《光信息传输技术》实验指导书.doc

光信息传输技术 实验指导书 何 宁 编 信息与通信学院 2011 年 7 月 1 实验一实验一 光纤及光纤及 LD 特性测量特性测量 一实验目的一实验目的 1掌握光纤的基本结构和传输特性。 2了解光纤通信光源的类型及发光机理。 3掌握光纤及 LD 有关特性测量。 二实验内容及要求二实验内容及要求 1. 光纤损耗特性及连接技术测试。 2LD 伏安特性测试。 3LD 电光转换特性测试。 4LD 调制特性测试。 三实验原理三实验原理 光纤制造过程是比较复杂的过程，生产光纤的主要材料为石英（SiO2） ，其制造流程如图 1 所示： 图 1 光纤光缆制造流程图 光纤的制作过程一般可分为三个主要步骤：熔炼、拉丝、套塑。 光纤按制作材料不同可分为石英光纤，塑料光纤和氧化物光纤。按工作波长分为短波光纤 （0.85um） ，长波长光纤（1.31um，1.55um）和超长波长光纤（2um 以上） 。按传输模式分为单模光纤 和多模光纤。 光纤接续有固定连接和活动连接两种，固定连接一般用于光缆工程上；活动连接一般用于机与 线或机与机之间的连接，是可以拆卸的。光纤接续损耗主要受以下几个因素的影响，被焊接光纤折 射率失配，纤蕊失配，端面的平整度和干净程度等。 光纤传输特性主要有损耗特性和频带特性，光纤损耗特性通常用 dB/km 表示，引起光能量衰减 的原因有吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。要降低光纤衰减，可采用纯度极高的石英玻璃。光纤频 带特性通常用兆赫千米来表示，说明 1Km 光纤所具有的带宽能力，光纤频带特性主要受传光时色散 性的影响。 光纤的损耗是决定光纤通信系统传输距离的一个很重要的参数，光纤内的吸收、散射和弯曲、 微弯以及护套等因素均可引起光纤传输中光功率的衰减，由于精确地计算光纤损耗极为困难，光纤 的损耗通常用实验确定，因此，掌握测量光纤损耗的方法十分重要。光纤中光信号的传输可用下式 表示： （1） L eIPLP 1 )()( 式中是光纤输入功率，是光纤长处的光功率，是功率损耗系数，单位是 1/)(IP)(LPL 1 材料提纯 预制棒熔炼 拉丝套塑成缆 材料分析检验 预制棒检验光纤测试 2 米。 在光纤传输系统中，常用分贝/公里（）表示损耗，即损耗系数为：kmdB/ （） （2） )( )( lg 10 LP IP L kmdB/ 与的关系为： （3） 1 1 34 . 4 光纤的弯曲损耗都是由于光不满足全反射条件而造成的，现代光纤最大的优点之一就是它的易 弯曲性，如果光纤的弯曲曲率半径太小，将引起光传播途径的改变，使光从纤芯渗透到包层，甚至 可能穿过包层向外渗漏。在正常情况下，光在纤芯内沿轴向传播的常数应满足， 0102 knkn 光强分布为中心轴线最强，随着半径的增大而逐渐减弱，到达纤芯的边缘光强等于零，呈高斯分布。 光在弯曲部分中传输，要想保持同相位的电场和磁场在一个平面里，则越靠近外侧，其速度就会越 大（即越小） 。当传到某一位置时，其相速度就会超过光速，即当时，这意味着传导模 02k n 要变成辐射模，所以，光信号的一部分会损失掉，传输损耗将会增加。图 2 和图 3 是光纤特性图。 12345678 x 10 -3 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 x 10 4 值 值 值 值 R(m) 值 值 值 值(dB/m) =1310nm值 值 值 值 =1550nm值 值 值 值 =1310nm值 值 值 =1550nm值 值 值 图 2 光纤损耗特性 图 3 光纤弯曲振荡特性 光纤通信系统采用的光源主要有半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）,根据制作的材料不 同，发光二极管的峰值发射波长有 0.85um、1.3um 和 1.55um 三种。LED 是非相干光源，是一种直接 注入电流的光发射器件，它的发射过程主要对应光的自发辐射过程，是半导体晶体内部受激电子从 高能级回复到低能级时，发射出光子的结果。在发光二极管的结构中，不存在谐振腔，当注入正向 电流时，注入的非平衡载流子在扩散过程中复合发光。因此，发光二极管不是阈值器件，它的输出 功率基本上与注入电流成正比。发光二极管的结构可分为表面发光型 LED 和边发光型 LED，光纤通 信中多采用边发光型 LED。发光二极管的特性主要有光谱特性、伏安特性、电光转换特性和调制特 性。 光谱曲线上发光强度最大时所对应的波长为发光峰值波长，光谱曲线上两个半光强点所对应的 波长差称为 LED 的谱线宽度，其值为 3040nm 左右,光谱极易受温度的影响。 伏安特性是指 LED 通过正向电流时，发光二极管两端所产生的正向压降，由于正向电阻比较小， 故正向压降较低。图 4 给出示意图。 （a）伏安特性曲线 （b）伏安特性测试电路 3 图 4 伏安特性示意图 光谱曲线上发光强度最大时所对应的波长为发光峰值波长，光谱曲线上两个半光强点所对应的 波长差称为 LD 的谱线宽度，其值为 3040nm 左右,光谱极易受温度的影响。与普通光源相比，激 光光源具有单色性好、亮度高、方向性强和相干性强等特点，激光的出现使原有的光谱技术在灵 敏度和分辨率方面得到很大的改善。 激光器根据谱线宽度不同可分为单纵模和多纵模激光器， 其光谱如图 5、图 6 和图 7 所示。 图 5 LED 光谱特性 图 6 LD 光谱特性 图 7 LED 多纵模光谱 电光转换特性是指 LED 的光输出功率与注入电流的关系，它是 LED 的重要参数之一，分为直 流输出功率和脉冲输出功率。直流输出光功率是指在规定正向直流工作电流下，LED 所发出的光功 率；而脉冲输出光功率是指在规定幅度、频率和占空比的矩形脉冲电流作用下，LED 发光面所发射 出的光功率。出光特性曲线如图 8 所示。 图 8 PI 特性曲线 4 LED 调制特性是指在规定的直流正向工作电流下，用数字或模拟信号对 LED 进行调制，从而改 变光功率。光通信中传输速率的大小受调制频率或调制带宽的限制。图 9 给出其调制原理图。 （a）模拟调制 （b）数字调制 图 9 调制特性曲线 四实验线路四实验线路 图 10 和图 11 给出光纤弯曲损耗和弯曲振荡的测试图，测试中使光纤在不同直径大小的圆柱上 弯曲，在光功率计和光谱仪上进行测量。 图 12 给出了伏安特性、出光特性的具体测试电路，调节电位器可改变流过二极管的电流，从而 改变 LED 的出光功率。图 13 给出了光调制电路，a）图为模拟调制电路，为了保证 LED 工作在线 性范围，在无信号输入时，必须给 LED 加一定的直流偏置；b）图为数字调制电路，三极管 VT 处于 零偏置，且在开关状态下工作，当输入信号为高电平时，三极管导通，LED 有光信号输出，当输入 信号为低电平时，三极管截止通，LED 无光信号输出。 图 10 光纤损耗测试图 图 11 光纤弯曲振荡测试图 图 12 伏安特性与 PI 特性测试电路 图 13 调制电路 五实验步骤五实验步骤 光 源 光功率计 测试圆柱 光 源 光 谱 仪 5 （一）（一） 光纤特性测量及连接技术光纤特性测量及连接技术 测量光纤衰减特性、光谱特性， 测量光纤物理尺寸，光纤熔接练习。 （二）（二）LED 伏安特性测试伏安特性测试 1将电流表串接入 LED 测试电路，开启稳压电源（直流 5V） 。 2调整电位器，使流过 LED 的电流为 100mA，测量 LED 两端对应的电压值。 3减小电源电压，按表 1 中电流值调整，用万用表测量并记录 LED 两端对应电压值。 4根据测试数据作出 LED 的正向伏安特性曲线。 表 1 电 流 123456789102030405060708090100 电 压 （三）（三）LED 出光特性测试出光特性测试 1电源电压为 5 伏，调整电位器改变流过 LED 的电流。 2在 LED 的尾纤接入光功率计，读出与流过 LED 电流对应的光功率值，记入表 2 中。 3根据测试数据作出 LED 的出光特性曲线。 表 2 电 流 5 10 20 30 40 50 60 70 8090100 功 率 （四）（四）LED 调制特性测试（模拟调制）调制特性测试（模拟调制） 1将信号源频率设置为 1KHz、幅度为 100mv 的正弦信号，并加入电路输入端。 2用示波器测试三极管的输出调制波形。 3用光功率计测试此时 LED 的光功率值。 六实验设备六实验设备 稳压电源 信号源 光功率计 光谱仪 万用表 双踪示波器 七实验报告七实验报告 1 处理实验数据，并画出相关特性曲线。 2 说明模拟调制和数字调制对线性的要求。 3 实验体会。 6 实验二实验二 光通信系统模拟仿真光通信系统模拟仿真 OptiSystemOptiSystem 一、一、 实验目的实验目的 1.熟悉 OptiSystem 仿真软件的功能及应用。 2.掌握基本光纤通信系统的构成与参数仿真。 二二 、实验内容、实验内容 1.OptiSystem 软件菜单元件库操作 2.基本光纤传输系统仿真 三、三、 软件功能介绍软件功能介绍 OptiSystem 能在时域和频域上对光通信系统中物理层进行模拟仿真。 用途： 光发射机、信道、放大器、接收机设计 WDM、DWDM、CATV、PON/FTTx、ROF 网络设计、 SONET/SDH 设计 功能： 图形化界面 可导入其它设计软件和 Matlab 文件。 四、四、 元件库介绍元件库介绍 发送器件库 （Transmitters Library) 波分复用器件库 （WDM Multiplexers Library) 光纤介质库 （Optical Fibers Library) 放大器件库 （Amplifiers Library) 滤波器元件库 （Filters Library) 无源元件库 （Passives Library) 网络元件库 （Network Library) 接收元件库 （Receivers Library) 信号逻辑元件库 （Signal Processing Library) 接插件元件库 （Tools Library) 信道处理库 （Cable Access Library) MATLAB 元件库 （MATLAB Library) 测量仪器库 （Visualizer Library) 信道调制解调元件库 （Cable Access Library) EDA 仿真库 （EDA Cosimulation Library)） 8 光光电电探探测测器器（PIN、APD） 连连续续光光、脉脉冲冲光光、多多波波长长光光源源 双双击击各各元元件件可可进进行行参参数数设设置置 普通光纤 非线性色散光纤 耦耦合合器器X型型耦耦合合器器泵泵浦浦耦耦合合器器 分分路路器器1分分2 1分分4 1分分8 1分分任任意意 合合路路器器2合合1 4合合1 8合合1 任任意意合合1 偏偏振振器器线线偏偏园园偏偏偏偏振振控控制制分分偏偏合合偏偏 偏偏振振衰衰减减器器（Polarization Attenuator) 偏偏振振旋旋转转器器（Ratator) PMD仿仿真真 隔隔离离器器普普通通隔隔离离器器理理想想隔隔离离器器 环环形形器器普普通通环环形形器器理理想想环环形形器器 解解复复用用 复复用用 电电信信号号发发生生器器波波形形种种类类 9 光光信信号号源源 光光调调制制器器（外外部部） 其其它它附附件件 光谱仪、光时域分析仪、光功率计 波分复用分析仪、双通道WDM分析仪 示波器、频谱仪、眼图分析仪、 误码仪、功率计、图示仪、 五、实验仿真报告及要求五、实验仿真报告及要求 1、光源光谱测试系统 改变光源谱宽（1KHz200MHz） ，观察光谱、光功率、光信噪比，作出光信噪比随光源谱宽变化曲 线。 2、建立一模拟光纤传输系统 系统包括光源（功率为-20dBm） 、模拟调制器、光纤介质、光电探测器（PIN） 、滤波器，信号源 （频率为 200MHz、幅度为 100mV） ，要求光接收灵敏度为-53dBm 左右时（接收系统输出信噪比约等于 1 时） ，模拟系统传输的最大距离。 10 实验三：实验三： 数字光纤传输测试系统设计数字光纤传输测试系统设计 一、一、实验目的实验目的 1、理解利用光承载电信号的原理，设计数字光纤通信传输测试系统。 2、掌握光纤通信系统接收的灵敏度测量及通信距离概算。 二、二、实验任务和原理实验任务和原理 实验任务：实验任务：按给定设备和器件，设计构建一数字光纤传输光接收灵敏度测试系统，并模拟信道 衰减计算系统传输距离。 实验原理：实验原理：光纤通信系统主要由光发信机、光纤传输介质（光信道）和光收信机组成，光发信 机是完成电信号与光信号的转换，即调制，光波是承载电信号的载波，目前光纤通信中常用的电光 转换器件有 LD 和 LED，调制方式主要是直接光强度调制。 光纤是作为光信号的传输通道，完成收发两端设备的连接。 光电探测器是将接收到的光功率转换成信号电流送到后级进行处理，光纤通信中最常用的光电 探测器主要有 PIN 光电二极管和 APD 雪崩二极管两种。 光信号经过长距离传输会产生衰减，它将影响信号的接收质量，这就需提高接收机的灵敏度。 接收机的灵敏度是在保证接收机的对信号的正常接收情况下，接收机所需的最小光功率，常采用分 贝毫瓦（dBm）表示。 光纤传输系统中继距离的长短，除了发射机的发射光功率和接收机的灵敏度外，还与光纤传输 介质的损耗有关，光纤传输系统传输信道衰减组成及表达式如下： TX RXMcMe 活动接头固定接头 光纤传输系统信道组成 C f S f eCRT M L A A MnAPP L max 式中： 为发射平均功率，单位 dBm; 接收光功率，单位 dBm; T P R P 一个活动接头损耗，单位 dB; 设备富余度，单位 dB C A e M 光纤每公里损耗，单位 dB/Km; 每个固定接头衰减，单位 dB/个； f A f f L A 光纤线路富余度，dB/Km. C M 三、三、系统设计及技术要求系统设计及技术要求 1 1、光接收机灵敏度测试光接收机灵敏度测试 用调制光源连续光（CW）状态测试活动接头的衰减量； 11 调制光源工作频率在 1KHz、功率为 0.5mW 的内部脉冲调制状态； 搭建测试系统，测量给定光接收机的灵敏度。 要求：要求：画出测试系统框图及测试波形，按“正切灵敏度”测试法和“替代法”测出接收的最小光功 率，并计算出光接收机的灵敏度（dBm） 。