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ZKY-GQC
光纤特色及传输实验仪
实验指导及操作说明书
成都世纪中科仪器有限公司
地址:成都市人民南路四段
9号中科院成都分院
邮编:610041
电话:(028)85247006
85243932传真:(028
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E-mail:ZKY
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光纤特色及传输实验
在现代通信技术中,为了防范信号互相搅乱,提高通信质量与通信容量,平时用信号对载波进行调制,用载波传输信号,在接收端再将需要的信号解调还原出来。无论用什么方式调制,调制后
的载波要占用必然的频带宽度,如音频信号要占用几千赫兹的带宽,模拟电视信号要占用8兆赫兹的带宽。载波的频率间隔若小于信号带宽,则不同样信号间要互相搅乱。能够用作无线电通信的频率
资源特别有限,国际国内都对通信频率进行一致规划和管理,仍难以满足日益增加的信息需求。通信容量与所用载波频率成正比,与波长成反比,当前微波波长能做到厘米量级,在开发应用毫米波和亚毫米波时遇到了困难。光波波长比微波短得多,用光波作载波,其潜藏的通信容量是微波通信无法比较的,光纤通信就是用光波作载波,用光纤传输光信号的通信方式。
与用电缆传输电信号对照,光纤通信拥有通信容量大,传输距离长,价格廉价,重量轻易敷设,抗搅乱,保密性好等优点,已成为固定通信网的主要传输技术,帮助我们的社会成功发展至信息社
会。
【实验目的】
1、
认识光纤通信的原理及基本特色。
2、
测量激光二极管的伏安特色,电光变换特色。
3、
测量光电二极管的伏安特色。
4、
基带(幅度)调制传输实验。
5、
频率调制传输实验。
6、
音频信号传输实验。
7、
数字信号传输实验。
【实验仪器】
光纤特色及传输实验仪,示波器
【实验原理】
1、光纤
光纤是由纤芯,包层,防范层组成的同心圆柱体,横
截面如图
1所示。纤芯与包层资料大多为高纯度的石英玻
纤芯,直径5~50μm
璃,经过混淆使纤芯折射率大于包层折射率,形成一种光
包层,直径约125μm
波导效应,使大部分的光被拘束在纤芯中传输。若纤芯的
折射率分布是均匀的,在纤芯与包层的界面处折射率突变,
防范层,直径约250μm
称为阶跃型光纤。若纤芯从中心的高折射率逐渐变到边缘
与包层折射率一致,称为渐变型光纤。若纤芯直径小于
图1光纤的基本结构
10μm,只有一种模式的光波能在光纤中流传,称为单模光纤。若纤芯直径
50μm左右,有多个模式
的光波能在光纤中流传,称为多模光纤。防范层由缓冲涂层,加强资料涂覆层及套塑层组成。平时将若干根光纤与其他保护资料组合起来组成光缆,便于工程上敷设和使用。
衡量光纤性能利害的主若是它的耗费特色与色散特色。
耗费特色决定光纤传输的中继距离。光在光纤中传输时,由于资料的散射,吸取,会使光信号衰减,当信号衰减到必然程度时,就必需对信号进行整形放大办理,再进行传输,才能保证信号在传输过程中不失真,这段传输的距离叫中继距离,耗费越小,中继距离越长。光纤的耗费与光波长
有关,经过研究发现,石英光纤在,,μm周边有3个低耗费窗口,合用的光纤通信系
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统光波长都在低耗费窗口地域内。
耗费用耗费系数表示。光在有耗费的介质中流传时,光强按指数规律衰减,在通信领域,耗费系数用单位长度的分贝值(dB)表示,定义为:
α
10
P0
(dB/km)
(1)
L
lg
P1
已知耗费系数,可计算光经过任意长度
L后的强度:
L
P1P01010
(2)
上两式中,L是流传距离,P0是入射光强,P1是耗费后的光强。
对于单模光纤而言,
随着波长的增加,其波折耗费也相应增大,
因此对1550nm波长的使用,要
特别注意波折耗费的问题。
随着光纤通信工程的发展,最低衰减窗口
1550nm波长区的通信必然获取
广泛的运用。CCITT对光纤和光纤在1550nm波长的波折耗费作了明确的规定:
对光纤,用半径为松绕100圈,在1550nm波长测得的耗费增加应小于
1dB;对
而言,要求增加的耗费小于。
图2单模光纤波折耗费测试
此处可不用扰模器,可其他东西实现光纤的波折也可。
波折耗费的测量,要求在拥有较为牢固的光源条件下,将几十米被测光纤耦合到测试系统中,
保持注入状态和接收端耦合状态不变的情况下,分别测出松绕100圈前后的输出光功率P1和P2,
波折耗费可由下式计算得出。
A10lg(PP)(3)
12
同样光纤,传输同样波长光波信号,波折半径不同样时其耗费也必然不同样,同样,对于同样光纤,
波折半径同样时,传输不同样光波信号,其耗费也不同样。
由于依照CCITT标准,光纤的波折耗费比较小,在实质测试中可采用减小波折半径的方法提高
实验收效的明显性。实验测试框图如图3所示。
(a)波折半径R1围绕方法(b)波折半径R2围绕方法
图3扰模器围绕方法
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2、激光二极管(FP-LD)
光通信的光源为半导体激光器(LD)或发光二极管(LED),本实验采用半导体激光器。
半导体激光二极管或简称半导体激光器,它经过受激辐射发光,是一种阈值器件。处于高能级
E2的电子在光场的感觉下发射一个和感觉光子一模一样的光子,而跃迁到低能级E1,这个过程称为
光的受激辐射,所谓一模一样,是指发射光子和感觉光子不但频率同样,而且相位、偏振方向和流传方向都同样,它和感觉光子是有关的。由于受激辐射与自觉辐射的实质不同样,以致了半导体激光
器不但能产生高功率(≥10mW)辐射,而且输出光发散角窄(垂直发散角为30~50°,水平发散角
为0~30°),与单模光纤的耦合效率高(约30%~50%),辐射光谱线窄(λ=~),适
用于高比特工作,载流子复合寿命短,能进行高速信号(>20GHz)直接调制,特别适合于作高速长
距离光纤通信系统的光源。
LD和LED都是半导体光电子器件,其核心部分都是P-N结。因此其拥有与一般二极管周边似
的V-I特色,如图4所示:
V
VT
I
图4LD激光器输出V-I特色表示图
由于结构上的不同样,LD和LED的P-I特色曲线则有很大的差别。LED的P-I曲线基本上是一
条近似的直线。而LD半导体激光器的P-I曲线,如图5所示,能够看出有一阈值电流Ith,只有在
工作电流I>Ith部分,P-I曲线才近似一根直线。而在I<Ith部分,LD输出的光功率几乎为零。
图5LD半导体激光器P-I特色表示图
阈值电流是特别重要的特色参数。图2中A段与B段的交点表示开始发射激光,它对应的电流
就是阈值电流Ith。半导体激光器能够看作为一种光学振荡器,要形成光的振荡,就必定要有光放大
体系,也即激活介质处于粒子数反转分布,而且产生的增益足以抵消所有的耗费。将开始出现净增
益的条件称为阈值条件。一般用注入电流值来标定阈值条件,也即阈值电流Ith。
当注入电流增加时,输出光功率也随之增加,在达到Ith从前半导体激光器输出荧光,到达Ith之
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后输出激光,输出光子数的增量与注入电子数的增量之比见式
。
d(
P)
(I)
e
P
hv
e
hv
I
PI就是图
激射时的斜率,
h是普朗克常数(
*10
-34焦耳
秒),
为辐射跃迁
情况下,释放出的光子的频率。
P-I特色是选择半导体激光器的重要依照。在选择时,应选阈值电流Ith尽可能小,Ith对应P
值小,而且没有扭折点的半导体激光器。这样的激光器工作电流小,工作牢固性高,消光比大,而
且不易产生光信号失真。而且要求P-I曲线的斜率适合。斜率太小,则要求驱动信号太大,给驱动电路带来麻烦;斜率太大,则会出现光反射噪声及使自动光功率控制环路调整困难。
3、光电二极管
光通信接收端由光电二极管达成光电变换与信号解调。光电二极管是工作在无偏压或反向偏置状态下的PN结,反向偏压电场方向与势垒电场方向一致,使结区变宽,无光照时只有很小的暗电流。当PN结受光照射时,价电子吸取光能后挣脱价键的拘束成为自由电子,在结区产生电子-空
穴对,在电场作用下,电子向N区运动,空穴向P区运动,形成光电流。
光通信常用PIN型光电二极管作光电变换。它与一般光电二极管的差别在于在P型和N型半导
体之间夹有一层没有浸透杂质的本征半导体资料,称为I型区。这样的结构使得结区更宽,结电容
更小,能够提高光电二极管的光电变换效率和响应速度。
图6是反向偏置电压下光电二极管的伏安特色。无光照时的暗电流很小,它是由少许载流子的漂移形成的。有光照时,在较低反向电压下光电流随反向电压的增加有必然高升,这是由于反向偏压增加使结区变宽,结电场加强,提高了光生载流子的收集效率。当反向偏压进一步增加时,光生
载流子的收集凑近极限,光电流趋于饱和,此时,光电流仅取决于入射光功率。在适合的反向偏置电压下,入射光功率与饱和光电流之间呈较好的线性关系。
I
V+
R
P2
P1
P0=0
反向偏置电压(V)
图6光电二极管的伏安特色图7简单的光电变换电路
图7是光电变换电路,光电二极管接在晶体管基极,集电极电流与基极电流之间有固定的放大
关系,基极电流与入射光功率成正比,则流过R的电流与R两端的电压也与光功率成正比,若光功率随调制信号变化,R两端的电输出解调出原调制信号。
4、光源的调制
对光源的调制能够采用内调制或外调制。内调制用信号直接控制光源的电流,使光源的发光强度随外加信号变化,内调制易于实现,一般用于中低速传输系统。外调制岁月源输出功率恒定,利
用光经过介质时的电光效应,声光效应或磁光效应实现信号对光强的调制,一般用于高速传输系统。
本实验采用内调制。
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V+P
R1LED直流偏置点
调制信号
I
R2
图8简单的调制电路图9调制原理图
图8是简单的调制电路。调制信号耦合到晶体管基极,晶体管作共发射极连接,流过发光二极
管的集电极电流由基极电流控制,R1,R2供应直流偏置电流。图9是调制原理图,由图9可见,由
于光源的输出光功率与驱动电流是线性关系,在适合的直流偏置下,随调制信号变化的电流变化由发光二极管变换成了相应的光输出功率变化。
5、副载波调频调制
对副载波的调制可采用调幅,调频等不同样方法。调频拥有抗搅乱能力强,信号失真小的优点,本实验采用调频法。
图10是副载波调制传输框图。
基带信号
调频
副载波
光
光纤传输
光
副载波
解调
基带信号
模块
发射
接收
模块
图10
副载波调制传输框图
若是载波的瞬时频率偏移随调制信号
m(t)线性变化,即:
d(t)
kfm(t)
(10)
则称为调频,kf是调频系数,代表频率调制的矫捷度,单位为
2π赫兹/伏。
调频信号可写成以下一般形式:
u(t)Acos[t
kf
t
m(
)d]
(11)
0
kf
t
]为调频信号的瞬时相位偏移。下面考虑两种特别情况:
式中为载波的角频率,
m()d
0
假设m(t)为电压为V的直流信号,则(
11)式能够写为:
u(t)Acos[(
kfV)t]
(12)
(12)式表示直流信号调制后的载波仍为余弦波,但角频率偏移了
kfV。
假设m(t)=UcosΩt,则(11)式能够写为:
u(t)Acos[t
kfU
sin
t]
(13)
能够证明,已调信号包括载频重量
ω和若干个边频重量ω±nΩ,边频重量的频率间隔为Ω。
任意信号能够分解为直流重量与若干余弦信号的叠加,则(
12),(13)两式能够帮助理解一般
情况下调频信号的特色。
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【实验仪器】
整套实验系统由光纤发射装置、光纤接收装置、光纤跳线、光纤适配器以及示波器组成。
图11光纤发射装置面板图
图12光纤接收装置面板图
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光纤发射装置可产生各种实验需要的信号,经过发射管发射出去。发出的信号经过光纤传输后,由接收管将信号传达到光纤接收装置。接收装置将信号办理后,经过仪器面板显示也许示波器观察传输后的各种信号。
发射系统中的信号源模块部分由电压源、音频信号、脉冲信号、方波信号、正弦波信号等组成。
这些信号能够经过信号切换键来选择调整参数。当对应信号源的指示灯亮起时,表示能够对该信号
进行幅度/电压调治和频率调治了。调治也能够依照所需步进选择“粗调”和“细调”,即当调治的
指示灯亮起代表细调,不亮代表粗调。
接收系统中,显示部分的“光功率计”只能调治到“1310”,“1550”则作为扩展显示(当前验
仪中没有设置1550nm波长的发射装置)。
实验中使用的光纤为FC-FC光跳线(短光纤)。示波器用于观察各种信号波形经光纤传输后可否
失真等特色(学校自备)。
光纤发射与接收装置面板如图11,图12所示。
【实验内容和步骤】
1、激光二极管的伏安特色与输出特色测量
用FC-FC光跳线将光发送口与光接收口相连。
设置发射显示为“发射电流”,接收显示为“光功
率计”。
调治电压源以改变发射电流,记录发射电流与接收器接收到的光功率(与发射光功率成正比)
。
设置发射显示为正向偏压,记录与发射电流对应的发射管两端电压于表
1中。
依次改变发射电流(可能显示电流值不能够精确达到表
1的设定数值,只要尽量凑近即可),将数
据记录于表
1中。
表1
发光二极管伏安特色与输出特色测量
正向偏压(V)
发射管电流(mA)
0
5
6
8
1015
20
2530
35
光功率(mW)
以表1数据作所测激光二极管的伏安特色曲线,输出特色曲线。
谈论所作曲线与图
3,图4所描述的规律可否吻合。
2、光电二极管伏安特色的测量
连接方式同实验
3。调治发射装置的电压源,使光电二极管接收到的光功率如表
2所示。
调治接收装置的反向偏压调治,在不同样输入光功率时,切换显示状态,分别测量光电二极管反
向偏置电压与光电流,记录于表
2中。
表2
光电二极管伏安特色的测量
反向偏置电压
(伏)
0
1
2
3
4
P=0
光电流(μA)
以表2数据,作光电二极管的伏安特色曲线。
谈论所作曲线与图
5所描述的规律可否吻合。
3、基带(幅度)调制传输实验
用FC-FC光跳线将光发送口与光接收口相连。
将信号源模块正弦波输出接入发射模块信号输入端
1,将电压源信号接入到发射模块的直流偏
置出,调治直流偏置电压为
~。
将监测点1接入双踪示波器的其中一路,观察输入信号波形。将接收装置信号输出端的观察点接入双踪示波器的另一路,观察经光纤传输后接收模块输出的波形。
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观察信号经光纤传输后,波形可否失真,频率有无变化,记入表3中。
调治正弦波信号幅度,当幅度高出必然值后,可观察到接收信号明显失真(拜会图8),记录信
号不失真对应的最大输入信号幅度及对应接收端输出信号幅度于表3中。
将正弦波信号改为方波信号,重复以上步骤实验,将数据记录于表3中。
表3基带调制传输实验
激光二极管调制电路输入信号光电二极管光电变换电路输出信号
波形频率(kHz)幅度(V)波形频率(kHz)幅度(V)
正弦波
方波
对表3结果作定性谈论。
4、副载波调制传输实验
观察调频电路的电压频率关系
用FC-FC光跳线将光发送口与光接收口相连。
将发射装置中的电压源输出接入
V-F变换模块的V信号输入(用直流信号作调制信号)。依照调
频原理,直流信号调制后的载波角频率偏移
kfV。将F信号输出的频率测量接入示波器,观察输入
电压与输出频率之间的V-F变换关系。调治电压源,经过在示波器上读输出信号的周期来换算成频率。将输出频率fV随电压的变化记入表4中。
表4调频电路的f-V关系
输入电压(V)
输出频率fV(kHz)
以输入电压作横坐标,输出角频率
ωV=2πfV为纵坐标在坐标纸上作图。直线与纵轴的交点为副
载波的角频率
ω,直线的斜率为调频系数
kf。求出ω与kf。
副载波调制传输实验
用FC-FC光跳线将光发送口与光接收口相连。
将信号源模块正弦波输出接入发射装置V-F变换模块的V信号输入端,再将V-F变换模块F信
号输出接入发射模块信号输入端1(用副载波信号作激光二极管调制信号)。将电压源信号接入到发
射模块的直流偏置出,调治直流偏置电压为。
用示波器观察基带信号(“正弦输出”与“地”之间),在保证正弦波不失真的前提下调治其幅
度和频率到一个固定值,记录幅度和频率于表5中。
此时接收装置接收信号输出端输出的是经光电二极管还原的副载波信号,将接收信号输出接入F-V变换模块F信号输入端,在V信号输出端输出经解调后的基带信号。
用示波器观察经调频,光纤传输后解调的基带信号波形(F-V变换模块的“观察点”);将观察
情况记入表5中。
改变输入基带信号(正弦波)的频率和幅度,观察F-V变换模块输出的波形,记录于表5中。
表5副载波调制传输实验
基带信号光纤传输后解调的基带信号
幅度(V)频率(kHz)幅度(V)频率(kHz)信号失真程度
基带调制是幅度调制,基带传输实验中,衰减会使输出幅度减小,传输过程的非线性会使信号失真。副载波传输采用频率调制,解调电路的输出只与接收到的瞬时频率有关,能够观察到衰减对输出几乎无影响,表示调频方式抗搅乱能力强,信号失真小。
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