音频信号光纤传输实验

音频信号光纤传输实验光纤在通讯领域、传感技术及其他信号传输技术中显示了愈来愈广泛的用途，也显示了其愈来愈重要的地位。随之而来的电光转换和光电转换技术、耦合技术、光传输技术等，都是光纤传输技术及器件构成的重要成分。对于不同频率的信号传输和传输的频带宽度，上述各种技术有很大的差异，构成的器件也具有不同的特性。通过实验了解这些特性及其对信息传输的影响，有助于在科研与工程中恰当地使用这一信号传输技术。一、实验目的1.熟悉半导体电光/光电器件的基本性能及主要特性的测试方法。2.了解音频信号光纤传输的结构及选配各主要部件的原则。二、实验仪器FD-OFT-A型音频信号光纤传输实验仪实验主机（包括音频信号发生器、光功率计、LED放射器、SPD接收器等）、多模光纤（装于骨架上），半导体收音机，示波器组成，如图1所示。图1音频信号光纤传输实验仪器装置三、实验原理1.音频信号光纤传输系统的原理图2给出了一个音频信号直接光强调制光纤传输系统的结构原理图整个传输系统由“光信号发送器”、“光信号接受器”和“传输光纤”三部分组成。其原理主要是：先将待传输的音频信号作为源信号供给“光信号发送器”，从而产生相应的光信号，然后将此光信号经光纤传输后送入“光信号接受器”，最终解调出原来的音频信号。为了保证系统的传输损耗低，发光器件LED的发光中心波长必须在传输光纤的低损耗窗口之内，使得材料色散较小。低损耗的波长在850nm，1300nm或1600nm附近。本仪器LED发光中心波长为850nm，光信号接受器的光电检测器峰值响应波长也与此接近。-1-图2音频信号光纤传输实验系统原理图为了避免或减少波形失真，要求整个传输系统的频带宽度能覆盖被传输信号的频率范围。由于光纤对光信号具有很宽的频带，故在音频范围内，整个系统频带宽度主要决定于发射端的调制信号放大电路和接收端的功放电路的幅频特性。2.半导体发光二极管LED的结构和工作原理光纤通讯系统中对光源器件在发光波长、电光功率、工作寿命、光谱宽度和调制性能等许多方面均有特殊要求，所以不是随便哪种光源器件都能胜任光纤通讯的任务，目前在以上各方面都能较好满足要求的光源器件主要有半导体发光二极管（lightemittingdiode，缩写LED）和半导体激光器（LaserDiode，缩写LD）。以下主要介绍发光二极管。半导体发光二极管是低速短距离光通信中常用的非相干光源，它是如图3所示的N-P-P三层结构的半导体器件，中间层通常是由直接带隙的GaAs砷化镓P型半导体材料组成，称为有源层，其带隙宽度较窄，两侧分别由AlGaAs的N型和P型半导体材料组成，与有源层相比，它们都具有较宽的带隙。具有不同带隙宽度的两种半导体单晶之间的结构称为异质结，在图2中，有源层与左侧的N层之间形成的是P-N异质结，而与右侧P层之间形成的是P-P异质结，所以这种结构又称为N-P-P双异质结构，简称DH结构。当在N-P-P双异质结两端加上偏压时，就能使N层向有源层注入导电电子，这些导电电子一旦进入有源层后，因受到P-P异质结的的阻挡作用不能再进入右侧P层，它们只能被限制在有源层内与空穴复合，同时释放能量产生光子，发出的光子满足以下关系：gEEEh21其中h是普朗克常数，是光波频率，1E是有源层内导电电子的激发态能级，2E是导电电子与空穴复合后处于价键状态时的束缚态能级。两者的差值gE与DH结构中各层材料及其组份的选取等多种因素∽功放LEDSPDE信号源光纤-2-Re+-Vcc调制信号有关，制作LED时只要这些材料的选取和组份的控制适当，就可以使LED的发光中心波长与传输光纤的低损耗波长一致。NPP限流电阻光子NPP限流电阻光子图3半导体发光二极管的结构及工作原理3．LED的驱动及调制电路本实验采用半导体发光二极管LED作为光源器件，音频信号光纤传输系统发送端LED的驱动和调制电路如图4所示，以BG1为主构成的电路是LED的驱动电路，调节这一电路中的W2可以使LED的偏置电流发生变化。信号发生器产生的音频信号由IC1为主构成的音频放大电路放大后经电容器耦合到BG1基极，对LED的工作电流进行调制，从而使LED发送出光强随音频信号变化的光信号，并经光纤把这一信号传至接收端。半导体发光二极管输出的光功率与其驱动电流的关系称为LED的电光特性。为了避免和减小非线性失真，使用时应给LED一个适当偏置电流I，其值等于这一特性曲线线性部分中点对应的电流值，而调制信号的峰-峰值也应位于电光特性线性范围内。对于非线性失真要求不高的情况下，也可把偏置电流选为LED最大允许工作电流的一半，这样可使LED获得无截至畸变幅度最大的调制，这有利于信号的远距离传输。图4LED的驱动和调制电路4．光纤的结构及其传光原理衡量光纤性能好坏有两个重要指标：一是看它的传输信息的距离有多远；二是看它携带的信息量W2IC1BG1LEDC4W1mA-3-有多大，前者决定于光纤的损耗特性，后者决定于光纤的脉冲响应或基带频率特性。经过人们对光纤的提纯，目前已经使得光纤的损耗做到20dB/Km以下。光纤的损耗与工作波长有关，所以在工作波长的选用上，应该尽量选用低损耗的工作波长，光纤通讯最早是用短波长850nm，近年来发展至用1300－1550nm范围的波长，因为在这一波长范围内光纤不仅损耗低，而且“色散”小。光纤的脉冲响应或它的基带频率特性又主要决定于光纤的模式性质。光纤按照其模式性质通常可以分为两大类：1）单模光纤；2）多模光纤。无论单模或者多模光纤，其结构均由纤芯和包层两部分组成。纤芯的折射率比包层的折射率大，对于单模光纤，纤芯直径只有5－10m，包层直径为125m，在一定条件下，只允许一种电磁场形态度光波在纤芯内传播，多模光纤的纤芯直径为20－2000m，包层厚度为3－5m，允许多种电磁场形态的光波传播。按照折射率沿光纤截面的径向分布又可以分成阶跃型和渐变型两种光纤，对于阶跃型光纤，在纤芯和包层中折射率均为常数，但纤芯折射率略大于包层折射率，所以对阶跃型多模光纤，可以用几何光学的全反射理论解释它的导光原理。在渐变型光纤中，纤芯折射率随离开光纤轴线距离的增加而逐渐减小，直到在纤芯和包层界面处减到某一值后，在包层的范围内折射率保持这一值不变，根据光线在非均匀介质中的传播理论分析可知：经光源耦合到渐变型光纤中的某些射线，在纤芯内是沿周期性的弯向光纤轴线的曲线传播。5．半导体光电二极管的工作原理及特性本仪器的光信号接收采用硅光电二极管（SiliconPhotoDiode缩写SPD），半导体光电二极管与普通的半导体二极管一样，都具有一个p-n结，但光电二极管在外形结构方面有它自身的特点，这主要表现在光电二极管的管壳上有一个能让光射入其光敏区的窗口，此外，与普通二极管不周，它经常工作在反向偏置电压状态（如图5a所示）或无偏压状态（如图5b所示）。在反偏电压下，p-n结的空间电荷区的垫垒增高、宽度加大、结电阻减小,所有这些均有利于提高光电二极管的高频响应性能。图5光电二极管的结构及工作方式无光照时，反向偏置的p-n结只有很小的反向漏电流，称为暗电流。当有光子能量大于p-n结半导体材料的带隙宽度Eg的光波照射到光电二极管的管芯时，p-n结各区域中的价电子吸收光能后将挣脱价键的束缚而成为自由电子，与此同时也产生一个自由空穴，这些由光照产生的自由电子空穴对统称为光生载流子。在远离空间电荷区（亦称耗尽区）的p区和n区内，电场强度很弱，光生载流子只有扩散运动,它们在向空间电荷区扩散的途中因复合而被消失掉，故不能形成光电流。形成光电流的主要-4-靠空间电荷区的光生载流子，因为在空间电荷区内电场很强，在此强电场作用下，光生自由电子空穴对将以很高的速度分别向n区和p区运动，并很快越过这些区域到达电极沿外电路闭合形成光电流，光电流的方向是从二极管的负极流向它的正极，并且在无偏压短路的情况下与入射的光功率成正比，因此在光电二极管的p-n结中，增加空间电荷区的宽度对提高光电转换效率有着密切的关系。为此目的，若在p-n结的p区和n区之间再加一层杂质浓度很低以致可近似为本征半导体的I层，就形成了具有p-i-n三层结构的半导体光电二极管，简称PIN光电二极管，PIN光电二极管的p-n结除具有较宽的空间电荷区外，还具有很大的结电阻和很小的结电容，这些特点使PIN管在光电转换效率和高频响应方面与普通光电二极管相比均得到了很大改善。本仪器SPD的峰值响应波长在820nm左右，工作时SPD把经光纤出射端输出的光信号转化为与之光功率成正比的光电流，经过I-V转换电路，再把光电流转换成与之成正比例的电压信号。四、实验内容1．LED－传输光纤组件电光特性的测定本实验内容是要在不加音频信号的情况下，研究通过LED的直流偏置电流DI与LED输出光功率0P之间的关系，即LED的电光特性。实验时先打开主机电源，将光纤一端接至“LED发射器”中“信号输出”端，一端接至“SPD接收器”中的“信号输入”端，将光功率计波段开关打至“测量”档。调节“偏流调节”旋钮，使面板上电流表读数为零，此时将光功率表也调零，然后分别把偏流大小调至5mA、10mA、15mA、20mA、25mA、30mA、35mA、40mA、45mA、50mA，记录对应的光功率值。根据测量结果描绘LED－传输光纤组件的电光特性曲线，即描绘DIP0关系图，分析其线性范围。2．LED直流偏流与最大不失真调制幅度的关系测定本实验要找出在不同的直流偏流DI下电路能加载的不失真调制幅度的大小，同时找到LED发光电路最佳工作点和在此工作点下能加载的最大不失真信号幅度。实验时先接好音频信号通道、光通道，把光功率计打至“实验”档。然后将音频发生器产生信号和LED调制信号输入双综示波器观察。调节音频信号发生器，使其输出信号峰-峰值为1V，频率为10KHz。接着把偏流加至20mA，调节“LED发射器”中的幅度调节旋钮，使加在电路上的音频信号由小变大，观察调制信号的波形及失真情况。记录偏流为20mA时最大不失真调制幅度的峰-峰值。分析观察到的现象，然后决定增大或减小偏流以找到最佳静态工作点DQI。实验时可调节音频信号幅度来检验新的工作点是否为DQI，若在示波器上能观察到调制信号同时出现截止和饱和失真（这时的偏置电流约为66mA左右），则此时正处于最佳工作点。记录刚要同时出现两种失真现象时的偏流值DQI和调制信号峰-峰值DQV，则从电路方面考虑，通过LED的最佳工作电流和最大不失真交流幅度分别为DQI和ReDQV（本仪器50Re）。-5-3．音频信号光纤传输系统幅频特性的测定本实验内容是要在光信号发送器处于正常工作状态下，研究音频信号光纤传输系统的幅频特性。实验前应先确定光信号发送器的正常工作范围。从实验原理和前两个实验内容可知：光信号发送器的正常工作是由LED的电光特性和LED发光电路工作特性决定。若LED电光线性转化，发光电路信号传输无非线性失真，则光信号发送器已处于正常工作状态。利用前两个实验测得的实验结果，便可知道在不同直流偏流DI下，要使光信号发送器正常工作，加载在电路中的调制幅度可取范围。实验按照内容2接线。实验时先将音频发生器输出信号峰-峰值调为1V，偏流和调制信号幅度调节适当，以确保光信号发送器正常工作。然后将音频发生器输出信号频率依次调为100Hz、500Hz、1KHz、5KHz、10KHz、15KHz、20KHz，用示波器观测由光纤传输的光信号转化成的音频电信号的波形和峰-峰值。由观测结果绘出音频信号光纤传输系统幅频特性曲线。4．语音信号的传送将半导体收音机的信号接入发送器的输入端（在后面板上），通过后面板上的转换开关接收功放输出端接上扬声器，实验整个音频信号光纤传输系统的音响效果。实验时可适当调节发送器LED的偏置电流，考察传输系统的听觉效果。五、预习题1.音频信号传输系统由那几部分组成，各部分的作用是什么？2.SPD为何工作在反向偏压或无偏压状态？六、思考题1．本实验中LED偏置电流是如何影响信号传输质量？2．LED和SPD与一般二极管的差异体现在什么地方？3．光传