實(shí)驗(yàn)十音頻光纖傳輸技術(shù)-

1、實(shí)驗(yàn)十音頻光纖傳輸技術(shù)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解聲光調(diào)制器基本原理。2、理解光纖通信的原理。3、掌握音頻信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。4、學(xué)會(huì)如何在音頻信號(hào)傳輸系統(tǒng)中獲得較好信號(hào)傳輸質(zhì)量。二、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備氦氖激光器、聲光調(diào)制器、高頻信號(hào)發(fā)生器、小孔光闌、光纖(L=1.62m、收錄機(jī)(調(diào)幅、光電接收及解調(diào)功放盒、8喇叭三、實(shí)驗(yàn)原理光纖傳輸信息有二種方法:模擬法和數(shù)字法。本實(shí)驗(yàn)采用模擬法,如圖1所示,主要由三部分組成:光信號(hào)發(fā)送端,功能是將待傳輸?shù)囊纛l電信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。 用于傳送光信號(hào)的光纖,功能是將發(fā)送端光信號(hào)以盡可能小的衰減和失真?zhèn)魉偷焦庑盘?hào)接收端。 光信號(hào)接收端,功能是將光信號(hào)經(jīng)光電

2、轉(zhuǎn)換器件還原為相應(yīng)的電信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)發(fā)送端電光轉(zhuǎn)換器件是聲光調(diào)制器,傳輸光纖系多模石英光纖。接收端光電轉(zhuǎn)換器件采用PIN 管。光信號(hào)發(fā)送端聲光調(diào)制器光電接收端PIN管 驅(qū)動(dòng)源和音頻信號(hào)光信號(hào)解調(diào)器揚(yáng)聲器圖1 原理方框圖1、光導(dǎo)纖維的工作原理當(dāng)今的信息時(shí)代,人們對(duì)通信的帶寬、速度的要求不斷提高。光纖通信具有寬頻帶、高速度、不受電磁干擾影響等一系列優(yōu)點(diǎn),得到迅速發(fā)展。1970年,世界上第一根實(shí)用光纖研制成功。到目前,光通信速率在實(shí)驗(yàn)室中已達(dá)到1012b/s, 即可將全世界可能傳輸?shù)娜客ㄐ帕坑谕粫r(shí)刻內(nèi)在一根光纖中傳送。光導(dǎo)纖維是用細(xì)的石英玻璃制成的,每根光纖是由一個(gè)圓柱形的內(nèi)芯和包層組成。內(nèi)芯的折

3、射率略大于包層的折射率。當(dāng)光纖直徑遠(yuǎn)大于光波波長(zhǎng)時(shí),可以用幾何光學(xué)的方法來(lái)解釋光在光纖中的傳播 圖2 光導(dǎo)纖維中光的傳輸特性當(dāng)光線從光密物質(zhì)射向光疏物質(zhì)時(shí),如入射角大于臨界角時(shí),光線產(chǎn)生全反射,即光線不再離開光密介質(zhì)。如圖2所示,在角度2之間的入射光,除了在玻璃中吸收和散射之外,大部分在界面上產(chǎn)生多次全反射,而以鋸齒型的路線在光纖中傳播。在光纖的末端以入射角相等的出射角射出光纖。如圖二所示,光被閉鎖在光纖內(nèi),只能沿著光纖傳輸。光纖的芯徑一般幾個(gè)微米至幾百微米,按照傳輸光模式可分為多模光纖和單模光纖。本實(shí)驗(yàn)采用的是多模光纖。石英光導(dǎo)纖維的主要技術(shù)指標(biāo)有:數(shù)值孔徑:數(shù)值孔徑反映纖芯接受光量的多少。

4、無(wú)論光源發(fā)射功率有多大,只有2張角之內(nèi)的光功率能被光纖接收。定義光纖數(shù)值孔徑NA=sin=(n21n221/2(1一般希望有大的數(shù)值孔徑,以利于耦合效率的提高,但數(shù)值孔徑太大,光信號(hào)畸變就越嚴(yán)重,因此要適當(dāng)選擇數(shù)值孔徑,一般在0.10.6之間,對(duì)應(yīng)的在9°33°。光纖模式:指光波沿光纖傳播的途徑和方式。如同一信號(hào)采取很多模式傳播,就會(huì)導(dǎo)致信號(hào)畸變,因此希望模式數(shù)量越少越好。階躍型的圓筒波導(dǎo)內(nèi)的模式數(shù)量克表示為 d (n21n221/2V= (2 0式中d為纖芯直徑,0為入射光波長(zhǎng)。D一般取幾個(gè)微米,n1 n2之差不大于1%傳播損耗:光纖的損耗主要由于材料吸收引起的吸收損耗,

5、纖芯折射率不均勻引起的散射損耗,纖芯和包層之間界面不規(guī)則引起的界面散射損耗,光纖彎曲造成的損耗,纖維間對(duì)接損耗,以及輸入輸出端耦合損耗。假設(shè)纖芯輸入端光功率強(qiáng)度為I0,當(dāng)它通過光纖時(shí),其強(qiáng)度通常按指數(shù)式下降,光纖中任一點(diǎn)的光強(qiáng)度為:I(L=I0el (3式中I0為輸入端的初始光強(qiáng)。L為光纖縱向長(zhǎng)度,A為強(qiáng)度衰減系數(shù)。2、光發(fā)送機(jī)原理 圖3光發(fā)送機(jī)原理圖光發(fā)送機(jī)的作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光形式,并將生成的光信號(hào)注入光纖。它由光源、聲光調(diào)制器和通道耦合器組成,如圖3所示。聲光調(diào)制器是由聲光介質(zhì)、電聲換能器、吸聲 (或反襯裝置及驅(qū)動(dòng)源組成。調(diào)制信號(hào)(假設(shè)為正弦波通過電聲轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為超聲波,然后加到聲光晶

6、體上,電聲轉(zhuǎn)換器是利用某些壓電晶體(例如鈮酸鋰、石英等反壓電效應(yīng),在外加電場(chǎng)作用下產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)而形成超聲波。超聲波使聲光介質(zhì)的折射率沿聲波方向隨時(shí)間交替變化,當(dāng)一平行波光束通過它時(shí),由于聲致光衍射,其出射光束就具有隨時(shí)間而周期性變化的光程差,因此形成了各級(jí)閃爍變化的衍射光。本實(shí)驗(yàn)采用幅度調(diào)制的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)壓電換能器,通過電聲轉(zhuǎn)換,得到與輸入電信號(hào)相對(duì)應(yīng)的幅度調(diào)制的超聲波,超聲波在介質(zhì)中傳播,從而形成同樣幅度調(diào)制的超聲光柵。當(dāng)光波被聲光柵所衍射時(shí),衍射光的強(qiáng)度調(diào)制與輸入電信號(hào)的幅度調(diào)制相對(duì)立,因而得到調(diào)制的輸出光。3.光接收機(jī)光接收機(jī)將從光纖輸出端接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成原始的電信號(hào)。 圖 4 光接收

7、機(jī)基本結(jié)構(gòu)圖它由耦合器、光電檢測(cè)器和解調(diào)器組成,如圖4所示。這里主要介紹光電檢測(cè)器的原理。本實(shí)驗(yàn)使用的檢測(cè)器是PIN光電二極管,其典型結(jié)構(gòu)如圖5所示,本征區(qū)SiO2層表面光 2本征區(qū)圖5 PIN管結(jié)構(gòu)的透光區(qū)鍍以增透膜,其余區(qū)鍍金屬膜,形成金屬接觸器。光照射透光區(qū),先進(jìn)入p+層,再進(jìn)入本征區(qū)I區(qū),最后到N+基片。當(dāng)PIN管兩端加上足夠大的反向偏壓,本征區(qū)中的載流子就完全耗盡,與這個(gè)區(qū)域中的雜質(zhì)濃度相比,本征的電子和空穴載流子濃度小得可以忽略。當(dāng)入射光經(jīng)p+區(qū)進(jìn)入到本征區(qū)時(shí),產(chǎn)生電子-空穴對(duì),因本征區(qū)較厚,光線大部分被吸收。因此光生載流子主要在本征區(qū)中產(chǎn)生,由于本征區(qū)存在電場(chǎng),使這些載流子迅速分

8、開,并被收集在反偏壓結(jié)兩端,使得外電路產(chǎn)生光電流I p,如圖6所示。 圖6 PIN 管電路圖光信號(hào)接收端的工作原理主要是傳輸光纖把從發(fā)送端發(fā)出的光信號(hào)通過光纖耦合器將光信號(hào)耦合到光電轉(zhuǎn)換器件PIN 管上,PIN 管又把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之成正比的電流信號(hào),PIN 管使用時(shí)應(yīng)加反偏壓,經(jīng)運(yùn)放電流電壓轉(zhuǎn)換,把光電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成正比的電壓信號(hào),電壓信號(hào)中包含的音頻信號(hào)經(jīng)電容電阻耦合到音頻功率放大器驅(qū)動(dòng)喇叭發(fā)聲。四、實(shí)驗(yàn)步驟要求1、 首先調(diào)整He-Ne 激光器光線方向平行于導(dǎo)軌。2、 調(diào)節(jié)PM 聲光調(diào)制器的俯仰及方位角,使入射光以布拉格角入射到調(diào)制器上。3、 進(jìn)行光纖不衍射時(shí)傳感器損耗的測(cè)量10lg out

9、 in p p L = 組數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10入射光功率pin出射光功率pout(dB/km4、 接通調(diào)制電源24V ,射頻頻率為100MHz,觀察衍射光,仔細(xì)調(diào)節(jié)聲光調(diào)制器,使衍射光一級(jí)較強(qiáng)。5、 調(diào)節(jié)光纖接收端和聲光調(diào)制器,讓一級(jí)衍射光完全入射到光纖中,最佳位置時(shí),在出射口看到很亮的光斑。6、進(jìn)行一級(jí)衍射時(shí),傳感器損耗的測(cè)量:組數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10入射光功率pin出射光功率pout(dB/km7、進(jìn)行音頻傳輸實(shí)驗(yàn),在4、5步的基礎(chǔ)上,在聲光調(diào)制驅(qū)動(dòng)源的AM(0-5v輸入端收音機(jī)調(diào)幅波信號(hào),光接收器直流電壓為915V,電流約0.2A左右,接上阻抗8的音響喇叭。8、輸入音頻信號(hào),調(diào)節(jié)光纖接收端,聽輸出喇叭效果,分析音