光纖通信原理與技術(shù)實驗指導(dǎo)書

1、光纖通信原理與技術(shù)實驗指導(dǎo)書光通信原理與技術(shù)實驗指導(dǎo)書實驗一 模擬（音頻）信號的調(diào)制、傳輸和解調(diào)實驗?zāi)康暮鸵?、光纖端面的處理和夾持；2、了解模擬信號的光纖調(diào)制方法；3、學(xué)會已調(diào)信號的解調(diào)技術(shù);4、觀察已調(diào)波和調(diào)制波的波形；5、光纖折射率的時間法求解。實驗裝置和儀器：GX1000光纖實驗儀；半導(dǎo)體激光器；激光功率計；光纖刀；光學(xué)實驗導(dǎo)軌；光纖調(diào)整架；光纖； 示波器；音頻信號發(fā)生器（或收音機） 。實驗原理：1.激光器的輸出特性（I P）特性激光器的光輸出特性（P J特性）是表示注入電流與激光器輸出功率之間的關(guān)系曲線。如圖 所示。當(dāng)注入電流增加時由于自發(fā)輻射量增加，輸出功率也會增加，但增加得較慢

2、。當(dāng)光 輻射量超過PN結(jié)中的吸收損耗，增益超過損耗時，激光器就開始振蕩，所以光輸出功率隨 注入電流的增加而急劇增加。04312所示。1、光的調(diào)制將調(diào)制信號加在激光器上，控制激光器的電流，則激光器的輸出功率隨調(diào)制信號而改變。如圖2、光通信系統(tǒng)圖3是典型的光纖通信系統(tǒng)。電信號加在激光器的偏置電路上，控制激光器的注如電流，從而使激光器的輸出光功率隨外加信號變化，達(dá)到對輸出光進(jìn)行調(diào)制.經(jīng)調(diào)制的光由光纖（光纖通信）或 空間（空間光通信）傳輸?shù)焦怆娞綔y器，探測器將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，后續(xù)電路檢波解調(diào)恢復(fù)所加的電信號。光纖通信原理與技術(shù)實驗指導(dǎo)書11實驗內(nèi)容及步驟:*裁就卻4 A（一）光纖端面的處理1、2、

3、3、用光纖剝皮鉗剝?nèi)ス饫w兩端的涂覆層，長度約10mm。如圖5在5mm出用光纖刀刻劃一下。用力不要太大，以不使光纖斷裂為限。在刻劃處輕輕彎曲纖芯，使之?dāng)嗔?。處理過的光纖端面不應(yīng)再被觸摸，以免損壞和污染。4、5、6、7、將光纖的另一端放入光纖座上的刻槽中，伸出約10mm ,用磁吸壓住。光纖的耦合將實驗儀置于直流擋。將光纖的一端小心放入光纖夾中，伸出長約10mm，用簧片壓住，放入三維光纖架中，用鎖緊螺釘鎖住。調(diào)整激光的工作電流，使激光不太明亮，用一張白紙在激光器前后移動，確定激光焦點的位置。9、通過移動三維光纖調(diào)整架和調(diào)整Z軸旋鈕，使光纖端面盡量逼近焦點。10、將激光器工作電流調(diào)到最大，通過仔細(xì)調(diào)整

4、三維光纖調(diào)整架上的X軸、Y軸、Z軸旋鈕和激光器調(diào)整架上的水平、垂直旋鈕，使激光照亮光纖端面并耦合進(jìn)光纖。觀測光纖輸出光強的變化，反復(fù)調(diào)整各旋鈕，直到光 纖輸出功率達(dá)最大為止。記下最大功率值Pf。測量5次，取平均值。11、將實驗儀的功能檔置于音頻調(diào)制檔。12、將示波器的CH1和CH2通道分別與“輸出波形”和“輸入波形”相連。13、 將示波器“掃描頻率”置于10卩S/Div檔，示波器顯示應(yīng)為近似的穩(wěn)定矩形波。14、從“音頻”端加入音頻模擬信號，這時可觀察到示波器上的矩形波形的前后沿閃動。15、打開實驗儀后面板上的“喇叭”開關(guān)，應(yīng)可聽到音頻信號源中的聲音信號。16、 可分別觀察實驗儀發(fā)射板“調(diào)制”前

5、后的波形和接收板“解調(diào)”前后的波形。記錄波形的形狀和幅值。觀察、了解音頻模擬信號的調(diào)制、傳輸、解調(diào)過程的情況。（注意：“喇叭”開關(guān)平時應(yīng)處于“關(guān)”狀態(tài)，以免產(chǎn)生不必要的噪聲。）17、將光探頭接在實驗儀接收板的“輸入”端，光纖輸出光對準(zhǔn)光探頭，示波器的CH1依次與接收板上的解調(diào)前后的“波形”端相連，觀察波形情況。改變激光器的輸出功率Po,記錄對應(yīng)的示波器的 CH1上的解調(diào)前“波形”幅值 V前和解調(diào)后“波形”幅值 V后，如下表。18、加上音頻，打開喇叭開關(guān)，調(diào)整激光器的電流，同時，仔細(xì)聽解調(diào)后的聲音變化，體會傳輸光強的大小 對傳輸信號的影響，即信噪比的影響.19、去掉光纖，讓激光器的直接照在光探頭

6、上，示波器的CH1依次與接收板上的解調(diào)前后的“波形”端相連，觀察波形情況。改變激光器的輸出功率Po,記錄對應(yīng)的示波器的 CH1上的解調(diào)前“波形”幅值 V前和解調(diào)后“波形”幅值20、重復(fù)18的步驟,21、注在以上操作中,比較光通過空間和光纖后音頻的變化.注意不要使探測器飽和。思考題:1. 分析各端波形情況。2. 傳輸光的強度對音頻信號有何影響?3.光纖傳輸和空間傳輸時接收的波形有何變化?3 比較光纖通信和空間通信的特點.實驗二 光通信中的光交叉連接（OXC ）模擬實驗一、實驗?zāi)康呐c要求1.學(xué)習(xí)OXC的原理，了解其實現(xiàn)方法和光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點OXC在光纖通信中的作用和意義。2.學(xué)習(xí)OXC的原理，了解其實現(xiàn)

7、方法和光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點OXC在光纖通信中的作用和意義。3.理解電尋址液晶空間光調(diào)制器（SLM ）的原理、光學(xué)特性和操作。4.設(shè)計利用空間光調(diào)制器、柱面鏡等器件實現(xiàn)OXC的方法和光路。實驗基本原理與功能1.OXC定義WDM光網(wǎng)絡(luò)要求光節(jié)點具備交換功能，來自不同光纖通道的信號或同一光纖的不同波長通道的信號根OXC據(jù)實際情況需要直通或交換通道進(jìn)行傳輸，這一功能叫做光的交叉連接 （Optic Cross Connection簡稱OXC）。的主要功能是完成光通道的交叉連接，同時還具備本地的上下路功能。2. OXC節(jié)點的交叉連接原理3、圖1、2分別表示了空間和波長交換的 OXC的原理。在圖1中，用戶通道1、3的

8、信號需要在用戶通道1、中傳輸，而通道2的信號需要直通。在用戶信號通道1用戶信號通道2用戶信號通道3用戶信號通道1用戶信號通道2用戶信號通道3OXC圖2中，用戶通道1中波長為入1的信號需要交換到通道 2中進(jìn)行傳輸，用戶通道 2中波長為入4的信號需要交換到通道1中進(jìn)行傳輸，其余的信號需要在用戶信號通道1用戶信號通道2用戶信號通道1用戶信號通道2原通道中傳輸，即直通。上述交叉連接功能就是由OXC節(jié)點來實現(xiàn)的。3 OXC節(jié)點模型在光傳送網(wǎng)絡(luò)中，OXC節(jié)點的基本功能是在各輸入端和輸出端光纖上復(fù)用的WDM信道之間建立全光通道互連模式。圖3給出了 OXC節(jié)點結(jié)構(gòu)的一種模型，其中 N代表節(jié)點的輸入或輸出端口數(shù)

9、,M為每根光纖上復(fù)用的波長數(shù)目。擴展級網(wǎng)絡(luò)完成輸入端 WDM信號的解復(fù)用功能；集中級網(wǎng)絡(luò)在輸出端對單波長信號重新進(jìn)行復(fù)用;交換級網(wǎng)絡(luò)位于擴展級網(wǎng)絡(luò)和集中級網(wǎng)絡(luò)之間，實現(xiàn)單波長信號在空間或波長域上的全光交叉連接。擴展級、交換級和集中級網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)成了OXC節(jié)點的通道交叉連接結(jié)構(gòu)。光交叉連接結(jié)構(gòu)圖3 OXC節(jié)點的一種模型OXC的光交換中有兩種基本交換機制：空間交換和波長交換。實現(xiàn)空間交換的器件有各種類型的光開關(guān)，它們在空間域上完成通信通道之間的交換。實現(xiàn)波長交換的器件是指各種類型的波長變換器，它們將信號從一個波長轉(zhuǎn)換到另一個波長，即實現(xiàn)波長域上的交換。光交換模塊中還廣泛采用波長選擇器(如各種類型的可

10、調(diào)諧光濾波器和解復(fù)用器)，它實現(xiàn)對WDM信號中一個或多個波長信號的選擇通過，并濾掉其它波長的信號。這些器件的 不同組合可以構(gòu)成不同結(jié)構(gòu)的 OXC。目前已提出的OXC結(jié)構(gòu)很多，大致分為兩大類：一類是基于空間交換的 OXC結(jié)構(gòu)，另一類是基于波長交換的OXC結(jié)構(gòu)。下面分別對這兩類結(jié)構(gòu)予以介紹。1) 基于空間交換的OXC結(jié)構(gòu)空間交換結(jié)構(gòu)主要包括：基于空間光開關(guān)矩陣和波分復(fù)用/解復(fù)用器對、基于空間光開關(guān)矩陣和可調(diào)諧濾波器、基于分送耦合開關(guān)、基于平行波長開關(guān)的OXC結(jié)構(gòu)。這些不同結(jié)構(gòu)的 OXC具有不同的特點，但其核心部分交換功能都是由不同的空間光開關(guān)來完成的?；诳臻g光開關(guān)矩陣和波分復(fù)用 /解復(fù)用器對的兩

11、種典型的 OXC結(jié)構(gòu)如圖4所示。波分解1復(fù)用器1-1空間光開關(guān)矩陣NXN波分復(fù)用器波分解復(fù)用器波長變波分解 換器.復(fù)用器MNXMNI P, LNXN開關(guān)發(fā)送模塊NXN，/;HL-接收模塊發(fā)送模塊矩陣=B接收模塊DXCDXC圖4基于空間光開關(guān)矩陣和波分復(fù)用/解復(fù)用器對的OXC結(jié)構(gòu)在圖4(a)、(b)中，波分解復(fù)用器將鏈路中的WDM信號在空間上分開，空間光開關(guān)矩陣在空間上實現(xiàn)交換。完成空間交換后各波長信號直接經(jīng)波分復(fù)用器復(fù)用到輸出鏈路中。結(jié)構(gòu)(a)中只能實現(xiàn)一個輸入光信號被唯一地交叉連接到一條輸出光通道中，而不能被廣播發(fā)送到多條輸出光通道中，它不具備廣播發(fā)送能力。另外，這種結(jié)構(gòu)無波長變換器，只能支

12、持波長通道，并不支持虛波長通道。結(jié)構(gòu)(b)中，MN X MN開關(guān)矩陣可以實現(xiàn) MN X MN無阻塞交換，任一輸入鏈路中的任一波長都可以根據(jù)需要交換到任一輸出鏈路中的任一波長,它支持虛波長通道。此外，它與結(jié)構(gòu)(a)樣，也不具備廣播發(fā)送能力。2)基于波長交換的OXC結(jié)構(gòu)目前已有基于陣列波導(dǎo)光柵復(fù)用器的多波長交換OXC結(jié)構(gòu)和完全基于波長交換的 OXC結(jié)構(gòu)。圖5是基于陣列波導(dǎo)光柵復(fù)用器（AWGM ）的多波長交換 OXC結(jié)構(gòu)的一種。這種結(jié)構(gòu)利用了陣列波導(dǎo)光柵復(fù)用器的特性,圖中1 X1波長變換器由一將多級的波長變換器級連起來，完全在波長域上實現(xiàn)光通道的交換。一個陣列波導(dǎo)光柵復(fù)用器可同時實現(xiàn)波分復(fù) 用和解復(fù)

13、用的功能，并且將相隔寬度為自由譜寬的整數(shù)倍的多個波長復(fù)用到一個出端。個解復(fù)用器、M個波長變換器和一個耦合器構(gòu)成，完成將 M個輸入波長轉(zhuǎn)換為R個內(nèi)部波長中某個波長的功能。這種結(jié)構(gòu)也不具有廣播發(fā)送能力，但是如果波長變換器使用的是可調(diào)諧濾波器，則具備廣播發(fā)送能力4.本實驗的原理本實驗基于空間光交換的 OXC的原理而設(shè)計，其實驗原理圖如圖6所示。本實驗的核心部分一一空間光交換是由空間光開關(guān)矩陣來完成的。實驗中用可動態(tài)控制的空間光調(diào)制器作為空間光開關(guān)矩陣，空間光調(diào)制器的主 要組成部分有液晶屏和控制器，液晶屏上的象素相當(dāng)于光開關(guān)器件。用戶信號分別用紅、綠、藍(lán)三個可見點光源7所示?？臻g光調(diào)制器后的柱面透來表

14、示，分別代表 WDM信號中已被解復(fù)用的三個信號。利用柱面透鏡將用戶信號發(fā)散的球面波轉(zhuǎn)換成準(zhǔn)直的柱輸出端面柱面鏡輸入端面柱面鏡面波，并讓它們同時照射到空間光調(diào)制器上?？臻g光調(diào)制器上光信號分布如圖空間光開關(guān)矩陣圖6 OXC實驗原理圖鏡將傳輸過來的平面波轉(zhuǎn)換為水平方向會聚的柱面波，因此在不同水平位置的光波將匯聚到輸出端面的不同位置上。如圖7、8所示，當(dāng)a行開關(guān)（象素）信號1b(a,1)1 (a,2)1r(a,3)1_1(b,1)tF(b,2)1.1(b,3)1(c,1)(c,2)11(c,3)11V信號2信號3圖7空間光調(diào)制器上光信號分布圖打開而其它開關(guān)全部關(guān)閉時，即僅（a,1）、（a,2）、（a,

15、3）為開狀態(tài)時，（a,1）、（a,2）、（a,3）處透過的光信號經(jīng)柱面透鏡后將重合于A處，從而實現(xiàn)了多點到一點的連接。當(dāng)僅（a,2）打開時，A處只能收到信號2的信號而收不到1、3的信號，從而實現(xiàn)了點到點的連接。同理，b或c行信號如果在相應(yīng)象素開關(guān)打開的情況下，光信號經(jīng)柱面鏡后將到達(dá)接收端上的另一位置 B或C。可見，只要控制空間光調(diào)制器就可使輸入端面上的紅、綠、藍(lán)三路光信號交換在接收端面上的不同光纖上，從而實現(xiàn)了光的交叉連接。e）來壓縮垂直分布的平面波之間的距離，使之能很本模擬實驗的具體實現(xiàn)方式如圖9所示。為了實驗調(diào)整方便，我們用擴束準(zhǔn)直加狹縫的方式來實現(xiàn)用戶信號由球面波到垂直分布的準(zhǔn)直柱面波的

16、轉(zhuǎn)換，并采用反射棱鏡（好地被空間a拱纏+77SLM.1 （該計算機安裝了控制軟件 CtrLCD來圖9實驗裝置原理圖光調(diào)制器控制。為了使實驗中的控制及顯示更加直觀，我們用計算機#顯示和控制空間光調(diào)制器上象素開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)。三、實驗主要技術(shù)指標(biāo) 技術(shù)指標(biāo)有:1.如何使激光打出的光變?yōu)槠矫娌ā?.如何使來自不同方向的光變?yōu)槠叫泄?。四、實驗設(shè)計:1 .設(shè)計利用空間光調(diào)制器、柱面鏡等器件實現(xiàn)OXC的方法和光路。五.設(shè)計舉例六.綜合性實驗任務(wù)1、設(shè)計課題:OXC實驗的設(shè)計2、已知條件：OXC實驗光路3、性能指標(biāo):通過控制空間光調(diào)制器的控制程序能分別觀察到紅、綠和藍(lán)三色光以及它們混合光。4.實驗儀器設(shè)備：微鏡、雙膠合透鏡、狹縫、反射棱鏡、空間光調(diào)制器、柱面透鏡、CCD探測器、計算機、電5.設(shè)計步驟和要求1. 按圖9建立并調(diào)整OXC模擬實驗光路1)將器件調(diào)節(jié)等高同軸2)激光束首先進(jìn)行擴束準(zhǔn)直，準(zhǔn)直成三個不同顏色的平行光斑。3)利用三個狹縫，攔截所得的三束平行光斑，得到三束垂直分布的平面波。調(diào)節(jié)兩個反射棱鏡，使三條垂直平面波等間距平行并能全部射入空間光調(diào)制器（間距盡量小）4）