光纤通信原理与技术实验指导书

《光纤通信原理与技术》实验指导书1《光通信原理与技术》实验指导书实验一模拟（音频）信号的调制、传输和解调实验目的和要求1、光纤端面的处理和夹持；2、了解模拟信号的光纤调制方法；3、学会已调信号的解调技术；4、观察已调波和调制波的波形；5、光纤折射率的时间法求解。实验装置和仪器：GX1000光纤实验仪；半导体激光器；激光功率计；光纤刀；光学实验导轨；光纤调整架；光纤；示波器；音频信号发生器（或收音机）。实验原理：1.激光器的输出特性（I—P）特性激光器的光输出特性(P—J特性)是表示注入电流与激光器输出功率之间的关系曲线。如图1所示。当注入电流增加时．由于自发辐射量增加，输出功率也会增加，但增加得较慢。当光辐射量超过PN结中的吸收损耗，增益超过损耗时，激光器就开始振荡，所以光输出功率随注入电流的增加而急剧增加。1、光的调制将调制信号加在激光器上，控制激光器的电流，则激光器的输出功率随调制信号而改变。如图2所示。2、光通信系统图2图1《光纤通信原理与技术》实验指导书2图3是典型的光纤通信系统。电信号加在激光器的偏置电路上，控制激光器的注如电流，从而使激光器的输出光功率随外加信号变化，达到对输出光进行调制．经调制的光由光纤（光纤通信）或空间（空间光通信）传输到光电探测器，探测器将光信号转变为电信号，后续电路检波解调恢复所加的电信号。实验内容及步骤：（一）光纤端面的处理1、用光纤剥皮钳剥去光纤两端的涂覆层，长度约10mm。如图52、在5mm出用光纤刀刻划一下。用力不要太大，以不使光纤断裂为限。3、在刻划处轻轻弯曲纤芯，使之断裂。处理过的光纤端面不应再被触摸，以免损坏和污染。4、将光纤的一端小心放入光纤夹中，伸出长约10mm，用簧片压住，放入三维光纤架中，用锁紧螺钉锁住。5、将光纤的另一端放入光纤座上的刻槽中，伸出约10mm,用磁吸压住。6、光纤的耦合7、将实验仪置于直流挡。8、调整激光的工作电流，使激光不太明亮，用一张白纸在激光器前后移动，确定激光焦点的位置。9、通过移动三维光纤调整架和调整Z轴旋钮，使光纤端面尽量逼近焦点。10、将激光器工作电流调到最大，通过仔细调整三维光纤调整架上的X轴、Y轴、Z轴旋钮和激光器调整架上的水平、垂直旋钮，使激光照亮光纤端面并耦合进光纤。观测光纤输出光强的变化，反复调整各旋钮，直到光纤输出功率达最大为止。记下最大功率值Pf。测量5次，取平均值。11、将实验仪的功能档置于音频调制档。12、将示波器的CH1和CH2通道分别与“输出波形”和“输入波形”相连。图3图410mm包层纤芯图5《光纤通信原理与技术》实验指导书313、将示波器“扫描频率”置于10μS/Div档，示波器显示应为近似的稳定矩形波。14、从“音频”端加入音频模拟信号，这时可观察到示波器上的矩形波形的前后沿闪动。15、打开实验仪后面板上的“喇叭”开关，应可听到音频信号源中的声音信号。16、可分别观察实验仪发射板“调制”前后的波形和接收板“解调”前后的波形。记录波形的形状和幅值。观察、了解音频模拟信号的调制、传输、解调过程的情况。（注意：“喇叭”开关平时应处于“关”状态，以免产生不必要的噪声。）17、将光探头接在实验仪接收板的“输入”端，光纤输出光对准光探头，示波器的CH1依次与接收板上的解调前后的“波形”端相连，观察波形情况。改变激光器的输出功率P0，记录对应的示波器的CH1上的解调前“波形”幅值V前和解调后“波形”幅值V后，如下表。18、加上音频，打开＂喇叭＂开关，调整激光器的电流，同时，仔细听解调后的声音变化，体会传输光强的大小对传输信号的影响，即信噪比的影响．19、去掉光纤，让激光器的直接照在光探头上，示波器的CH1依次与接收板上的解调前后的“波形”端相连，观察波形情况。改变激光器的输出功率P0，记录对应的示波器的CH1上的解调前“波形”幅值V前和解调后“波形”幅值V后，20、重复18的步骤，比较光通过空间和光纤后音频的变化．21、注在以上操作中，注意不要使探测器饱和。思考题：1．分析各端波形情况。2．传输光的强度对音频信号有何影响？3．光纤传输和空间传输时接收的波形有何变化？３．比较光纤通信和空间通信的特点．实验二光通信中的光交叉连接（OXC）模拟实验一、实验目的与要求1.学习OXC的原理，了解其实现方法和光网络节点OXC在光纤通信中的作用和意义。2.学习OXC的原理，了解其实现方法和光网络节点OXC在光纤通信中的作用和意义。3.理解电寻址液晶空间光调制器（SLM）的原理、光学特性和操作。4.设计利用空间光调制器、柱面镜等器件实现OXC的方法和光路。二实验基本原理与功能1．OXC定义WDM光网络要求光节点具备交换功能，来自不同光纤通道的信号或同一光纤的不同波长通道的信号根据实际情况需要直通或交换通道进行传输，这一功能叫做光的交叉连接（OpticCrossConnection简称OXC）。OXC的主要功能是完成光通道的交叉连接，同时还具备本地的上下路功能。2．OXC节点的交叉连接原理图1、2分别表示了空间和波长交换的OXC的原理。在图1中，用户通道1、3的信号需要在用户通道3’、1’中传输，而通道2的信号需要直通。在《光纤通信原理与技术》实验指导书4用户信号通道1用户信号通道2用户信号通道3用户信号通道1'用户信号通道2'用户信号通道3'OXC图1图2中，用户通道1中波长为λ1的信号需要交换到通道2’中进行传输，用户通道2中波长为λ4的信号需要交换到通道1’中进行传输，其余的信号需要在λ1λ3λ2λ4λ2λ1λ3λ4λ1λ2λ3λ4用户信号通道1用户信号通道2用户信号通道1’用户信号通道2’OXC图2原通道中传输，即直通。上述交叉连接功能就是由OXC节点来实现的。3OXC节点模型在光传送网络中，OXC节点的基本功能是在各输入端和输出端光纤上复用的WDM信道之间建立全光通道互连模式。图3给出了OXC节点结构的一种模型，其中N代表节点的输入或输出端口数，M为每根光纤上复用的波长数目。扩展级网络完成输入端WDM信号的解复用功能；集中级网络在输出端对单波长信号重新进行复用；交换级网络位于扩展级网络和集中级网络之间，实现单波长信号在空间或波长域上的全光交叉连接。扩展级、交换级和集中级网络共同构成了OXC节点的通道交叉连接结构。扩展级网络交换级网络集中级网络1N...1...N12...MN光交叉连接结构12...MN图3OXC节点的一种模型OXC的光交换中有两种基本交换机制：空间交换和波长交换。实现空间交换的器件有各种类型的光开关，它们在空间域上完成通信通道之间的交换。实现波长交换的器件是指各种类型的波长变换器，它们将信号从一个波《光纤通信原理与技术》实验指导书5长转换到另一个波长，即实现波长域上的交换。光交换模块中还广泛采用波长选择器（如各种类型的可调谐光滤波器和解复用器），它实现对WDM信号中一个或多个波长信号的选择通过，并滤掉其它波长的信号。这些器件的不同组合可以构成不同结构的OXC。目前已提出的OXC结构很多，大致分为两大类：一类是基于空间交换的OXC结构，另一类是基于波长交换的OXC结构。下面分别对这两类结构予以介绍。1）基于空间交换的OXC结构空间交换结构主要包括：基于空间光开关矩阵和波分复用/解复用器对、基于空间光开关矩阵和可调谐滤波器、基于分送耦合开关、基于平行波长开关的OXC结构。这些不同结构的OXC具有不同的特点，但其核心部分——交换功能都是由不同的空间光开关来完成的。基于空间光开关矩阵和波分复用/解复用器对的两种典型的OXC结构如图4所示。N×NN×NN×N发送模块接收模块DXC波分解复用器空间光开关矩阵波分复用器12fN12M12fNMN×MN开关矩阵发送模块接收模块DXC波分解复用器波分解复用器波长变换器12fN12fNa图b图图4基于空间光开关矩阵和波分复用/解复用器对的OXC结构在图4(a)、(b)中，波分解复用器将链路中的WDM信号在空间上分开，空间光开关矩阵在空间上实现交换。完成空间交换后各波长信号直接经波分复用器复用到输出链路中。结构(a)中只能实现一个输入光信号被唯一地交叉连接到一条输出光通道中，而不能被广播发送到多条输出光通道中，它不具备广播发送能力。另外，这种结构无波长变换器，只能支持波长通道，并不支持虚波长通道。结构(b)中，MN×MN开关矩阵可以实现MN×MN无阻塞交换，任一输入链路中的任一波长都可以根据需要交换到任一输出链路中的任一波长，它支持虚波长通道。此外，它与结构(a)一样，也不具备广播发送能力。2)基于波长交换的OXC结构目前已有基于阵列波导光栅复用器的多波长交换OXC结构和完全基于波长交换的OXC结构。图5是基于《光纤通信原理与技术》实验指导书6阵列波导光栅复用器（AWGM）的多波长交换OXC结构的一种。这种结构利用了阵列波导光栅复用器的特性，将多级的波长变换器级连起来，完全在波长域上实现光通道的交换。一个阵列波导光栅复用器可同时实现波分复用和解复用的功能，并且将相隔宽度为自由谱宽的整数倍的多个波长复用到一个出端。图中1×1波长变换器由一个解复用器、M个波长变换器和一个耦合器构成，完成将M个输入波长转换为R个内部波长中某个波长的功能。这种结构也不具有广播发送能力，但是如果波长变换器使用的是可调谐滤波器，则具备广播发送能力。发送模块AWGMAWGMAWGM接收模块DXC1×1波长变换器阵列波导光栅复用器阵列波导光栅复用器1×1波长变换器1×1波长变换器波分复用器波分复用器.........1Nf.Nf.1图5基于阵列波导光栅复用器的三级波长变换OXC结构4．本实验的原理本实验基于空间光交换的OXC的原理而设计，其实验原理图如图6所示。本实验的核心部分——空间光交换是由空间光开关矩阵来完成的。实验中用可动态控制的空间光调制器作为空间光开关矩阵，空间光调制器的主要组成部分有液晶屏和控制器，液晶屏上的象素相当于光开关器件。用户信号分别用红、绿、蓝三个可见点光源来表示，分别代表WDM信号中已被解复用的三个信号。利用柱面透镜将用户信号发散的球面波转换成准直的柱面波，并让它们同时照射到空间光调制器上。空间光调制器上光信号分布如图7所示。空间光调制器后的柱面透柱面镜柱面镜空间光开关矩阵输入端面输出端面图6OXC实验原理图镜将传输过来的平面波转换为水平方向会聚的柱面波，因此在不同水平位置的光波将汇聚到输出端面的不同位置上。如图7、8所示，当a行开关（象素）《光纤通信原理与技术》实验指导书7信号1信号2信号3abc(a,1)(a,2)(a,3)(b,1)(b,2)(b,3)(c,3)(c,2)(c,1)ABC图7空间光调制器上光信号分布图图8输出端面上的光信号分布打开而其它开关全部关闭时，即仅(a,1)、(a,2)、(a,3)为开状态时，(a,1)、(a,2)、(a,3)处透过的光信号经柱面透镜后将重合于A处，从而实现了多点到一点的连接。当仅(a,2)打开时，A处只能收到信号2的信号而收不到1、3的信号，从而实现了点到点的连接。同理，b或c行信号如果在相应象素开关打开的情况下，光信号经柱面镜后将到达接收端上的另一位置B或C。可见，只要控制空间光调制器就可使输入端面上的红、绿、蓝三路光信号交换在接收端面上的不同光纤上，从而实现了光的交叉连接。本模拟实验的具体实现方式如图9所示。为了实验调整方便，我们用扩束准直加狭缝的方式来实现用户信号由球面波到垂直分布的准直柱面波的转换，并采用反射棱镜（e）来压缩垂直分布的平面波之间的距离，使之能很好地被空间图9实验装置原理图光调制器控制。为了使实验中的控制及显示更加直观，我们用计算机＃1（该计算机安装了控制软件CtrLCD来显示和控制空间光调制器上象素开关的开关状态。三、实验主要技术指标技术指标有：《光纤通信原理与技术》实验指导书81．如何使激光打出的光变为平面波。2．如何使来自不同方向的光变为平行光。四、实验设计：1．设计利用空间光调制器、柱面镜等器件实现OXC的方法和光路。五．设计举例；六．综合性实验任务1、设计课题：OXC实验的设计2、已知条件：O