2音頻信號(hào)光纖傳輸實(shí)驗(yàn)報(bào)告

根據(jù)光的反射和折射定律，即若n1>n2，橫線上為2，下為1介質(zhì)，即光由光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，且入射角大于臨界角，即時(shí)，就發(fā)生光的全反射現(xiàn)象。由于在臨界狀態(tài)下，，代入上式，則，稱為全反射臨界角。光波在光纖中傳輸，可以用兩種不同的理論來(lái)解釋。一種是電磁理論，或稱模式理論；另一種是幾何光學(xué)理論，或稱為射線理論。圖11、光信號(hào)的發(fā)送（示意圖）圖1圖4系統(tǒng)低頻響應(yīng)不大于20赫茲，取決電阻、電容網(wǎng)絡(luò)。圖4系統(tǒng)高頻響應(yīng)不大于20千赫茲，取決于運(yùn)放電路的響應(yīng)頻率。光纖通信的三個(gè)窗口波段：0.841.311.55微米（μm），窗口波段與光纖傳輸呈現(xiàn)低損耗，與光電檢測(cè)器件的峰值響應(yīng)波段相匹配（本系統(tǒng)在0.8-0.9微米）。在光纖應(yīng)用中，常用的光源有：發(fā)光二極管(LED)和激光二極管(LD)。半導(dǎo)體激光器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)光波振蕩器，它具有振蕩、反饋與放大作用。根據(jù)光纖的特性通常選用長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器，一般為1310nm。它通常是由P型限制層與有源層和N型限制層與有源層所組成的兩個(gè)異質(zhì)結(jié)。2、光信號(hào)的接收（示意圖）常用的光探測(cè)器是半導(dǎo)體光電二極管PIN和雪崩二極管。半導(dǎo)體光電二極管PIN具有體積小，材料合適、靈敏度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，在光纖通信系統(tǒng)中有著十分廣泛的應(yīng)用。其伏安特性為。其中I0為無(wú)光照時(shí)的反向飽和電流，U為二極管的端電壓（正向電壓為正，反向電壓為負(fù)），q為電子電荷，k為波爾茲曼常數(shù)，T為溫度（單位為K），IL為無(wú)偏壓狀態(tài)下光照時(shí)的短路電流，與光照時(shí)的光功率成正比。3、光纖傳輸三個(gè)技術(shù)指標(biāo)：光纖損耗：光纖的損耗是指光在光纖中傳播時(shí)，由于介質(zhì)的吸收、散射和輻射等原因，光強(qiáng)不可避免地要隨著傳播距離的增加而減少。光纖的損耗反映了光波在光纖中傳輸時(shí)所引起的能量損失情況。設(shè)輸入光纖的光波功率為P0，輸出功率為P，則光纖損耗定義為兩者比值的對(duì)數(shù)，用表示，即=lgP0/P單位是貝爾，這個(gè)單位太大，實(shí)際應(yīng)用中常用分貝，則=10lgP0/P。吸收損耗是由于光纖物質(zhì)對(duì)光的吸收造成。光照射到光纖材料的原子、分子上，若光子能量恰好等于電子兩能級(jí)之間的能量差，則光子便將能量轉(zhuǎn)移給電子，使之產(chǎn)生能級(jí)躍遷，這就是光纖吸收損耗的定性解釋。散射損耗，是指光在光纖中傳播時(shí)，遇到材料本身和制造工藝的限制所引起的不均勻性或不連續(xù)性造成的損耗。光纖損耗和光纖色散就是通常主要所指的光纖傳輸特性。光纖色散：光波信號(hào)在光纖中傳輸，或多或少都會(huì)使光波信號(hào)波形展寬，發(fā)生失真，這種現(xiàn)象說(shuō)明光纖中存在色散。光纖色散分為兩類：模間色散和模內(nèi)色散，通常模間色散要比模內(nèi)色散大得多。模間色散，是多模光纖中存在的一種彌散現(xiàn)象，是由于光纖中不同模式的光波的傳播速度不同造成的。模間色散與通常的色散概念不同（后者指光波的頻率不同引起折射率不同，導(dǎo)致傳播速度不同），但由于其效果也是引起脈沖展寬，故?；\統(tǒng)稱為色散。顯然，單模光纖只允許一個(gè)模式的光傳播，故不存在明顯的模間色散；遠(yuǎn)距離通信多用單模光纖。自聚焦光纖不產(chǎn)生延時(shí)失真，故模間色散也可降低到最低限度。模間色散即延時(shí)失真，嚴(yán)重時(shí)可能使前后脈沖因展寬而互相重疊。模內(nèi)色散又稱多色色散，是由于光波頻率的不同引起光纖折射率不同而產(chǎn)生的色散效應(yīng)。光纖中任一光波都可能包含多種頻率成分，不同波長(zhǎng)的光在光纖中傳播的速度不同。因此，同一模式的光波到達(dá)終端時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生信號(hào)的時(shí)延差，造成脈沖展寬。數(shù)值孔徑：它決定了能夠在光纖中傳播的光束半孔徑角的最大值，記作N.A.（numericalaperture）,定義為（稱為光纖的受光角）?？梢钥闯?，光纖的數(shù)值孔徑只取決于光纖纖芯和包層的折射率，與光纖的幾何尺寸無(wú)關(guān)，因此可制成數(shù)值孔徑很大而截面積又很小的光纖。其值在0.10.6之間，角度值在9度33度之間。圖（5）4、光纖通信的優(yōu)點(diǎn)圖（5）頻帶寬、通信容量大用電磁波傳輸信號(hào)，其容量大小與所用載波的頻率有關(guān)。光波的頻率很高1014赫茲，比微波頻率108-1010要高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。同樣取其頻率的1%作帶寬，容量相差十萬(wàn)倍。損耗低同軸電纜線路內(nèi)信號(hào)迅速衰減，每隔幾公里就需要設(shè)一個(gè)中繼站；而光纖通信的中繼站可增大到幾十公里或幾百公里。質(zhì)量小，原材料資源豐富其材料密度只有銅的四分之一，節(jié)約稀有金屬?？垢蓴_性強(qiáng)、保密性好一般情況下，外界電磁干擾頻率都比較低，不在光波頻段；同時(shí)光纖本身又是電中性，不受高壓電、雷電、電車線等電磁感應(yīng)的影響。外界光頻段的干擾，也易于屏蔽，不至于進(jìn)入光纖。而且光纖也很少有光泄露出來(lái)，泄密可能性基本消除。另外，光纖材料化學(xué)穩(wěn)定性高，防腐蝕、防火、防水能力強(qiáng)，適合在惡劣環(huán)境下和危險(xiǎn)情況下使用。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1．光纖傳輸系統(tǒng)靜態(tài)電光/光電傳輸特性測(cè)定打開儀器電源，連接光纖，分別觀測(cè)面板上兩個(gè)三位半數(shù)字表頭分別顯示發(fā)送光驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度和接收光強(qiáng)度。調(diào)節(jié)發(fā)送光強(qiáng)度電位器，每隔200單位（相當(dāng)于改變發(fā)光管驅(qū)動(dòng)電流2mA）分別記錄發(fā)送光驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)與接收光強(qiáng)度數(shù)據(jù)，填寫表格并在方格紙上繪制靜態(tài)電光/光電傳輸特性曲線。發(fā)送光強(qiáng)度接收光強(qiáng)度輸出波形電壓幅度輸入輸出波形電壓幅度輸入信號(hào)頻率0VHz將輸入選擇開關(guān)打向外，在音頻輸入接口上從信號(hào)發(fā)生器輸入正弦波，將雙蹤示波器的通道1和通道2分別接到發(fā)送端示波器接口和接收端音頻信號(hào)輸出口，保持輸入信號(hào)的幅度不變，連續(xù)調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出頻率（可以從1k赫茲開始，使頻率連續(xù)調(diào)小或連續(xù)調(diào)大），記錄輸出端信號(hào)電壓幅度的變化情況，分別測(cè)定系統(tǒng)的低頻和高頻截止頻率（可以信號(hào)衰減為正常信號(hào)最大不失真輸出電壓發(fā)送光強(qiáng)度0V（如頻率1k赫茲）響應(yīng)電壓幅度的三分之一左右視為截止）。作關(guān)系曲線最大不失真輸出電壓發(fā)送光強(qiáng)度0V3．LED偏置電流與無(wú)失真最大信號(hào)調(diào)制幅度關(guān)系測(cè)定將從信號(hào)發(fā)生器輸入的正弦波頻率設(shè)定在1kHz，保持不變。輸入信號(hào)幅度調(diào)節(jié)電位器置于最大位置，然后在LED偏置電流為5、10mA兩種情況下，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)源輸出幅度，使其從零伏開始增加，同時(shí)在信號(hào)接收端觀察波輸出波形電壓變化，直到波形出現(xiàn)失真現(xiàn)象時(shí)，記錄下此時(shí)電壓波形的峰-峰值，由此確定LED在不同偏置電流下信號(hào)輸出的最大幅度。作關(guān)系曲線如右圖并要求給出具體數(shù)據(jù)。4．多種波形光纖傳輸實(shí)驗(yàn)通過(guò)信號(hào)發(fā)生器的上檔鍵切換方波與正弦波，將方波信號(hào)和三角波信號(hào)先后輸入音頻接口，分別改變輸入頻率和輸入電壓，從接收端觀察輸出波形變化情況。（結(jié)論：在數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)中往往采用方波來(lái)傳輸數(shù)字信號(hào)，但我們本套系統(tǒng)，不太適合方波傳播）。5．音頻信號(hào)光纖傳輸實(shí)驗(yàn)將輸入選擇打向內(nèi)，調(diào)節(jié)發(fā)送光強(qiáng)度電位器改變發(fā)送端LED的靜態(tài)偏置電流（1000個(gè)發(fā)送光強(qiáng)度