GQC_光纖通信特性實驗儀實驗說明書

1、ZKY-GQC光纖特性及傳輸實驗儀實驗指導(dǎo)及操作說明書成 都 世 紀(jì) 中 科 儀 器 有 限 公 司地址：成都市人民南路四段9號中科院成都分院 郵編：610041電話：（028）85247006 85243932 傳真：（028）85247006網(wǎng)址；WWW.ZKY.Cn E-mail: ZKYZKY.Cn第 9 頁光纖特性及傳輸實驗在現(xiàn)代通信技術(shù)中，為了避免信號互相干擾，提高通信質(zhì)量與通信容量，通常用信號對載波進行調(diào)制，用載波傳輸信號，在接收端再將需要的信號解調(diào)還原出來。不管用什么方式調(diào)制，調(diào)制后的載波要占用一定的頻帶寬度，如音頻信號要占用幾千赫茲的帶寬，模擬電視信號要占用8兆赫茲的帶寬。載

2、波的頻率間隔若小于信號帶寬，則不同信號間要互相干擾。能夠用作無線電通信的頻率資源非常有限，國際國內(nèi)都對通信頻率進行統(tǒng)一規(guī)劃和管理，仍難以滿足日益增長的信息需求。通信容量與所用載波頻率成正比，與波長成反比，目前微波波長能做到厘米量級，在開發(fā)應(yīng)用毫米波和亞毫米波時遇到了困難。光波波長比微波短得多，用光波作載波，其潛在的通信容量是微波通信無法比擬的，光纖通信就是用光波作載波，用光纖傳輸光信號的通信方式。與用電纜傳輸電信號相比，光纖通信具有通信容量大，傳輸距離長，價格低廉，重量輕易敷設(shè)，抗干擾，保密性好等優(yōu)點，已成為固定通信網(wǎng)的主要傳輸技術(shù)，幫助我們的社會成功發(fā)展至信息社會?！緦嶒?zāi)康摹?、 了解光纖

3、通信的原理及基本特性。2、 測量激光二極管的伏安特性，電光轉(zhuǎn)換特性。3、 測量光電二極管的伏安特性。4、 基帶（幅度）調(diào)制傳輸實驗。5、 頻率調(diào)制傳輸實驗。6、 音頻信號傳輸實驗。7、 數(shù)字信號傳輸實驗?！緦嶒瀮x器】光纖特性及傳輸實驗儀，示波器【實驗原理】1、 光纖光纖是由纖芯，包層，防護層組成的同心圓柱體，橫截面如圖1所示。纖芯與包層材料大多為高純度的石英玻璃，通過摻雜使纖芯折射率大于包層折射率，形成一種光波導(dǎo)效應(yīng)，使大部分的光被束縛在纖芯中傳輸。若纖芯的折射率分布是均勻的，在纖芯與包層的界面處折射率突變，稱為階躍型光纖。若纖芯從中心的高折射率逐漸變到邊緣與包層折射率一致，稱為漸變型光纖。若

4、纖芯直徑小于10m，只有一種模式的光波能在光纖中傳播，稱為單模光纖。若纖芯直徑50m左右，有多個模式的光波能在光纖中傳播，稱為多模光纖。防護層由緩沖涂層，加強材料涂覆層及套塑層組成。通常將若干根光纖與其它保護材料組合起來構(gòu)成光纜，便于工程上敷設(shè)和使用。衡量光纖性能好壞的主要是它的損耗特性與色散特性。損耗特性決定光纖傳輸?shù)闹欣^距離。光在光纖中傳輸時，由于材料的散射，吸收，會使光信號衰減，當(dāng)信號衰減到一定程度時，就必需對信號進行整形放大處理，再進行傳輸，才能保證信號在傳輸過程中不失真，這段傳輸?shù)木嚯x叫中繼距離，損耗越小，中繼距離越長。光纖的損耗與光波長有關(guān)，通過研究發(fā)現(xiàn)，石英光纖在0.85，1.3

5、0，1.55m附近有3個低損耗窗口，實用的光纖通信系統(tǒng)光波長都在低損耗窗口區(qū)域內(nèi)。損耗用損耗系數(shù)表示。光在有損耗的介質(zhì)中傳播時，光強按指數(shù)規(guī)律衰減，在通信領(lǐng)域，損耗系數(shù)用單位長度的分貝值（dB）表示，定義為： （dB/km） （1）已知損耗系數(shù)，可計算光通過任意長度L后的強度： （2）上兩式中，L是傳播距離，P0是入射光強，P1是損耗后的光強。對于單模光纖而言，隨著波長的增加，其彎曲損耗也相應(yīng)增大，因此對1550nm波長的使用，要特別注意彎曲損耗的問題。隨著光纖通信工程的發(fā)展，最低衰減窗口1550nm波長區(qū)的通信必將得到廣泛的運用。CCITT對G.652光纖和G.653光纖在1550nm波長的

6、彎曲損耗作了明確的規(guī)定：對G.652光纖，用半徑為37.5mm松繞100圈，在1550nm波長測得的損耗增加應(yīng)小于1dB；對G.653而言，要求增加的損耗小于0.5dB。圖2 單模光纖彎曲損耗測試此處可不用擾模器，可其它東西實現(xiàn)光纖的彎曲也可。彎曲損耗的測量，要求在具有較為穩(wěn)定的光源條件下，將幾十米被測光纖耦合到測試系統(tǒng)中，保持注入狀態(tài)和接收端耦合狀態(tài)不變的情況下，分別測出松繞100圈前后的輸出光功率P1和P2，彎曲損耗可由下式計算得出。 （3）相同光纖，傳輸相同波長光波信號，彎曲半徑不同時其損耗也必定不同，同樣，對于相同光纖，彎曲半徑相同時，傳輸不同光波信號，其損耗也不同。由于按照CCITT

7、標(biāo)準(zhǔn)，光纖的彎曲損耗比較小，在實際測試中可采用減小彎曲半徑的辦法提高實驗效果的明顯性。實驗測試框圖如圖3所示。(a)彎曲半徑R1纏繞方法(b)彎曲半徑R2纏繞方法圖3 擾模器纏繞方法2、激光二極管（FP-LD）光通信的光源為半導(dǎo)體激光器（LD）或發(fā)光二極管（LED），本實驗采用半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體激光二極管或簡稱半導(dǎo)體激光器，它通過受激輻射發(fā)光，是一種閾值器件。處于高能級E2的電子在光場的感應(yīng)下發(fā)射一個和感應(yīng)光子一模一樣的光子，而躍遷到低能級E1，這個過程稱為光的受激輻射，所謂一模一樣，是指發(fā)射光子和感應(yīng)光子不僅頻率相同，而且相位、偏振方向和傳播方向都相同，它和感應(yīng)光子是相干的。由于受激輻射與

8、自發(fā)輻射的本質(zhì)不同，導(dǎo)致了半導(dǎo)體激光器不僅能產(chǎn)生高功率（10mW）輻射，而且輸出光發(fā)散角窄（垂直發(fā)散角為3050°，水平發(fā)散角為030°），與單模光纖的耦合效率高（約3050），輻射光譜線窄（0.11.0nm），適用于高比特工作，載流子復(fù)合壽命短，能進行高速信號（>20GHz）直接調(diào)制，非常適合于作高速長距離光纖通信系統(tǒng)的光源。LD和LED都是半導(dǎo)體光電子器件，其核心部分都是P-N結(jié)。因此其具有與普通二極管相類似的V-I特性，如圖4所示：圖4 LD激光器輸出V-I特性示意圖由于結(jié)構(gòu)上的不同，LD和LED的P-I特性曲線則有很大的差別。LED的P-I曲線基本上是一條近似

9、的直線。而LD半導(dǎo)體激光器的P-I曲線，如圖5所示，可以看出有一閾值電流Ith，只有在工作電流I>Ith部分，P-I曲線才近似一根直線。而在I<Ith部分，LD輸出的光功率幾乎為零。 圖5 LD半導(dǎo)體激光器P-I特性示意圖閾值電流是非常重要的特性參數(shù)。圖2中A段與B段的交點表示開始發(fā)射激光，它對應(yīng)的電流就是閾值電流。半導(dǎo)體激光器可以看作為一種光學(xué)振蕩器，要形成光的振蕩，就必須要有光放大機制，也即激活介質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，而且產(chǎn)生的增益足以抵消所有的損耗。將開始出現(xiàn)凈增益的條件稱為閾值條件。一般用注入電流值來標(biāo)定閾值條件，也即閾值電流。當(dāng)注入電流增加時，輸出光功率也隨之增加，在達(dá)到

10、之前半導(dǎo)體激光器輸出熒光，到達(dá)之后輸出激光，輸出光子數(shù)的增量與注入電子數(shù)的增量之比見式4.1-1。 就是圖4.1-1激射時的斜率，是普朗克常數(shù)（6.625*10-34 焦耳秒），為輻射躍遷情況下，釋放出的光子的頻率。 P-I特性是選擇半導(dǎo)體激光器的重要依據(jù)。在選擇時，應(yīng)選閾值電流盡可能小，對應(yīng)P值小，而且沒有扭折點的半導(dǎo)體激光器。這樣的激光器工作電流小，工作穩(wěn)定性高，消光比大，而且不易產(chǎn)生光信號失真。并且要求P-I曲線的斜率適當(dāng)。斜率太小，則要求驅(qū)動信號太大，給驅(qū)動電路帶來麻煩；斜率太大，則會出現(xiàn)光反射噪聲及使自動光功率控制環(huán)路調(diào)整困難。3、光電二極管光通信接收端由光電二極管完成光電轉(zhuǎn)換與信號

11、解調(diào)。光電二極管是工作在無偏壓或反向偏置狀態(tài)下的PN結(jié)，反向偏壓電場方向與勢壘電場方向一致，使結(jié)區(qū)變寬，無光照時只有很小的暗電流。當(dāng)PN結(jié)受光照射時，價電子吸收光能后掙脫價鍵的束縛成為自由電子，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生電子空穴對，在電場作用下，電子向N區(qū)運動，空穴向P區(qū)運動，形成光電流。光通信常用PIN型光電二極管作光電轉(zhuǎn)換。它與普通光電二極管的區(qū)別在于在P型和N型半導(dǎo)體之間夾有一層沒有滲入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體材料，稱為I型區(qū)。這樣的結(jié)構(gòu)使得結(jié)區(qū)更寬，結(jié)電容更小，可以提高光電二極管的光電轉(zhuǎn)換效率和響應(yīng)速度。圖6是反向偏置電壓下光電二極管的伏安特性。無光照時的暗電流很小，它是由少數(shù)載流子的漂移形成的。有光照時，在

12、較低反向電壓下光電流隨反向電壓的增加有一定升高，這是因為反向偏壓增加使結(jié)區(qū)變寬，結(jié)電場增強，提高了光生載流子的收集效率。當(dāng)反向偏壓進一步增加時，光生載流子的收集接近極限，光電流趨于飽和，此時，光電流僅取決于入射光功率。在適當(dāng)?shù)姆聪蚱秒妷合?，入射光功率與飽和光電流之間呈較好的線性關(guān)系。圖7是光電轉(zhuǎn)換電路，光電二極管接在晶體管基極，集電極電流與基極電流之間有固定的放大關(guān)系，基極電流與入射光功率成正比，則流過R的電流與R兩端的電壓也與光功率成正比，若光功率隨調(diào)制信號變化，R兩端的電輸出解調(diào)出原調(diào)制信號。4、光源的調(diào)制對光源的調(diào)制可以采用內(nèi)調(diào)制或外調(diào)制。內(nèi)調(diào)制用信號直接控制光源的電流，使光源的發(fā)光強

13、度隨外加信號變化，內(nèi)調(diào)制易于實現(xiàn)，一般用于中低速傳輸系統(tǒng)。外調(diào)制時光源輸出功率恒定，利用光通過介質(zhì)時的電光效應(yīng)，聲光效應(yīng)或磁光效應(yīng)實現(xiàn)信號對光強的調(diào)制，一般用于高速傳輸系統(tǒng)。本實驗采用內(nèi)調(diào)制。圖8是簡單的調(diào)制電路。調(diào)制信號耦合到晶體管基極，晶體管作共發(fā)射極連接，流過發(fā)光二極管的集電極電流由基極電流控制，R1，R2提供直流偏置電流。圖9是調(diào)制原理圖，由圖9可見，由于光源的輸出光功率與驅(qū)動電流是線性關(guān)系，在適當(dāng)?shù)闹绷髌孟?，隨調(diào)制信號變化的電流變化由發(fā)光二極管轉(zhuǎn)換成了相應(yīng)的光輸出功率變化。5、副載波調(diào)頻調(diào)制對副載波的調(diào)制可采用調(diào)幅，調(diào)頻等不同方法。調(diào)頻具有抗干擾能力強，信號失真小的優(yōu)點，本實驗采用

14、調(diào)頻法。圖10是副載波調(diào)制傳輸框圖。如果載波的瞬時頻率偏移隨調(diào)制信號m(t)線性變化，即： （10）則稱為調(diào)頻，kf是調(diào)頻系數(shù)，代表頻率調(diào)制的靈敏度，單位為2赫茲/伏。調(diào)頻信號可寫成下列一般形式： （11）式中為載波的角頻率，為調(diào)頻信號的瞬時相位偏移。下面考慮兩種特殊情況：假設(shè)m(t)為電壓為V的直流信號，則（11）式可以寫為： （12）（12）式表明直流信號調(diào)制后的載波仍為余弦波，但角頻率偏移了。假設(shè)m(t)=Ucost，則（11）式可以寫為： （13）可以證明，已調(diào)信號包括載頻分量和若干個邊頻分量±n，邊頻分量的頻率間隔為。任意信號可以分解為直流分量與若干余弦信號的疊加，則（12

15、），（13）兩式可以幫助理解一般情況下調(diào)頻信號的特征。圖11 光纖發(fā)射裝置面板圖【實驗儀器】整套實驗系統(tǒng)由光纖發(fā)射裝置、光纖接收裝置、光纖跳線、光纖適配器以及示波器組成。圖12 光纖接收裝置面板圖光纖發(fā)射裝置可產(chǎn)生各種實驗需要的信號，通過發(fā)射管發(fā)射出去。發(fā)出的信號通過光纖傳輸后，由接收管將信號傳送到光纖接收裝置。接收裝置將信號處理后，通過儀器面板顯示或者示波器觀察傳輸后的各種信號。發(fā)射系統(tǒng)中的信號源模塊部分由電壓源、音頻信號、脈沖信號、方波信號、正弦波信號等組成。這些信號可以通過信號切換鍵來選擇調(diào)整參數(shù)。當(dāng)對應(yīng)信號源的指示燈亮起時，表示可以對該信號進行幅度/電壓調(diào)節(jié)和頻率調(diào)節(jié)了。調(diào)節(jié)也可以根據(jù)

16、所需步進選擇“粗調(diào)”和“細(xì)調(diào)”，即當(dāng)調(diào)節(jié)的指示燈亮起代表細(xì)調(diào)，不亮代表粗調(diào)。接收系統(tǒng)中，顯示部分的“光功率計”只能調(diào)節(jié)到“1310”，“1550”則作為擴展顯示（當(dāng)前驗儀中沒有設(shè)置1550nm波長的發(fā)射裝置）。實驗中使用的光纖為FC-FC光跳線（短光纖）。示波器用于觀測各種信號波形經(jīng)光纖傳輸后是否失真等特性（學(xué)校自備）。光纖發(fā)射與接收裝置面板如圖11，圖12所示?！緦嶒瀮?nèi)容和步驟】1、 激光二極管的伏安特性與輸出特性測量用FC-FC光跳線將光發(fā)送口與光接收口相連。設(shè)置發(fā)射顯示為“發(fā)射電流”，接收顯示為“光功率計”。調(diào)節(jié)電壓源以改變發(fā)射電流，記錄發(fā)射電流與接收器接收到的光功率（與發(fā)射光功率成正比

17、）。設(shè)置發(fā)射顯示為正向偏壓，記錄與發(fā)射電流對應(yīng)的發(fā)射管兩端電壓于表1中。依次改變發(fā)射電流（可能顯示電流值不能精確達(dá)到表1的設(shè)定數(shù)值，只要盡量接近即可），將數(shù)據(jù)記錄于表1中。表1 發(fā)光二極管伏安特性與輸出特性測量正向偏壓(V)發(fā)射管電流(mA)0568101520253035光功率(mW)以表1數(shù)據(jù)作所測激光二極管的伏安特性曲線，輸出特性曲線。討論所作曲線與圖3，圖4所描述的規(guī)律是否符合。2、 光電二極管伏安特性的測量連接方式同實驗3。調(diào)節(jié)發(fā)射裝置的電壓源，使光電二極管接收到的光功率如表2所示。調(diào)節(jié)接收裝置的反向偏壓調(diào)節(jié)，在不同輸入光功率時，切換顯示狀態(tài)，分別測量光電二極管反向偏置電壓與光電流，

18、記錄于表2中。表2 光電二極管伏安特性的測量反向偏置電壓 (伏)01234P=0光電流(A)P=0.1mWP=0.2mW以表2數(shù)據(jù)，作光電二極管的伏安特性曲線。討論所作曲線與圖5所描述的規(guī)律是否符合。3、 基帶（幅度）調(diào)制傳輸實驗用FC-FC光跳線將光發(fā)送口與光接收口相連。將信號源模塊正弦波輸出接入發(fā)射模塊信號輸入端1，將電壓源信號接入到發(fā)射模塊的直流偏置出，調(diào)節(jié)直流偏置電壓為3.23.5V。將監(jiān)測點1接入雙蹤示波器的其中一路，觀測輸入信號波形。將接收裝置信號輸出端的觀測點接入雙蹤示波器的另一路，觀測經(jīng)光纖傳輸后接收模塊輸出的波形。觀測信號經(jīng)光纖傳輸后，波形是否失真，頻率有無變化，記入表3中。

19、調(diào)節(jié)正弦波信號幅度，當(dāng)幅度超過一定值后，可觀測到接收信號明顯失真（參見圖8），記錄信號不失真對應(yīng)的最大輸入信號幅度及對應(yīng)接收端輸出信號幅度于表3中。將正弦波信號改為方波信號，重復(fù)以上步驟實驗，將數(shù)據(jù)記錄于表3中。表3 基帶調(diào)制傳輸實驗激光二極管調(diào)制電路輸入信號光電二極管光電轉(zhuǎn)換電路輸出信號波形頻率(kHz)幅度(V)波形頻率(kHz)幅度(V)正弦波方波對表3結(jié)果作定性討論。4、 副載波調(diào)制傳輸實驗(1)觀測調(diào)頻電路的電壓頻率關(guān)系用FC-FC光跳線將光發(fā)送口與光接收口相連。將發(fā)射裝置中的電壓源輸出接入V-F變換模塊的V信號輸入（用直流信號作調(diào)制信號）。根據(jù)調(diào)頻原理，直流信號調(diào)制后的載波角頻率偏

20、移。將F信號輸出的頻率測量接入示波器，觀測輸入電壓與輸出頻率之間的V-F變換關(guān)系。調(diào)節(jié)電壓源，通過在示波器上讀輸出信號的周期來換算成頻率。將輸出頻率fV隨電壓的變化記入表4中。表4 調(diào)頻電路的f-V關(guān)系輸入電壓(V)00.81.01.82.0輸出頻率fV(kHz)以輸入電壓作橫坐標(biāo)，輸出角頻率V =2fV為縱坐標(biāo)在坐標(biāo)紙上作圖。直線與縱軸的交點為副載波的角頻率，直線的斜率為調(diào)頻系數(shù)kf。求出與kf。(2)副載波調(diào)制傳輸實驗用FC-FC光跳線將光發(fā)送口與光接收口相連。將信號源模塊正弦波輸出接入發(fā)射裝置V-F變換模塊的V信號輸入端，再將V-F變換模塊F信號輸出接

21、入發(fā)射模塊信號輸入端1（用副載波信號作激光二極管調(diào)制信號）。將電壓源信號接入到發(fā)射模塊的直流偏置出，調(diào)節(jié)直流偏置電壓為3.2V。用示波器觀測基帶信號（“正弦輸出”與“地”之間），在保證正弦波不失真的前提下調(diào)節(jié)其幅度和頻率到一個固定值，記錄幅度和頻率于表5中。此時接收裝置接收信號輸出端輸出的是經(jīng)光電二極管還原的副載波信號，將接收信號輸出接入F-V變換模塊F信號輸入端，在V信號輸出端輸出經(jīng)解調(diào)后的基帶信號。用示波器觀測經(jīng)調(diào)頻，光纖傳輸后解調(diào)的基帶信號波形（F-V變換模塊的“觀測點”）；將觀測情況記入表5中。改變輸入基帶信號（正弦波）的頻率和幅度，觀測F-V變換模塊輸出的波形，記錄于表5中。表5 副

22、載波調(diào)制傳輸實驗基帶信號光纖傳輸后解調(diào)的基帶信號幅度(V)頻率(kHz)幅度(V)頻率(kHz)信號失真程度基帶調(diào)制是幅度調(diào)制，基帶傳輸實驗中，衰減會使輸出幅度減小，傳輸過程的非線性會使信號失真。副載波傳輸采用頻率調(diào)制，解調(diào)電路的輸出只與接收到的瞬時頻率有關(guān)，可以觀察到衰減對輸出幾乎無影響，表明調(diào)頻方式抗干擾能力強，信號失真小。對表5結(jié)果作定性討論。5、 音頻信號傳輸實驗用FC-FC光跳線將光發(fā)送口與光接收口相連。（1）基帶調(diào)制將發(fā)射裝置“音頻信號輸出”接入發(fā)射模塊信號輸入端1；將接收裝置 接收信號輸出端接入音頻模塊音頻信號輸入端。（2）副載波調(diào)制將發(fā)射裝置“音頻信號輸出”接入V-F變換模塊的V信號輸入端，再將V-F變換模塊F信號輸出接入發(fā)射模塊信號輸入端1；將接收信號輸出接入F-V變換模塊F信號輸入端，V信號輸出端接入音頻模塊音頻信號輸入端。傾