光纤特性及传输实验

光纤特性及传输实验在现代通信技术中，为了避免信号互相干扰，提高通信质量与通信容量，通常用信号对载波进行调制，用载波传输信号，在接收端再将需要的信号解调还原出来。不管用什么方式调制，调制后的载波要占用一定的频带宽度，如音频信号要占用几千赫兹的带宽，模拟电视信号要占用8兆赫兹的带宽。载波的频率间隔若小于信号带宽，则不同信号间要互相干扰。能够用作无线电通信的频率资源非常有限，国际国内都对通信频率进行统一规划和管理，仍难以满足日益增长的信息需求。通信容量与所用载波频率成正比，与波长成反比，目前微波波长能做到厘米量级，在开发应用毫米波和亚毫米波时遇到了困难。光波波长比微波短得多，用光波作载波，其潜在的通信容量是微波通信无法比拟的，光纤通信就是用光波作载波，用光纤传输光信号的通信方式。与用电缆传输电信号相比，光纤通信具有通信容量大，传输距离长，价格低廉，重量轻易敷设，抗干扰，保密性好等优点，已成为固定通信网的主要传输技术，帮助我们的社会成功发展至信息社会。【实验目的】1、了解光纤通信的原理及基本特性。2、测量激光二极管的伏安特性，电光转换特性。3、测量光电二极管的伏安特性。4、音频信号传输实验。5、数字信号传输实验。【实验仪器】光纤特性及传输实验仪，示波器【实验原理】1、光纤光纤是由纤芯，包层，防护层组成的同心圆柱体，横截面如图1所示。纤芯与包层材料大多为高纯度的石英玻璃，通过掺杂使纤芯折射率大于包层折射率，形成一种光波导效应，使大部分的光被束缚在纤芯中传输。若纤芯的折射率分布是均匀的，在纤芯与包层的界面处折射率突变，称为阶跃型光纤。若纤芯从中心的高折射率逐渐变到边缘与包层折射率一致，称为渐变型光纤。若纤芯直径小于10μm，只有一种模式的光波能在光纤中传播，称为单模光纤。若纤芯直径50μm左右，有多个模式的光波能在光纤中传播，称为多模光纤。防护层由缓冲涂层，加强材料涂覆层及套塑层组成。通常将若干根光纤与其它保护材料组合起来构成光缆，便于工程上敷设和使用。衡量光纤性能好坏的主要是它的损耗特性与色散特性。损耗特性决定光纤传输的中继距离。光在光纤中传输时，由于材料的散射，吸收，会使光信号衰减，当信号衰减到一定程度时，就必需对信号进行整形放大处理，再进行传输，才能保证信号在传输过程中不失真，这段传输的距离叫中继距离，损耗越小，中继距离越长。光纤的损耗与光波长有关，通过研究发现，石英光纤在0.85，1.30，1.55μm附近有3个低损耗窗口，实用的光纤通信系统光波长都在低损耗窗口区域内。损耗用损耗系数表示。光在有损耗的介质中传播时，光强按指数规律衰减，在通信领域，损耗纤芯，直径5～50μm包层，直径约125μm防护层，直径约250μm图1光纤的基本结构系数用单位长度的分贝值（dB）表示，定义为：10lgL10PPα（dB/km）（1）已知损耗系数，可计算光通过任意长度L后的强度：101001LPPα（2）上两式中，L是传播距离，P0是入射光强，P1是损耗后的光强。对于单模光纤而言，随着波长的增加，其弯曲损耗也相应增大，因此对1550nm波长的使用，要特别注意弯曲损耗的问题。随着光纤通信工程的发展，最低衰减窗口1550nm波长区的通信必将得到广泛的运用。CCITT对G.652光纤和G.653光纤在1550nm波长的弯曲损耗作了明确的规定：对G.652光纤，用半径为37.5mm松绕100圈，在1550nm波长测得的损耗增加应小于1dB；对G.653而言，要求增加的损耗小于0.5dB。图2单模光纤弯曲损耗测试此处可不用扰模器，可其它东西实现光纤的弯曲也可。弯曲损耗的测量，要求在具有较为稳定的光源条件下，将几十米被测光纤耦合到测试系统中，保持注入状态和接收端耦合状态不变的情况下，分别测出松绕100圈前后的输出光功率P1和P2，弯曲损耗可由下式计算得出。)lg(1021PPA（3）相同光纤，传输相同波长光波信号，弯曲半径不同时其损耗也必定不同，同样，对于相同光纤，弯曲半径相同时，传输不同光波信号，其损耗也不同。由于按照CCITT标准，光纤的弯曲损耗比较小，在实际测试中可采用减小弯曲半径的办法提高实验效果的明显性。实验测试框图如图3所示。2、激光二极管（FP-LD）光通信的光源为半导体激光器（LD）或发光二极管（LED），本实验采用半导体激光器。(a)弯曲半径R1缠绕方法(b)弯曲半径R2缠绕方法图3扰模器缠绕方法半导体激光二极管或简称半导体激光器，它通过受激辐射发光，是一种阈值器件。处于高能级E2的电子在光场的感应下发射一个和感应光子一模一样的光子，而跃迁到低能级E1，这个过程称为光的受激辐射，所谓一模一样，是指发射光子和感应光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，它和感应光子是相干的。由于受激辐射与自发辐射的本质不同，导致了半导体激光器不仅能产生高功率（≥10mW）辐射，而且输出光发散角窄（垂直发散角为30～50°，水平发散角为0～30°），与单模光纤的耦合效率高（约30％～50％），辐射光谱线窄（Δλ＝0.1～1.0nm），适用于高比特工作，载流子复合寿命短，能进行高速信号（20GHz）直接调制，非常适合于作高速长距离光纤通信系统的光源。LD和LED都是半导体光电子器件，其核心部分都是P-N结。因此其具有与普通二极管相类似的V-I特性，如图4所示：VVTI图4LD激光器输出V-I特性示意图由于结构上的不同，LD和LED的P-I特性曲线则有很大的差别。LED的P-I曲线基本上是一条近似的直线。而LD半导体激光器的P-I曲线，如图5所示，可以看出有一阈值电流Ith，只有在工作电流IIth部分，P-I曲线才近似一根直线。而在IIth部分，LD输出的光功率几乎为零。图5LD半导体激光器P-I特性示意图阈值电流是非常重要的特性参数。图5中A段与B段的交点表示开始发射激光，它对应的电流就是阈值电流thI。半导体激光器可以看作为一种光学振荡器，要形成光的振荡，就必须要有光放大机制，也即激活介质处于粒子数反转分布，而且产生的增益足以抵消所有的损耗。将开始出现净增益的条件称为阈值条件。一般用注入电流值来标定阈值条件，也即阈值电流thI。当注入电流增加时，输出光功率也随之增加，在达到thI之前半导体激光器输出荧光，到达thI之后输出激光，输出光子数的增量与注入电子数的增量之比见（5）式。()()dPIePhvehvI（5）PI就是图5激光发射时的斜率，h是普朗克常数（6.625*10-34焦耳秒），为辐射跃迁情况下，释放出的光子的频率。P-I特性是选择半导体激光器的重要依据。在选择时，应选阈值电流thI尽可能小，thI对应P值小，而且没有扭折点的半导体激光器。这样的激光器工作电流小，工作稳定性高，消光比大，而且不易产生光信号失真。并且要求P-I曲线的斜率适当。斜率太小，则要求驱动信号太大，给驱动电路带来麻烦；斜率太大，则会出现光反射噪声及使自动光功率控制环路调整困难。3、光电二极管光通信接收端由光电二极管完成光电转换与信号解调。光电二极管是工作在无偏压或反向偏置状态下的PN结，反向偏压电场方向与势垒电场方向一致，使结区变宽，无光照时只有很小的暗电流。当PN结受光照射时，价电子吸收光能后挣脱价键的束缚成为自由电子，在结区产生电子－空穴对，在电场作用下，电子向N区运动，空穴向P区运动，形成光电流。光通信常用PIN型光电二极管作光电转换。它与普通光电二极管的区别在于在P型和N型半导体之间夹有一层没有渗入杂质的本征半导体材料，称为I型区。这样的结构使得结区更宽，结电容更小，可以提高光电二极管的光电转换效率和响应速度。图6是反向偏置电压下光电二极管的伏安特性。无光照时的暗电流很小，它是由少数载流子的漂移形成的。有光照时，在较低反向电压下光电流随反向电压的增加有一定升高，这是因为反向偏压增加使结区变宽，结电场增强，提高了光生载流子的收集效率。当反向偏压进一步增加时，光生载流子的收集接近极限，光电流趋于饱和，此时，光电流仅取决于入射光功率。在适当的反向偏置电压下，入射光功率与饱和光电流之间呈较好的线性关系。IP2=0.02mwP1=0.01mwP0=0反向偏置电压(V)图6光电二极管的伏安特性V+R图7简单的光电转换电路图7是光电转换电路，光电二极管接在晶体管基极，集电极电流与基极电流之间有固定的放大关系，基极电流与入射光功率成正比，则流过R的电流与R两端的电压也与光功率成正比，若光功率随调制信号变化，R两端的电输出解调出原调制信号。【实验仪器】整套实验系统由光纤发射装置、光纤接收装置、光纤跳线、光纤适配器以及示波器组成。光纤发射装置可产生各种实验需要的信号，通过发射管发射出去。发出的信号通过光纤传输后，由接收管将信号传送到光纤接收装置。接收装置将信号处理后，通过仪器面板显示或者示波器观察传输后的各种信号。发射系统中的信号源模块部分由电压源、音频信号、脉冲信号、方波信号、正弦波信号等组成。这些信号可以通过信号切换键来选择调整参数。当对应信号源的指示灯亮起时，表示可以对该信号进行幅度/电压调节和频率调节了。调节也可以根据所需步进选择“粗调”和“细调”，即当调节的指示灯亮起代表细调，不亮代表粗调。接收系统中，显示部分的“光功率计”只能调节到“1310”，“1550”则作为扩展显示（当前实验仪中没有设置1550nm波长的发射装置）。图12光纤接收装置面板图图11光纤发射装置面板图实验中使用的光纤为FC-FC光跳线（短光纤）。示波器用于观测各种信号波形经光纤传输后是否失真等特性（学校自备）。光纤发射与接收装置面板如图11，图12所示。【实验内容和步骤】1、激光二极管的伏安特性与输出特性测量用FC-FC光跳线将光发送口与光接收口相连。设置发射显示为“发射电流”，接收显示为“光功率计”。调节电压源以改变发射电流，记录发射电流与接收器接收到的光功率（与发射光功率成正比）。设置发射显示为正向偏压，记录与发射电流对应的发射管两端电压于表1中。依次改变发射电流（可能显示电流值不能精确达到表1的设定数值，只要尽量接近即可），将数据记录于表1中。表1发光二极管伏安特性与输出特性测量正向偏压(V)发射管电流(mA)0568101520253035光功率(mW)以表1数据作所测激光二极管的伏安特性曲线，输出特性曲线。讨论所作曲线与图4，图5所描述的规律是否符合。2、光电二极管伏安特性的测量连接方式同实验1。调节发射装置的电压源，使光电二极管接收到的光功率如表2所示。调节接收装置的反向偏压调节，在不同输入光功率时，切换显示状态，分别测量光电二极管反向偏置电压与光电流，记录于表2中。表2光电二极管伏安特性的测量反向偏置电压(伏)01234P=0光电流(μA)P=0.01mWP=0.02mW以表2数据，作光电二极管的伏安特性曲线。讨论所作曲线与图6所描述的规律是否符合。3、音频信号传输实验用FC-FC光跳线将光发送口与光接收口相连。（1）基带调制将发射装置“音频信号输出”接入发射模块信号输入端1，将2.5V电压源接入到“直流偏置”；将接收装置接收信号输出端接入音频模块音频信号输入端。倾听音频模块播放出来的音乐。定性观察光连接、弯曲等外界因素对传输的影响，陈述你的感受。（2）副载波调制将发射装置“音频信号输出”接入V-F变换模块的V信号输入端，再将V-F变换模块F信号输出接入发射模块信号输入端1；将接收信号输出接入F-V变换模块F信号输入端，V信号输出端接入音频模块音频信号输入端。倾听音频模块播放出来的音乐。定性观察光连接、弯曲等外界因素对传输的影响，陈述你的感受。4、数字信号传输实验若需传输的信号本身是数字形式，或将模拟信号数字化（模数转换）后进行传输，称为数字信号传输，数字传输具有抗干扰能力强，传输质量高；易于进行加密和解密，保密性强；可以通过时分复用提高信道利用率；便于建立综合业务数字网等优点，是今后通信业务的发展方向。本实验用编码器发送二进制数字信号（地址和数据），并用数码管显示地址一致时所发送的数据。用FC-FC光跳线将光发送口与光接收口相连。