信号光纤传输技术实验.doc

音频信号光纤传输技术实验预习要求通过预习应理解以下几个问题：1．音频信号光纤传输系统由那几个部分组成、主要器件（LED、SPD和光纤）的工作原理；2．LED调制、驱动电路工作原理 3．LED偏置电流和调制信号的幅度应如何选择、；4．测量SPD光电流的I-V变换电路的工作原理 实验目的 1．熟悉半导体电光/光电器件基本性能及主要特性的测试方法；2．了解音频信号光纤传输系统的结构及各主要部件的选配原则；3．掌握半导体电光和光电器件在模拟信号光纤传输系统中的应用技术；4．学习音频信号光纤传输系统的调试技术 实验原理 一． 系统的组成图8-1-1 音频信号光纤传输系统原理图音频信号光纤传输系统的原理图如图8-1-1所示它主要包括由LED（光源）及其调制、驱动电路组成的光信号发送器、传输光纤和由光—电转换、I—V变换及功放电路组成的光信号接收器三个部分光源器件LED的发光中心波长必须在传输光纤呈现低损耗的0.85μｍ、1.3μｍ或1.5μｍ附近本实验采用中心波长0.85μｍ的GaAs半导体发光二极管作光源、峰值响应波长为0.8～0.9μｍ的硅光二极管SPD作光电检测元件。

为了避免或减少谐波失真，要求整个传输系统的频带宽度能够覆盖被传信号的频谱范围对于音频信号，其频谱在20Hz～20KHz的范围内光导纤维对光信号具有很宽的频带，故在音频范围内，整个系统的频带宽度主要决定于发送端调制放大电路和接收端功放电路的频率特性二、光纤的结构及传光原理衡量光纤信道性能好坏有两个重要指标：一是看它传输信息的距离有多远，二是看它单位时间内携带信息的容量有多大前者决定于光纤的损耗特性，后者决定于光纤的频率特性目前光纤的损耗容易做到每公里零点几dB水平光纤的损耗与工作波长有关，所以在工作波长的选用上，应尽量选用低损耗的工作波长光纤通讯最早是用短波长0.85μｍ，近来发展到能用1.3～1.55μｍ范围的波长，在这一波长范围内光纤不仅损耗低，而且“色散”也小光纤的频率特性主要决定于光纤的模式性质光纤按其模式性质通常可以分成单模光纤和多模光纤无论单模或多模光纤，其结构均由纤芯和包层两部分组成纤芯的折射率较包层折射率大对于单模光纤，纤芯直径只有5～10μｍ，在一定条件下，只允许一种电磁场形态的光波在纤芯内传播多模光纤的纤芯直径为50μｍ或62.5μｍ，允许多种电磁场形态的光波传播以上两种光纤的包层直径均为125μｍ。

按其折射率沿光纤截面的径向分布状况又分成阶跃型和渐变型两种光纤，对于阶跃型光纤，在纤芯和包层中折射率均为常数，但纤芯折射率n1略大于包层折射率n2所以对于阶跃型多模光纤，可用几何光学的全反射理论解释它的导光原理在渐变型光纤中，纤芯折射率随离开光纤轴线距离的增加而逐渐减小，直到在纤芯—包层界面处减到某一值后，在包层的范围内折射率保持这一值不变，根据光射线在非均匀介质中的传播理论[1]可知：经光源耦合到渐变型光纤中的某些光射线，在纤芯内是沿周期性地弯向光纤轴线的曲线传播本实验采用阶跃型多模光纤作为信道，以下应用几何光学理论进一步说明阶跃型多模光纤的传光原理当一光束投射到光纤端面时，其入射面包含光纤轴线的光线称为子午射线，这类射线在光纤内部的行径是一条与光纤轴线相交、呈“Z”字型前进的平面折线若耦合到光纤内部的光射线在光纤入射端的入射面不包含光纤轴线，称为偏射线 偏射线在光纤内部不与光纤轴线相交；其行径是一条空间折线以下我们只对子午射线的传播特性进行分析n1n2n0121122222子午传导射线漏射线1图8-1-2 子午传导射线与漏射线 参看图8-1-2，假设光纤端面与其轴线垂直对于子午光射线，根据smell定律及图8-1-2所示的几何关系有： （8-1-1）其中，所以有 （8-1-2） 其中是光纤入射端面左侧介质的折射率。

通常，光纤端面处 在空气介质中，故n0 =1由（8-1-2）式可知：如果光线在光纤端面处的入射角较小,则它进入光纤内部后投射到纤芯-包层界面处的入射角 就会大于按下式决定的临界角： （8-1-3）在此情形下光射线在纤芯-包层界面处发生全内反射该射线所携带的光功率就被局限在纤芯内部而不外溢满足这一条件的射线称为传导射线 随着图8-1-2中入射角的增加，角就会逐渐减小，直到时，子午射线携带的光功率均可被局限在纤芯内在此之后，若继续增加，则角就会变得小于， 这时子午射线在纤芯-包层界面处的全反射条件受到破坏，致使光射线在纤芯-包层界面处的每次反射均有部分光功率溢出纤芯外，光导纤维再也不能把光功率有效地约束在纤芯内部这类射线称为漏射线 半导体发光二极管的正向伏安特性如图8-1-4示，与普通的二极管相比，正向电压大于1V以后才开始导通在正常使用情况下，正向压降为1.5V左右半导体发光二极管LED的电-光特性如图8-1-5所示为了使传输系统的发送端能够产生一个无非线性失真、而峰—峰值又最大的光信号，使用LED时应先给它一个适当的偏置电流 ，其值等于电-光特性线性部分中点对应的电流值，而调制电流的峰—峰值应尽可能大地处于电-光特性的这一线性范围内。

01.01.11.21.31.41.51.65101520253020100I(mA)P(μW)I(mA)V(v)图8-1-4 LED的正向伏安特性图8-1-5 LED的电光特性发送端LED的驱动和调制电路如图8-1-6所示，以BG1为主构成的电路是LED的驱动电路，调节这一电路中的W2可使LED的偏置电流在0—50mA的范围内变化音频信号由IC1构成的音频放大电路放大后,经电容器C4耦合到BG1基极对LED的工作电流进行调制，从而使LED发送出光强随音频信号变化的光信号，并经光导纤维把这一信号传送到接收端根据理想运放电路开环电压增益大、同相和反相输入端输入阻抗高和虚地等三个基本性质，可以推导出图8-1-6所示音频放大电路的闭环增益为: G（jω）= V0 / Vi = 1+ Z2 / Z1 （ 8-1-5）图8-1-6 LED的驱动和调制电路其中Z2、Z1分别为放大器反馈阻抗和反相输入端的接地阻抗只要C3选得足够小，C2选得足够大，则在要求带宽的中频范围内，C3的阻抗很大，它所在支路可视为开路，而C2的阻抗很小，它可视为短路。

在此情况下，放大电路的闭环增益 G（jω）=1+R3/R1 C3的大小决定了高频端的截止频率f2，而C2的值决定着低频端的截止频率f1故该电路中的R1、R2、R3和C2、C3是决定音频放大电路增益和带宽的几个重要参数四．半导体光电二极管的结构、工作原理及特性半导体光电二极管与普通的半导体二极管一样，都具体一个p-n结,光电二极管在外形结构方面有它自身的特点，这主要表现在光电二极管的管壳上有一个能让光射入其光敏区的窗口.此外，与普通二极管不同，它经常工作在反向偏置电压状态（如图8-1-7a所示）或无偏压状态（如图8-1-7b所示）（注：光电二极管的偏置电压是指无光照时二极管两端所承受的电压）.在反压工作状态下p-n结的空间电荷区的势垒增高、宽度加大、结电阻增加、结电容减小，所有这些均有利于提高光电二极管的高频响应性能无光照时，反向偏置的p-n结只有很小的反向漏电流，称为暗电流当有光子能量大于p-n结半导体材料的带隙宽度E g的光波照射到光电二极管的光敏区时，p-n结各区域中的价电子吸收光子能量后,将挣脱价键的束缚而成为自由电子，与此同时也产生一个自由空穴这些由光照产生的自由电子-空穴对，统称为光生载流子。

在远离空间电荷区（亦称耗尽区）的p区和N区内，电场强度很弱，光生载流子只有扩散运动，它们在扩散的途中因复合而被消失掉，故不能形成光电流形成光电流的主要靠空间电荷区的光生载流子，因为在空间电荷区内电场很强，在此强电场作用下，光生自由电子-空穴对将以很高的速度分别向N区和P区运动，并很快越过这些区域到达电极，沿外电路闭合形成光电流光电流的方向是从二极管的负极流向它的正极,并且在无偏压的情况下与入射的光功率成正比在光电二极管的p-n结中，增加空间电荷区的宽度对提高光电转换效率有着密切关系为此目的，若在p-n结的p区和n区之间再加一层杂质浓度很低以致可近似为本征半导体（用i表示）的i层，就形成了具有p-i-n 三层结构的半导体光电二极管，简称PIN光电二极管, PIN光电二极管的p-n结除具有较宽空间电荷区外，还具有很大的结电阻和很小的结电容，这些特点使PIN管在光电转换效率和高频响应特性方面与普通光电二极管相比均得到了很大改善P 区N 区P NEP NRLRL空 间电荷区（a）反向偏置电压状态（b）无偏置电压状态图8-1-7 光电二极管的结构及工作方式根据文献[2]，光电二极管的伏—安特性可用下式表示： 　　　　　　　　　　　　　　　 （8-1-6）其中I0是无光照的反向饱和电流，V是二极管的端电压，q为电子电荷，k为波耳兹曼常数，RL小负载线RL大负载线负载线I(μA)-VP1P2P3P4P551015202512345678501001502002500（mV）图8-1-8 光电二极管的伏-安特性曲线及工作点的确定T是结温，单位为K，IL是无偏压状态下光照时的短路电流，它与光照时的光功率成正比。

8-1-6）式中的Io和I L均是反向电流，即从光电二极管负极流向正极的电流根据（8-1-6）式，光电二极管的伏—安特性曲线如图8-1-8所示，对应图8-1-7a所示的反压工作状态，光电二极管的工作点由负载线与第三象限的伏-安特性曲线交点确定由图8-1-8可看出： 1. 光电二极管既使在无偏压的工作状态下，也有反向电流流过，这与普通二极管只具有单向导电性相比有着本质的差别；2. 反压工作状态下，在外加电压V和负载电阻RL的很大变化范围内，光电流与入照光功率均具有较好的线性关系；无偏压负载工作状态下，只有RL较小时光电流才与入照光功率成正比，RL增大时，光电流与光功率呈非线性关系；无偏压短路状态下，短路电流与入照光功率具有很好的线性关系, 这一关系称为光电二极管的光—电特性，光—电特性在I－P坐标系中的斜率： （μA/μW） 　　　　　　　　 （8-1-7）定义为光电二极管的响应度，它是表征光电二极管光电转换效率的重要参数3. 在光电二极管处于开路状态情况下，光照产生的光生载流子不能形成闭合光电流，它们只能在p-n结空间电荷区的内电场作用下，分别堆积在p-n结空间电荷区两侧的N层和P层内，产生外电场，此时光电二极管表现出具有一定的开路电压。

不同光照情况下的开路电压如图8-1-8所示：伏-安特性曲线与横。