音頻信號光纖傳輸技術實驗

決定音頻放大電路增益和帶寬的幾個重要參數(shù)。四.半導體光電二極管的結構、工作原理及特性半導體光電二極管與普通的半導體二極管一樣，都具有一個p-n結，但光電二極管在外形結構方面有它自身的特點，這主要表現(xiàn)在光電二極管的管殼上有一個能讓光射入其光敏區(qū)的窗口，此外，與普通二極管不周，它經常工作在反向偏置電壓狀態(tài)（如圖6a所示）或無偏壓狀態(tài)（如圖6b所示）。在反偏電壓下，p-n結的空間電荷區(qū)的墊壘增高、寬度加大、結電阻減小，所有這些均有利于提高光電二極管的高頻響應性能。P::DP::D申Rl（a）cb?圖6光電二極管的結構及工作方式無光照時，反向偏置的p-n結只有很小的反向漏電流，稱為暗電流。當有光子能量大于p-n結半導體材料的帶隙寬度E的光波照射到光電二極管的g管芯時，p-n結各區(qū)域中的價電子吸收光能后將掙脫價鍵的束縛而成為自由電子，與此同時也產生一個自由空穴，這些由光照產生的自由電子空穴對統(tǒng)稱為光生載流子。在遠離空間電荷區(qū)（亦稱耗盡區(qū)）的p區(qū)和n區(qū)內，電場強度很弱，光生載流子只有擴散運動,它們在向空間電荷區(qū)擴散的途中因復合而被消失掉，故不能形成光電流。形成光電流的主要靠空間電荷區(qū)的光生載流子，因為在空間電荷區(qū)內電場很強，在此強電場作用下，光生自由電子空穴對將以很高的速度分別向n區(qū)和p區(qū)運動，并很快越過這些區(qū)域到達電極沿外電路閉合形成光電流，光電流的方向是從二極管的負極流向它的正極，并且在無偏壓短路的情況下與入射的光功率成正比，因此在光電二極管的p-n結中，增加空間電荷區(qū)的寬度對提高光電轉換效率有著密切的關系。為此目的，若在p-n結的p區(qū)和n區(qū)之間再加一層雜質濃度很低以致可近似為本征半導體的I層，就形成了具有p-i-n三層結構的半導體光電二極管，簡稱PIN光電二極管，PIN光電二極管的p-n結除具有較寬的空間電荷區(qū)外，還具有很大的結電阻和很小的結電容，這些特點使PIN管在光電轉換效率和高頻響應方面與普通光電二極管相比均得到了很大改善。光電二極管的伏-安特性可用下式表示：I=I0[1-exp（qv/kt）]+I（6）其中I是無照的反向飽和電流，V是二極管的端電壓（正向電壓為正，反向0電壓為負），q為電子電荷，k為波耳茲曼常數(shù)，T是結溫，單位為K，I乙是無偏壓狀態(tài)下光照時的短路電流，它與光照時的光功率成正比。（6）式中的I和I均是反向電流，即從光電二極管負極流向正極的電流。根據(jù)（6）式，0L光電二極管的伏安特性曲線如圖（8）所示，對應7a所示的反偏工作狀態(tài)，光電二極管的工作點由負載線與第三象限的伏安特性曲線交點確定，由圖（8）所示可以看出：光電二極管既使在無偏壓的工作狀態(tài)下，也有反向電流流過，這與普通二極管只具有單向導電性相比有本質的差別，認識和熟悉光電二極管的這一特點對于在光電轉換技術中正確使用光電器件具有十分重要意義。反向偏壓工作狀態(tài)下，在外加電壓E和負載電阻R乙的很大變化范圍內，光電流與入照的光功率均具有很好的線性關系，無偏壓工作狀態(tài)下，只有R乙較小時，光電流才與照光功率成正比，R乙增大時，光電流與光功率呈非線性關系。無偏壓狀態(tài)下，短路電流與入照光功率的關系稱為光電二極管的光電特性，這一特性在I-P坐標中的斜率R=A△（pp）定義為光電二極管的響應度，這是宏觀上表征光電二極管光電轉換效率的一個重要參數(shù)。圖7光電二極管的伏安特性曲線及工作點的確定在光電二極管處于開路狀態(tài)情況下，光照時產生的光生載流子不能形成閉合光電流，它們只能在p-n結空間電荷區(qū)的內電場作用下，分別堆積在p-n結空間電荷區(qū)兩側的n層和p層內，產生外電場，此時光電二極管表現(xiàn)出具有一定的開路電壓。不周光照情況下的開路電壓就是伏安特性曲線與橫坐標交點所對應的電壓值。由圖（7）可見，光電二極管開路電壓與入照光功率也是呈非線性關系。反向偏壓狀態(tài)下的光電二極管，由于在很大的動態(tài)范圍內其光電流與偏壓的負載電阻幾乎無關，故在入照光功率一定時可視為一個恒流源；而在無偏壓工作狀態(tài)下光電二極管的光電流隨負載變化很大，此時它不具有恒流源性質，只起光電池作用。光電二極管的響應度R值與入照光波的波塔有關。本實驗中采用的硅光二極管，其光譜響應波長在0.4p|J之間、峰值響應波長在|JM范圍內。在峰值響應波長下，響應度的典型值在JiJi的范圍內。［實驗內容］一?傳輸光纖組件電光特性的測定測量前首先將兩端帶電流插頭的電纜一頭插入光纖繞線盤上的電流插孔，另一端插入發(fā)送器前面板上的“”插孔，并將光電探頭插入光纖繞線盤上引出傳輸光纖輸出端的同軸插孔中，的同條出線接至儀器前面板光功率批示器的相應插孔內，在以后實驗過程中注意保持光電探頭的這一位置測量時調節(jié)使毫安表指示從零開始（此時光功率計的讀數(shù)為零，若不為零記下讀數(shù)，并在以后的以此為零點扣除），逐漸增加的驅動電流，每增加讀取一次光功率計示值，直到為止。根據(jù)測量結晶描繪傳輸光纖組件的電光特性曲線，并確定出其線性度較好的線段。光電二極管反向伏安特性曲線的測定測定光電二極管反向伏安特性的電路如圖（8）所示。其中LED是發(fā)光中心波長與被測光電二極管的峰值響應波長很接近的GaAs半導體發(fā)光二極管，在這里它作光源使用，其光功率由光導紛紛輸出。由IC1為主構成的電路是一個電流-電壓變換電路，它的作用是把流過光電二極管的光電流I轉換成由IC1輸出端C點的輸出電壓V，它與光電流成正比。整個測試電路的工0作原理依據(jù)如下：由于IC1的反相輸入端具有很大的輸入阻抗，光電二極管受光照時產生的光電流幾乎全部渡過R并在其上產生電壓降V=RI。另fcbf外，又因IC1具有很高的開環(huán)電壓增益，反相輸入端具有與同相輸入端相同的地電位，故IC1的輸出電壓V=IR0fV0V0在圖（8）中，為了使被測光電二極管能工作在不同的反向偏壓狀態(tài)下，設置了由W組成的分壓電路。具體測量時首先把SPD的插頭接至接收器前1面板左側SPD相應的插孔中，然后根據(jù)LED的電光特征曲線在LED工作電流從0-48mA的變化范圍內查出輸出功率均分的5工作點對應的驅動電流值，為以后論述方便起見，對應這5個電流值分別標以I1I2I3I4和I5。測量LED工作電流為Ii-I5時所對應的5種光照情況下光電二極管的反向伏安特性曲線。對于每條曲線，測量時，調節(jié)W使被測二極管的反偏電壓1逐漸增加，從0V開始，每增加1V用接收器前面板的數(shù)字毫伏表測量一次IC1輸出電壓V值，根據(jù)這一電壓值由（8）式即可算出相應的光電流I。0根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，在直角坐標紙上描繪出被測光電二極管的以上5條反向伏安特性曲線及光電特性曲線，計算出被測光電二極管對于LED發(fā)光中心波塔的響應度R值。LED偏置電流與無非線性畸變最大光訊號幅度關系的測定由于的伏安特性及電光特性曲線均存在著非線性區(qū)域，所以在圖（6所示的驅動和調制電路中，對于工作電流的不同偏置狀態(tài)，能夠獲得的無非線性畸變的最大光信號（即傳輸光纖組件輸出光功率的交變部分）的幅值（或峰-峰值）也是具有不同值，在設計音頻信號光纖傳輸系統(tǒng)時，應把的偏置電流選定在其電光特性曲線線性范圍最寬的線段中點電流值。在對音頻信號光纖傳輸進行調試時，可通過實驗的方法，測定偏置電流與無非線性畸變最大光信號幅度的關系，然后在允許的最大工作電流范圍內，選擇一個最佳偏置狀態(tài)。實驗方法的具體操作如下：用音頻信號發(fā)生器作信號源（頻率為1kHZ左右），SPD接到接收器前面板上的相應插孔并把示波器的輸入電纜和接收器前面板的數(shù)字mv表接至接收器I-V變換電路的輸出端，在LED偏置電流為5mA、10mA、15mA、20mA和25mA的各種情況下，從零開始，逐漸增加調制信號源的輸出幅度，直到接至I-V變換電路輸出端的直流mV表的讀數(shù)有明顯變化為止，記錄下示波器上顯示的I-V變換電路輸出電壓交變成份的峰-峰值（mV）,然后根據(jù)I-V變換電路中的R值和SPD的響應度R值，便可f算出以上不同偏置下最大光信號的峰-峰值（MW）。接收器允許的最小信號幅值的測定把發(fā)送器的調制輸入插孔接入收音機信號，接收器功放輸出端接入小音箱，在保持實驗系統(tǒng)以上連接不變的情況下，首先把LED的偏置電流調為5mA,然后從零開始逐漸加大收音機的輸出幅度，直到mV表批示有變化為止，考察接收器上的音響效果是否能清晰辨別出所接收的音頻信號，若能，繼續(xù)減小LED的偏置電流重復以上實驗，直至不能清晰辨別出接收信號為止，記下在這一狀態(tài)之前對應的LED的偏置電流I值，并由LED電光特性的曲線確min定出0-2I對應的光變化量△,則接收器允許的最小光信號的峰-峰值，minmin不會大于△,故△可以作為實驗系統(tǒng)接收器允許的最小光信號幅值。minmin語言信號的傳輸實驗整個音頻信號光纖傳輸系統(tǒng)的音響效果。實驗時把示波器和數(shù)字毫伏表接至接收器I-V變換電路的輸出端，適當調節(jié)發(fā)送器的LED偏置電流和調制輸入信號幅度，使傳輸系統(tǒng)達到無非線性失真、光信號幅度為最大的最佳聽覺效果。［思考題］利用SPD、I-V變換電路和數(shù)字毫伏表，設計一光功率計。如何利用測定圖（9）示SPD第四象限的正向伏安特性曲