GQC_光纤特性及传输实验仪实验指导及操作说明书_2015-12-19

1、ZKY-GQC光纤特性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 司四 川 世 纪 中 科 光 电 技 术 有 限 公 司地址：四川省成都经济技术开发区(龙泉驿区)南二路309号 邮编：610100电话：（028）85247006 85213812 传真：（028）85247006网址；WWW.ZKY.CN E-mail: ZKYZKY.Cn2015-12-19光纤特性及传输实验仪实验指导及操作说明书 第 10 页 共 10 页光纤特性及传输实验在现代通信技术中，为了避免信号互相干扰，提高通信质量与通信容量，通常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。不管用什么方式调制，调制后的载波要占用一定的频带宽度，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，则不同信号间要互相干扰。能够用作无线电通信的频率资源非常有限，国际国内都对通信频率进行统一规划和管理，仍难以满足日益增长的信息需求。通信容量与所用载波频率成正比，与波长成反比，目前微波波长能做到厘米量级，在开发应用毫米波和亚毫

2、米波时遇到了困难。光波波长比微波短得多，用光波作载波，其潜在的通信容量是微波通信无法比拟的，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相比，光纤通信具有通信容量大、传输距离长、价格低廉、重量轻、易敷设、抗干扰、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. 了解光纤通信的原理及基本特性。2. 测量半导体激光器的伏安特性，电光转换特性。3. 测量光电二极管的伏安特性。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。实验原理1. 光纤图 1 光纤的基本结构光纤是由纤芯、包层、防护层组成的同心圆柱体，横截面如图 1所示。纤芯与包层材料大多为高纯度的石英玻璃，通过掺杂使纤芯折射率大于包层折射率，形成一种光波导效应，使大部分的光被束缚在纤芯中传输。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，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10m，只有一种模式的光波能在光纤中传播，称为单模光纤。若纤芯

3、直径50m左右，有多个模式的光波能在光纤中传播，称为多模光纤。防护层由缓冲涂层、加强材料涂覆层及套塑层组成。通常将若干根光纤与其它保护材料组合起来构成光缆，便于工程上敷设和使用。光纤与光纤之间固定连接时，用光纤熔接机进行熔接。光纤与光纤之间可拆卸（活动）连接，使用光纤连接器。光纤连接器把光纤的两个端面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去。各种光纤连接器结构大同小异，比较常见的有FC、SC、LC、ST等。一端装有连接器插头的光纤称为尾纤，两端都装上连接器插头的光纤称为光纤跳线。光在光纤中传输时，由于材料的散射、吸收，使光信号衰减，当信号衰减到一定程度时，就必需对信号进行整形放大处理，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，损耗越小，中继距离越长。光纤的损耗与光波长有关，通过研究发现，石英光纤在0.85，1.30，1.55m附近有3个低损耗窗口，实用的光纤通信系统光波长都在低损耗窗口区域内。损耗用损耗系数表示。光在有损耗的介质中传播时，光强按指数规律衰减，在通信领域，损耗系数用单位长度的分贝值（dB）表示，定义为：（dB/km）

4、（1）已知损耗系数，可计算光通过任意长度L后的强度：（2）上两式中，L是传播距离，P0是入射光强，P1是损耗后的光强。2. 半导体激光器（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。半导体激光器通过受激辐射发光，是一种阈值器件。处于高能级E2的电子在光场的感应下发射一个和感应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，是指发射光子和感应光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，它和感应光子是相干的。由于受激辐射与自发辐射的本质不同，导致了半导体激光器不仅能产生高功率（10mW）辐射，而且输出光发散角窄（垂直发散角为3050，水平发散角为030），与单模光纤的耦合效率高（约3050），辐射光谱线窄（0.11.0nm），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，非常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。因此具有与普通二极管相类似的I-U特性，如图 2所示： 图 2 左边为半导体激光器I-U特性示意图，右边为P-

5、I特性示意图由于发光模式的不同，LD和LED的P-I特性曲线则有很大的差别。LED的P-I曲线基本上是一条过原点的直线。而LD的P-I曲线如图 2所示，可以看出有一阈值电流Ith，只有在工作电流IIth部分，P-I曲线才近似一根直线。而在IIth部分，激光功率为零。3. 光电二极管光通信接收端由光电二极管完成光电转换与信号解调。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，价电子吸收光能后挣脱价键的束缚成为自由电子，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转换。它与普通光电二极管的区别在于在P型和N型半导体之间夹有一层没有渗入杂质的本征半导体材料，称为I型区。这样的结构使得结区更宽，结电容更小，可以提高光电二极管的光电转换效率和响应速度。图 3是反向偏置电压下光电二极管的伏安特性。无光照时的暗电流很小，它是由少数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一定升高，这是因为反向偏压增加使结区

6、变宽，结电场增强，提高了光生载流子的收集效率。当反向偏压进一步增加时，光生载流子的收集接近极限，光电流趋于饱和，此时，光电流仅取决于入射光功率。在适当的反向偏置电压下，入射光功率与饱和光电流之间呈较好的线性关系。图 4是光电转换电路，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两端的输出可解调出原调制信号。4. 光源的调制对光源的调制可以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。外调制时光源输出功率恒定，利用光通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。图5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提供直流偏置电流。图6是调制原理图，由图6可见，由于光源的输出光功率与驱动电流是线性关系，在适当的直流偏置下，随调制信号变化的电流变化由发光二极管转换成了相

7、应的光输出功率变化。5. 光纤的多路复用为充分发挥光纤通信容量大的优势，传输信号时常采用多路复用方式。复用是一种将若干个彼此独立的信号，合并为一个可在同一信道上同时传输的复合信号的方法。常用的多路复用方式有频分复用、时分复用与波分复用等。按频率区分信号的方法叫频分复用。即把需要传输的信号用不同的载波频率调制，只要载波的频率间隔大于信号带宽，就能将它们合并在一起而不致相互影响，并能在接收端彼此分离开来。为区别光载波，把受模拟基带信号预调制的射频电载波称为副载波。按时间区分信号的方法叫时分复用，时分复用适用于数字信号的传输。由于信道的传输率超过每一路信号的数据传输率，因此可将信道按时间分成若干片段轮换地给多个信号使用。每一时间片由复用的一个信号单独占用，在规定的时间内，多个数字信号都可按要求传输到达，从而实现一条信道上传输多个数字信号。假设每个输入的数据比特率是9.6kbit/s，线路的最大比特率为76.8kbit/s，则可传输8路信号。波分复用是将两种或多种不同波长的光载波信号（携带各种信息）在发送端经复用器汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术。在接收端，经分波器将各种

8、波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。6. 副载波调频调制对副载波的调制可采用调幅、调频等不同方法。调频具有抗干扰能力强、信号失真小的优点，本实验采用调频法。图7是副载波调制传输框图。如果载波的瞬时频率偏移随调制信号m(t)线性变化，即：（3）则称为调频，kf是调频系数，代表频率调制的灵敏度，单位为2赫兹/伏。调频信号可写成下列一般形式：（4）式中为载波的角频率，为调频信号的瞬时相位偏移。下面考虑两种特殊情况：假设m(t)为电压为V的直流信号，则（4）式可以写为：（5）（5）式表明直流信号调制后的载波仍为余弦波，但角频率偏移了。假设m(t)=Ucost，则（4）式可以写为：（6）可以证明，已调信号包括载频分量和若干个边频分量n，边频分量的频率间隔为。任意信号可以分解为直流分量与若干余弦信号的叠加，则（5），（6）两式可以帮助理解一般情况下调频信号的特征。7. 数字信号传输若需传输的信号本身是数字形式，或将模拟信号数字化（模数转换）后进行传输，称为数字信号传输，数字传输具有抗干扰能力强，传输质量高；易于进行加密和解密，保密性强；可以通过时分复用提高信道利用率；便于建立

9、综合业务数字网等优点，是今后通信业务的发展方向。仪器介绍整套实验系统由光纤发射装置、光纤接收装置、光纤跳线、电源线与测试连接线、示波器组成。图9 光纤接收装置面板图图8 光纤发射装置面板图光纤发射与接收装置面板如图8、图9所示。光纤发射装置可产生各种实验需要的信号，通过发射管发射出去。发出的信号通过光纤传输后，由接收管完成光电转换。接收装置将信号处理后，通过仪器面板显示或者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。这些信号可以通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，表示可以对该信号进行幅度/电压调节和频率调节了。调节也可以根据所需步进选择“粗调”和“细调”，即当调节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”只能调节到“1310”，“1550”用作扩展（当前仪器中没有设置1550nm波长的发射装置）。实验中使用的光纤为FC-FC光纤跳线（单模光纤，外部为黄色）。示波器用于观测各种信号波形经光纤传输后是否失真等特性（学校自备）。实验内容与步骤1. 半导体激光器的伏安特性与输出特性测量用FC-FC光纤跳线将发射面板上的光发送口与接收面板上的光接收口相连（连接需紧凑，以后实验中一直这样连接），发射面板上发射模块的“直流偏置”接入信号源模块“电压源”信号。设置接收显示为“光功率计”。设置发射显示为“发射电流”。先将电压调节设置为“粗调”，调节正向偏压使发射电流趋近于0。再将电压调节设置为“细调”，寻找发射电流从0到大于0对应的旋钮位置。

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