光信息傳輸技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書新

1、光信息傳輸技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 何 寧 編信息與通信學(xué)院2009年12月實(shí)驗(yàn)一 光纖及LD特性測(cè)量一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握光纖的基本結(jié)構(gòu)和傳輸特性。2了解光纖通信光源的類型及發(fā)光機(jī)理。3掌握光纖及LD有關(guān)特性測(cè)量。二實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求1. 光纖損耗特性及連接技術(shù)測(cè)試。2LD伏安特性測(cè)試。3LD電光轉(zhuǎn)換特性測(cè)試。4LD調(diào)制特性測(cè)試。三實(shí)驗(yàn)原理光纖制造過程是比較復(fù)雜的過程，生產(chǎn)光纖的主要材料為石英（SiO2），其制造流程如圖1所示：拉絲成纜套塑預(yù)制棒熔煉 材料提純 光纖測(cè)試預(yù)制棒檢驗(yàn)材料分析檢驗(yàn) 圖1 光纖光纜制造流程圖光纖的制作過程一般可分為三個(gè)主要步驟：熔煉、拉絲、套塑。光纖按制作材料不同可分為石英光纖，塑料光

2、纖和氧化物光纖。按工作波長(zhǎng)分為短波光纖（0.85um），長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖（1.31um，1.55um）和超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖（2um以上）。按傳輸模式分為單模光纖和多模光纖。光纖接續(xù)有固定連接和活動(dòng)連接兩種，固定連接一般用于光纜工程上；活動(dòng)連接一般用于機(jī)與線或機(jī)與機(jī)之間的連接，是可以拆卸的。光纖接續(xù)損耗主要受以下幾個(gè)因素的影響，被焊接光纖折射率失配，纖蕊失配，端面的平整度和干凈程度等。光纖傳輸特性主要有損耗特性和頻帶特性，光纖損耗特性通常用dB/km表示，引起光能量衰減的原因有吸收損耗、散射損耗和輻射損耗。要降低光纖衰減，可采用純度極高的石英玻璃。光纖頻帶特性通常用兆赫千米來表示，說明1Km光纖所具有的帶寬

3、能力，光纖頻帶特性主要受傳光時(shí)色散性的影響。光纖的損耗是決定光纖通信系統(tǒng)傳輸距離的一個(gè)很重要的參數(shù)，光纖內(nèi)的吸收、散射和彎曲、微彎以及護(hù)套等因素均可引起光纖傳輸中光功率的衰減，由于精確地計(jì)算光纖損耗極為困難，光纖的損耗通常用實(shí)驗(yàn)確定，因此，掌握測(cè)量光纖損耗的方法十分重要。光纖中光信號(hào)的傳輸可用下式表示： （1）式中是光纖輸入功率，是光纖長(zhǎng)處的光功率，是功率損耗系數(shù)，單位是1/米。在光纖傳輸系統(tǒng)中，常用分貝/公里（）表示損耗，即損耗系數(shù)為： （） （2）與的關(guān)系為： （3）光纖的彎曲損耗都是由于光不滿足全反射條件而造成的，現(xiàn)代光纖最大的優(yōu)點(diǎn)之一就是它的易彎曲性，如果光纖的彎曲曲率半徑太小，將引起

4、光傳播途徑的改變，使光從纖芯滲透到包層，甚至可能穿過包層向外滲漏。在正常情況下，光在纖芯內(nèi)沿軸向傳播的常數(shù)應(yīng)滿足，光強(qiáng)分布為中心軸線最強(qiáng)，隨著半徑的增大而逐漸減弱，到達(dá)纖芯的邊緣光強(qiáng)等于零，呈高斯分布。光在彎曲部分中傳輸，要想保持同相位的電場(chǎng)和磁場(chǎng)在一個(gè)平面里，則越靠近外側(cè)，其速度就會(huì)越大（即越?。．?dāng)傳到某一位置時(shí)，其相速度就會(huì)超過光速，即當(dāng)時(shí)，這意味著傳導(dǎo)模要變成輻射模，所以，光信號(hào)的一部分會(huì)損失掉，傳輸損耗將會(huì)增加。圖2和圖3是光纖特性圖。 圖2 光纖損耗特性 圖3 光纖彎曲振蕩特性光纖通信系統(tǒng)采用的光源主要有半導(dǎo)體激光器（LD）和發(fā)光二極管（LED）,根據(jù)制作的材料不同，發(fā)光二極管的峰

5、值發(fā)射波長(zhǎng)有0.85um、1.3um和1.55um三種。LED是非相干光源，是一種直接注入電流的光發(fā)射器件，它的發(fā)射過程主要對(duì)應(yīng)光的自發(fā)輻射過程，是半導(dǎo)體晶體內(nèi)部受激電子從高能級(jí)回復(fù)到低能級(jí)時(shí)，發(fā)射出光子的結(jié)果。在發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)中，不存在諧振腔，當(dāng)注入正向電流時(shí)，注入的非平衡載流子在擴(kuò)散過程中復(fù)合發(fā)光。因此，發(fā)光二極管不是閾值器件，它的輸出功率基本上與注入電流成正比。發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)可分為表面發(fā)光型LED和邊發(fā)光型LED，光纖通信中多采用邊發(fā)光型LED。發(fā)光二極管的特性主要有光譜特性、伏安特性、電光轉(zhuǎn)換特性和調(diào)制特性。光譜曲線上發(fā)光強(qiáng)度最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為發(fā)光峰值波長(zhǎng)，光譜曲線上兩個(gè)半光強(qiáng)點(diǎn)

6、所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)差稱為L(zhǎng)ED的譜線寬度，其值為3040nm左右,光譜極易受溫度的影響。伏安特性是指LED通過正向電流時(shí)，發(fā)光二極管兩端所產(chǎn)生的正向壓降，由于正向電阻比較小，故正向壓降較低。圖4給出示意圖。 （a）伏安特性曲線 （b）伏安特性測(cè)試電路 圖4 伏安特性示意圖光譜曲線上發(fā)光強(qiáng)度最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為發(fā)光峰值波長(zhǎng)，光譜曲線上兩個(gè)半光強(qiáng)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)差稱為L(zhǎng)D的譜線寬度，其值為3040nm左右,光譜極易受溫度的影響。與普通光源相比，激光光源具有單色性好、亮度高、方向性強(qiáng)和相干性強(qiáng)等特點(diǎn)，激光的出現(xiàn)使原有的光譜技術(shù)在靈敏度和分辨率方面得到很大的改善。激光器根據(jù)譜線寬度不同可分為單縱模和多縱模激光

7、器，其光譜如圖5、圖6和圖7所示。 圖5 LED光譜特性 圖6 LD光譜特性 圖7 LED多縱模光譜電光轉(zhuǎn)換特性是指LED的光輸出功率與注入電流的關(guān)系，它是LED的重要參數(shù)之一，分為直流輸出功率和脈沖輸出功率。直流輸出光功率是指在規(guī)定正向直流工作電流下，LED所發(fā)出的光功率；而脈沖輸出光功率是指在規(guī)定幅度、頻率和占空比的矩形脈沖電流作用下，LED發(fā)光面所發(fā)射出的光功率。出光特性曲線如圖8所示。 圖8 PI特性曲線LED調(diào)制特性是指在規(guī)定的直流正向工作電流下，用數(shù)字或模擬信號(hào)對(duì)LED進(jìn)行調(diào)制，從而改變光功率。光通信中傳輸速率的大小受調(diào)制頻率或調(diào)制帶寬的限制。圖9給出其調(diào)制原理圖。 （a）模擬調(diào)制

8、 （b）數(shù)字調(diào)制 圖9 調(diào)制特性曲線四實(shí)驗(yàn)線路圖10和圖11給出光纖彎曲損耗和彎曲振蕩的測(cè)試圖，測(cè)試中使光纖在不同直徑大小的圓柱上彎曲，在光功率計(jì)和光譜儀上進(jìn)行測(cè)量。圖12給出了伏安特性、出光特性的具體測(cè)試電路，調(diào)節(jié)電位器可改變流過二極管的電流，從而改變LED的出光功率。圖13給出了光調(diào)制電路，a）圖為模擬調(diào)制電路，為了保證LED工作在線性范圍，在無信號(hào)輸入時(shí)，必須給LED加一定的直流偏置；b）圖為數(shù)字調(diào)制電路，三極管VT處于零偏置，且在開關(guān)狀態(tài)下工作，當(dāng)輸入信號(hào)為高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，LED有光信號(hào)輸出，當(dāng)輸入信號(hào)為低電平時(shí)，三極管截止通，LED無光信號(hào)輸出。光 源光功率計(jì)測(cè)試圓柱光 源光譜

9、儀 圖10 光纖損耗測(cè)試圖 圖11 光纖彎曲振蕩測(cè)試圖圖12 伏安特性與PI特性測(cè)試電路 圖13 調(diào)制電路五實(shí)驗(yàn)步驟（一） 光纖特性測(cè)量及連接技術(shù)測(cè)量光纖衰減特性、光譜特性，測(cè)量光纖物理尺寸，光纖熔接練習(xí)。（二）LED伏安特性測(cè)試1將電流表串接入LED測(cè)試電路，開啟穩(wěn)壓電源（直流5V）。2調(diào)整電位器，使流過LED的電流為100mA，測(cè)量LED兩端對(duì)應(yīng)的電壓值。3減小電源電壓，按表1中電流值調(diào)整，用萬用表測(cè)量并記錄LED兩端對(duì)應(yīng)電壓值。4根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)作出LED的正向伏安特性曲線。表1電流123456789102030405060708090100電壓（三）LED出光特性測(cè)試1電源電壓為5伏，調(diào)整

10、電位器改變流過LED的電流。2在LED的尾纖接入光功率計(jì)，讀出與流過LED電流對(duì)應(yīng)的光功率值，記入表2中。3根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)作出LED的出光特性曲線。表2電 流 5 10 20 30 40 50 60 70 8090100功 率（四）LED調(diào)制特性測(cè)試（模擬調(diào)制）1將信號(hào)源頻率設(shè)置為1KHz、幅度為100mv的正弦信號(hào)，并加入電路輸入端。2用示波器測(cè)試三極管的輸出調(diào)制波形。3用光功率計(jì)測(cè)試此時(shí)LED的光功率值。六實(shí)驗(yàn)設(shè)備穩(wěn)壓電源 信號(hào)源 光功率計(jì) 光譜儀 萬用表 雙蹤示波器 七實(shí)驗(yàn)報(bào)告1處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并畫出相關(guān)特性曲線。2說明模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制對(duì)線性的要求。3實(shí)驗(yàn)體會(huì)。實(shí)驗(yàn)二 光通信系統(tǒng)模擬仿真

11、OptiSystem一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.熟悉OptiSystem 仿真軟件的功能及應(yīng)用。2.掌握基本光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成與參數(shù)仿真。 二 、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.OptiSystem軟件菜單元件庫(kù)操作2.基本光纖傳輸系統(tǒng)仿真三、 軟件功能介紹 OptiSystem能在時(shí)域和頻域上對(duì)光通信系統(tǒng)中物理層進(jìn)行模擬仿真。用途：光發(fā)射機(jī)、信道、放大器、接收機(jī)設(shè)計(jì)WDM、DWDM、CATV、PON/FTTx、ROF網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、SONET/SDH設(shè)計(jì)功能： 圖形化界面可導(dǎo)入其它設(shè)計(jì)軟件和Matlab文件。 四、 元件庫(kù)介紹 發(fā)送器件庫(kù) （Transmitters Library) 波分復(fù)用器件庫(kù) （WDM Multiple

12、xers Library)光纖介質(zhì)庫(kù) （Optical Fibers Library) 放大器件庫(kù) （Amplifiers Library)濾波器元件庫(kù) （Filters Library)無源元件庫(kù) （Passives Library)網(wǎng)絡(luò)元件庫(kù) （Network Library)接收元件庫(kù) （Receivers Library)信號(hào)邏輯元件庫(kù) （Signal Processing Library)接插件元件庫(kù) （Tools Library)信道處理庫(kù) （Cable Access Library)MATLAB元件庫(kù) （MATLAB Library)測(cè)量?jī)x器庫(kù) （Visualizer Libra

13、ry) 信道調(diào)制解調(diào)元件庫(kù) （Cable Access Library)EDA仿真庫(kù) （EDA Cosimulation Library)）五、實(shí)驗(yàn)仿真報(bào)告及要求1、光源光譜測(cè)試系統(tǒng) 改變光源譜寬（1KHz200MHz），觀察光譜、光功率、光信噪比，作出光信噪比隨光源譜寬變化曲線。2、建立一模擬光纖傳輸系統(tǒng) 系統(tǒng)包括光源（功率為-20dBm）、模擬調(diào)制器、光纖介質(zhì)、光電探測(cè)器（PIN）、濾波器，信號(hào)源（頻率為200MHz、幅度為100mV），要求光接收靈敏度為-53dBm左右時(shí)（接收系統(tǒng)輸出信噪比約等于1時(shí)），模擬系統(tǒng)傳輸?shù)淖畲缶嚯x。實(shí)驗(yàn)三： 數(shù)字光纖傳輸測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 理解利

14、用光承載電信號(hào)的原理，設(shè)計(jì)數(shù)字光纖通信傳輸測(cè)試系統(tǒng)。2、 掌握光纖通信系統(tǒng)接收的靈敏度測(cè)量及通信距離概算。二、 實(shí)驗(yàn)任務(wù)和原理實(shí)驗(yàn)任務(wù)：按給定設(shè)備和器件，設(shè)計(jì)構(gòu)建一數(shù)字光纖傳輸光接收靈敏度測(cè)試系統(tǒng)，并模擬信道衰減計(jì)算系統(tǒng)傳輸距離。實(shí)驗(yàn)原理：光纖通信系統(tǒng)主要由光發(fā)信機(jī)、光纖傳輸介質(zhì)（光信道）和光收信機(jī)組成，光發(fā)信機(jī)是完成電信號(hào)與光信號(hào)的轉(zhuǎn)換，即調(diào)制，光波是承載電信號(hào)的載波，目前光纖通信中常用的電光轉(zhuǎn)換器件有LD和LED，調(diào)制方式主要是直接光強(qiáng)度調(diào)制。光纖是作為光信號(hào)的傳輸通道，完成收發(fā)兩端設(shè)備的連接。光電探測(cè)器是將接收到的光功率轉(zhuǎn)換成信號(hào)電流送到后級(jí)進(jìn)行處理，光纖通信中最常用的光電探測(cè)器主要有P

15、IN光電二極管和APD雪崩二極管兩種。光信號(hào)經(jīng)過長(zhǎng)距離傳輸會(huì)產(chǎn)生衰減，它將影響信號(hào)的接收質(zhì)量，這就需提高接收機(jī)的靈敏度。接收機(jī)的靈敏度是在保證接收機(jī)的對(duì)信號(hào)的正常接收情況下，接收機(jī)所需的最小光功率，常采用分貝毫瓦（dBm）表示。光纖傳輸系統(tǒng)中繼距離的長(zhǎng)短，除了發(fā)射機(jī)的發(fā)射光功率和接收機(jī)的靈敏度外，還與光纖傳輸介質(zhì)的損耗有關(guān)，光纖傳輸系統(tǒng)傳輸信道衰減組成及表達(dá)式如下：TXRXMcMe活動(dòng)接頭固定接頭 光纖傳輸系統(tǒng)信道組成式中： 為發(fā)射平均功率，單位dBm; 接收光功率，單位dBm; 一個(gè)活動(dòng)接頭損耗，單位dB; 設(shè)備富余度，單位dB 光纖每公里損耗，單位dB/Km; 每個(gè)固定接頭衰減，單位dB/

16、個(gè)； 光纖線路富余度，dB/Km.三、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及技術(shù)要求1、 光接收機(jī)靈敏度測(cè)試用調(diào)制光源連續(xù)光（CW）狀態(tài)測(cè)試活動(dòng)接頭的衰減量；調(diào)制光源工作頻率在1KHz、功率為0.5mW的內(nèi)部脈沖調(diào)制狀態(tài)；搭建測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)量給定光接收機(jī)的靈敏度。要求：畫出測(cè)試系統(tǒng)框圖及測(cè)試波形，按“正切靈敏度”測(cè)試法和“替代法”測(cè)出接收的最小光功率，并計(jì)算出光接收機(jī)的靈敏度（dBm）。2、 光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)距離概算根據(jù)上面測(cè)試的模擬信道衰減量計(jì)算出最大的傳輸距離；（注意活動(dòng)接頭的個(gè)數(shù)）如果在靈敏度保持一定時(shí)，光發(fā)射機(jī)功率再增加0.1mW，計(jì)算此時(shí)光纖信道傳輸距離可增加多少公里。(給定設(shè)備富余度3dB，光纖衰減為0.2dB/Km)。四、實(shí)驗(yàn)儀器及使用調(diào)制光源 一臺(tái) 穩(wěn)壓電源 一臺(tái) 光纖衰減器 一臺(tái)雙蹤示波器 一臺(tái) 光功率計(jì) 一臺(tái) 光接收電路 一塊l 調(diào)制光源是光纖通信完成電光轉(zhuǎn)換的一個(gè)重要部分，它可使用內(nèi)部電信號(hào)和外部電信號(hào)調(diào)制，可輸出連續(xù)光和脈沖光，輸出光功率可進(jìn)行調(diào)整，通過調(diào)整INT按鍵可改變其工作狀態(tài)，CW為連續(xù)光輸出，270Hz、1KHz和2KHz為內(nèi)部電脈沖調(diào)制，UR為外加TTL電脈沖信號(hào)調(diào)制，可完成dBm和mW、uW、nW功率讀數(shù)顯