱动电流(Ic)置为 0
e. 缓慢增加 1480nm 泵浦激光器输出功率，0 至 80mW 每隔 2mW 记录一次 OPM 功
率数据，求信号增益，作 Gs~Pp 曲线
3. 掺铒光纤放大器瞬态响应特性测量
a. 连接函数信号发生器输出 SIG 至示波器 CH1，置示波器与 CH1 同步。
b. 将 EDFA 输出的 1550nm 光信号连接至 InGaAs PIN 光电二极管输入, PIN 管输出
连接至 ， 连接至示波器 CH2。COD 模式置于 ARX，量程置于
10mA 档。
c. 设置 SIG 工作模式(MOD)为方波信号(SQU)，信号频率 50Hz，信号幅度 5V。
d. 设置 LD1 工作模式(MOD)为数字调制模式(ODM)，驱动电流(Ic)置为 30mA。
e. 设置 LD2 工作模式(MOD)为恒流模式(ACC)，驱动电流(Ic)置为 100mA
f. 测量 EDFA 的增益恢复时间。
g. 观察掺铒光纤受激自发辐射特性(ASE)。
4. EDFA 增益谱测量
a. 将卤素光源驱动端口连接至 LVS，缓慢增加 LVS 输出电压(Vo)至 8V。
b. 将卤素光源输出光信号连接至光谱分析器，输入狭缝置 2mm，输出狭缝置 1mm。
c. 将光谱分析器功率探头输出连接至 PD，OPMMOD 置 PD/mW，量程(OPMRTO)置
10nW 档。测量卤素光源输出光谱，波长范围 1520-1650nm，波长间隔 。将
此光谱设为增益谱计算基准。
d. 将卤素光源光信号输入 EDFA，EDFA 输出光信号连接至光谱分析器，输出狭缝
置 1mm。OPMRTO 置 1mW 档。
e. 设置 LD2 工作模式(MOD)为恒流模式(ACC)，驱动电流(Ic)置为 200mA
f. 测量 EDFA 输出光谱，波长范围 1520-1650nm，波长间隔 。
g. 求 EDFA 增益谱
五、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。
4. 光纤头与 1550nm SLED 管芯距离必须大于 1mm。
实验七 光纤激光器参数测量
一、实验目的：
1. 了解光纤光栅的工作原理及相关特性；
2. 了解光纤激光器的工作原理及相关特性；
3. 掌握光纤激光器性能参数的测量方法；
二、实验原理：
全光纤可调谐激光器是高速大容量光通信系统中的关键部件，特别是它的较宽的增益
带宽和简便稳定的调谐结构，以及其激光波长恰好处在光通信 1500nm 波段等诸多独特优点，
越来越引起广大光通信工作者的极大重视，已成为激光器研制领域的一个热点。
在光纤通信中，稀土掺杂的光纤激光器较之半导体激光器有如下优点：
1. 不必经过光电转换可直接对光信号放大。在不改变原有的噪声特性和误码率前提下，可
以直接放大数字、模拟或者二者的混合数据格式。
2. 光纤激光器的激射波长由基质材料的稀土掺杂剂所决定，不受泵浦光波长的控制。
3. 光纤激光器和光纤放大器与现有的光纤器件(如耦合器、偏振器和调制器)完全相容，可
以制作出完全由光纤器件组成的全光纤传输系统。通过定向耦合技术和 Bragg 反射器技
术，可以制作出窄线宽、可调谐的光纤激光器。
4. 光纤激光器可以作为光孤子源。掺铒光纤锁模激光器能直接产生足够功率的变换极限超
短光脉冲；同时由于光脉冲在光纤谐振腔中传输时的非线性效应，在适当的条件下，可
产生脉宽为数十或数百飞秒的变换极限双曲正割形光脉冲，是光孤子通信的理想光源。
光纤调谐激光器常用的调谐方法有旋转光栅、调节腔内标准具角度、利用声光滤波器、
电调液晶标准具、可调谐光纤光栅等等，调谐范围为几 nm 到几十 nm。非光纤调谐器件与
光纤之间的耦合将不可避免地增大腔内的插入损耗，从而导致激光器的低斜率效率和高阈
值。可调谐光纤光栅是光纤器件，用光纤光栅作为调谐装置能与光纤兼容，可有效克服用
非光纤调谐方法所造成的插入损耗问题。本实验使用光纤光栅调谐装置调谐环形腔掺铒光
纤激光器的输出波长，实现窄线宽可调谐激光输出。实验装置如图 2 所示。
图 2 可调谐光纤光栅激光器原理图
三、实验装置：
图 3：可调谐光纤光栅激光器实验装置示意图
四、实验内容：
1. 实验装置连接
按图示光路连接实验装置，将实验仪主机背板通讯接口用串行通讯电缆连接至计算机
主机 COM1 口，打开实验仪主机电源后再运行计算机上的测试软件。
2. 光纤激光器 Po~Pp 曲线测量
a. 连接光纤激光器输出端至光功率计 OPM，OPM 量程置 1mW 档。
b. 连接 1480nm 泵浦激光器控制信号至 ，设置 LD2 工作模式(MOD)为恒流
模式(ACC)，驱动电流(Ic)置为 0
c. 缓慢增加 1480nm 泵浦激光器输出功率，0 至 25mW 每隔 1mW 记录一次 OPM 功
率数据，作光纤激光器 Po~Pp 曲线，求光纤激光器泵浦阈值。
3. 光纤激光器输出光谱测量
a. 连接光纤激光器输出端至 C 波段光谱分析器，输入狭缝置 2mm，输出狭缝置 。
b. 将光谱分析器功率探头输出连接至 PD，OPMMOD 置 PD/mW，量程(OPMRTO)置
100uW 档。
c. 设置 LD2 工作模式(MOD)为恒流模式(ACC)，驱动电流(Ic)置为 300mA
d. 测量光纤激光器输出光谱，波长范围 1540-1580nm，波长间隔 。
e. 求光纤激光器峰值波长和线宽
五、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。
实验八 光纤光栅温度传感与测量
一、实验目的：
1. 了解光纤传感器的工作原理及相关特性；
2. 掌握光纤光栅位移传感的测量方法；
二、实验原理简介：
随着紫外写入光纤光栅制作技术的日益完善,光纤光栅在光纤传感领域的应用得到了迅
速发展。光纤光栅 Bragg 波长受应力和温度特性的影响，对光纤光栅 Bragg 波长的偏移进行
测量，即可测知其所受到的应力和温度，这是光纤光栅用于光纤传感的主要工作原理。
光纤光栅在传感技术方面可以对多种物理量进行传感和检测，光纤光栅已实现温度、
应力、应变、加速度、水声等参量的传感与测量。光纤光栅型传感器除了光纤传感器的基
本优点之外，还具有分辨率高、重复性好、稳定性高、测量动态范围大，可以进行绝对测
量，不必考虑光源强度的随机起伏波动，对光路的损耗不敏感，能满足多参量、复用式、
阵列式、分布式传感的要求。
图 1：光纤光栅反射谱
光纤光栅反射谱如图 1 所示。光纤光栅中最重要的特性指标是其 Bragg 反射波长λB，可
以表示为：λB=2neffΛ 其中，neff 是光纤光栅的有效折射率，Λ为光栅周期。当光纤光栅的
温度升高时，由于光纤材料的热光效应，其有效折射率会增加；而且由于热胀冷缩效应，
光栅周期也会增长，从而使λB 向长波长方向移动，波长偏移量ΔλT 为
ΔλT=［(α+e)ΔT］λB
其中α为光纤材料的热胀系数；ΔT 为温度变化量；e 为热光系数；当光纤光栅发生应变时，
一方面由于光纤沿轴向和径向的伸缩，导致光栅周期改变；另一方面光纤的轴向和径向的
伸缩还会产生光弹效应，它会使光纤的有效折射率发生改变，从而使 Bragg 波长λB 产生偏
移，其波长偏移量ΔλS 为
ΔλS=(1-pe)ελB
其中 pe 为光弹性常数，ε 为光纤光栅的应变量。
本实验测量用光纤光栅作温度传感时的定标曲线。
三、实验装置：
四、实验内容：
1. 实验装置连接
按图示光路连接实验装置，将实验仪主机背板通讯接口用串行通讯电缆连接至计算机主
机 COM1 口，打开实验仪主机电源后再运行计算机上的测试软件。
2. 光纤光栅反射光谱测量
a. 将 1550nm 半导体激光器光输出连接至 1310/1550 Coupler 输入端 PORT1，将
1310/1550 Coupler 输出端 PORT3 连接至光纤光栅温度传感器 PORT1。将
1310/1550 Coupler 端口 PORT2 连接至 OPM。
b. 将 1550nm 激光器控制端口连接至 LD1，将光纤光栅温度传感器控制端口连接至
LD2。设置 LD2 温度为-10℃，设置 LD1 工作模式(MOD)为恒流模式(ACC)，待 LD2
温度稳定后缓慢调节 LD1 驱动电流(Ic)，使得 OPM 显示最大。LD1 电流不得超过
40mA。
c. 将 1310/1550 Coupler 端口 PORT2 改接至 C 波段光谱分析器，输出狭缝置 。
d. 将光谱分析器功率探头输出连接至 PD，OPMMOD 置 PD/mW，量程(OPMRTO)置
100uW 档。
e. 测量光纤光栅反射光谱，波长范围 1540-1580nm，波长间隔 。记录峰值波长。
3. 光纤光栅温度传感器定标
a. 测量出光纤光栅在 30℃下的反射光谱，记录其峰值位置。
b. 求光纤光栅温度传感器定标关系式
五、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。
实验九 单模光纤损耗特性和截止波长测量
一、实验目的：
1. 了解单模光纤的工作原理及相关特性；
2. 掌握阶跃型光纤截止波长的测量方法；
二、实验原理简介：
1．光纤的结构与导波特性
光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂的工艺拉制而成，从横截面上看基本
由 3 部分组成，即折射率较高的芯区，折射率较低的包层和表面涂层。根据芯区折射率径向
分布的不同，可分为两类光纤，折射率在纤芯与包层介面突变的光纤称为阶跃光纤；折射率
在纤芯内按某种规律逐渐降低的光纤称为渐变光纤，不同的折射率分布，传输特性完全不同。
图 1 给出了这两种光纤横截面的折射率分布，其典型尺寸为：单模光纤纤芯直径
2a=8-12um，包层直径 2b=125um；多模光纤 2a=50um，2b=125um。对单模光纤，2a 与λ处
同一量级，由于衍射效应，模场强度有相当一部分处于包层中，不易精确测出 2a 的精确值，
因而只有结构设计上的意义，在应用中并无实际意义，实际应用中常用模场或模斑直径(MFD)
表示。
图 1：阶跃光纤(a)与渐变光纤(b)的横截面和折射率分布
图 2：光在光纤中的传播途径
图 2 所示为阶跃光纤剖面，入射光在纤芯和包层的界面发生全反射，所有满足全反射条
件的光线都将被限制在纤芯中，这是光纤约束和导引光传输的基本机制。图 3 所示为渐变光
纤剖面，渐变光纤的芯区折射率不是一个常数，它从芯区中心的最大值 n1 逐渐降低到纤芯-
包层界面的最小值 n2，大部分渐变光纤按二次方规律下降。在阶跃光纤中光线以曲折的锯
齿形式向前传播，而在渐变光纤中则以一种正弦振荡形式向前传播。如图可见，类似于阶跃
光纤，入射角大的光线路径长，由于折射率的变化，光速在沿路径变化，虽然沿光纤轴线传
播路径最短，但轴线上折射率最大，光传播最慢，而斜光线的大部分路径在低折射率的介质
中传播，虽然路径长，但传输得快，因而合理设计折射率分布，可使所有光线同时到达光纤
输出端，降低了多径或模间色散。
图 3：渐变光纤中的光线轨迹
光纤是光纤通信的传输媒质，用石英材料制成，属于介质波导，可将光线限制在光纤芯
子中传播。光纤的主要特性是损耗、色散和非线性。
2．光纤的损耗特性：
光纤损耗是通信距离的固有限制，在给定发送功率和接收机灵敏度条件下，它决定了从
光发送机到光接收机之间的最大距离，损耗过大将严重影响通信系统的性能。
光纤的衰减机理主要有三种：即光能量的吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。吸收损耗与
光纤材料有关，散射损耗则与光纤材料及光纤中的结构缺陷有关，而辐射损耗则由光纤几何
形状的微观和宏观扰动引起。光纤的损耗用衰减系数α表示:
α[dB/km]=-10/L×lg(Pout/Pin)
图 4：单模光纤的损耗谱特性
图 4 为光纤衰减系数随波长的变化曲线，图 5 为光纤衰减研究的进展情况。早期，由于
技术上的原因光纤通信只能利用 的短波长波段，因为这个波段的损耗最小，且可
得到与之匹配的光源与光电探测器。随着光纤杂质浓度的降低，光纤衰减大为减小。
和 是光纤的另两个低损耗窗口。目前，在 波段，商品光纤的衰减为 ／
km，而在 波段为 ／km，已接近光纤固有损耗的极限。当更进一步减小光纤损
耗时，可以得到在 ～ 波段的低损耗。这将极大地扩展光纤的可用带宽。
图 5：光纤衰减研究的进展情况
3．阶跃光纤的截止波长测量
光纤是一种介质波导，在光纤内传输的导波有各种不同模式。对于一定波长的光，它在
光纤内传输时包含哪些模式，取决于光纤的内部结构(n1、n2、a 和 b 的数值)。在光纤传输
理论中，通常以归一化频率 V 来表征光纤的特性，理论分析表明，各模式在 V 逐渐变小达
到某—数值时将会截止，即 V 小于某一数值以后，该种模式将不能在光纤中传输，弱波导
纤维各低阶模式的截止归一化频率如下：
LP01 模 Vc=0
LP11 模 Vc=
LP21 模 Vc=
LP02 模 Vc=
从以上数据可以看出，LP01 模的截止频率等于 0，即不论 V 等于什么数值，它都可以在光纤
内传输，所以称为基模，在 V< 时，光纤中只有单一的基模传输。在这范围内工作的光
纤称为单模光纤，它具有色散小，信息容量大等特点。对于一根特定的光纤(a，n1，A 已确
定)，只要波长充分长，总可以单模方式传输，开始实现单模传输的波长称为截止波长λc, λ>
λc 时，只有基模传输,各高阶模都被截止。
图 4：光纤弯曲损耗与波长的关系
光纤弯曲时，在光纤内传输的光有一部分辐射到光纤之外，光纤内导波的强度将发生衰
减。经过理论分析可知，由弯曲而引起的附加损耗在各模的截止点附近特别显著，而在偏离
截止点稍远处附加损耗却很小。附加损耗与波长的关系如图 4 所示。测量附加损耗与波长的
关系，就可以定出光纤的截止波长(λc 对应于波长最大的那个附加损耗峰)。
三、实验装置：
图 2 光纤截止波长测量实验装置图
四、实验内容：
1. 实验装置连接
a. 按图示光路连接实验装置，溴钨灯电源连接至 LVS 输出，缓慢增加 LVS 输出电压
至 12V
b. 将实验仪主机背板通讯接口用串行通讯电缆连接至计算机主机 COM1 口，打开实
验仪主机电源后再运行计算机上的测试软件。
2. 单模光纤截止波长测量
a. 将溴钨灯辐射光束耦合进入单模光纤，单模光纤输出接入光谱分析器，输出狭缝
置 2mm。
b. 保持单模光纤为自然伸展状态，将光谱分析器功率探头输出连接至 PD，OPMMOD
置 PD/mW，量程(OPMRTO)置 10nW 档。
c. 测量单模光纤输出光谱，波长范围 900-1300nm，波长间隔 。
d. 将此光谱设为损耗谱计算基准。
e. 将单模光纤按直径 30mm 绕 5 圈，测量此时的单模光纤输出光谱。
f. 求单模光纤弯曲损耗谱，确定单模光纤截止波长。
五、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。
实验十 光纤色散测量
一、实验目的：
1. 了解单模光纤的色散特性；
2. 掌握光纤色散系数的测量方法；
二、实验原理简介：
光纤的色散是指光纤中不同的频率成分和不同的模式成分传输速度不同而使信号散开
的现象。色散导致光脉冲产生相当大的展宽(约 10us/km)，引起相邻脉冲发生重叠，影响光
纤的带宽，从而限制光纤的传输容量和传输距离。多模光纤有很大的模间色散，不同的模式
对应有不同的模折射率或有效折射率，不同模式间的有效折射率差，将导致群速度的不同和
脉冲展宽。单模光纤不存在模间色散，但由光源发射进入光纤的光脉冲能量包含许多不同频
率分量，脉冲的不同频率分量将以不同的群速度传输，因而在传输过程中将出现脉冲展宽，
称为群速色散(GVD)、模内色散或简言之为光纤色散。模内色散的主要来源有两种：
(1)材料色散。它是纤芯材料的折射率随波长变化而引起的，这使得一个给定模式的群
速度产生对波长的依赖关系。
(2)波导色散。它是因模式的传播常数β随α/λ变化而产生的，这是单模光纤色散的主要原
因。在多模光纤中可以忽略，多模光纤色散中模间色散起支配作用。
常规光纤的零色散波长在 处。将零色散波长由 移到 处，就得到了
色散位移光纤。这种光纤已投入使用。还有一种超宽带低色散光纤，它在很宽的频带范围内
具有低色散。如果在很宽的频带内能同时得到低损耗和低色散，则可充分发挥光纤的宽带潜
力，扩展其传输容量。图 1 为不同光纤的色散特性。
图 1：不同光纤的色散特性
光纤色散测试方法有相移法、干涉法和脉冲时延法，其中相移法最为常用。相移法是通
过测量用正弦波调制的不同波长的光信号经光纤传输后产生的相对相移，求出相对群时延，
再对波长求导，求出被测光纤的总色散和色散系数。
相移法测试装置见图 2。光源可以采用多只发光二极管或激光器，其数目及工作波长由
测量覆盖的波长范围来决定，在整个测试过程中光源应保持稳定。正弦波发生器频率范围应
在数十兆赫以上，输出频率稳定。波长选择器应能兼顾对波长分辨率和信号电平的要求，可
放在被测光纤的输入端或输出端。光检测器应适合于测试的信噪比和时间分辨率，必要时可
接低噪声放大器。延迟检测器用来测量光纤输出信号与参考信号之间的相移，可使用矢量电
压表。信号处理器用来减少输出波形中的噪声和抖动，可用计算机来进行设备控制、数据处
理和数值计算。
图 2：相移法光纤色散测试装置
本实验用脉冲时延法测量 单模光纤在 1550nm 波长处的色散系数。
三、实验装置：
图 3：脉冲时延法光纤色散测量实验光路图
四、实验内容及步骤：
1. 测试光路准备
a. 按图 3 所示结构连接实验装置。
b. 将函数信号发生器输出(SIG)通过三通同时连接至半导体激光控制器 LD1 和 LD2
的调制信号输入端(MOD1 和 MOD2)。
2. 脉冲时延法测量光纤色散
a. 设置 PD1 和 PD2 为 ARX，设置 PD1RTO 和 PD2RTO 均为 1mA 档。
b. 设置 SIG 工作模式为 5kHz 脉冲模式(P5K)，输出信号幅度 Vs 调至 。调节示
波器同步 CH1 输入，上升沿出发，观察到稳定的脉冲调制信号。
c. 设置 LD1 工作模式(MOD)为数字调制模式(ODM)，1550nm 激光器工作于 5kHz 脉
冲模式下，调节 LD1 驱动电流(Ic)至 。
d. 设置 LD2 工作模式(MOD)为数字调制模式(ODM)，1480nm 激光器工作于 5kHz 脉
冲模式下，调节 LD2 驱动电流(Ic)至示波器的 CH2 波形与 CH1 等幅。
e. 将待测 光纤从测试光路中断开，使用跳线直接连接两个 WDM，记录此时示
波器的 CH2 脉冲波形与 CH1 脉冲波形的延时ΔT0 。
f. 将待测 光纤接入测试光路，记录此时示波器的 CH2 脉冲波形与 CH1 脉冲波
形的延时ΔT 。
g. 求待测 光纤在 1550nm 波长处的色散系数。
五、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。
实验十一 光纤非弹性散射及喇曼放大(FRA)
一、实验目的：
1. 了解单模光纤的非线性特性及应用；
2. 掌握分布式光纤喇曼放大器(FRA)特性参数的测量方法；
二、实验原理简介：
1.光纤的非线性效应：
任何介质在强电磁场作用下都将呈现出非线性特性，光纤也不例外。虽然石英光纤本质
上不是高非线性材料，但由于光纤传输距离很长，并将光场限制在横截面很小的区域，所以
光纤中的非线性现象仍然十分显著，对光信号的传输有重要影响，并在许多方面得到应用，
光纤非线性已发展成为非线性光学的一个重要分支学科——非线性光纤光学。
介质的非线性效应，其起因与施加到介质上的场的影响下束缚电子的非谐振运动有关，
结果导致电偶极子的极化强度 P 随电场 E 的非线性变化，并满足通常的关系:
P=ε0[χ(1)·E+χ(2)﹕EE+χ(3)℃EEE+…]
式中，ε0 为真空中的介电常数；χ(j)(j=1，2，3…)为 j 阶电极化率，考虑光的偏振效应
时，χ(j)是 j+1 阶张量。线性电极化率χ(1)对 P 有重要影响，它主要影响介质的折射率和衰减
常数。二阶电极化率χ(2)会引起二次谐波与混频的产生。然而，χ(2)只在某些分子结构非反演
对称的介质中才存在，而在 SiO2 这种对称结构的分子中，χ(2)=0，因而在石英光纤中通常不
显示有二阶非线性效应，但当纤芯中有掺杂材料时，会显示一定的二阶非线性效应。
(1) 非线性折射率与自相位调制：
光纤中的最低阶非线性效应起源于三阶电极化率χ(3)，它是引起三次谐波、四波混频、
非线性折射率与自相位调制等现象的原因。光纤中大部分非线性效应起源于非线性折射率。
非线性折射率是χ(3)与光场相互作用的结果。对于石英光纤，折射率的非线性影响一般很小
(<10-7)。
折射率非线性分量的出现将引起导模传播常数的变化，使传播常数增加一附加项。传播
常数非线性分量的引入将引起模场相位随距离线性增加。由模场自己产生的非线性效应而引
起的非线性相移称为自相位调制(SPM)。
非线性效应产生的自相位调制一般不大，对只用检测功率的方法解调信号的光波系统
(IM／DD 系统)无关紧要，但在级联光放大系统和 WDM 系统中则不容忽视，在相干光波系
统中也不能忽视，因为相干光波系统要求有高的相位稳定性。
自相位调制还将导致光脉冲的频谱展宽或频率啁啾，影响光波系统的性能，但是在光纤
的负色散区，这种自相位调制与色散相互作用能支持超短光孤子脉冲传输，实现新的光孤子
通信，是非线性折射率的重要应用。
当使用不同的载频的两个或多个信号在光纤中同时传输时，折射率与光强的相关性将导
致另一种非线性效应，称为交叉相位调制(XPM)，它表明一个特定信道光信号产生的非线性
相移不仅取决于其自身的场强或功率，也取决于其他信道信号的功率，显然，XPM 已成为
多信道光波系统主要的功率限制因素。
(2) 受激非弹性散射：
在非弹性散射中，散射光频率下移，光场把部分能量传递给介质，称为受激非弹性散射。
光纤中有两种非线性效应，它们都与石英的振动激发态有关，分别为受激喇曼散射(SRS)和
受激布里渊散射(SBS)，它们都以一个入射场的光子(通常称为泵浦)的湮灭，产生一个下移
斯托克斯频率的光子及适当能量和动量的声学声子为特征。两者的主要差别是 SRS 中参与
的是光学声子，而在 SBS 中参与的是声学声子。当然，如果介质能吸收一个具有恰当能量
和动量的声子，也能产生有更高能量的光子，称为反斯托克斯频率。尽管 SRS 与 SBS 的起
因非常相似，但由于声子与光子不同的色散关系，导致两者之间的一些本质差别，其中一个
本质差别是，在单模光纤中 SBS 只发生在向后方向，而 SRS 主要是向前方向。
在高功率传输时，光纤中的受激喇曼散射和受激布里渊散射能导致相当大的损耗，一旦
入射光功率超过阈值，散射光强度将指数增长。SRS 和 SBS 的阈值功率可通过散射光强度
的产生过程来估计。对于 SRS，阈值功率 Pth 定义为在长度为 L 的光纤输出端因 SRS 而损耗
了 50％的输入功率，这个输入功率即为阈值功率，它与光纤的衰减系数α、光纤长度 L、喇
曼增益系数 gR 和光纤的有效横截面 Aeff 有关，可近似写为:
Pth=16αAeff／gR
对于石英光纤，喇曼增益系数 gR 可通过实验测得。实验测得的喇曼增益谱非常宽，约
为 30THz，当泵浦波长为 1um 时，斯托克斯频移约 13THz，峰值增益系数 gR ≈1×10-13m／
W，若取πω２＝５０um2, α=／km，那么在 附近，Pth≈570mW。由于光波系统
中注入的功率一般低于 10mW，因此 SRS 一般对光纤损耗不起作用。
对于 SBS，情况有所不同。SBS 的阈值功率能用类似于估计 SRS 阈值功率的方法估计，
可表示为:
Pth=21αAeff／gB
式中，gB 为布里渊增益系数。与喇曼增益谱不同，布里渊增益谱很窄，仅约 10GHz，峰值
增益 gB≈5×10-11m／W，比 gR 高两个数量级，这样 Pth 可低至 lmW，特别是在 最低
损耗处，将极大地限制光波系统的注入功率。这些估计中忽略了与入射光有关的谱宽效应。
由于石英光纤的布里渊增益谱相当窄，典型谱宽<100MHz，而多数光波系统脉冲光源谱宽
很宽，因而阈值功率可增大至 10mW 或更高，不过对相干光波系统的限制仍不可忽视。
一般情况下，SRS 和 SBS 在光纤通信系统中是一种有害的因素，但由于它们能通过将
具有合适波长的泵浦场的能量传给另一波长的光场，使该光场得到放大而加以利用，例如喇
曼增益已用于补偿光孤子传输中因光纤损耗而失去的能量，实现光孤子长距离稳定传输。
SRS 也能用于制造光纤喇曼激光器和放大器，这种放大器可用作光接收机的前置放大器，也
能在多信道通信系统中同时放大多路信号。SBS 也能用于制造布里渊放大器。由于其增益谱
宽窄，放大器的带宽也很窄，可用于多信道通信系统选择信道，提高接收机灵敏度。
(3) 参量过程与四波混频：
受激散射过程中，光纤作为非线性介质，通过分子振动和声学声子的参与，起了主动作
用。除了通过束缚电子的非线性响应作为几个光波相互作用的媒质之外，光纤一般起被动作
用。起源于介质参量(如折射率的光致调制)的这种过程称为参量过程。参量过程根据其起源
可分为二阶和三阶参量过程。在普通石英光纤中一般不存在二阶参量过程。三阶参量过程源
于三阶非线性极化率χ(3)，涉及四个光波的相互作用，包括三次谐波的产生、四波混频和参
量放大等现象。
在多信道光波系统中，特别当信道间隔特别小时(如约 1GHz)，在相位匹配条件得到满
足的情况下，相当部分的信道能量可能转移到由四波混频产生的新光波，这样的能量转移不
仅导致了对特定信道的功率损耗，也导致了降低系统性能的信道串音。
在参量过程中，四波混频把强泵浦波能量转给相对于泵浦频率发生了上、下频移的两个
波。当泵浦波进入光纤并满足相位匹配条件，斯托克斯波和反斯托克斯波就能从噪声开始形
成。另一方面，若输入一满足条件的弱信号，此信号将被放大，同时产生另一新频率波，这
种放大称为参量放大，增益称为参量增益。参量过程与参量增益可用于制造光纤参量激光器
和光纤参量放大器，这种放大器不存在半导体光放大器和光纤放大器中固有的放大自发辐射
噪声(ASE)，在光波系统中可得到应用。
2．分布式光纤喇曼放大器：
受激喇曼放大器是非线性光学研究中的一个重要问题，自激光器发明后就开展了广泛的
研究。光纤中受激喇曼散射的研究始于 70 年代初期，研究发现，石英光纤具有很宽的喇曼
增益谱(达 40THz)，并在 13THz 附近有一较宽的主峰，如果一个弱信号与一强泵浦光波同时
在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦波的喇曼增益带宽内，则弱信号即可被放大。这种
基于 SRS 机制的光放大器称为光纤喇曼放大器(FRA)。这种放大器如果设置合适的腔镜亦可
构成可调光纤喇曼激光器。SRS 使一个信道中的能量转移到相邻信道中，使多信道光纤通信
系统产生串扰，限制了多信道光纤通信系统的性能，在光纤通信系统设计中应设法避免或消
除。FRA 的宽带放大特性可用作光纤损耗的分布式补偿放大，实现高速超短光脉冲的稳定
透明传输。
图 1：光纤喇曼放大器及其能级图
图 1 为 FRA 的原理性结构示意，频率为ωp 和ωS 的泵浦光和信号光通过波长选择耦合器
输入至光纤，当这两束光在光纤中一起传输时，泵浦光的能量通过 SRS 效应转移给信号光，
使信号光得到放大。泵浦光和信号光亦可分别在光纤的两端输入，在反向传输过程中同样能
实现弱信号的放大。图 2 为熔融石英的喇曼增益谱特性曲线。
图 2：熔融石英的喇曼增益谱
光纤喇曼放大器有两种类型和两种应用，一种称为集中式 FRA，主要作为高增益、高
功率放大，另一种称为分布式 FRA，主要作为光纤传输系统中传输光纤损耗的分布式补偿
放大，实现光纤通信系统光信号的透明传输，增益与损耗相等，输出功率与输入功率相等，
主要用于光纤通信系统中作为多路信号和高速超短光脉冲信号损耗的补偿放大用，亦可作为
光接收机的前置放大器。作为损耗补偿放大应用时，光纤既是增益媒质，又是传输媒质，光
纤既存在损耗，又产生增益，增益补偿损耗实现净增益为零的无损透明传输。
三、实验装置：
图 6：光纤喇曼放大实验装置示意图
四、实验内容：
1. 实验装置连接
按图示光路连接实验装置，将实验仪主机背板通讯接口用串行通讯电缆连接至计算机
主机 COM1 口，打开实验仪主机电源后再运行计算机上的测试软件。
2. FRA 开关增益测量
a. 设置 LD2 工作模式(MOD)为恒流模式(ACC)，驱动电流(Ic)置为 0mA。
b. 设置 LD1 工作模式(MOD)为恒流模式(ACC)，调节 1550nm 激光器输出功率使得
FRA 输出功率 。
c. 设置 LD2 驱动电流(Ic)为 400mA。
d. 记录 OPM 功率数据，求 FRA 开关增益
3. FRA 增益谱测量
a. 将卤素光源驱动端口连接至 LVS，缓慢增加 LVS 输出电压至 9V。
b. 将卤素光源光信号连接至光谱分析器，输出狭缝置 1mm。
c. 将光谱分析器功率探头输出连接至 PD，OPMMOD 置 PD/mW，量程(OPMRTO)置
10nW 档。测量卤素光源输出光谱，波长范围 1520-1650nm，波长间隔 。将
此光谱设为增益谱计算基准。
d. 将卤素光源光信号输入 FRA，FRA 输出光信号连接至光谱分析器。
e. 设置 LD2 工作模式(MOD)为恒流模式(ACC)，驱动电流(Ic)置为 400mA。
f. 测量 FRA 输出光谱，波长范围 1520-1650nm，波长间隔 。
g. 求 FRA 增益谱
五、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。
4. 光纤头与 1550nm SLED 管芯距离必须大于 1mm。
实验十二 电吸收调制（EAM）
一、实验目的：
1. 了解电吸收调制技术的工作原理和相关特性；
2. 掌握电吸收器件的参数测量方法；
二、实验原理：
光调制器是光纤通信系统中的重要器件，用半导体量子阱材料制作的电吸收型光调制器
具有频率啁啾低、器件体积小、驱动电压低、可以同半导体激光器集成等优点。多量子阱电
吸收型光调制器利用的是量子限制 Stork 效应(QCSE)，即当量子阱区存在垂直于阱壁方向的
电场时，它的吸收带边会发生红移。在众多的半导体多量子阱材料中，与 InP 晶格匹配的多
量子阱具有独特的优点，它的电子势阱深而空穴势阱浅，使得有效质量大的空穴更容易发生
隧穿效应，光生载流子容易在电场的作用下离开势阱，不容易达到吸收饱和，因而具有很高
的饱和吸收功率，近年来在国际上得到广泛的重视。
图 1：电吸收型光调制器结构图
图 1 为电吸收型光调制器的典型结构图。InGaAs／InAIAs 多量子阱材料用 MBE 设备生
长。首先在高掺杂的 n 型 InP 衬底上生长厚度为 200nm 的 n 型 InAlAs 下包层，然后是不掺
杂的 12 个周期的 InGaAs／InAIAs 多量子阱结构，阱宽和垒宽均为 7．5nm，接着是 1．5pm
厚的 p 型 InAIAs 上包层，最后是 100nm 厚的 p 型高掺杂 InGaAs 电极接触层。
为实现器件与单摸光纤之间的光耦台，器件一般设计为高脊波导结构。脊顶宽度为
3um，底部宽度为 5um，脊高 2um，脊的高度大于量子阱区、上包层和 p 电极接触层的厚度
之和。脊波导两边是 n 型下包层，这样器件在加反向偏压时，势垒电容区域仅限于脊波导上，
从而将结电容面积减至最小，有利于频率特性的提高。脊波导与单模光纤之间的光耦合根据
模场匹配原则，使用尖端磨尖的尖锥单模光纤，利用尖端对光的会聚作用将单模光纤 9um
的模场直径减小，使之与脊波导中的模场直径更为接近，因面提高了藕合效率，同时，从尖
锥单模光纤发出的光束发散角大，它到达脊波导输出端面时光功率密度低，从而显著降低了
脊波导输出端面处的背景光，减小了进入输出光纤的背景光的功率。
三、实验内容及步骤：
1. 测试光路准备
a) 将 1550nm 电吸收调制激光器的控制端口连接至主机 LD1，设置 LD1 工作模式
(MOD)为恒流模式(ACC)，1550nm 激光器工作于恒流模式下，调节 LD1 驱动电流
(Ic)至 。
b) 将 1550nm 电吸收调制激光器的调制端口连接至主机函数信号发生器输出(SIG)，
设置 SIG 工作模式为方波(SQU)，输出频率 2000Hz，输出信号幅度 Vs 调至 0V。
将此信号通过三通连接至示波器 CH1。
c) 将 1550nm 电吸收调制激光器的光输出连接至 InGaAs PIN 光电二极管输入, PIN
管输出连接至 ， 连接至示波器 CH2。COD 模式置于 ARX，量
程置于 10mA 档。
2. 测量 1550nm 电吸收调制激光器的调制特性
a) 增加 SIG 输出电压，0 至 每隔 测量一次，从示波器读取光信号强度，
作 P~U 曲线。
五、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。
实验十三 半导体激光器光谱测量与模式分析
一、实验目的：
1. 了解半导体激光器的工作原理和相关特性；
2. 掌握半导体激光器模式参数的测量方法；
二、实验原理：
半导体激光器的模式分为空间模和纵模(轴模)。空间模描述围绕输出光束轴线某处的光
强分布，或者是空间几何位置上的光强(或光功率)的分布，也称远场分布；纵模则表示一种
频谱，它反映所发射的光束其功率在不同频率(或波长)分量上的分布。二者都可能是单模或
者出现多个模式(多模)。边发射半导体激光器具有非圆对称的波导结构，而且在垂直于异质
结平面方向(称横向)和平行于结平面方向(称侧向)有不同的波导结构和光场限制情况。横向
上都是异质结构成的折射率波导，而在侧向目前多是折射率波导，但也可采取增益波导，
因此半导体激光器的空间模式又有横模与侧模之分。图 1 表示这两种空间模式。
图 1 半导体激光器横模与侧模
由于有源层厚度很薄(约为 μm)，都能保证在单横模工作；而在侧向，则其宽度相
对较宽，因而视其宽度可能出现多侧模。如果在这两个方向都能以单模(或称基模)工作，则
为理想的 TEM00 模，此时出现光强峰值在光束中心且呈“单瓣”。这种光束的光束发散角最
小、亮度最高，能与光纤有效地耦合，也能通过简单的光学系统聚焦到较小的斑点，这对
激光器的应用是非常有利的。相反，若有源区宽度较宽，则发光面上的光场(称近场)在侧向
表现出多光丝，好似一些并行的发光丝，在远场的侧向则有对应的光强分布，如图 2 所示。
这种多侧模的出现以及它的不稳定性，易使激光器的 P-I 特性曲线发生“扭折”(kink)，使 P-I
线性变坏，这对信号的模拟调制不利；同时多侧模也影响与光纤高效率的耦合，侧模的不
稳定性也影响出纤功率的稳定性；不能将这种多侧模的激光束聚焦成小的光斑。
图 2 有多侧模的半导体激光器的近场和远场
由于半导体激光器发光区几何尺寸的不对称，其远场呈椭圆状，其长、短轴分别对应
于横向与侧向。在许多应用中需用光学系统对这种非圆对称的远场光斑进行圆化处理。
如果半导体激光器发射的是理想的高斯光束，应有如下的光强分布:
I(r)=Imaxexp(-2(r/w)2) （1）
式中，I(r)是在半径为 w 的高斯光束束腰内径向尺寸为 r 处的光强，Imax 为束腰内的最大光
强。显然，当 r=w 时，该处的光强为 Imax 的 1／e2 (即光强峰值的 ％)，如图 3 所示。高
斯光束峰值光强之半处的发散角全角(FMHW)为
θ=4λ/πw=λ/w （2）
图 3 理想的高斯场强分布
半导体激光器的远场并非严格的高斯分布，有较大的在横向和侧向不对称的光束发散
角，由于半导体激光器有源层较薄，因而在横向有较大的发散角θ℃，可表示为
θ℃=(n22- n12)d/λ/(1+(n22- n12)( d/λ) 2/) （3）
式中，n2 和 d 分别为激光器有源层的折射率和厚度；n1 为限制层的折射率；λ为激射波长。
显然，当 d 很小时，可忽略(3)式分母中的第二项，则有
θ℃≈(n22- n12)d/λ （4）
由(4)式可见，θ℃随 d 的增加而增加，这可解释为随着 d 的减少，光场向两侧有源层扩展，
等效于加厚了有源层，而使θ℃减少。当有源层厚度能与波长相比拟，但仍工作在基横模时，
可以忽略(3)式分母中的 1 而近似为
θ℃≈λ/d （5）
式(5)与式(2)的一致性，说明在一定的有源厚度范围内，横向光场具有较好的高斯光束特点。
在此范围内，θ℃随 d 的增加而减少，可用衍射理论解释。
在量子阱半导体激光器中，由于有高的微分增益 dg／dN，允许适当放松对有源层与波
导模之间耦合的要求而允许模场的适当扩展，因而有比厚有源层半导体激光器小的θ℃。
可以通过外部光学系统来压缩半导体激光器的发散角以实现相对准直的光束，但这是
要以一定的光功率损耗为代价的。如果将从半导体激光器发出的激光近似视为有高斯分布
的点光源，可以采取图 4 所示的准直光学系统。
图 4 高斯光束的准直
准直透镜的数值孔径应大于半导体激光器的有效数值孔径(n22- n12)1/2，经准直出来的激
光束乃至聚焦后的焦斑仍是椭圆。如需得到小而圆的光点，尚需对准直后的光束进行圆化
处理。用节距(pitch)为 1／4 的自聚焦透镜可方便地对半导体激光器出射光进行准直，如图
5 所示。
图 5 用自聚焦透镜准直半导体激光束
半导体激光器存在像散，像散是像差的—种。当用光学系统对半导体激光器解理面上
的近场成像时，就会发现，由于像散的存在会在焦线上出现两个像点。半导体激光器在横
向都是利用有源层两边折射率差所形成的光波导效应对有源区光子进行限制的，而在侧向
有增益波导与折射率波导两种光限制类型。早期的条形激光器是增益波导型的，都有非平
面波前。对目前大量采用的侧向折射率波导结构，在垂直于结平面方向的高斯光束的束腰
在解理面上，且在束腰处为平面波前，如图 6(a)所示。而当侧向的波导机构是由复折射率的
虚数部分起主要作用时(即增益波导)，则在该方向的光场分布如图 6(b)所示，在腔内距腔面
为 D(称像散量)的地方出现虚腰，这也是外部观察者所能看到的最小近场宽度，真正的束腰
在腔中心。因此，从传播方向看去．两个方向的合成波前呈圆柱面，如图 6(c)所示。这种输
出光是像散的。其影响是用球透镜对解理腔面成像时，虚腰的像面与腔面的像面(即横向光
场束腰的像面)不对应同一处。其后果是远场分布出现“兔耳”状，在早期的氧化条形激光器
中出现这种远场情况。同时，像差的存在使侧向模式增多，光谱线宽加宽。这给应用带来
很大困难，除非采取消像差的措施，否则很难用一般的光学系统聚焦到很小的光斑，焦斑
上光场分布不均匀，也很难使激光器与单模光纤高效率地耦合。即使是侧向有折射率波导
限制的情况，由于载流子侧向分布的影响，也很难使上述表征像散大小的 D 值为零，一般
在 2μm 以上。
图 6 增益波导激光器波前
(a)垂直于结平面方向；(b)平行于结平面方向；(c)合成波前。
半导体激光器的激射波长是由禁带宽度 Eg 决定的，然而这一波长也必须满足谐振腔内
的驻波条件，谐振条件决定着激光激射波长的精细结构或纵模模谱。因为不同振荡波长间
不存在损耗的差别，而它们的增益差又小，故除了由禁带宽度 Eg 所决定的波长能在腔内振
荡外，在它周围还有一些满足谐振腔驻波条件的波长也可能在有源介质的增益带宽内获得
足够的增益而起振。因而有可能存在一系列振荡波长，每一波长构成一个振荡模式，称之
为腔模或纵模，并由它构成一个纵模谱，如图 7 所示。这些纵模之间的间隔Δλ和Δν为：
Δλ=λ2/2ngL (6)
Δν=c/2ngL (7)
式中，λ为激射波长；c 为光速；ng 为有源材料的群折射率。
一般的半导体激光器其纵模间隔为 ～1nm，而激光介质的增益谱宽为数十纳米，因
而有可能出现多纵模振荡。然而传输速率高(如大于 622Mb／s)的光纤通信系统，要求半导
体激光器是单纵模的。这一方面是为了避免由于光功率在各个纵模之间随机分配所产生的
所谓模分配噪声；另一方面纵模的减少也是得到很窄的光谱线宽所必须的，而窄的线宽有
利于减少在高数据传输速率光纤通信系统中光纤色散的影响。即使有些激光器连续工作时
是单纵模的，但在高速调制下由于载流子的瞬态效应，而使主模两旁的边模达到阈值增益
而出现多纵模振荡，因此必须考虑纵模的控制。为了得到单纵模，应弄清纵模的模谱，影
响单纵模存在的因素，才能设法得到所要求的单纵模激光器。
图 7 激光器的纵模谱
(a)只有少数纵模；(b)高速调制下的附加纵模。
半导体激光器的有源区材料特性和器件结构都对纵模谱产生影响，以下就一些主要影
响因素进行分析。
1. 自发发射因子的影响
自发发射对半导体激光器的主要影响是：
(1)使 P-I 特性曲线“变软”；
(2)在稳态条件下振荡模的噪声谱和光谱加宽；
(3)阈值以上的边模抑制比下降；
(4)在直接调制下张弛振荡频率降低。
一般来说，半导体激光器有比气体和固体激光器高约 5 个数量级的自发发射因子(10-4)。
由图 8 看出，纵模谱随γ变化很大。当γ＝10-5 时，几乎所有的激光功率集中在一个纵模内，
即单纵模工作；当γ＝10-4 时，只有约 80％的光功率集中在主模上，而其余的由旁模所分配；
当γ＝10-3 时，则有更多的纵模参与功率分配。另一方面，若自发发射因子γ→1(如在微腔情
况)，则出现量变到质变的情况，此时每一个自发发射光子引发出一个受激发射光子，却能
得到很好的单纵模。
图 8 腔长 250μm，输出功率 2mW 的激光器的模谱
(a) γ＝10-3；(b) γ＝10-4；(c) γ＝10-5。
2. 模谱与电流密度的关系
若激光器具有标准腔长(250μm)和典型的γ＝10-4，实验发现，在小于阈值的低注入电流
时，模谱的包络宛如自发发射谱；当电流增加到阈值以上，模谱包络变窄，各纵模开始竞
争，对应于增益谱中心的主模（q=0）的增长速率比邻近纵模快。随电流增加，激光能量向
主模转移，而且峰值波长发生红移现象。根据不同结构的半导体激光器，这种红移量约为
／mA 左右。
3． 器件结构对模谱的影响
侧向有折射率波导的激光器比增益波导结构的激光器表现出更好的纵模特性。图 9 表
示的是波长为 780nm 的两种侧向波导结构的纵模谱。这说明对有源区内载流子限制能力越
强，腔内的微分增益越高，不但横模(包括侧模)特性得到改善，纵模特性同样向单纵模方向
转化。
图 9 折射率波导与增益波导纵模谱的比较
在一般的法布里一珀洛(FP)谐振腔中，各个纵模分量在腔内得到反馈的量是相同的。在
分布反馈(DFB)、分布布拉格反射(DBR)和有外部光栅谐振腔的结构中，谐振腔具有对某一
波长选择反馈的作用，因而有好的纵模特性。图 10 比较的是在 1300nm 波长、侧向折射率
波导的 FP 腔和 DFB 腔的纵模特性。若谐振腔长很短，则纵模间隔很大。其 3dB 增益带宽
内允许振荡的纵模数减少。当主模两边的次模随着腔长的缩短而移出 3dB 增益带宽之外，
则可出现单纵模振荡。
图 10 不同谐振腔结构的纵模谱
(a) FP 腔；(b)DFB 腔。
4． 温度对纵模谱的影响
由于有源层材料的禁带宽度 Eg 随温度增加而变窄，使激射波长发生红移，其红移量约
为 ／℃，与器件的结构和有源区材料有关。借此特性，可以用适当的温度控制来
微调激光的峰值激射波长，以满足对波长要求严格的一些应用。和稳定输出功率一样，如
需要有稳定的工作波长，对半导体激光器需进行恒温控制。图 11 表示温度对峰值波长的影
响。
图 11 温度和功率引起波长红移
三、实验内容及步骤：
1. 测量半导体激光器纵模模谱
a. 将 1550nm FP-LD 控制信号连接至 LD1，设置 LD1 工作模式(MOD)为恒流模式
(ACC)，驱动电流(Ic)置为 0。
b. 将 1550nm FP-LD 光信号连接至光谱分析器，输出狭缝置 。
c. 调节 1550nm FP-LD 驱动电流(Ic)，从 10-40mA 每隔 5mA 测一次 1550nm FP-LD 输
出光谱，波长范围 1500-1600nm，波长间隔 。读取不同驱动电流下的峰值波
长、线宽、边模抑制比。
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。
实验十四 光纤马赫任德干涉测量
一、实验目的：
1. 了解 Mach-Zehnder 干涉型光纤传感器的工作原理和相关特性；
2. 掌握压电材料电致伸缩系数的测量方法；
二、实验原理：
光纤传感器是通过对光纤内传输的光进行调制，使传输光的强度(振幅)、相位、频率或
偏振态等特性发生变化，再通过对被调制的信号进行测量，从而得出被测物理量的一种新型
传感器。光纤传感器的主要优点是灵敏度高，抗电磁干扰，耐腐蚀，电绝缘性好，防爆，光
路可绕曲，便于与计算机连接，便于与光纤传感器系统组成遥测网等，并且具有结构简单、
体积小、重量轻等优点。
光纤传感器按工作原理分为两大类：一是功能型传感器(Function Fiber Optic Sensor)，二
是非功能型传感器(NonFunction Fiber Optic Sensor)。前者利用光纤本身的特性把光纤作为敏
感元件，又叫作传感型光纤传感器或全光纤传感器；后者是利用其它敏感元件感受被测物理
量的变化，光纤仅作为光的传输介质，传输来自远处或难以接近场所的光信号，因此称作传
光型传感器或混合型传感器。
根据对光进行调制的手段不同，光纤传感器又可有强度(振幅)、调制、相位调制、频率
调制、偏振调制、波长调制等光纤传感器。光强度调制型或传光型光纤传感器绝大多数采用
多模阶跃型光纤；相位调制型和偏振态调制型光纤传感器，采用单模光纤。
光纤传感器按被测对象的不同，可分为位移、压力、温度、流量、速度、加速度、振动、
转动、弯曲、应变、磁场、电压、电流、以及化学量、生物医学量等各种光纤传感器。本实
验采用光纤相位调制原理制成的马赫任德干涉型光纤传感器，对压电陶瓷 PZT 在受外压下
的微小位移进行测量。
压电效应是 1880 年法国的皮埃尔℃居里兄弟于水晶(℃-Sio2 石英)上发现的。对某些电介
质施加机械力可引起内部电荷中心相对位移而发生极化，导致电介质两端表面内出现符号相
反的束缚电荷，其电荷密度与外力成比例，该现象称为压电效应(正)。将电场加于压电材料
上，材料产生比例于所加电场强度的机械形变，这种现象称为逆压电效应，是电能转换成机
械能的效应。压电陶瓷 PZT 的线位移量均在微米数量级，采用根据光纤相位调制原理制成
的马赫任德干涉型光纤传感器进行测量，最小可分辨位移达 微米，并可通过测得的微
小位移来计算每伏电压下 PZT 的相对伸缩系数。
激光器 测量臂 光功率计
参考臂
图 1：马赫任德光纤干涉仪
图 1 所示测量仪的核心部分为马赫任德单模光纤干涉仪。根据相位调制原理，激光器发
出的相干光束，经分路器(分束比为 1:1)分成参考臂和测量臂光束，两束光经合波后和在输
出端中发生干涉，输出光强与两臂相位差有关。PZT 用胶水粘在测量臂光纤上，PZT 上引
出正负两根引线，接上电源，随电压的逐步变化 PZT 亦随之伸缩，粘附于 PZT 上的光纤同
样变化，这时测量臂光纤中的光程发生变化，PZT 每伸长(或缩短)一个波长的，则干涉条纹
亦随之移动一个条纹(即明变暗，暗变明)，测出移动条纹数则可求得微小位移℃L 为：
式中： L 被粘贴光纤的长度
m 干涉条纹移动数
n 纤芯折射率， n=
p11 光纤的光弹系数，p11=
p12 光纤的光弹系数，p12=
℃ 泊松比，℃=
根据测出的干涉条纹移动数，就可计算出材料的微小伸长量，则每伏电压下的相对伸
缩系数 R 为：R=℃L/(LV)，V 为加在 PZT 上的电压值。测得所加电压及粘在 PZT 上的光纤
长，就可算出 R。
三、实验装置：
图 2：光纤马赫任德干涉测量实验装置
四、实验内容及步骤：
1. 测试光路准备
a. 按图 3 所示结构连接实验装置。
b. 将函数信号发生器输出(SIG)连接至连接至 M-Z 实验模块，同时将此电压信号输入
示波器的 CH1。
c. 将 InGaAs PIN 光电二极管输出连接至 ， 连接至示波器 CH2。
COD 模式置于 ARX，量程置于 100uA 档，检查无误后打开系统电源。
2. 用 Mach-Zehnder 干涉法测量压电材料电致伸缩系数
a. 设置 SIG 工作模式为三角波(TRI)，输出频率 20Hz，输出信号幅度 Vs 调至±10V。
调节示波器同步 CH1 输入，上升沿出发，观察到稳定的三角波电压信号。
b. 设置 LD1 工作模式(MOD)为恒流模式(ACC)，1550nm 激光器工作于恒流模式下，
调节 LD1 驱动电流(Ic)至 。
c. 置示波器 CH2 于平均值测量状态，微调 1550nm 激光器驱动电流，寻找合适的工
作点，使得示波器 CH2 所示信号最强，按示波器 STOP 键停止数据刷新。
d. 读取干涉信号周期数所对应的电压差值，计算 PZT 线位移量℃L，进而计算该样品
电致伸缩系数。
五、注意事项：
4. 系统上电后禁止将光纤连接器对准人眼，以免灼伤。
L m n p p p n { [( ) ] / } /1 22 12
1
11 12
5. 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。
6. 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。
实验十五 液晶显示器（LCD）电光特性曲线测量
一、实验目的：
1. 了解液晶显示技术的物理基础和相关特性；
2. 掌握液晶显示器件特性参数的测量方法；
二、实验原理：
通常固体加热或浓度减少后可以变成透明液体，其组成原子或分子由整齐的有序排列转
变为无序排列。同样物体随着温度降低或浓度的增加，可以从液体向固体转变，由无序排列
转变为整齐的有规则的排列。
有些有机材料却不是直接从固体变液体，或者液体变固体，而是先经过一个中间状态，
这种中间状态的外观是流动性的混浊液体，但其分子组成单元却转变为整齐、有规则的排列：
每个组成单元都处在一定的位置，规则地排列。这种能在某个温度范围内兼有液体和晶体二
者特性的物质称为液晶，它是不同于通常固体、液体和气体的一种新的物质状态。
物质中基本组成单元非球形结构的很多，从形状上来看，有棒形、盘形等；从结构上看
是复合结构，而它们都具有介于严格的液体与严格的晶体之间的中介相，即液晶。显示技术
应用最广的是由简单的杆形有机分子(即刚性棒状分子)为组成单元的液晶。
液晶由奥地利植物学家莱尼次尔()于 1988 年发现。他在测定有机物的熔点时，
惊奇地发现某些有机物(胆甾醇的苯甲酸脂和醋酸脂)溶化后会经历一个不透明的呈白色浑
浊液体状态，并发出多彩而美丽的珍珠光泽，只有在继续加热到某一温度才会变成透明清亮
的液体；第二年，德国的物理学家莱曼()使用由他亲自设计、在当时最新式的附
有加热装置的偏光显微镜对这些脂类化合物进行了观察，发现这类白色浑浊的液体在外观上
虽然属于液体，但却显示出光学中各向异性晶体特有的双折射特性。莱曼将其命名为“液体
晶体”，这就是液晶名称的由来。
液晶物质基本上都是有机化合物，从其成分和物理条件上可分为热致液晶和溶致液晶。
后者主要在生物系统中大量存在，采用溶剂破坏结晶晶格，而热致液晶是加热破坏结晶品格
而形成的，主要用于显示液晶材料。
液晶一方面具有像液体一样的流动性和连续性，另一方面又具有像晶体一样的各向异性
(在晶格结点上作有规则的排列，即三维有序)，这种液体和晶体之间的中间物质是一种有序
的流体。各类液晶具有不同的结构和性质，液晶分子排列没有晶体结构那样牢固，容易受到
电场、磁场、温度等外部因素影响，使其各种光学性质发生变化。液晶的这种作用微弱的分
子排列正是液晶能开拓广泛应用的关键条件。
液晶是单轴晶体。单轴晶体是只有一个光轴的晶体，三个互相垂直的主轴 x、y、z 沿三
个主轴方向的介电常数εx、εy、εz 有εx=εy≠εz，折射率 nx=ny=nz,nz=ne。在单晶中，z 轴方向称
为光轴方向，o 光和 e 光都是线偏振光，其振动方向互相垂直。由此，液晶具有特别有用的
光学特性。
1) 能使入射光的前进方向向液晶分子长轴即指向矢量 n 的方向偏转
图 1: 射入液晶的光线的前进方向
2) 能改变入射光的偏振状态(线偏振、圆偏振、椭圆偏振)或偏振方向
3) 能使入射偏振光相应于左旋光或右旋光进行反射或者投射。
图 1 为射入液晶的光线的前进方向的变化图，其中图(a)、(b)为光线垂直地入射两个均
匀的各向同性介质界面，即使折射率不同光仍然照直前进。而对图(c)、(d)而言就要考虑到
液晶是各向异性物质，而且还要考虑到液晶的分子轴和入射光线不同的方向，它可分解为垂
直于纸面的偏振光。偏振光分为两部分，一部分的偏振平行分子长轴，另一部分垂直于分子
长轴。平行于分子轴和垂直于分子轴方向的速度只是由 V℃=C℃/n℃，V℃=C℃/n℃所决定，这两
部分光的矢量都与液晶分子长轴垂直，V℃=V℃，光线照直前进，光不发生折射，即是单轴晶
体中的寻常光 o 光。
另一方面，可把入射光的偏振面与纸平面平行光线分成两个部分传播,其一部分偏振面
平行于分子长轴，另一部分偏振面垂直于分子长轴；此时，
V℃=C℃/n℃=Ccosθ/ n℃ V℃=C℃/n℃=Csinθ/ n℃
由于 n℃>n℃，所以 V℃>V℃。所以光速合成方向与液晶长轴夹角变小，光线方向向液晶
分子长轴方向靠拢，这束光即是单轴晶体中的非寻常光 e 光。综上所述，一入射光既可产生
寻常光，也可产生非寻常光，这就说明液晶体中发生了双折射，对液晶而言分子长轴就是光
轴。
液晶之所以作为显示材料有两大特性：
℃可使入射光偏向分子轴方向
℃可使入射光的偏振方向发生改变。
液晶显示器基本结构
两块导电玻璃夹持一个液晶层，封接成一个扁平盒，是液晶显示器的基本结构。不同类
型的液晶显示器件的部分部件可能会有不同，有的不要偏光片，如 TN 型。如图 2，将两片
已光刻好的透明导电电极图案的平板玻璃相对放置在一起，间距约为 7um。四周用环氧树脂
密封制接一个扁平的玻璃盒。但在一个侧面封接边上留下一个开口，通过抽真空将液晶注入，
然后将此用胶封住，再在前后导电玻璃外侧正交地贴上偏振片即构成一个液晶显示器。
图 2： TN 型液晶显示器结构图
由于玻璃盒内侧的定向层作用，夹在中间的液晶分子长轴沿玻璃面并行，并在两片玻璃
基片之间连续扭曲 90°，这种 TN 型排列盒的扭矩远远大于可见光波长。因偏光片有一个固
定的偏光轴，偏光片的作用是只允许振动方向与其偏光轴方向相同的光通过，而振动方向与
偏光轴垂直的光被其吸收，当光源射来的光经过偏振片，变成垂直线偏振光射入液晶盒内的
过程中，就被液晶分子旋转了 90°，呈水平线偏振光，再由水平光轴的检偏器(偏光片)射出，
经反射片反射，按原光路折回射出，呈亮视场。这样光通过检偏器的量的大小，取决于线偏
振光经过液晶盒后的偏振状态，从而控制最后透过检偏器的光状态来实现显示。如图 3 所示。
(a)不通电时光透过 (b)通电时光不透过
图 3： TN 型器件分子排布与透过光示意
然而一旦对 90°扭曲排列的液晶盒施加电压(电场)，液晶分子的长轴就开始向电场方向
倾斜(是极性分子)。当外在电压达到一定值(2Uth)时，分子会沿着电场方向重新排列，从而
导致 90°旋光性消失，因而垂直偏振光无法透过水平光轴的光检偏振片，也就不能被反射，
所以形成暗视场，这就是电光效应。
无外加电压时，将 TN 液晶盒置于两块平行偏光片之间时，光线不能通过；而置于两块
垂直的偏光片之间时，光线就能通过。
有外加电压时，TN 液晶盒在两平行偏光片之间时光线能通过；而在两块垂直的偏光片
之间时，光线不能通过，与不施加电场的情况完全相反。
对于白底黑字型的液晶显示器，上下偏光片是正交放置的，即偏光轴相互垂直，入射自
然光经上偏光片后，变成平面偏振光。在液晶未施加电场时，偏振光将顺着分子的扭曲结构
扭转 90°，振动的方向变成和检偏器(下偏光片)的偏光轴一致，因此可顺利通过检偏器呈亮
视场，处于非显示态。当施加电场时(即加电压到有关电极时)，由于偏振方向与检偏器方向
(光轴)垂直，该液晶盒分子扭曲结构消失，丧失了旋光能力，偏振光无法透过检偏器，呈现
出暗视场，处于显示态。而当电场撤除以后，液晶分子受取向层表面(定向层)的作用，恢复
原来的扭曲状态(排列)，显示器又变得透明。若采用适当的液晶和合适的电压，也可显示中
间色调，即在“全亮”与“全暗”之间产生连续变化的灰度级。这就是液晶的电光效应。
液晶的电光效应是指液晶在外电场下的分子排列状态发生变化，从而引起液晶盒的光学
性质随之变化的一种电的光调制现象。因为液晶具有介电各向异性和电导各向异性，因此外
加电场能使液晶分子发生变化进行光调制；同时由于双折射特性，可以显示旋光性、光干涉、
光散射等特殊的光学性质。
液晶在电场(即外加电压)的作用下将引起投射光强度的变化，其电光特性曲线如图 4 所
示。
正型电光曲线 负型电光曲线
图 4-a：常白型液晶显示器件的电光曲线 图 4-b：常黑型液晶显示器件的电光曲线
如果选择在液晶盒两画放置互相正交的偏振片，在不加外加电压时，投射光强度最大，
随外加电压的增加，它的投射光强度开始减弱，当外加电压达到一定值 Uth 时，投射光强度
下降速率陡增(加快)；而达到 US 值时，可近似认为投射光强度最小(10％)，即扭转结构消失，
丧失旋光能力，如图 4-a 所示。如果选择在液晶盒两面放置平行偏光片，在未加外加电压时，
或外加电压的值小于—定值(Uth )，投射光强度几乎不发生变化(很小)；而当外加电压超过一
定值(Uth )时，投射光强度开始逐渐增大(变化较快)；而当外加电压增大到—定数值(US)后，
投射光强度达到最大值以后，投射光的强度不随外加电压变化，如图 4-b 所示。
引起投射光强度明显变化的起始电压称为阀值电压(Uth )，正型电光曲线 90％，负型电
光曲线 10％，标志了液晶电光效应可观察透视光强度变化（±10％)驱动电压的有效值。它
的值越小，则显示器的工作电压越低。TN 型一般为 2V 左右，动态散射型(DS 型)为 7V 左
右。
液晶显示器亮度变化达到最大变化量的 90％时驱动电压的有效值称为饱和电压 US，标
志着显示器得到最大或最小对比度的外加驱动电压有效值，US 小易获得良好的显示效果，
功耗低。
液晶显示器是被动发光型器件，不能用亮度去标定显示效果，只能用对比度。
对比度 Cr=Tmax 最大投射光强度/Tmin 最小投射光强度
图 5：对比度和视觉的关系
通常用陡度β来描述电光曲线的变化斜率(坡度)：
β= US/Uth
β表示阀值和饱和电压的比值，β值愈小，US 和 Uth 愈近；β值愈大，US 和 Uth 愈远。一
般 TN 液晶显示器：β=～。
电光曲线中，透射光强度从 10％到 90％之间所需时间(负型电光曲线)称为上升时间 Tr，
对正型电光曲线，则为下降时间 Td。
三、实验装置：
图 6： LCD 电光特性曲线测量实验装置
四、实验内容及步骤：
1. 按图 6 放置并固定各光学器件，各器件通光孔等高同轴。
2. 按以下要求连接线路：
a) 将 635nm 半导体激光器控制端口连接至主机半导体激光控制器输出（LD1）；
b) 将 TN 液晶盒驱动电压输入连接至主机函数信号发生器输出(SIG)；
c) 将 Si 光电二极管电流输出连接至主机光电信号检测器输入（PD）。
3. 打开主机电源，按以下要求设置参数：
a. 设置 LDC 工作模式(LDCMOD)为恒流模式(ACC)，调节 LDC 驱动电流(Ic)至
。
b. 设置 SIG 工作模式为方波输出(SQU)，输出信号频率 Fs 调至 32Hz，输出信号幅度
Vs 调至 0V。
c. 设置 OPM 工作模式为直流电流计模式(PD/mA)，量程(RTO)切换至 1mA；
4. 暂时移开液晶盒，微调各器件位置，使激光光束照射到 Si-PD 受光面的中心。将起偏器
光轴调至与水平面成 45°夹角。观察 PD 输出，将检偏器光轴调至与起偏器平行。将液
晶盒重新固定到位。
5. 由 0V 开始增加液晶盒驱动电压 UTN，每隔 测一个点，直至 5V 结束，记录各电压
下的探测器电流 IPD，数据归一化后作 T～U 曲线，即 LCD 电光特性曲线，求阈值电压、
饱和电压、最大对比度。
五、注意事项：
4. 系统上电后禁止激光束对准人眼，以免灼伤。
5. 光学器件的通光面除专用清洁布外禁止用手触摸或接触硬物。
数据表格：
UTN（V） 0 …
IPD（uA）
T（%）
实验十六 辉光放电与等离子体显示（PDP）
一、实验目的：
3. 了解辉光放电与等离子体显示器件的物理基础；
4. 掌握辉光放电与等离子体显示器件相关特性参数的测量方法；
二、实验原理：
等离子显示器(PDP) 出现于 20 世纪 60 年代，属于冷阴极放电管，利用加在阴极和阳极
间的电压，激励气体等离子产生辉光放电来显示图像。20 世纪 90 年代诞生了等离子全彩色
显示器，它通过气体放电发射的真空紫外线，再去激活屏幕上的红、绿、蓝三基色荧光粉，
实现彩色显示，放电气体一般都选用含氙的稀有混合气体。
电流通过气体的现象称为气体放电或导电，图 1 所示为气体放电的伏安特牲曲线。
图 1： 气体放电的伏安特性
OA 段：极间电压很低，空间带电粒子浓度末变，未产生明显放电现象，主要由漂移运
动而形成。放电电流与离子迁移速度成正比(即正比电压)。
AB 段：极间产生所有带电粒子，电流饱和不变(两端电压增加)。
BC 段：极间电压增加，电子碰撞电离，汤生放电(非自持暗放)。电流增大。
CD 段：极间电压为 Vf，电流迅速增大，产生微弱闪光辐射，C 点电压 Vf 为击穿电压，
或着火电压，CD 段自持暗放电。
DE 段：若 R 选择过小，电流急剧增大，产生较强辉光辐射，为不稳定过渡区域。
EF 段：极间电压几乎稳定，进入正常辉光放电区域，电流陡增。
FG 段：极间电压增加，电流继续增加，辉光布满整个阴极表面，进入反常辉光放电区
域，阴极出现溅射现象。
GH 段：R 减小，放电电流急速增大，极间电压迅速下降，马上进入弧光放电，也称为
反常辉光放电。
等离子体显示器件按工作方式分为直流、交流和交直流混合三种类型。
直流等离子体显示板（DC-PDP）的阴极和阳极直接暴露在气体放电空间，工作时，在
电极上加直流脉冲电压，使气体放电发光。图 2 是 DC-PDP 早期的代表性器件，图 3 是
DC-PDP 矩阵结构，都采用刷新工作方式。
图 2：直流气体放电管 图 3：矩阵结构 DC-PDP
彩色 AC-PDP 的发光过程包括两个过程：气体放电过程和荧光粉发光过程。气体放电
过程利用稀有混合气体在外加电压的作用下产生放电，使原子受激而跃迁，发出真空紫外线，
紫外线激发荧光粉再发射出可见光。
AC-PDP 和 DC-PDP 在结构上的最大区别，是在电极上覆盖了介质层：此介质层可以把
电极与放电等离子体隔开，限制放电电流无限增大，同时保护电极，限流电阻无需在每个单
元上都制作，此外，还可以把气体放电产生的电荷存储在介质壁上，有利于降低放电的维持
电压。
图 4：AC-PDP 的驱动波形和壁电荷的变化
以对向放电型结构为例，AC-PDP 的放电过程在两组电极之间进行。图 5 所示为电极交
流驱动波形和相应的壁电荷的变化情况。在电极间加维持脉冲时，因其电压幅度 VS 小于着
火电压 Vf，故此单元不发生放电，当在维持脉冲间隙加上一个幅度大于着火电压 Vf 的书写
脉冲 Vwr 后，该单元开始放电发光。放电形成的正离子和电子在外电场的作用下，分别向瞬
时阴极和阳极移动，并在电极表面涂盖的介质层上累积形成壁电荷，从而形成壁电压 VW，
其方向与外加电压方向相反。因此，这时加在单元上的电压是外加电压 V 和壁电压的叠加，
当其低于维持电压下限时，放电过程就会暂时停止。而当电极外加电压反向后，该电压与壁
电压同向，叠加后的幅度大于 Vf 时，又会放电、发光，然后又重复上述过程。单元一旦放
电着火，就可由维持脉冲电压维持放电，所以 AC-PDP 具有存储性。如果需已发光单元停
止放电，可在维持脉冲间隙施加一个擦除脉冲 Ve，脉宽比维持脉冲窄得多(或电压低)，使气
体产生一次微弱放电以中和壁电荷，使放电过程结束。AC-PDP 在维持脉冲的每个周期内产
生两次放电发光，即继续发光。因此，维持脉冲的频率在 10kHz 以上时，AC-PDP 每秒钟至
少发光 20 万次，这已超过人眼视觉的极限频率(闪烁频率 50Hz)。彩色 AC-PDP 利用混合稀
有气体放电产生紫外线来激发三基色荧光粉发光，这与荧光灯的发光原理相似。稀有混合气
体的组成成分、配比、充气压强和荧光粉材料的发光特性对 AC-PDP 的亮度、发光效率和
色纯有很大的影响。因此，着重在于合理选择放电气体的组成部分。一般采用三元混合气体，
如(He-Ne-Xe)氦-氖-氙。而采用的荧光粉是用真空紫外线激发的光致荧光粉，具体要求：℃
在真空紫外线的激发下，发光效率高；℃色饱和度高，色彩多；℃余辉适宜；℃稳定性好；℃
涂覆性能好；℃真空性能良好。彩色 AC-PDP 要实现图像的显示，首先需对显示屏上的显示
单元根据显示数据进行选择，即寻址。选择要点亮的或不点亮的单元，在要点亮的单元中形
成或保留壁电荷到维持期，使维持放电得以进行。在维持期，积累了壁电荷的单元就会发生
维持放电，实现图像的显示。数据信号加在寻址电极 A 上，用来对矩阵单元进行寻址放电(x
电极和 y 电极组成矩阵单元，它们作维持电极)。
图 5： 彩色 AC-PDP 的主要部件
AC-PDP 的结构如图 5 所示。其主要部件的功能和技术要求如下：
1．前后基板
基板玻璃是 AC-PDP 各个部件的载体，除了要求其表面平整外，彩色 AC-PDP 基板玻
璃的热稳定性对 AC-PDP 的性能质量起着非常重要的作用。为了提高 AC-PDP 基板的热稳
定性，基板目前广泛采用 PDP 专用的钠钙玻璃，要求玻璃应变点的温度高，热膨胀系数与
电极和介质材料相匹配。
2．透明电极
为了减少对荧光粉发出可见光的阻挡，显示电极一般采用复合式的电极结构，即显示电
极由较宽的透明电极和较细的金属电极构成。可采用氧化铟锡薄膜和 Sn02 薄膜。要求可见
光透过率高、电导率高、刻蚀性能优良，与玻璃基板的附着力强。
3．汇流电极
为了使透明电极在长时间的工作中导电性能保持不变，可在透明电极上加做一条金属电
极，常用厚膜 Ag 电极，要求导电性能好，与透明导电薄膜附着力强，宽度较窄(小于
10um)。
4．寻址电极
AC-PDP 的数据信号加在寻址电极上，用来对矩阵单元进行寻址放电。常用的寻址电极
材料为厚膜 Ag 电极，要求其导电性能好，与基板玻璃的附着力强。
5．介质层
在 AC-PDP 中，前后基板的电极上都涂覆有介质层，介质材料的选择应根据所使用的
电极材料以及对绝缘性、透过率等的要求来选取。由于电极间加有较高的电压，对前基板的
介质层，要求可见光的透过率高、耐电压、击穿强度高；对后基板的介质层，要求反射率高，
与玻璃的附着牢固。
6．介质保护膜
AC-PDP 中介质保护膜的作用是延长显示器的寿命，增加工作电压的稳定性，并且能够
显著降低器件的着火电压，减少放电的时间延迟。要求二次电子的发射系数高，表面电阻率
及体电阻率高，耐粒子的轰击，与介质层的膨胀系数相接近，放电的延迟小。
7．荧光粉层
荧光粉层的作用是将紫外线转变为可见光实现彩色显示。要求发光效率高，色彩的饱和
度高，厚度均匀。
8．放电气体
用于产生紫外辐射，要求着火电压低，真空紫外光谱辐射强度高，可见光强度低。
9．障壁
在 AC-PDP 的器件中，障壁的作用主要有两点：一是保证两块基板问的放电间隙，确
保一定的放电空间；二是防止相邻单元间的光点缠绕。对障壁的要求是高度一致、形状均匀，
障壁宽度应尽可能的窄，以增大单元的开口率，提高器件的亮度。制作障壁的材料一般选用
低熔点的玻璃，其热膨胀系数应与基板玻璃相匹配。
三、实验装置：
图 6： PDP 实验装置
四、实验内容及步骤：
1. 将辉光放电管固定于光学平台之上，将光电二极管（Si-PD）正对放电管固定，要求 Si-PD
受光面距离显像管屏幕小于 25mm。
2. 按以下要求连接线路：
a 使用转接端子串联连接主机高压电源输出（HVS）、PD、放电管；
3. 打开主机电源，按以下要求设置参数：
a. 设置 OPMMOD 为直流电流计模式(ADC)，量程(RTO)切换至 10mA；
4. 由 0V 开始缓慢增加驱动电压 U，同时观察 PD 输出，当放电电流出现明显增大时，记
录此时的阳极电压，此即着火电压 Vf。
5. 将驱动电压调至 200V，由 200V 开始降低驱动电压，同时记录放电电流（PD，忽略符
号），每隔 测一个点，直至放电电流为零或不再减小。辉光放电管阳极内部已串
联 10KΩ负载电阻，代入此数据，计算各放电电流所对应的极间电压，作辉光放电区内
的伏安特性曲线。
6. 改接线路，主机高压电源输出（HVS）直接连接至放电管，光电二极管（Si-PD）输出
连接至 PD，重复上一过程，记录各放电电流所对应的输出光强（PD），作辉光放电区
内的 P～I 特性曲线。
五、注意事项：
系统内含有高压电路，上电后注意安全。
数据表格：
放电电流 I
（mA）
0
控制电压 U（V）
极间电压 Ua
（V）
发光强度 P
（uA）
放电电流 I
（mA）
控制电压 U（V）
极间电压 Ua
（V）
发光强度 P
（uA）
放电电流 I
（mA）
.8
控制电压 U（V）
极间电压 Ua
（V）
发光强度 P
（uA）
实验十七 多碱光电阴极光谱响应与极限电流密度测量
一、实验目的：
了解辐射图像光谱变换的工作原理及相关特性；
掌握光电阴极相关性能参数的测量方法；
二、实验原理简介：
辐射图像的光谱变换必须通过由光学图像转换为电子图像的过程才能实现，获得增强
的可见光学图像也必须首先完成光学图像向电子图像的转换过程。辐射图像的光电转换是
像管工作的基础。在像管中实现辐射图像光电转换环节的是光阴极。
光电发射现象是赫兹于 1887 年在做电磁振荡的研究中首先发现的，由此开拓了外光电
转换技术。目前公认的理论模型是三步过程模型。即把光电发射的物理过程分为三步：
℃ 光电发射体内的电子被入射光子激发到高能态；
℃ 受激电子向表面运动，在运动的过程中因碰撞而损失部分能量；
℃ 到达表面的受激电子克服表面电子亲和势而逸出。
光谱响应特性是指响应能力随入射波长的变化关系。光阴极的光谱响应特性决定了像
管应用的光谱范围。像管的光谱响应特性通常用光谱响应率、量子效率、光谱特性曲线和
积分响应率(简称响应率)来描述。
光谱响应率是像管对单色入射辐射的响应能力，积分响应率是像管对全色入射辐射的
响应能力，它们分别以 Rλ和 R 表示。在实际应用中，像管接收的往往不是单色辐射，而是
某一光源的全色辐射，所以积分响应率更具有实际意义。
根据响应率的定义——入射辐射功率所产生的输出光电流，则
考虑到
式中，P 为入射辐射功率，I 为输出信号电流，Pλ为单色辐射功率，Rλ为光阴极光谱响
应率，P(λ)为单色辐射功率相对值, R(λ)为光阴极相对光谱响应率, Pm 为单色辐射功率最大值,
Rm 为光阴极光谱响应率最大值。所以
设
则 R＝aRm
其中 a 称为光谱匹配系数，它反映了在像管响应的波长范围内，光源与光阴极，荧光
屏与光阴极及荧光屏与人眼光谱光视效率的分布之间的吻合程度。如果匹配良好，就能获
得高的整管响应度，光谱匹配系数是选择像管各级材料的重要依据。
实用的光阴极种类很多，通常以其敏感的光谱范围来分类，国际电子工业协会采用 S
系列序号来命名各种实用光阴极的光谱响应特性。
图 1：近红外及可见光敏感的光阴极的光谱响应特性
光阴极接受辐射进行图像转换时，所产生的光电发射电流密度将受到空间电荷效应的
限制，光电发射存在极限电流密度。这一现象可做如下解释：
光阴极维持光电发射依赖于光阴极的真空界面有向内的电场场强。这一电场是由电子
光学系统提供的。光阴极的光电发射将产生空间电荷。此空间电荷所形成的附加场与电子
光学系统的电场方向相反。随着光电发射电流密度的增大，空间电荷的电场会增加到足以
抵消电子光学系统提供的电场。如果忽略光电子的初速度，当光阴极面的法向场强为零时
光电发射就受到抑制。这时像管的光电发射将呈饱和状态。这一电流密度称之为极限光电
发射电流密度。
根据上述条件，可以导出极限光电发射电流密度公式。以像管光阴极面的中心为原点，
坐标的 X 轴垂直于光阴极面，Y 轴和 Z 轴沿光阴极面。在此坐标的(x，0，0)点处取一微小
体积 dV＝dxdydz。穿过这一微小体积的电力线通量ΔN 为
式中，E(x)是像管电子光学系统产生的轴向电场强度分布函数。
令像管光电发射的空间电荷密度为ρ(x)。如果该电荷密度产生的附加轴向电场刚好等
于 E(x)时，则达到极限工作状态。根据高斯定理可得到
式中，ε0 是真空的介电常数。
将光电发射的电荷密度σ(x)用光电发射的电流密度 J(x)来表示。根据连续均匀的光电发
射条件可得到下式:
式中，ν(x)是光电子的速度。将上两式合并，得到：
由于 E(x)和ν(x)都可由像管的电位分布函数 U(x)来表示，将
代入，可得
这是发射光电流时电场电位分布的微分方程。求解该方程，可得：
此式就是连续工作状态下光电发射的极限电流密度公式。若像管在脉冲状态下工作，
并且工作脉冲持续时间小于光电子在像管中的渡越时间，这时像管的空间电荷不存在平衡
稳定状态，此式不适用。
用锑与一种以上碱金属结合可获得比单碱锑铯光阴极更高的量子效率，其中有双碱的
(如 Sb-K-Cs、Sb-Rb-Cs)，三碱的(如 Sb-K-Na-Cs)和四碱的(如 Sb-K-Na-Rb-Cs)等，统称为多
碱光阴极。这类光阴极在可见光波段有很高的量子效率，其峰值量子效率接近 30％。
Sb-K-Na-Cs 多碱光阴极其组成可用(Cs)NaKSb 表示，系一晶粒尺寸平均约为 ～
的多晶薄膜。如制成透射式光电阴极时，其厚度约为 100nm。表面吸附有单原子铯
层。它有和锑铯光阴极相接近的电子亲和势，却有比锑铯光阴极远小的禁带宽度，因而
Sb-K-Na-Cs 光阴极不仅量子效率高，而且有宽得多的光谱响应范围，其长波阈已扩展至近
红外区域。
三、实验装置：
图 2：光阴极光谱响应特性和极限电流密度测量光路图
四、实验内容及步骤：
1. S-25 光阴极极限电流密度测量
按图 2 所示结构放置各光学器件，并调节支架高度至各光学器件等高同轴。
将卤素灯驱动端连接至直流稳压电源输出 (DCS)，输出电压调至 0V。
将增像管阴极连接至 PD1，阳极连接至功率信号源输出 PSG，置 PSG 于高压电源模式
(HVS)，输出电压调至 1500V。
将 Si-PD 信号输出连接至 ，测量时注意选择合适量程。
将红色滤光片放入光路，从 0V 开始设置 DCS 输出电压 V，记录 PD1 读数 I。
0V 至 12V 每隔 测一个点，记录相应的光源电压 V 和阴极电流 I
作 I～V 曲线，求该波长下极限电流密度。
将绿色滤光片放入光路，重复以上过程，分析 S-25 光阴极光谱响应特性。
实验十八 微光像增强器电子透镜调节与增益测量
一、实验目的：
1. 了解电真空成像器件的工作原理；
2. 掌握微光像增强器性能参数的测量方法；
二、实验原理简介：
利用光增强技术的直视微光夜视系统大大改善了人眼在微光下的视觉性能，它能在极
低照度下(10-4lx)完全“被动”工作，克服了主动红外夜视系统自身容易暴露的弱点，在军事上
得到重点发展和广泛应用。这种夜视系统的核心部分就是微光像增强器，其作用是将微弱
的光学图像亮度增强到可供人眼进行观察的程度。
微光像增强器是高真空直接成像器件，一般由带光电阴极层(光敏面)的输入窗、带荧光
粉层(发光面)的输出窗、电子光学成像系统和高真空管壳组成，图 1 为其结构示意图。
图 1：微光像增强器结构示意图
光电阴极将光学图像转换为电子图像，电子光学成像系统(电极系统)将电子图像传递到
荧光屏，在传递过程中增强电子能量并完成电子图像几何尺寸的缩放，荧光屏完成电光转
换，即将电子图像转换为可见光图像，图像的亮度已被增强到足以引起人眼视觉，在夜间
或低照度下可以直接进行观察。微光像增强器管的输入、输出窗一般由光学玻璃或光纤面
板制成。
旋转对称电磁场具有聚焦成像性能，像管光阴极发出的电子图像是通过电子光学系统
的作用聚焦成像到输出像面上并完成电子图像的能量增强。这种能形成旋转对称电场、磁
场或复合电磁场的电子光学系统中的电极系统和(或)磁场系统称为电子透镜。电子透镜按场
的情况分为静电透镜、磁透镜和复合透镜。
最常见的静电透镜按轴上电位分布形状不同可以分为膜孔透镜、单透镜、浸没透镜和
阴极透镜四大类：
膜孔透镜两旁的电位不是常数，而随 z 变化。这种透镜的结构简单，它是一块薄的膜
片，上面开一个很小的圆孔。膜片隔开两个不同的但恒定的电场，即在膜片的两侧分别具
有线性上升或下降的电位区域，如图 2 所示。在特殊情况下，膜片的一侧具有恒定电位，
即电场强度为零。单独一个圆孔光阑并不能组成一个透镜，在它的两侧必须有其他(或辅助)
电极存在，才能保证两侧形成一定的电场，产生透镜作用。
图 2：膜孔透镜结构示意图
单透镜两旁的电位为常数，且数值相等，这种透镜近似于两侧与空气相邻的单个光学
会聚透镜。单透镜一般由三个同轴的圆筒形电极(或膜片)组合而成，其电场分布如图 3 所示。
通常，三个电极的组合形状是对称的。在这种透镜的两侧具有相同而恒定的电位。由于外
侧电极的电位相同(V1＝V3)而中央电极的电位 V2 为零，因此只需一个电位就能工作，这种
透镜又称为单电位透镜。不论两侧电位是大于还是小于中央电位，单透镜都是会聚的。
图 3：单透镜电位分布及电子轨迹
浸没透镜的两侧有恒定的电位，但数值不同，即电子光学折射率不同。这种透镜类似
于光学中为提高透镜分辨力而将光学透镜一侧浸没于油中的情况。大多数浸没透镜由两个
圆筒形电极组成，也可以用两个膜片或一个圆筒与—个膜片组合而成。所有的浸没透镜，
不论 V1<V2 或 V1>V2，都是会聚的。
阴极透镜透镜的一边有一垂直于对称轴的，通常电位为零的阴极。除阴极外，它还有
两个膜孔电极：—个是较阴极电位为负的调制极，一个是较阴极电位高很多的加速极。这
种透镜也是会聚的。任何窄束电子束管的电子枪中，必有一个阴极透镜。
微光像增强器的性能参数包括光电参数(如光电阴极灵敏度、增益)、图像传递性能参数
(如放大率、分辨力、传函)和噪声参数等。带电源的像管组件还有自动光亮度控制特性和最
大输出光亮度性能。
1．光通量增益 GФ
用色温为 2856K 土 50K 的钨丝白炽灯照射像管的光电阴极，荧光屏输出的光通量ФO 与
输入到光电阴极的光通量Фi 之比即为光通量增益，即：GФ=ФO/Фi
2．光亮度增益 GL
用色温为 2856K 土 50K 的钨丝白炽灯照射像管的光电阴极，荧光屏的法向输出光亮度
LO 与光电阴极输入光照度 Ei 之比即为光亮度增益，即：
GL=LO/Ei (cd·m-2·lx-1)
3．暗背景光亮度和等效背景光照度
光电阴极无光照时，处于工作状态的像管荧光屏上的输出光亮度称为暗背景光亮度。
像管的暗背景用等效背景光照度 Ee 表示。Ee 是产生和暗背景相等的输出光亮度在光电
阴极上所需的输入光照度。
4．放大率和畸变
像管的放大率是荧光屏上输出像的几何大小与光电阴极上输入像的几何大小之比。像管
的畸变是距离光电轴中心不同位置处各点放大率不同的表征。
5．分辨力和调制传递函数
分辨力是指像管分辨相邻两个物点或像点的能力。如果把矩形波空间频率图样投射到光
电阴极上，分辨力即可用在荧光屏上能分辨的最高空间频率表示。
调制传递函数 MTF 是荧光屏上输出的正弦波图样的调制度 MO (ν)与光电阴极上输入的
正弦波图样的调制度 Mi (ν)之比。ν为正弦波图样的空间频率(lp／mm)。
6．光生背景
在有光输入时，处于工作状态的像管荧光屏上存在的随入射光强弱而变化的那部分附加
光亮度，称为光生背景。将光电阴极的中心用一个不透明的圆片遮掩，并均匀照明光电阴极，
荧光屏中心会出现一个暗斑，暗斑处的输出光亮度与取掉不透明圆片、用同一光源均匀照明
光电阴极时荧光屏中心处的输出光亮度之比，即表示光生背景的大小。
7．信噪比
信噪比是评定像管成像质量的综合指标。像管在规定的工作条件下输出的信号与噪声之
比即为信噪比。像管的噪声源主要是：由暗背景、光生背景引起的固定背景噪声；由于光子、
光电子的量子特性引起的涨落量子噪声；由于微通道板等增益机构引起的增益噪声；由于荧
光屏颗粒结构引起的颗粒噪声。
8．自动光亮度控制(ABC)特性和最大输出光亮度(MOB)
像管的自动光亮度控制是带电源的像管组件的特性。当输入光照度大于某一规定值时，
输出光亮度与输入光照度之间呈非线性关系，输出光亮度曲线的最大值称为最大输出光亮度。
三、实验装置：
图 4：增像管电子透镜调节与增益测量光路图
四、实验内容及步骤：
微光像增强器电子透镜调节
按图 4 所示结构放置各光学器件，并调节支架高度至各光学器件等高同轴。
将增像管阴极连接至 GND，阳极连接至功率信号源输出 PSG，置 PSG 于高压电源模式
(HVS)，输出电压调至 1000V。
交替调节镜头焦距和 PSG 电压，使增像管输出图像最清晰。
纪录此时 PSG 输出电压 V，记录增像管水平分辨力。
微光像增强器增益测量
a. 移去镜头，将 Si-PD 置于增像管输入窗前，纪录 PD1 读数 Pi。
b. 将 Si-PD 置于增像管输出窗后，纪录 PD1 读数 PO。
c. 计算增像管光通量增益 GФ。
实验十九 CCD 信号采集与处理
一、实验目的：
了解电荷耦合器件的工作原理及相关特性；
掌握线阵 CCD 信号采集与处理方法；
二、实验原理简介：
电荷耦合器件(Charge—Coupled Devices)简称 CCD，是 1970 年由美国贝尔实验室首先
研制出来的新型固体器件。它是受磁泡存贮器的启发，作为 MOS 技术的延伸而产生的一种
半导体器件。一般把它与电荷注入器件(CID)、电荷引动器件(CPD)、自扫描光电二极管列
阵(SSPD)等器件一起统称为电荷传输器件或电荷转移器件。这类固体器件具有体积小、重
量轻，灵敏度高、寿命长、低功耗、动态范围大等优点，因而受到人们的重视，并在许多
领域获得广泛的应用。
以往的双极和单极型半导体器件的工作原理是以在热平衡状态下工作为基础的，而
CCD 则是用处于热非平衡状态的势阱来进行电荷存贮和转移的。它具有独特的工作机理，
运用先进的硅技术获得多种复合机能。随着超大规模集成电路技术的发展，CCD 已发展成
为强有力的多功能器件。
CCD 作为一种多功能器件，有三大应用领域：摄像、信号处理和存贮。特别是在摄像
领域，作为二维传感器件，CCD 与真空摄像器件相比，具有无灼伤，无滞后，体积小，低
功耗、低价格、长寿命等优点。广播级电视摄像机中，CCD 摄像机已接近与真空器件摄像
机“平分秋色”。而在闭路电视、家庭用摄像方面，CCD 摄像机则呈现出“一统天下”的趋势。
在工业、军事和科学研究等领域中的应用，如方位测量、遥感遥测、图像制导，图像识别
等方面更呈现出其高分辨力，高准确度，高可靠性等突出优点。二维 CCD 都是做成平面型
的，对使用者所提出的要求具有更大的适应性。因而，CCD 成像器件又是目前红外探测技
术发展的重点。此外，一维线阵 CCD 也在传真、光学符号识别及自动精密测量等方面发挥
着越来越重要的作用。
CCD 是基于 MOS(金属—氧化物—半导体)电容器在非稳态下工作的—种器件， 由一
行行紧密排列在硅衬底上的 MOS 电容器列阵构成，具有存贮和转移信息的能力，又称为动
态移位寄存器。CCD 的电荷转移基于 MOS 电容之间的耗尽层耦合。
图 1：CCD 结构模型
考察两个间隔较大的 MOS 电容器，在两个金属栅极之间没有被金属覆盖那部分的氧化
物下的表面势，将由氧化层上面的情况、固定氧化物电荷 Q，及衬底掺杂浓度等确定。因
此，在这种情况下，不可能使一个 MOS 电容器中存贮的信息电荷转移到另一个 MOS 电容
器中。但是，当两个金属栅极彼此足够靠近时，其间隙下的表面势将由两个金属栅极上的
电位决定，从而就能够形成两个 MOS 电容器下面耗尽层的耦合，使一个 MOS 电容器中存
贮的信号电荷转移到下一 MOS 电容器中去。
当 CCD 工作时，可以用光注入或电注入的方法向势阱注入信号电荷，以获得自由电子
或自由空穴。势阱所存贮的自由电荷通常也称为电荷包。在提取信号时，需要将电荷包有
规则地传递出去，即进行电荷的转移。
CCD 的电荷转移是利用耗尽层耦合原理，即根据加在 MOS 电容器上的栅极电压越高，
产生的势阱越深的事实，在耗尽层耦合的前提下，通过控制相邻 MOS 电容器栅压的高度来
调节势阱的深浅，使信号电荷由势阱浅的位置流向势阱深的位置。CCD 中电荷的转移必须
按照确定的方向。为此，MOS 电容器列阵上所加的电位脉冲必须严格满足相位时序要求，
使得任何时刻势阱的变化总是朝着一个方向。
图 2：三相 CCD 的电荷转移过程及时钟脉冲波形
上图为三相 CCD 电荷转移过程原理图和电位脉冲时序波形图。当电荷从左向右转移时，
在任何时刻，当存贮有信号电荷的势阱抬起时，与之相邻的右边的势阱总比该势阱深，这
样才能保证电荷始终朝右边转移。为此，通常在 CCD 的 MOS 列阵上将几个相邻的 MOS 电
容器划分为一个单元而无限循环，每一单元称为一位。将每一位中对应位置上的电容栅极
分别连在各自共同的电极线上，称之为相线。一位 CCD 中包含的电容器个数即为 CCD 的
相数，每相线连起来的电容器的个数即为 CCD 的位数。
线阵 CCD 摄像器件也称为 LCCID，其结构可分为单边传输与双边传输两种形式，工作
原理相仿，但性能略有差别。在同样光敏元数情况下，双边转移次数为单边的一半，总的
转移效率比单边高；光敏元之间的最小中心距也可比单边的小一半。双边传输的唯一缺点
是两路输出总有—定的不对称。
图 3：线阵 CCD 摄像器件
以单边传输器件为例说明线阵 CCD 工作原理。图 4 是一个有 N 个光敏元的线阵 CCD
摄像器件。器件由光敏区、转移栅、模拟移位寄存器(即 CCD)、电荷注入电路和信号电荷
读出电路等几部分组成。器件的工作过程可归纳为积分、转移、传输、读出、计数等五个
工作环节。这五个环节按—定时序工作，相互有严格的同步关系，并是个无限循环过程。
图 4 为工作波形图。
图 4：LCCID 工作波形
(1)积分：在有效积分时间里，光栅如为高电平，每个光敏元下形成势阱。入射在光敏
区的光子，在硅表面一定深度范围激发电子-空穴对。空穴被驱赶到半导体体内，光生电子
被积累在光敏元的势阱中。势阱中电荷包的大小，与入射到该光敏元的光强成正比，也与
积分时间成正比。所以，经过一定积分时间后，光敏区就对应入射光图像形成电荷包构成
的“电像”。在积分阶段，转移栅是低电平而使光敏区与 CCD 隔开。这样，就保证了光敏区
的正常积分及 CCD 将前一积分周期的信号正常转移和读出。
(2)转移：这里的转移是指将 N 个光信号电荷包从光敏元并行转移到所对应的那位 CCD
中。为了避免转移中可能引起的信号损失或混淆，光栅、转移栅及 CCD 四相驱动脉冲电压
的变化应遵照一定的时序。
(3)传输：信号电荷包的传输是在转移过程结束之后开始的。N 个信号电荷包依次沿着
CCD 串行传输。每驱动一个周期，各信号电荷包向输出端方向转移一位。第一个驱动周期
输出的为第一个光敏元的信号电荷包；第二个驱动周期输出第二个光敏元的信号电荷包；
依次类推，第 N 个驱动周期传输出来的为第 N 个光敏元的信号电荷包。
(4)计数：计数器用来记录驱动周期的个数。由于每一驱动周期读出一个信号电荷包，
所以，只要驱动 N 个周期就完成了全部信号的传输与读出。但考虑到“行回扫”时间的需要，
应过驱动几次。故计数器的预置值通常定为 N+m 次，其中 m 为根据具体要求确定的过驱动
次数。每当计数到预置值时，表示前一行的 N 个信号已全部读完，新一行的信号已经准备
就绪，计数器产生一个脉冲，开始新的一行信号的“转移”、“传输”。计数器重新从零开始计
数。
(5)读出：输出电路的功能在于将信号电荷转换为信号电压并读出。
线阵 CCD 摄像器件有着难以克服的缺点，即信号积累时间太短，在每帧时间内，对每
个像元来说仅有一行扫描时间的积累。因此为增加信号积累，应该采用面阵器件。
三、实验装置：
图 5：单模光纤数值孔径测量光路图
四、实验内容及步骤：
实验装置连接
a. 按图 5 所示结构放置各光学器件，并调节支架高度至各光学器件等高同轴。
b. 将单模光纤出射端用夹具固定。
c. CCD 正对单模光纤出射端放置，距离 50mm。
d. 卤素灯驱动端连接至 DCS 和 GND，CCD 电源连接至 DCS 和 GND，CCD 输出信
号连接至示波器。
单模光纤数值孔径测量
DCS 置 12V，调节光纤夹具，使得光束中心对准 CCD 中心。
调节示波器，观察到稳定的 CCD 信号。
纪录信号波形，求单模光纤数值孔径。
实验二十 CCD 光电摄像系统特性测量
一、实验目的：
1. 了解面阵 CCD 的工作原理及相关特性；
2. 掌握 CCD 光电摄像系统性能参数的测量方法；
二、实验原理简介：
电荷耦合摄像器件是 CCD 的重要应用领域，由 CCD 构成的摄像器件体积小，重量轻，
功耗小，坚固可靠，低压供电，价格低廉，深受各行各业用户越来越广泛的青睐。
面阵 CCD 摄像器件简称为 ACCID。常见的面阵 CCD 摄像器件有两种结构：行间转移
结
构和帧／场转移结构。
1．行间转移结构(ILT-CCD)
图 1：行间转移结构
行间转移结构如上图所示。在行间转移结构中，采用了光敏区与转移区相间排列方式，
相当于将若干个单边传输的线阵 CCD 摄像器件按垂直方向并排，再在垂直列阵的尽头(上方)
设置一条水平行 CCD 而构成。水平行 CCD 的每一位与垂直列 CCD 一一对应，相互衔接。
当器件工作时，水平行 CCD 的传输速率为垂直 CCD 的 Nh 倍(Nh 为垂直列数)。每当水
平行 CCD 驱动 Nh 次，表示一行信息读完，就进入行消隐。在行消隐期间，垂直 CCD 向上
传输一次，即向水平行 CCD 转移一行信息电荷，然后，水平行 CCD 又开始新的一行信号
读出。以此循环，直到将整个一场信号读完，进入场消隐。在场消隐期间，又将新的一场
光信号电荷从光敏区转移到各自对应的垂直 CCD 中。而后，又开始新一场的信号逐行读出。
这里信号从光敏区转移到垂直列 CCD 的过程同线阵 CCD 相同。
为实现交替场隔行“扫描”显示，每个光敏元分为 A、B 两部分。在结构上，每个光敏单
元的 A 部分对应垂直列 CCD 的第—相，B 部分对应第二相。只要在时钟脉冲设定好 A、B
场的不同相位，就能实现光敏元 A、B 交替积分，从而得到 A、B 场的隔行“扫描”显示。
2．帧／场转移结构(FT-CCD)
帧／场转移结构摄像器件如图 2 所示。其主要由三部分组成：光敏区、存贮区，水平
读出区。在存贮区及水平区上面均由铝层覆盖，以实现光屏蔽。光敏区与存贮区 CCD 的列
数及位数均相同，而且每一列是相互衔接的。不同之处是光敏区面积略大于存贮区。
图 2：帧／场转移结构
工作时，当光积分时间到后，时钟 A 与 B 均以同一速度快速驱动，将光敏区的一场信
息转移到存贮区。然后，光敏区重新开始另—场积分，即时钟 A 停止驱动，一相停在高电
平，另一相停在低电平。与此同时，转移到存贮区的光信号逐行向水平行 CCD 转移，再由
水平行 CCD 快速读出。光信号由存贮区到水平行 CCD 的转移过程又与行间转移结构相同。
行间转移结构的光敏单元被垂直列 CCD 隔开，故在水平方向上光敏区尺寸大约只有周
期单元中心间距的一半。帧／场转移结构的光敏元在水平方向上的尺寸大致与周期单元中
心间距相等。因此，行间转移结构的水平分辨力高于帧／场转移结构。在隔行扫描时，行
间转移结构的垂直分辨力高于帧／场转移结构的分辨力。
两种结构的光敏面积占芯片面积的比例大致相等，在逐行扫描时，帧／场转移结构的光敏
元在水平方向上宽于行间转移结构，故有较高的响应灵敏度。在隔行扫描时，总的响应灵
敏度大致上相同。
两种结构的热噪声基本上相同，行间转移结构的有效受光面要小一些，其固定图案噪
声要小于帧／场转移结构。
行间转移结构中信号电荷包的转移次数少于帧／场转移结构，行间转移结构的拖影效
应不严重。帧／场转移结构尽管可加快驱动过程以缩短转移时间，但对大型器件，由于总
的电极电容大，驱动电流大，难以使用很高的驱动频率。
CCID 的主要特性参数包括灵敏度(或响应度)、分辨力(或调制传递函数)、光谱响应以
及信噪比等。
若光电流 IL 用积分期间 t 内一个面积为 Ag 的像元所积累的信号电荷数 NS 表示时，
CCID 的灵敏度可写成如下形式：
式中，Ф是景物的辐射度。SI 的单位用 mA／W 表示。对于 CCID，常采用 FDA 方式，因此
实际应用中灵敏度也可定义为入射在像元的单位能流密度σ所产生的输出电压 VS 的大小，
即
经演算可以可得
光辐射能流密度在光度学中常用照度 lx 表示，可利用关系式 1W／m2＝20lx。CCID 的
平均量子效率可由测量所得的灵敏度或响应度求得。一个理想的硅探测器在吸收区(400～
1100nm)具有 100％的量子效率，其响应度为 238mA／W(2856K)左右，实际的摄像器件在
整个波长范围的响应度就是对应的平均量子效率。
CCID 的分辨力指极限分辨力，是指在一定测试条件下，将有一定性质的鉴别率图案投
射到 CCD 光敏面时，在输出端观察到的最小空间频率。通常用 lp／mm 表示，也可以用相
应的 TVL 表示。CCD 是离散采样器件，由尼奎斯特定理，它的极限分辨力为空间采样频率
的一半。如果某一方向上的象元间距为 d，则该方向上的空间采样频率为 1/d(lp／mm)，其
极限分辨力将小于 1/（2d）(lp／mm)。若用 TVL 表示，在某一方向的象元数就是 TVL 数。
显然，TVL 数的一半与 CCD 光敏元高度尺寸的比值，就是相应的 lp／mm 数。
CCD 的光谱响应的含意与一般光电探测器的光谱响应相同，指的是相对光谱响应。
CCID 的光谱响应范围是由光敏面的材料决定的，本征硅的光谱响应范围大约在 ～
之间。但光谱响应曲线的形状，受多方面的影响，如光敏面的结构、各层介质的折射率和
消光系数、各介质层的厚度、入射光的入射角等，都可以影响光谱响应曲线的形状。
图 3：几种 CCID 的光谱响应特性曲线
上图给出了四种采用 MOS 电容作为像元的 CCID 的光谱响应特性。曲线 1 是前照单层
多晶硅电极的 CCID 特性。多晶硅的吸收引起蓝光响应的跌落，加上硅的蓝光响应本来就低
于红光，所以引起曲线在短波处下跌严重而不利于彩色摄像。曲线 2 是衬底已减薄到约
10um 厚的背照帧／场转移 CCID 特性。其已达到硅靶摄像管(背照)的光谱灵敏度水平，可
用于在低照度下做天文观察等用。曲线 3 是虚相结构的前照 CCID 特性。由于该器件有 50％
的光敏面没有栅电极，开口率增大，灵敏度提高，蓝光响应也得到改善。曲线 4 是前照 FT
型器件。其第一层为多晶硅栅，第二层为透明的金属氧化物栅。由于多晶硅层的吸收以及
Si-SiO2 界面上的反射，使得光谱响应有起伏。而第二层采用金属氧化物栅后，能改善响应，
特别是对蓝光的响应。这种器件的灵敏度是背照器件以外最佳的。
三、实验装置：
图 4：声光调制实验光路图
四、实验内容及步骤：
1. 面阵 CCD 灵敏度和动态范围测量
a. 按图 2 所示结构放置各光学器件，并调节支架高度至各光学器件等高同轴。
b. 将卤素灯驱动端连接至直流稳压电源输出 (DCS)，输出电压调至 0V。
c. 将 CCD 输出信号连接至图像采集卡 AV1 端子，运行测试软件，切换至 CCD 测量
模式。
d. 将 Si-PD 信号输出连接至 ，测量时注意选择合适量程。
e. 将红色滤光片放入光路，从 0V 至 12V 每隔 一个点，设置 DCS 输出电压 V，
记录 PD1 读数 Pi，同时记录图像卡信号强度 PO。
f. 作 Pi～V 和 PO～V 曲线，求该波长下面阵 CCD 灵敏度和动态范围。
2． 将绿色滤光片放入光路，重复以上过程，分析面阵 CCD 光谱响应特性。
实验二十一 阴极射线显像管（CRT）电子聚焦与偏转
一、实验目的：
5. 了解阴极射线显像管（CRT）的工作原理；
6. 了解电子枪及电子透镜的工作原理和控制方法；
7. 掌握阴极射线显像管相关特性参数的测量方法；
二、实验原理：
阴极射线管显示装置的核心部件是 CRT 显像管。CRT 显像管使用电子枪发射高速电子，
由垂直和水平的偏转线圈控制电子的偏转角度，高速电子击打屏幕上的荧光物质使其发光，
通过电压来调节电子束的功率，就会在屏幕上形成明暗不同的光点形成各种图案和文字。
阴极射线显像管主要由电子枪、偏转线圈、荧光粉层及玻璃外壳几部分组成，彩色显像
管还含有荫罩或荫栅等部件。
图 1： 电子枪结构示意图
1. 电子枪
电子枪处于外壳尾部的细圆柱形管内，它由阴极、栅级、第一阳极(加速极)、第二阳极
(高压极)和第三阳极(聚焦极)五部分组成。
1）．阴极是旁热式的，其外形是个圆桶，阴极表面涂有能发射电子的氧化物，阴极筒内
装有加热灯丝。当灯丝通电后，烤热阴极表面氧化物，使之发射电子，发射电子的数目受栅
极的电压控制。
2）．控制栅极(G)又称调制极，套在阴极的外面，呈圆桶形。圆桶的顶端有一个直径为
～ 的小圆孔供热电子射出。控制栅极离阴极很近，改变控制栅极和阴极的电压就
可以控制电子束的强弱，从而达到控制显像管亮度的目的。
CRT 在阴极电压一定时，栅极、阴极之间的电压与阴极束电流关系曲线称为调制曲线，
如图 2 所示。满足：
I 束=K(Egk-Egk0)γ
其中：K 为比例系数，与电子枪有关；Egk0 为截止栅压；Egk 为实际的栅偏压；γ 是表征
显像管特性的—个参数，一般在 ～3 之间。
图 2：显像管调制特性曲线 图 3：灰度失真
控制栅压越负，束电流越小；控制栅压负至一定值(Egk=Egk0)时，束电流为零，此时的
栅压称为截止栅偏压(截止电压),荧光屏因束电流等于零而无光；反之，控制栅的电压逐渐提
高，束电流按指数曲线上升，荧光屏的亮度也随之增加。由于 γ 的存在，造成亮度、灰度等
级变化失真，黑色压缩，白色扩张，如图 3 所示。重现图像时，进行 γ 校正放大处理，使发
送和接收综合特性成为线性。图中静态工作点的电压由亮度调节电路提供。在电子束行、场
扫描逆程回扫期间，由于应该使电子束流截止，此时栅负压应该低于截止电压。
由截止电压到电子束流为 100～150uA 的栅阴极电压范围，叫做最大调制量。显像管的
最大调制量越小，所需的视频信号峰峰值也越小。可见，最大调制量越小越好。值得注意的
是，最大调制量会随着加速极电压降低而减小，但是加速极电压降低时，会使屏幕亮度下降。
3)．加速极(A1)。加速极处于控制栅的前面，它也是一个顶部开有小孔的金属圆桶。在
加速极上通常加有几百伏的正电压．它的作用是把电子从阴极表面拉出来，向荧光屏方向运
动，形成一束电子流，加速轰击荧光屏。
4)．高压阳极(A2，A4)。高压阳极分为两部分，中间用金属条相连，若将靠近加速极的
一极称为第二阳极(A2)，另一极则称为第四阳极(A4)。第四阳极与管壁内的石墨导电层用弹
性金属片相连接，石墨导电层又与高压电极相连接。高压阳极上加有 9～16kV 电压，由于
阳极高压的电压高，不宜在管角处引出，而是从玻璃锥体侧面的电极引出。阳极高压使电子
加速至极高的速度冲射到荧光屏上。
5)．聚焦极(A3)。因为电子束流横
截面积的大小确定了重现图像的像素
的大小，而电子束流是由带负电的电子
组成的，电子之间的相互排斥则有自然
散焦的趋势。聚焦极的作用就是将电子
束流聚拢成很细的一束射向荧光屏。聚
焦极位于两节高压阳极之间，它是一
个直径较大的金属圆桶，其上加有数
百伏的可调电压，调整此电压大小，就
可以改变它与高压阳极之间非均匀分
布的聚焦电场，使电子束聚拢成一细
束，荧光屏上呈现一细点，使图像最清晰。由于电子束的聚焦恰似光线经光学透镜而聚焦，
因此又常将电子聚焦系统称为电子透镜。
在电子枪中，由于各极电压不同，共有三只电子透镜，第一只是由阴极 K、控制栅极 G
第一阳极 A1 形成的，由于第一阳极电压比阴极高得多，因此等位面穿过栅孔向阴极方向凸
出，把由阴极发出的电子在穿过栅极孔之后会聚成一点，但经过这点之后又重新发散开了。
如图 4 的左半部所示。
图 4：电子枪第一和第二电子透镜(预聚焦透镜)
第二只透镜是由第一阳极 A1 与第二阳极 A2（即高压电极的一半）所形成的，由于第
二阳极比第一阳极电压高得多，所以其电场分布如图 4 的右半部所示。这是一个会聚透镜，
在电子枪中把它叫做预聚焦透镜。它的作用是把离开第一透镜的发散电子束，预聚到与管轴
平行的方向上来。这样做既可以使显像光点变小，又可以减少电子束在偏转磁场中的直径，
从而减少偏转像差，使屏幕中心和边缘聚焦比较一致。
第三只透镜是聚焦电极 A3 和第四阳极 A4 所构成的聚焦透镜，是电子聚焦的主要透镜。
其电场分布如图 5 所示。
图 5：电子枪聚焦透镜——第三电子透镜(主聚焦透镜)
图 6：电子聚焦过程
由图可知，当电子以很高的速度射入此聚焦透镜时，首先受到会聚场的作用，但作用时
间很短，随后进入发散场，电子速度减慢下来，当进入到聚焦电极右侧时，又受到会聚场作
用，此时电子速度最低，会聚作用最强，最后又以高速进入发散场。因此总的看来，会聚作
用远大于发散作用，此透镜是一会聚透镜，又称作聚焦透镜。改变聚焦电极上的电压可以调
节电子束的聚焦点，如图 6 所示。聚焦电极的电位越低，聚集作用越强。
高压阳极(第二、第三阳极)所加电压最高，一般有 9-16kV，不同显像管所加的阳极高压
不同，屏幕尺寸越大所加的阳极高压越高。阳极高压低于规定值时，电子速度较小，屏幕的
发光亮度下降，在同样的偏转磁场作用下，电子束的偏转角将加大，从而图像的尺寸将扩大。
反之，当阳极高压偏高时，亮度提高，图像尺寸缩小。
2. 玻璃外壳
玻璃外壳包括管颈、玻璃锥体和屏面玻璃三个部分。
管颈是一个细长的玻璃管子，里面装有电子枪。屏面玻璃内表面沉积了一层荧光粉膜，
厚度约 10um，通常称为荧光屏，俗称荧幕。在荧光膜上还蒸镀了一层 1um 厚的铝膜导电层。
电子束可穿过铝膜，轰击荧光屏发光。玻璃锥体把屏面玻璃和管颈连接起来，里面抽成高度
真空。锥体张开角的大小决定了电子束偏转的最大角度。锥体的内、外壁涂有石墨导电层，
内壁石墨导电层与高压阳极、荧光屏铝膜相连，并在锥体侧面安有—个金属高压插座以接高
压，从而使锥体内整个空间成为一个等位空间，高速电子一旦进入此空间则匀速前进到达荧
光屏。锥体外壁石墨导电层与电视机的地线相接以实现电屏蔽。内、外导电层以锥体玻璃作
为介质形成一个 500-1000pF 的电容，此电容正好作为阳极高压整流器的滤波电容。
3. 荧光屏
显像管屏幕从正面看近似长方形，其宽、高比约 4:3。国产黑白电视机习惯上以荧幕对
角线的长度尺寸作为分类标准。
电子枪产生电子射束，以很高的速度轰击荧光屏，屏上的荧光粉受到电子轰击后发光。
其发光强度主要决定于荧光粉的发光效率、电子轰击荧光屏的速度以及电子束电流的强度。
电子束电流越大，荧光屏越亮；反之，荧光屏越暗。
荧光屏在电子轰击下发光，停止轰击后亮度并不立即消失，而是逐渐暗下来，荧光粉的
这种特性叫余辉特性。不同荧光粉余辉时间不同。电视显像管属于中短余辉，余辉时间 lms
左右。
荧光屏的荧光膜镀了一层 lum 厚的铝膜，铝膜与内石墨导电层相连。电子射束可穿过
铝膜，轰击荧光膜发光。光亮如镜的铝膜将光线反射向管外，增加了荧幕亮度，同时保护荧
光膜免受负离子的轰击(因为离子的质量大、速度慢，很难穿过铝膜)，防止产生离子斑。
4. 偏转系统
偏转系统是控制电子束作扫描运动的部件，主要由偏转线圈和中心调节器组成。
1) 偏转线圈包括行偏转线圈和场偏转线圈，它们套在玻璃外壳的锥体与管颈的连接处。
在偏转线圈中流过锯齿波电流的时候，就形成线性变化的偏转磁场，使显像管电子枪发射的
电子束从左到右、自上而下地扫描，在屏幕上形成光栅。
(1)电磁偏转基本原理
电子束的偏转方式有两种：静电偏转和电磁偏转。由于电磁偏转容易实现大角度的偏转，
一般的显示器都采用电磁偏转。电磁偏转的基本原理是，在偏转线圈中流过电流时将产生磁
场，电子枪发射的电子束通过偏转磁场时受到力的作用而发生偏转，其受力的方向可由左手
定则来确定。电子束偏转角度的大小与流过偏转线圈中电流的大小成正比。为了使电子束在
荧光屏上做均匀的水平扫描运动，行偏转线圈中的电流就必须是良好的锯齿波电流，如图 7
所示。在点 a 时，偏转电流为负的最大值，使电子束偏转达到屏幕的左边缘。由 a 到 b，偏
转电流由负的最大值逐渐减小为零，它产生的磁场也减小到零，电子束偏转角度随着减小而
回到屏幕的的中央。由 b 到 c，偏转电流逐渐增加到正的最大值，电子束从屏幕的中央向右
偏转到右边缘。总之，由 a 经 b 到 c，偏转电流线性增加，使电子束从屏幕左边缘向右边缘
偏转，完成了行扫描的正程，时间约为 52uS。由 c 经 d 到 e，偏转电流又由正的最大值减小
为零至负的最大值，使电子束从右边缘回到左边缘，完成行扫描的逆程，时间约为 12uS。
整个行扫描周期为 64uS。
TH=THS+THR=52uS+12uS=64uS
图 7: 行扫描原理图
如果将图 7 所示的磁场方向转一个 90°角，电子束就上下偏转进行场扫描。因此，行、
场扫描的偏转磁场是互相垂直的。要使电子束在荧光屏上均匀地做垂直扫描，则在场偏转
线圈中也应该流过锯齿波电流，不过它的周期是 20mS，其中逆程约占 1．6mS，如图 8 所
示。
TV=TVS+TVR=+=20mS
图 8: 场扫描原理图
电子束行、场扫描的结果，在荧光屏上形成光栅。行、场偏转线圈中锯齿波电流分别是
由行、场扫描电路提供，行、场偏转电流必须是线性良好，幅度足够，而且经行、场同步信
号同步的锯齿波电流。
(2)偏转线圈的结构
偏转线圈主要由磁环和行、场两组线圈组成。
行偏转线圈分成两部分，放在显示器管颈接近圆锥体部分。行偏转线圈平面是水平放
置的，它产生的磁场是垂直方向的，因此使电子束做水平方向的偏转。
场偏转线圈是绕在磁环上的，在线圈中流过电流时形成磁场的情况如图 9 所示，它形成
的磁场是水平方向的，因此使电子束作垂直方向的偏转。行、场偏转线圈组装在一起套到显
示器管颈上。
图 9: 场偏转线圈形成的磁场及其组成
对偏转线圈的主要要求是偏转效率高及使光几何失真小。偏转效率高是指只要较小的偏
转功率就可以达到满幅光栅。几何失真分枕形失真、桶形失真、平行四边形失真和梯形失真
等。图 10 说明了枕形失真及桶形失真的原因。因为电子束偏转方向与磁场方向是垂直的，
如果磁场方向不规则，不均匀，那么光栅就会变形。例如磁力线中间疏边缘密，电子束在中
间时偏转小，两边偏转大，就形成枕形失真；如磁力线中间密，两边疏，则电子束在中间偏
转大，两边偏转小，形成桶形失真。如果偏转线圈太靠后了而没有紧贴到圆锥部分上，边缘
部分电子束被玻璃壳圆锥部分挡住，那就可能出现荧光屏四角有暗角的情况。
图 10: 桶形失真和枕形失真
3) 中心调节器
中心调节器一般放在显像管偏转线圈后面，它由两片充有磁性的铁钴钒薄圆片组成，如
图 11 所示。中心调节器的作用是产生一个附加磁场，使电子束发生固定偏移，用来校正光
栅中心和屏幕中心的不一致，当改变两片圆片磁性之间的夹角或改变磁性所在位置时，可改
变附加磁场的强弱和方向，使整个光栅中心在一定范围内上下、左右移动，直至光栅中心和
屏幕中心重合。
图 11： 中心调节器
显示器的光性能参数包括光点聚焦、亮度、分辨率等。
1． 聚焦光点大小
因为光点直径决定像素的大小，所以光点直径越小越好，一般要求直径略小于 。
2． 最大亮度
一般为 150cd/m2，并且要求荧光屏各部分的亮度均匀。亮度应满足白天室内观看的需
要，并且要求对比度大，灰度等级不小于七级。
3． 分辨率
指分辨图像细节的能力。通常以能分辨清楚的线数多少来表示，能分辨清楚的线数越多
越好。沿着垂直方向的分辨能力称为垂直分辨率，对于 625 行的隔行扫描来说，由于在有 50
行的场回扫期间不传送图像，有效行数仅 575 行。因此，在电子束聚焦良好的条件下，垂直
分辨率最多也只能是 575 钱。沿着水平方向的分辨能力称为水平分辨率，影响水平分辨率的
因素很多。水平分辨率在屏幕中心部分一般为 550～600 线，四角及边缘部分的分辨率会差
一些，—般为 450～500 线。分辨率越高，图像越清晰。图像的清晰度也体现在显像管重显
图像能分清的最高线数，它是由多方面因素决定的一个重要指标。
另外，对显示器发光的色调等也有要求，例如黑白显示器一般要求光栅为自然光色调。
三、实验装置：
四、实验内容及步骤：
3. 将 CRT 实验模块置于光学平台之上，将光电二极管（Si-PD）正对显像管屏幕固定，要
求 Si-PD 受光面距离显像管屏幕 30mm 左右。CCD 也固定于光学平台之上，盖上镜头
盖。
4. 按以下要求连接线路：
a) 将 CCD 视频输出连接至 CRT 视频输入（VIDEO）；
b) 将 CRT 阴极电压输入（K）连接至主机高压信号源输出（PSG）；
c) 将 CRT 阴极电流输出（IK）连接至主机光电信号检测器输入（）；
d) 将 CRT 电源输入（+12V、GND）分别连接至主机直流电源输出（DCS、GND）；
5. 接通 CCD 电源，打开主机电源，按以下要求设置参数：
f. 设置 PSG 工作模式为高压电源模式(HVS)；
g. 设置 PD 工作模式为直流电流计模式(ADC)，量程(RTO)切换至 1mA；
h. 由 17V 开始增加阴极电压 Uk，每隔 1V 测一个点，直至 45V 结束，记录各电压下
的阴极电流 I 束（忽略符号），作 I 束～Egk 曲线，即 CRT 调制特性曲线，求截止
栅偏压和最大调制量（对应 I 束为 0～100uA）。
6. 将主机信号检测器输入（）改接至 Si-PD 电流输出，PD 量程(RTO)切换至
100uA，由 45V 开始降低阴极电压 Egk，每隔 1V 测一个点，直至 17V 结束，记录各电
压下的屏幕亮度 IP，作 IP～Egk 曲线。
7. 将主机高压信号源输出（PSG）改接至 CRT 聚焦极电压输入（A3），聚焦极电压先调
至 0V；取下 CCD 镜头盖，调整镜头光圈并对焦，使在 CRT 屏幕上的图像最为清晰；
由 0V 开始增加聚焦极电压，至 200V 结束，观察 CRT 分辨率的变化。
五、注意事项：
系统内含有高压电路，上电后注意安全。
数据表格：
Uk（V）
Egk（V）
I 束（uA）
IP（uA）
Uk（V）
Egk（V）
I 束（uA）
IP（uA）
Uk（V）
Egk（V）
I 束（uA）
IP（uA）
实验二十二 MEMS 微镜与 DLP 投影
一、实验目的：
1. 了解微电子机械系统的工作原理及相关特性；
2. 掌握 MEMS 器件性能参数的测量方法；
二、实验原理简介：
MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）即微电子机械系统。MEMS 技术以微米/纳
米技术（micro/nanotechnology）为基础，可以将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系
统集成为一个整体单元的微型系统。这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息
或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。它用微电子技术和
微加工技术(包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA 和晶片键合等技术)相结合的制造工艺，
制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。
微电子机械系统（MEMS）涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多学
科。微电子机械系统（MEMS）的制造，是从专用集成电路（ASIC）技术发展过来的，如
同 ASIC 技术那样，可以用微电子工艺技术的方法批量制造，但比 ASIC 制造更加复杂。
MEMS 的制造方法包括 LIGA 工艺（光刻、电镀成形、铸塑）、声激光刻蚀、非平面电子束
光刻、真空镀膜（溅射）、硅直接键合、电火花加工、金刚石微量切削加工。目前，国际上
比较重视的微型机电系统的制造技术有：牺牲层硅工艺、体微切削加工技术和 LIGA 工艺等，
新的微型机械加工方法还在不断涌现，这些方法包括多晶硅的熔炼和声激光刻蚀等。
MEMS 器件多采用静电驱动，常见的静电驱动方式有：梳状电极、SDA（scratch drive
actuator）、悬臂驱动和扭臂驱动等。悬臂和扭臂驱动的驱动电压高于前两者，但结构简单、
工艺上容易实现。
图 1：MEMS 光开关结构示意图
上图为 2×2 微机械光开关的结构示意图，采用体硅微机械加工的方法在硅片上制作。
微反射镜和上电极连在一起，在没有电压输入时，上电极的位置不动，微反射镜处在光通
路上，从入射光纤发出的光被微反射镜反射，改变方向后进入到镜面同一侧的出射光纤中，
这是开关的反射状态。当上电极和下电极之间有电压输入时，在静电力的作用下，上电极
带动微反射镜移开光通路，入射光沿直线传播进入前方的出射光纤，这是开关的开通状态。
图 2 为阈值电压随扭梁的厚度变化曲线，图 3 为驱动电压与悬梁位移之间的关系曲线。
图 2：阈值电压随扭梁厚度的变化曲线
图 3：驱动电压与悬梁位移之间的关系曲线
DLP 是“Digtal Light Processiong”的缩写,即数字光处理。DLP 基于数字微反射镜器件
（DMD）来显示可视信息，DMD 是在 CMOS 的标准半导体制程上，加上一个可以调变反
射面的旋转机构形成的器件。一个 DMD 可被简单描述成为一个半导体光开关。成千上万个
微小的方形 16x16um 镜片，被建造在静态随机存取内存（SRAM）上方的铰链结构上而组
成 DMD,如图 4 所示。每一个镜片可以通断一个象素的光。铰链结构允许镜片在两个状态之
间倾斜，+１０度为“开”。-１０度为“关”，当镜片不工作时，它们处于０度“停泊”状态。通
过对每一个镜片下的存储单元以二进制平面信号进行电子化寻址，DMD 阵列上的每个镜片
被以静电方式倾斜为开或关态。每个镜片在开方向上停留的时间采用脉冲宽度调制方法控
制（PWM）。镜片可以在一秒内开关 1000 多次，这一相当快的速度允许数字灰度等级和颜
色再现。
图 4：DMD 显示原理示意图
投影灯的光线通过聚光透镜以及颜色滤波系统后，被直接照射在 DMD 上。当镜片在开
的位置上时，它们通过投影透镜将光反射到屏幕上形成一个数字的方型象素投影图像，如
图 5 所示。入射光射到三个镜片象素上，两个外面的镜片设置为开，反射光线通过投影镜
头然后投射在屏幕上。这两个“开”状态的镜片产生方形白色象素图形。中央镜片倾斜到“关”
的位置。这一镜片将入射光反射偏离开投影镜头而射入光吸收器，以致在那个特别的象素
上没有光反射上去，形成一个方形、黑色象素图像。同理，其它所有镜片象素都将光线反
射到屏幕上或反射离开镜片，通过使用一个彩色滤光系统，一个全彩色数字图像被投影到
屏幕上。
图 5：DLP 投影显示原理图
三、实验装置：
图 5：MEMS 微镜特性测量装置图
四、实验内容及步骤：
1. 实验装置连接
a) 按图 5 所示结构放置各光学器件，注意使 MEMS 微反射镜与刻度尺之间有足够的
距离。调节各支架高度至各光学器件等高。
b) 将 635nm 半导体激光器控制电缆连接至 LDC，设置 LDC 工作模式为 ACC，设置
驱动电流 Ic 为 20mA。
c) 连接微反射镜驱动端至 HV+和 HV-，HVS 输出电压 0V。
d) 调节激光器和微镜位置和角度，使得激光光束照射到微镜中心，同时反射到刻度
尺中心。
2. MEMS 微反射镜θ~V 关系曲线测量
a) 从 0V 到 30V 每隔 测一个点，记录相应的驱动电压 V 和光斑位置 d 。
b) 由光斑位置 d 计算偏转角度，作 MEMS 微反射镜θ~V 关系曲线。
实验三十 有机发光器件（OLED）参数测量
一、实验目的：
了解有机发光显示器件的工作原理及相关特性；
掌握 OLED 性能参数的测量方法；
二、实验原理简介：
1979 年，柯达公司华裔科学家邓青云（Dr. C. W. Tang）博士发现黑暗中的有机蓄电池
在发光，对有机发光器件的研究由此开始，邓博士被誉为 OLED 之父。
OLED (Organic Light Emitting Display，中文名有机发光显示器）是指有机半导体材料
和发光材料在电场驱动下，通过载流子注入和复合导致发光的现象。OLED 用 ITO 透明电
极和金属电极分别作为器件的阳极和阴极，在一定电压驱动下，电子和空穴分别从阴极和
阳极注入到电子和空穴传输层，电子和空穴分别经过电子和空穴传输层迁移到发光层，并
在发光层中相遇，形成激子并使发光分子激发，后者经过辐射弛豫而发出可见光。辐射光
可从 ITO 一侧观察到，金属电极膜同时也起了反射层的作用。
图 1：OLED 结构示意图
与 LCD 相比，OLED 具有主动发光，无视角问题，重量轻，厚度小，高亮度，高发光
效率，发光材料丰富，易实现彩色显示，响应速度快，动态画面质量高，使用温度范围广，
可实现柔软显示，工艺简单，成本低，抗震能力强等一系列的优点。
如果一个有机层用两个不同的有机层来代替，就可以取得更好的效果：当正极的边界
层供应载流子时，负极一侧非常适合输送电子，载流子在两个有机层中间通过时，会受到
阻隔，直至会出现反方向运动的载流子，这样，效率就明显提高了。很薄的边界层重新结
合后，产生细小的亮点，就能发光。如果有三个有机层，分别用于输送电子、输送载流子
和发光，效率就会更高。
为提高电子的注入效率，OLED 阴极材料的功函数需尽可能的低，功函数越低，发光
亮度越高，使用寿命越长。可以使用 Ag 、Al 、Li 、Mg 、Ca 、In 等单层金属阴极，也
可以将性质活泼的低功函数金属和化学性能较稳定的高功函数金属一起蒸发形成合金阴极。
如 Mg: Ag（10: 1），Li:Al (%Li)，功函数分别为 和 ，合金阴极可以提高器件
的量子效率和稳定性，同时能在有机膜上形成稳定坚固的金属薄膜。此外还有层状阴极和
掺杂复合型电极。层状阴极由一层极薄的绝缘材料如 LiF, Li2O，MgO，Al2O3 等和外面一
层较厚的 Al 组成，其电子注入性能较纯 Al 电极高，可得到更高的发光效率和更好的 I-V 特
性曲线。掺杂复合型电极将掺杂有低功函数金属的有机层夹在阴极和有机发光层之间，可
大大改善器件性能，其典型器件是 ITO/NPD/AlQ/AlQ（Li）/Al，最大亮度可达
30000Cd/m2，如无掺 Li 层器件，亮度为 3400Cd/m2。
为提高空穴的注入效率，要求阳极的功函数尽可能高。作为显示器件还要求阳极透明，
一般采用的有 Au、透明导电聚合物（如聚苯胺）和 ITO 导电玻璃，常用 ITO 玻璃。
载流子输送层主要是空穴输送材料（HTM）和电子输运材料(ETM)。空穴输送材料
（HTM）需要有高的热稳定性，与阳极形成小的势垒，能真空蒸镀形成无针孔薄膜。最常
用的 HTM 均为芳香多胺类化合物，主要是三芳胺衍生物。TPD：N，N′-双（3-甲基苯基）
-N，N′-二苯基-1，1′-二苯基-4，4′-二胺 NPD: N，N′-双（1-奈基）-N，N′-二苯基-1，1′-二
苯基-4，4′-二胺。电子输运材料(ETM)要求有适当的电子输运能力，有好的成膜性和稳定性。
ETM 一般采用具有大的共扼平面的芳香族化合物如 8-羟基喹啉铝（AlQ），1，2，4 一三唑
衍生物（1，2，4-Triazoles，TAZ）,PBD，Beq2，DPVBi 等，它们同时又是好的发光材料。
OLED 的发光材料应满足下列条件：
1）高量子效率的荧光特性，荧光光谱主要分布 400-700nm 可见光区域。
2）良好的半导体特性，即具有高的导电率，能传导电子或空穴或两者兼有。
3）好的成膜性，在几十纳米的薄层中不产生针孔。
4）良好的热稳定性。
按化合物的分子结构，有机发光材料一般分为两大类：
1) 高分子聚合物，分子量 10000-100000，通常是导电共轭聚合物或半导体共轭聚合物，
可用旋涂方法成膜，制作简单，成本低，但其纯度不易提高，在耐久性，亮度和颜色方面
比小分子有机化合物差。
2) 小分子有机化合物，分子量为 500-2000，能用真空蒸镀方法成膜，按分子结构又分
为两类：有机小分子化合物和配合物。
有机小分子发光材料主要为有机染料，具有化学修饰性强，选择范围广，易于提纯，
量子效率高，可产生红、绿、蓝、黄等各种颜色发射峰等优点，但大多数有机染料在固态
时存在浓度淬灭等问题，导致发射峰变宽或红移，所以一般将它们以低浓度方式掺杂在具
有某种载流子性质的主体中，主体材料通常与 ETM 和 HTM 层采用相同的材料。掺杂的有
机染料，应满足以下条件：
a. 具有高的荧光量子效率
b. 染料的吸收光谱与主体的发射光谱有好的重叠，即主体与染料能量适配，从主体到
染料能有效地能量传递；
c. 红绿兰色的发射峰尽可能窄，以获得好的色纯；
d. 稳定性好，能蒸发。
红光材料主要有罗丹明类染料，DCM，DCT，DCJT，DCJTB，DCJTI 和 TPBD 等。绿
光材料主要有香豆素染料 Coumarin6，奎丫啶酮（quinacridone, QA），六苯并苯(Coronene)，
苯胺类(naphthalimide)。蓝光材料主要有 N-芳香基苯并咪唑类；1，2，4-三唑衍生物
（TAZ）；1，3-4-噁二唑的衍生物 OXD-（P-NMe2）；双芪类(Distyrylarylene)；BPVBi。
金属配合物介于有机与无机物之间，既有有机物的高荧光量子效率，又有无机物的高
稳定性，被视为最有应用前景的一类发光材料。常用金属离子有：Be2+ Zn2+ Al3+ Ca3+ In3+
Tb3+ Eu3+ Gd3+等。主要配合物发光材料有：8-羟基喹啉类，10-羟基苯并喹啉类，Schiff
碱类，-羟基苯并噻唑（噁唑）类和羟基黄酮类等。
三、实验装置：
图 5：OLED 特性测量装置图
四、实验内容及步骤：
1. 将 OLED 模块固定于光学平台之上，将光电二极管（Si-PD）正对 OLED 固定，要求
Si-PD 受光面距离 OLED 显示屏 10mm。
2. 按以下要求连接线路：
将 OLED 控制端子（DB9）连接至主机 LD1 输出；
将 OLED 电压输入端子（红）连接至主机 LVS 输出；
将 OLED 电流信号输出连接至主机 PD 输入；
3. 打开主机电源，设置 OPMMOD 为直流电流计模式(PD/AM)，量程(RTO)切换至
10mA；
4. 从 0V 到 12V 每隔 测一个点，记录相应的 OLED 电压 V 和电流 I，作 OLED I～
V 特性曲线。
5. 将 Si-PD 输出信号连接至主机 PD 输入，PD 量程(RTO)切换至 1mA，从 0V 到 12V 每
隔 测一个点，记录相应的输出光功率信号 P，作 OLED 的 P～I 特性曲线。
