《光纤通信原理》实验指导书

《光纤通信》实验指导书王玮中南大学信息科学与工程学院通信工程系二〇一一年四月I目录光纤通信原理实验系统简介..............................................................................................................1光纤实验箱使用注意事项..................................................................................................................3实验一⑴半导体激光器P-I特性测试实验..................................................................................4实验一⑵光电检测器特性实验......................................................................................................6实验二模拟信号光纤传输实验......................................................................................................9实验三数字信号光纤传输实验....................................................................................................12附录ZYE4301G型光纤通信实验箱各模块引脚说明................................................................141光纤通信原理实验系统简介本套实验系统（ZYE4301G）实验箱是为配合《光纤通信》课程的理论教学，结合目前光纤通信工程技术最新进展，为了提高学生实际操作和动手能力而研制开发的。它包含了光纤通信系统设备中的各个主要组成部分，具体由以下十二个模块组成，其印刷电路板布局图如图0―1所示。一、电源模块二、光发送模块三、光接收模块四、预失真补偿模块五、语音信号处理模块六、模拟信号源模块七、电话接口模块八、数字信号源模块九、PCM编译码模块十、CMI编译码模块十一、HDB3编译码模块十二、CPLD下载模块可以通过实验箱上述十二个模块灵活组成各种不同光纤通信系统，如：850nm波长光纤通信系统、1310nm波长光纤通信系统、1550nm波长光纤通信系统；同时也可以组成单模光纤通信系统、多模光纤通信系统；模拟光纤通信系统、数字光纤通信系统；光时分复用传输系统和光波分复用传输系统等光纤通信工程中常用的绝大多数光纤通信系统。实验系统基本组成方框图如图0―2所示：图0―2光纤传输实验系统方框图实验系统主要由光发模块，光收模块、光无源器件和辅助通信模块等组成。光发端机完成将电信号调制至光载波上去，采用强度调制（IM）；光接收机完成光信号的解调，采用直接检测（DD），属于非相干解调。光载波由半导体光源产生，由半导体光检测器将光信号转换成电信号从而达到传输信号的目的。光纤半导体光检测器光纤活动连接器半导体光源电信号输出电信号输入光发端机光收端机电话用户接口模块模拟信号源模块CMI编译码模块1550/1310nm光发送模块模拟驱动数字信号源模块PCM编译码模块CPLD下载模块预失真补偿模块语音输入输出模块HDB3编译码模块1310nm光接收模块电源模块图0―1ZYE4301G型光纤通信原理实验箱印刷电路板布局图串口/视频口数字驱动1550nm光接收模块光纤输出接口光纤输入接口串口/视频口实验箱使用注意事项光纤通信原理ZYE4301G电流测定3光纤实验箱使用注意事项光学器件属于昂贵易损器件，所以在实验操作过程中应加倍小心，防止光学器件的损坏，为了保证实验顺利地进行，请注意以下事项：⒈请仔细阅读实验指导书操作步骤后开机实验，实验各测试点、跳线及开关说明请参考附录，正确连接导线，以免造成光学器件和芯片的损坏。⒉实验箱使用过程中应有防静电措施，以防静电损坏光学器件。⒊光学器件属于昂贵器件，在安装和拆卸过程中请注意轻拿轻放，遇到问题须向老师报告。⒋实验过程中切不可将光纤输出端对准自己或别人的眼睛，以免损伤眼睛。⒌实验箱使用完毕后，请立即将防尘帽盖住光纤输入、输出端口，用光纤端面防尘盖盖住光纤跳线端面，防止灰尘进入光纤端面而影响光信号的传输。⒍若不小心把光纤输出端的接口弄脏，需用酒精棉球进行清洗。⒎光纤跳线接头应妥善保管，防止磕碰，使用后及时戴上防尘帽。⒏不要用力拉扯光纤，光纤弯曲半径一般不小于30mm，否则可能导致光纤折断。⒐进行光纤传输实验时，半导体激光器驱动电流不要超过40mA，发光二极管驱动电流不要超过60mA。4实验一⑴半导体激光器P-I特性测试实验一、实验目的⒈学习半导体激光器发光原理和光纤通信中激光光源工作原理⒉了解半导体激光器平均输出光功率与注入驱动电流的关系⒊掌握半导体激光器P（平均发送光功率）-I（注入电流）曲线的测试方法二、实验仪器⒈光纤通信原理实验箱1台⒉光功率计1台⒊FC/PC-FC/PC单模光跳线1根⒋万用表1台⒌连接导线20根三、实验原理半导体激光二极管（LD）简称半导体激光器，它通过受激辐射发光，（处于高能级E2的电子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。）是一种阈值器件。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。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Ith尽可能小，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。半导体激光器具有高功率密度和极高量子效率的特点，微小的电流变化会导致光功率输出较大变化，是光纤通信中最重要的一种光源；它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Ith，当输入电流小于Ith时，其输出光为非相干的荧光，类似于LED发出的光，当电流大于Ith时，输出光为激光，且输入电流和输出光功率成线性关系。该实验就是对该线性关系进行测量，以测试半导体激光器的P-I线性关系。在实验中所用到半导体激光器输出波长为1310nm，带尾纤及FC型接口。半导体激光器作为光纤通信中应用的主要光源，其性能指标直接影响到系统传输数据5的质量，因此P-I特性曲线的测试了解激光器性能是非常重要的。半导体激光器驱动电流的确定是通过测量串联在电路中的R110上电压值。电路中的驱动电流在数值上等于R110两端电压与电阻值之比。为了测试更加精确，实验中先用万用表测出R110的精确值，计算得出半导体激光器的驱动电流，然后用光功率计测得一定驱动电流下半导体激光器发出激光的功率，从而完成P-I特性的测试。并可根据P-I特性得出半导体激光器的斜率效率。图1-1LD半导体激光器P-I曲线示意图四、实验内容⒈测量半导体激光器输出功率和注入电流，并画出P-I关系曲线。⒉根据P-I特性曲线，找出半导体激光器阈值电流。五、实验步骤⒈将光发模块中的可调电阻W101逆时针旋转到底，使数字驱动电流达到最小值。⒉⑴拨动双刀三掷开关BM1、BM2选择在中间档，即将R110与电路断开。⑵用万用表测得R110电阻值，找出所测电压与半导体激光器驱动电流之间的关系（V＝I×R110）。⒊拨动双刀三掷开关，BM1选择到半导体激光器数字驱动，BM2选择到1310nm。⒋旋开光发端机光纤输出端口（1310nmT）防尘帽，用FC-FC光跳线将半导体激光器与光功率计输入端连接起来。⒌连接导线：将T502与T101连接，将数字信号码型拨成10101010，10101010，10101010（推荐码型“1”与“0”个数相等，这样做的目的是将平均偏置电流调制到“0”与“1”的中间。其他码型也可，但应尽可能将“0”与“1”的个数接近）。⒍连接好实验箱电源，先开交流电源开关，再开直流电源开关，即按下K01，K02(电源模块)，并打开光发模块（K10）和数字信号源（K50）的直流电源。⒎用万用表测量R110两端电压（红表笔插T103，黑表笔插T104）。⒏慢慢调节电位器W101，使所测得的电压为下表中数值，依次测量对应的光功率值，并将测得的数据填入下表。⒐做完实验后先关闭光发模块电源（K10），然后依次关掉各直流开关（电源模块），以及交流电开关。⒑拆下光跳线及光功率计，用防尘帽盖住实验箱半导体激光器光纤输出端口，将实I(mA)P(m)W)Ith6验箱还原。⒒将各仪器设备摆放整齐。U(mV)123456789101214I(mA)P(uW)U(mV)161820222426283032343638I(mA)P(uW)六、实验报告⒈根据实验记录数据，算出半导体激光器驱动电流，画出相应的光功率与注入电流的关系曲线。⒉根据所画的P-I特性曲线，找出半导体激光器阈值电流Ith的大小。⒊根据P-I特性曲线，求出半导体激光器的斜率效率。七、注意事项⒈半导体激光器驱动电流不可超过40mA，否则有烧毁激光器的危险。⒉由于光功率计，光跳线等光学器件的插头属易损件，使用时应轻拿轻放，切忌用力过大。八、思考题⒈试说明半导体激光器发光工作原理。⒉环境温度的改变对半导体激光器P-I特性有何影响？⒊分析以半导体激光器为光源的光纤通信系统中，半导体激光器P-I特性对系统传输性能的影响。实验一⑵光电检测器特性实验一、实验目的⒈学习光电检测器响应度及量子效率的概念；⒉掌握光电检测器响应度的测试方法；⒊了解光电检测器响应度对光纤通信系统的影响。二、实验仪器⒈ZYE4301G型光纤通信原理实验箱1台⒉光功率计1台⒊FC/PC-FC/PC单模光跳线1根⒋万用表1台⒌连接导线20根7三、实验原理在光纤通信工程中，光检测器（ptotodetector），又称光电探测器或光检波器，其作用原理是将入射光转化为电流或电压，以光子-电子的能量转换形式完成光的检测的过程。最简单的光检测器就是p-n结，但它存在许多缺点，光纤通信系统中，较多采用p-i-n光电二极管（简称PIN管）及雪崩光电二极管（APD管），都是实现光电转换的半导体器件。在给定波长的光照射下，光检测器的输出平均电流与入射的光功率平均值之比称响应率或响应度。简言之，即输入单位的光功率产生的平均输出电流，R的单位为A/W或uA/uW。其表达式为：R＝IP/P（1-1）响应率是器件外部电路中呈现的宏观灵敏特性，而量子效率是内部呈现的微观灵敏特性。量子效率是能量为hυ的每个入射光子所产生的电子-空穴载流子对的数量：hvPeP//I＝入射到器件上的光子数对数通过结区的光生载流子（×100％）（1-2）上式中，e是电子电荷，υ为光的频率。通过测试IP与P的关系，即可计算获得检测器的量子效率，其中光电检测器的量子效率与响应度的关系为：24.1R（1-3）在波长确定的情况下，通过测试得到一定光功率下检测器输出