光通信实验讲义.doc

福建师范大学物理与光电信息科技学院实 验 讲 义光纤技术实验室Optics Technology Lab实验室 编号： GXX3505GXX3507 责 任 教 师： 李高明、 徐兰青 2006年10月福建师大物光学院信息技术基础课实验教学中心光信息实验平台讲义目 录教学大纲I实验一 波分复用系统性能测试综合实验1实验二 系统传输性能测试综合实验12实验三 普通耦合器的熔融拉锥制作18实验四 光通信无源器件测试实验26实验五 PSD传感器实验34实验六 光栅位移传感器实验38实验七 光纤位移传感器实验41实验八 光纤光栅温度传感实验43教学大纲课程名称：光纤通信课程总学时：45课程总学分：2.5实验学时：15适用专业及年级：光电信息科技、电子信息工程专业大学三年级学生开设实验项目数： 8本大纲执笔人：李高明、徐兰青 审稿人：（宋体五号） 审定人：（宋体五号）一、实验目的与基本要求光纤通信课程是是为光信息、电子信息工程专业学生开设的专业基础必修课，也是物理教育专业的选修课程。在本课程学习阶段，除必要的光纤通信理论知识学习之外，实践性环节的教学是非常重要的，是培养学生良好的操作习惯和操作技能的必要环节。光纤通信课程配套实验主要的实验目的是让学生进一步理解光纤通信所涉及的基本原理和关键器件的主要工作特性，掌握一定的操作技能。配套实验要求学生完成5个必做实验和13个选做实验，掌握有关光纤器件的基本操作技能，熟悉主要光纤通信器件工作特性。二、实验项目内容与学时分配序号实验项目名称实 验 内 容学时实验要求实验类型每组人数1波分复用系统性能测试综合实验1、测试1310nm数字光发端机的输出光功率、消光比；2、（选做）测量1310nm光收端机的灵敏度；3、复习波分复用和解复用技术的原理，掌握多路数据信号和图像信号混合单根光纤通信传输技术。2必做综合22系统传输性能测试综合实验1、测量数字光纤通信系统的误码率； 2、测量数字光纤通信系统传输各种数字信号的眼图；3、观察系统眼图，并通过眼图来分析系统的性能。2必做综合23普通耦合器的熔融拉锥制作1、制作50(50%的耦合器也叫3dB耦合器)的耦合器一个；2、灌胶封装已制作的耦合器半成品。2必做设计24光通信无源器件测试实验1测量耦合器的插损、额外损耗和分光比。2测量隔离器的插损、隔离度。3测量波分复用器(WDM)的隔离度。2必做综合25PSD传感器实验1 测量PSD传感器位移值与输出电压值并分析其关系。2 学会利用PSD传感器测量微小位移。2选做验证26光栅位移传感器实验1 测量丝杆位移值与光栅传感器位移值数据。2 分析莫尔条纹技术在测量微小位移当中的应用。2选做验证27光纤位移传感器实验1 测量光纤位移传感器输出电压与位移数据，计算灵敏度并分析误差。2 作光纤位移传感器的位移特性曲线，学会利用光纤位移传感器测量微小位移。2选做验证28光纤光栅温度传感实验1 测量传感器温度峰值波长曲线，绘制测量温度值t与传感器处的实际温度值T的关系曲线。2 掌握光纤光栅传感器传感信号解调方法。2必做验证2三、实验成绩考核办法 采用平时实验成绩(占40%)+期末口试（占20%）+期末操作技能考试或期末单考操作技能（占40%）的办法评定学生实验成绩。四、实验教材和参考书1. 徐兰青，李高明编.光纤通信技术实验讲义. 20062. 刘增基.光纤通信.西安电子科技大学出版社, 20013. Michael bass 主编 胡先志等译. 光纤通信通信用光纤、器件与系统. 人民邮电出版社，2004. 五、主要使用的仪器设备熔融拉锥机；DBF光源；功率计；光电传感实验仪；光纤光栅传感实验仪；光纤通信原理实验箱；无源器件。II实验一 波分复用系统性能测试综合实验【实验目的】1、了解数字光发射机输出光功率和消光比的指标要求，掌握数字光发端机输出光功率和消光比的测试方法。2、（选做）熟悉光收端机灵敏度的概念,掌握光收端机灵敏度的测试方法,熟悉光收端机动态范围的概念。3、利用波分复用器实现数据、语音和图像信号的单光纤传输，实现单台实验箱之间的多种信号传输和接收。【实验内容】1、测试1310nm数字光发端机的输出光功率、消光比；2、（选做）测量1310nm光收端机的灵敏度；3、复习波分复用和解复用技术的原理，掌握多路数据信号和图像信号混合单根光纤通信传输技术。【实验仪器】1、ZY12OFCom23BH1型光纤通信原理实验箱1台2、FC接口光功率计1台3、FC-FC单模光跳线 1根4、万用表1台5、FC法兰 1个6、误码分析仪1台7、20MHz双踪模拟示波器1台8、小摄像头（电视信号发生器）1个9、小电视机（视频监视器）1台10、视频信号线 2根11、波分复用器 2个12、连接导线 20根【实验原理】一、 数字光发射机性能测试原理光发送机是数字光纤通信系统中的三大组成部分（光发送机、光纤光缆、光接收机）之一。其功能是将电脉冲信号变换成光脉冲信号，并以数字光纤通信系统传输性能所要求的光脉冲信号波形从光源器件组件的尾纤发射出去。根据光纤在0.85um、1.31um或1.55um附近呈现低损耗的特性，结合半导体发光材料，其辐射波长能够覆盖上述范围的是GaAs化合物。光源驱动电路是光发送机的主干电路，它将电脉冲信号通过电流强度的调制方式调制半导体激光器或者发光二极管发射出光脉冲信号。一个性能十分完善的光发送机，一方面是需要能够适应数字光纤通信特点的性能先进的光源器件，另一方面就是根据光源器件的应用特性采用先进的电子线路技术进行恰到好处的控制与防范。这就是光发送机除了一定要有整形或码型变换电路、光源驱动电路和发射光源以外，还可能要有自动功率控制、自动温度控制和各种保护电路的原因。光发送机的指标有如下几点：1、输出光功率：输出光功率必须保持恒定，要求在环境温度变化或LD器件老化的过程中，其输出光功率保持不变，或者其变化幅度在数字光纤通信工程设计指标要求的范围内，以保证其数字光纤通信系统能长期正常稳定运行。输出光功率是指给光发端机的数字驱动电路送入一伪随机二进制序列作为测试信号，用光功率计直接测试光发端机的光功率，此数值即为数字发送单元的输出光功率。输出光功率测试连接如图1-a1所示。 图1-a1 输出光功率测试连接示意图根据CCITT标准，信号源输出信号为表4-1所规定的要求。数字率（kbit/s）伪随机测试信号20482151844821513436822311392642231 表1-a1 信号源输出信号要求2、消光比：消光比定义式如下式1-a1，P0是给光发端机的数字驱动电路发送全“0”码，测得的光功率，P1是给光发端机的数字驱动电路发送全“1”码，测得的光功率，将P0，P1代入公式： （1-a1） 即得到光发端机的消光比。消光比的值与光源工作电流有一定的关系，一般当发送“0”时，工作电流应在阀值附近，实验时可调节相应的驱动电流值。光通信系统一般要求消光比越大越好，但是不可过大或过小，消光比太大，即预偏置电流太小或没有，影响通信系统传输速率；消光比太小，则调制深度浅，有用光功率比例减小，影响系统灵敏度。3、光脉冲的响应时间及开通延迟时间必须远小于每个码元的时隙，以便使光脉冲成为传输数字信号的准确重现。4、输出光脉冲的张弛振荡和自脉动当调制速率较高时，输出光脉冲可能会出现张弛振荡。这时必须在电路上加以阻尼，以便使光发送机能正常工作。输出光脉冲上出现自脉动与LD的输出特性曲线上出现扭折有关。5、LD的辐射波长必须保持恒定当调制速率高达数Gbit/s时，LD的辐射波长在调制脉冲的上升沿时向短波长漂移，而在脉冲下降沿时则向长波长漂移，这种现象称为Chirp效应。它严重恶化数字光纤通信系统的传输质量，限制通信的中继距离。在高速以至超高速的光发送机中应该对此采取相应有效的解决措施，以便实现大容量长距离的数字光纤通信。前面指出输出光功率需恒定，或者变动微小，这是通过自动功率控制或者自动温度控制技术达到这种目的的。本套实验系统未涉及到这种技术。光纤传输系统、发光器件、驱动电流，都会影响发光系统的输出光功率和消光比，本实验采用4M速率的伪随机测试信号作为信号源，伪随机码测试信号为241位，通过观察三种不同光纤通信系统（850nm、1310nm和1550nm）传输NRZ码的输出光功率和消光比，比较其输出光功率和消光比异同点及其影响因素，同时观察驱动电流对输出光功率和消光比的影响。实验原理图如下： 图1-a2 数字光驱动电路图中是由MC10116和Q8、Q21组成数字驱动电路。MC10116为数字接口电路送出ECL电平的双路信号Q和Q/，Q8、Q21组成差分高速驱动电路。W44为精密可调电位器，通过调节可改变LD131激光器的驱动电流。二、数字光接收机性能测试原理数字光接收机在数字光纤通信系统中的作用就是将经过光纤传输后被衰减变形的微弱光脉冲信号通过光-电变换成为电脉冲信号，并将其放大，均衡与定时再生还原成标准的数字脉冲信号。其中的所谓定时再生就是对数字光接收放大均衡输出的信号流中的每一个信号进行判决而成为数字信号码流，并要求不发生误判或者尽量少发生误判，而这个误判就是我们平常所说的误码率。数字光接收机在对光脉冲信号的变换，放大和均衡的过程中产生了各种噪声，这些噪声会影响数字光接收机对信号的判决。为了减小在判决中的误码率，可以从两个不同的角度采取措施，即加大接收机的输入光功率，或者减小数字光接收机的输出噪声。很明显，加大输入光功率的方法是不明智的，因为这是以减小数字光纤通信的中继距离为代价的。因此，必须想办法采取一切可行的有效措施尽量减小数字光接收机的噪声，这一点也就是研究数字光接收机的实际含义。数字光接收机进行有效判决所需的最小输入光功率和误码率两者是互相矛盾的。因此，必须对其中一个进行人为的规定，例如：规定误码率为10-9，或者 10-11。根据这一要求，就可以找到数字光接收机所接收到的最小光功率作为其性能指标，即接收机的灵敏度。可见数字光接收机在保证特定误码率的条件下，其输出噪声越小，接收所需要的光功率也就越小，其灵敏度也就越高。数字光接收机的光接收灵敏度用下式表示： （1-b1） 是在随机码情况下的接收平均光功率。CCITT（国际电报、电话咨询委员会）标准规定，用误码分析仪向光发端机的数字驱动电路发送215-1的伪随机序列作为测试信号，调整光衰减器使其衰减值增大，从而使输入光收端机的平均光功率逐步减小，使系统处于误码状态，并且使得系统测试得到的误码率为110-11，测得此时的光功率即为光收端机的最小光功率，这也就是光收端机的灵敏度。光收端机动态范围的定义是在保证一定的误码率下所允许的最大和最小输入光功率之比的分贝数，即由下式计算得到 （1-b2） 它表示了光收端机对输入信号变化时的适应能力。在测试光收端机的灵敏度时，减小光衰减器的衰耗，即加大光收端机的输入光功率，使其误码率达到110-11时，得到允许最大的接收光功率Pmax。 图1-b1 数字接收单元指标测试框图图1-b2 输出码型为HDB3码误码测试方法实验框图测试框图如图1-b1所示，测试方法与测量灵敏度的方法基本相同，只是最后增加测量最大输入光功率一项，其方法是逐渐减小光衰减器的衰减量，直至误码仪指示误码降为110-11，此时的接收光功率即为最大输入光功率。由于数字光纤通信系统中不能传输HDB3码，而目前大部分误码分析仪输出码型均为HDB3码。作为演示实验，若使用的误码分析仪为NRZ码输出，则可以按照图1-b1所示示意图进行实验，在这里我们取当系统出现110-6误码率时认为光纤通信系统出现误码，即当减小光功率，使得系统误码率为110-6时测得的光接收端的光功率即为光收端机的灵敏度。若使用误码分析仪只有HDB3码型输出（如YGBERT2M型误码分析仪），则可以通过实验箱中的HDB3编译码实现误码测试。测试框图如图1-b2所示，这里需要将误码分析仪输出的HDB3码经过译码变为普通的NRZ码或是CMI，5B6B之后，经过光纤传输，从而达到测试系统误码率的目的。光收部分原理图如下：图1-b3 光收模块原理图在接收时，直接用光探测器将光信号转换为微弱电信号，然后通过低噪声运放MAX435放大。三、 波分复用基本原理随着社会的不断发展，人们对于信息的需求量越来越大，而通信网络的发展不断的趋于数字化、综合化和宽带化。与光纤通信最为密切相关的是宽带化，这是人类社会发展到信息时代的需求，也是科技进步的必然产物。数字化就是在通信网的各个部分及各个环节（传输、交换、终端等）全面采用数字技术。而综合业务数字网的主要目的是要实现接入部分的数字化，提供端到端的数字连接，从而支持综合业务。所谓综合化，就是指业务的总和，即通信网由原来的单一网（如电话网、分组数据网）发展为能同时提供多种业务（包括话音、数据和图像等），特别是多媒体的网络。通信网络从电话业务为主演进到以多媒体业务为主，每个用户占用的带宽由64KB/S要提高到6MB/S左右，如再加上图像信号的的传输业务，则总的业务量将会不断的增加。所以网络宽带化是人们首先的迫切需求。另一方面，由于光纤通信技术的成就，特别是密集波分复用技术的发展，使得光网络的传输带宽不断地加大。因此，宽带化意味着光纤将成为主要的传输媒质。本试验的原理正是基于此，通过一根光纤来同时传输语音、数据、图形信号（其中本实验的语音信号采用模拟正弦波来模拟），具体的实现时主要采用时分复用和波分复用的技术来实现。首先将模拟信号源的模拟信号进行PCM编码，使之成为64KB/S的数字信号，接着利用时分复用的原理将数据信号和经过PCM编码后的数字信号通过时分复用原理，使之成为2.048MB/S的E1标准帧信号。然后再利用波分复用的技术将E1标准帧信号和图像信号复用后，经过同一根光纤传输，而在接收端通过解复用的技术将此三路信号（语音信号、数据信号和图像信号）分接出来，从而实现语音+数据+图像光纤系统传输的原理及实验。具体的实验原理框图如下图所示：图1-c1 语音+数据+图像信号光纤传输示意图【实验步骤】一、 1310nm数字光发端机平均光功率及消光比测试1、用导线连接电终端模块T68(M)和T94(13_DIN) 2、将拨码开关K35的值拨为“0000”。3、用FC-FC光纤跳线将1310T输出端与FC接口光功率计连接，形成输出光功率测试系统。4、打开交流电源，此时指示灯D4、D5、D6、D7、D8亮。5、将光功率计调至1310波长档，用光功率计测量此时光发端机的光功率，即为光发端机的输出光功率（注意驱动电流不能太大）。6、拆除导线T68(M)和T94(13_DIN)，其余连线不变，连接导线数字信号源T79(D1_O)与T94(13_DIN)，将数字信号源模块的拨码开关K36拨为全“1”，测得此时光功率为P1，将拨码开关K36的各个1依次拨为“0”，记录不同输入信号对应的光功率。全0时的光功率记为P0。7、将P1，P0代入公式1-a1式即得1310nm数字光纤传输系统消光比。8、依次关闭各电源，拆除导线，拆除光纤跳线，将所有的开关拨向下，将实验箱还原。二、（选做）1310nm光收端机灵敏度测试1、用连接线将电终端模块T12和T94(13_DIN)；2、将开关BM1拨为1310nm,将开关K43拨为“数字”，将开关BM2拨为1310nm,将开关K30拨为“通信”，将电位器W44逆时针旋转到最小。将电终端模块开关K41和K42分别拨向下，将光终端开关K7和K29拨向上，K28拨向下。将光终端拨码开关K38的值拨为“1000”，K37的值拨为“00000000”。3、在1310nm光发端机（1310nmT）与1310nm光收端机（1310nmR）中间利用FC-FC光跳线将其连接起来，组成1310nm光纤传输系统。4、将误码分析仪输出红色鳄鱼夹和测试钩TP87(TEST1)，黑色鳄鱼夹和测试钩GND4连接；将误码分析仪输入红色鳄鱼夹和测试钩TP114(13OUT)，黑色鳄鱼夹和测试钩GND8连接。5、打开交流电源开关，电源指示二极管D4，D5，D6，D7，D8亮。6、打开误码分析仪的电源开关，将误码分析仪的速率设为2.048MB/s，图形设为215-1，码型设为NRZ码。7、用万用表测量T97和T98两端电压（红表笔插TV+，黑表笔插TV-）。8、慢慢调节电位器W44(数字驱动调节)，使万用表读数为25mV，按下误码分析仪的运行键，调节电位器W45（幅值调节）和W40（判决电平调节），使数字光纤通信系统无误码。9、在1310nm光发端机（1310nmT）与1310nm光收端机（1310nmR）中间加入小可变衰减器，并利用FC-FC光跳线将其连接起来，组成1310nm光纤传输系统。调节小可变衰减器，观察系统中误码率的变化，当误码分析仪出现误码并为指定要求值（例如10-6）时，取出光收端机输入端光纤，用光功率测得此时的光功率即为最小光功率Pmin。此Pmin 即为光收端机的灵敏度。10、关闭交流电源，拆除各个连线，将所有的开关拨向下，将实验箱还原。三、 语音+图像+数据光纤传输系统实验步骤1、用连接线连接电终端模块的T66(C_O)和光终端模块T81(C_I)，T65(D_O)和T82(D_I)；连接光终端模块的T85（C_O）和电终端模块T71（C_I），T86（D_O）和T69（D_I）；连接数字信号源模块的T8（D3_O）和电终端模块T63（D3_I）；连接电终端模块和数字终端模块的T73（D1_O）和T74（D3_I）；连接PCM编译码模块1的T9（D1_T）和电终端T67（D1_I），PCM编译码模块2的T11（D2_T）和电终端T64（D2_I）；连接模拟信号源模块1的T10（正弦波）和PCM编译码模块1的T1，模拟信号源模块2的T77（正弦波）和PCM编译码模块2的T4；2、将PCM编译码模块1和2的开关K1和K2分别拨向上；K3、K4和K5全部拨向下。将光终端模块的开关K7、 K28和K29分别拨向下；将电终端拨码开关K35的值拨为“1100”，将拨码开关K34的值拨为“00000000”；将光终端拨码开关K38的值拨为“0000”，将拨码开关K37的值拨为“00000000”；将开关BM1、BM2，K43和K30分别拨到1310nm、 1310nm、“模拟”和“通信”。3、波分复用器的连接：将波分复用器A标有“1310nm”光纤接头插入实验箱1310光发端机（1310nmT），标有“1550nm”光纤接头插入实验箱1550nm光收端机（1550nmT）；将波分复用器B标有“1310nm”光纤接头插入实验箱1310nm光收端机（1310nmR），标有“1550nm”光纤接头插入实验箱1550nm光发端机（1550nmR）。用适配器将两波分复用器连接起来。注意：波分复用器属易损器件，应轻拿轻放；光器件连接时，注意要用力均匀。4、将摄像头（或电视信号发生器）视频输出端（黄色接口）与T95(视频输入)连接，电视机的视频输入端与T104(视频输出)连接。5、打开交流电源开关，电源指示二极管D4，D5，D6，D7，D8亮。6、观测视频信号经光纤传输后的图像，若不清晰，此时调节电位器W9（模拟驱动调节），或者调节摄像头的焦距，直到图像清晰为止。7、测量电终端模块T65(D_O)和T69（D_I）的波形是否一致。其中T69是经光纤传输后的数据。8、测量测试钩PCM编译码1模块TP1和PCM编译码2模块TP80、PCM编译码1模块TP2和PCM编译码2模块TP81的波形，观察模拟信号传输后的波形是否相同。9、观测数字源模块拨码开关K32所拨值和终端第三路显示的值是否一致，验证实验的正确性。10、实验完成后，关闭交流电源，拆除各个连线，将所有的开关拨向下，将实验箱还原。【注意事项】1、 切勿让激光器直接出射光或镜式反射光直接对准人眼入射！2、 所有激光器用完要及时用封帽封住出光口，跳线、WDM等用完要及时用封帽封住FC接口。3、 实验箱在连接、更换导线前必须先断开电源。【思考题】1、输出光功率大小对光纤通信系统有何影响？2、消光比大小对光纤通信系统传输特性有何影响？3、若需要测试光收端机动态范围，则实验方案如何？利用现有仪器能否完成？4、在本实验箱中能否实现电话+数据+图像信号的单光纤传输系统？26实验二 系统传输性能测试综合实验【实验目的】 1、了解数字光纤通信系统的组成,掌握数字通信系统的主要性能参数以及测试方法。 2、了解眼图的形成过程,掌握光纤通信系统中眼图的测试方法。【实验内容】 1、测量数字光纤通信系统的误码率； 2、测量数字光纤通信系统传输各种数字信号的眼图； 3、观察系统眼图，并通过眼图来分析系统的性能。【实验仪器】1、ZY12OFCom23BH1型光纤通信原理实验箱 1台2、20MHz双踪模拟示波器 1台3、万用表 1台4、FC-FC单模光跳线 2根5、误码分析仪1台6、小可变衰减器 1个7、连接导线 20根【实验原理】一、 误码分析与测试原理误码监测方法主要有两种方法，即中断业务（Out of Service）监测和不中断业务（In Service）监测，这两种方法在光纤数字传输系统中都必须采用。前一种方法与所选用的线路码型无关，后一种方法依赖于所选用的线路码型，各种不同线路码型所采用的不中断业务的误码监测方法有很大差别。在光纤传输系统的建设、维护和管理中，中断业务的误码监测是不可或缺的。例如在测试开通、系统故障检查、系统修复后的测试等，均采用中断业务的误码监测方法。它将正常传输的业务中断，用误码仪的码型发生器产生的码流送入发送端，在接收端即可用误码仪的误码检测器检测误码。本实验所用的ZY701误码仪的码型发生器和误码检测器是封装为一体的。利用实验箱中的各模块，采用中断业务误码监测的方法来对光纤实验箱中的光纤通信系统误码率进行测试，其测试示意图如图2a1所示。图2a1 系统误码率测试原理框图由于通用误码分析仪输出码型为HDB3码，而数字光纤通信系统不能够传输HDB3码，因此实验中在测试系统误码时需要将误码分析仪输出的2M速率HDB3码进行解码为NRZ码后进行传输，输出后进行HDB3编码输出到误码分析仪输入端，从而检测数字光纤通信系统误码率。其实验测试实现框图如图2a2所示。数字光纤通信系统的误码率，对设定系统传输的中继距离，系统性能评判等都有非常重要的作用。在实验条件下，系统误码率可以调节为0，实验中可以通过调节小可变衰减器光的衰减量、光发端机工作电流和光收端机放大倍数等参数来观察系统误码率的变化情况。图2a2 输出码型为HDB3码误码率测试方法实验框图二、眼图形成原理与测试方法眼图是衡量数字光纤通信系统数据传输特性的简单而又有效的方法。眼图可以在时域中测量，并且可以用示波器直观的显示出来。图2b1是测量眼图的系统框图。测量时，将“伪随机码发生器”输出的伪随机码加在被测数字光纤通信系统的输入端，该被测系统的输出端接至示波器的垂直输入，用位定时信号（由伪随机码发生器提供）作外同步，在示波器水平输入用数据频率进行触发扫描。这样，在示波器的屏幕上就可以显示出被测系统的眼图。图2b1 眼图测试系统框图伪随机脉冲序列是由n比特长，2n种不同组合所构成的序列。例如，由n=2比特长的4种不同的组合、n=3比特长的8种不同的组合、n=4比特长16种不同的组合组成，直到伪随机码发生器所规定的极限值为止，在产生这个极限值以后，数据序列就开始重复，但它用作为测试的数据信号，则具有随机性。如图2b2所示的眼图，是由3比特长8种组合码叠加而成，示波器上显示的眼图就是这种叠加的结果。分析眼图图形，可以知道被测系统的性能，下面用图2b3所示的形状规则的眼图进行分析：1、当眼开度为最大时刻，则是对接收到的信号进行判决的最佳时刻，无码间干扰、信号无畸变时的眼开度为100。2、由于码间干扰，信号畸变使眼开度减小，眼皮厚度增加，无畸变眼图的眼皮厚度应该等于零。3、系统无畸变眼图交叉点发散角应该等于零。4、系统信道的任何非线性都将使眼图出现不对称，无畸变眼图的正、负极性不对称度应该等于零。5、系统的定时抖动（也称为边缘抖动或相位失真）是由光收端机的噪声和光纤中的脉冲失真产生的，如果在“可对信号进行判决的时间间隔Tb”的正中对信号进行判决，那么在阈值电平处的失真量T就表示抖动的大小。因此，系统的定时抖动用下式计算：定时抖动。图2b3 规则的眼图V-V+VTbT最佳判决0 1 10 1 00 0 11 0 11 1 01 1 10 0 01 0 0阈值“1”图2b2 眼图的形成“0”【实验步骤】 一、误码分析与测试1、连接光终端模块T92(15_DIN)和电终端T12，T89(15_OUT)和T13连接。2、将光终端模块开关K7、K29和K28全部拨向下。3、将光终端拨码开关K38的值拨为“1000”，K37的值拨为“00000000”4、利用FC-FC光跳线将1550nm光发端机（1550nmT）与1550nm光收端机（1550nmR）连接起来，组成1550nm光纤传输系统。5、将误码分析仪输出红色鳄鱼夹和测试钩TP87(TEST1)，黑色鳄鱼夹和测试钩GND4连接；输入红色鳄鱼夹和测试钩TP93(TEST2)，黑色鳄鱼夹和测试钩GND5连接。6、打开交流电源开关，电源指示二极管D4，D5，D6，D7，D8亮。7、打开误码分析仪的电源开关，将误码分析仪的速率设为2.048MB/s，图形设为215-1，码型设为NRZ码。8、按下误码分析仪的运行键，使得系统的误码率为零。9、在1550nm光发端机（1550nmT）与1550nm光收端机（1550nmR）中间加入小可变衰减器，并利用FC-FC光跳线将其连接起来，组成1550nm光纤传输系统。10、调节小可变衰减器，观察系统中误码率的变化。11、实验完成后，关闭交流电源，拆除各个连线，将实验箱还原。二、 眼图测试a、1310nm光发送光接收机眼图实验1、用连接线将电终端模块T68（M）和T94(13_DIN)，电终端模块T66(C_O)和T12。 2、将电终端拨码开关K35的值拨为“0000”，将开关BM1拨为1310nm,将开关K43拨为“数字”，将开关BM2拨为1310nm,将开关K30拨为“通信”，将电位器W44逆时针旋转到最小。3、用FC-FC光跳线将1310nm光发端机（1310nmT）与1310nm光收端机（1310nmR）连接起来，组成1310nm光纤传输系统。4、打开交流电源开关，电源指示二极管D4，D5，D6，D7，D8亮。5、用万用表测量T97和T98两端电流（红表笔插TV+，黑表笔插TV-），慢慢调节电位器W44(数字驱动调节)和W46（阈值电流调节），使万用表读数为17mV。 6、将示波器的两个探头，一通道测量TP116（眼图），二通道测电终端TP87（TEST1）处的波形，调节电位器W5（眼图观测调节），观测此时一通道眼图的变化，记录下波形。7、将示波器的第二通道设置为外触发方式，示波器的两个探头，一通道测量TP114，二通道测电终端TP87（TEST1）处的波形，观测此时眼图的形状，用示波器一通道测量T101(13_DOUT)处的波形，二通道测TP87处的波形，调节电位器W40（判决电平调节），此时的眼图为经过判决后接收到信号的眼图。观测两次眼图的区别并记录波形。b、（选做）1550nm光发送光接收机眼图实验1、拆除T68（M）和T94(13_DIN)，同时连接电终端模块T68（M）和T94(13_DIN)，T66(C_O)和T12。2、将拨码开关K35的值拨为“1000”。3、将开关K7、K29、K28拨向上。4、旋开光发端机光纤输出端口（1550nm T）防尘帽，用FC-FC光纤跳线将半导体激光器与光机收机（1550nm R）连接起来。5、用示波器二通道设置为外触发方式，将示波器的两个探头，一通道测量T89(15_DOUT)，二通道测TP87（TEST1）处的波形，观测此时眼图的形状，将示波器的持续时间设置为2秒，观测此时的波形抖动。6、实验完成后，关闭交流电源，拆除各个连线，将所有的开关拨向下，将实验箱还原。【注意事项】1. 切勿让激光器直接出射光或镜式反射光直接对准人眼入射！2. 所有激光器用完要及时用封帽封住出光口，跳线、WDM等用完要及时用封帽封住FC接口。3. 实验箱在连接、更换导线前必须先断开电源。【思考题】1、衡量数字光纤通信系统性能的指标有哪些？这些指标如何影响传输系统性能？2、若光收端机接收到标准的方波信号，则此时眼图的眼开度，眼皮厚度，正负极性不对称度各为多少？3、如何从光纤通信系统眼图来评估系统性能？实验三 普通耦合器的熔融拉锥制作【实验目的】1、掌握拉锥机的基本结构和功能，学习拉锥操作流程；2、观察不同拉伸长度下的耦合分光情况；3、学会用拉锥机制作普通型功率光纤分路器（即：光纤耦合器）。【实验内容】1、制作50(50%的耦合器也叫3dB耦合器)的耦合器一个；2、灌胶封装已制作的耦合器半成品。【实验仪器】熔融拉锥系统 1套石英半管 1根环氧树脂胶 少量裸纤 45米【实验原理】熔融拉锥（FBT）原理熔融拉锥型全光纤耦合器(Coupler)是光纤通信系统中重要的基本器件，可以用作各种比例的功率分路(Splitter)/合路(Combiner)器；波分复用器(WDM)；光纤激光器的全反镜；非线性光环镜(NOLM)；无源光纤环；Mach-Zehnder光纤滤波器等；在传感领域可利用其作成Mach-Zehnder,Michelson,Sagnac,Fabry-Perot光纤干涉型和光纤环形腔干涉型光纤传感器；此外还是光纤陀螺仪和光纤水听器及多种光学测量仪器的关键部件。目前比较先进的熔融拉锥设备不仅能制作各种分光比的标准耦合器，而且可以制作宽带单窗口/双窗口耦合器，偏振无关耦合器(Polarization Independent Couplers)，保偏耦合器(polarization-Maintaining Coupler)，多模耦合器，偏振分束器(PBS)，粗波分复用器(CWDM)，泵浦耦合器包括EDFA用980/1550,980/1590,980/1480；光纤拉曼放大器用的14XX泵浦合波器；还可以制作OADM型和中继型组合功能器件，级联单锥式增益平坦滤波器(GFF)，全光纤非平衡Mach-Zehnder干涉仪型Interleaver，全光纤平顶傅立叶滤波型Interleaver(Flat-top Fourier Filter(F3T)Interleaver)，此外亦可制作光固定衰减器。目前，熔融拉制法已经做到了极低的额外损耗（-0.05dB以下，大约相当于1左右的光损失），方向性好（一般做到55dB，相当于10-5.5的功率反射），良好的温度稳定性（一般在-4085摄氏度范围内，变化小于0.2dB），控制方法简单、灵活，制作成本低廉。目前，中国是世界上最大的耦合器生产集散地。图31可用来定性的表示熔融拉锥光纤耦合器的工作原理。入射光功率在双锥体结构的耦合区发生功率再分配，一部分光功率从“直通臂”继续传输，另一部分则由“耦合臂”传到另一光路。耦合区入端锥体出端锥体I2（背散射臂）I1（输入臂）I3（直通臂）I4（耦合臂）图31 单模光纤耦合器瞬衰场耦合示意图在弱导和弱耦近似下，忽略自耦合效应，并假设光纤是无吸收损耗的，则在耦合区有模式耦合方程组： （31）式中，是两根光纤的模场振幅；是两根光纤在孤立状态的纵向模传播常数；是耦合系数。实际中近似有，可以求得上述方程组的解为： （32）其中 （33）耦合系数 （34）其中是光纤半径，是两光纤中心的距离，是纤芯横向传播常数，是包层横向衰减常数，是孤立光纤的归一化频率，是零阶和一阶修正第二类Bessel函数。这里，已假定光功率由一根光纤注入，初始条件为显然，代表着光纤之间耦合的最大功率。考虑波长固定，且两根光纤参数相同对称，有，则F=1，上式就蜕变为标准熔融拉锥型单模光纤耦合器的功率变换关系式 （35）图32给出了一个拉制过程，其中，曲线 1表示的是“直通臂”（原来通光的那根光纤）的功率随着拉伸长度（耦合区长度）的变化，曲线 2表示的是“耦合臂”（原来没通光的那根光纤）的功率随着拉伸长度（耦合区长度）的变化，曲线3表示的是额外损耗（单位是dB，满量程是1dB）。321图32，熔融拉锥机的拉制过程熔融拉锥机（Coupler Machine）的原理熔融拉锥机是将两根（或者两根以上）出去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，再高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终再加热区形成双锥体形式的特殊波导结构，实现传输光功率耦合的一种方法。如图33所示，加热源常采用氢氧焰、丙烷（丁烷）氧焰等，也有采用电加热的，利用计算机较精确的控制各种过程参量，并随时监控光纤输出端口的光功率变化，从而实现制作各种器件的目的。本实验所采用的熔融拉锥法是80年代才出现，依靠液体表面张力和打结的靠拢力（平行结除外）将两根纤芯靠得很近从而实现两根光纤的熔融。至今熔融拉锥法已经有了一套比较成熟的工艺和很实用的理论模型。光源夹具光纤火焰控制电路计算机图33 熔融拉锥系统示意图光探测器【实验步骤】1. 熟悉拉锥机的操作（注意氢气的安全问题）；2. 按照拉锥的制作流程，观察不同拉伸长度下的两个端口的光功率分配情况（图4）；3. 独立思考，利用图4的关系，分别制作5；30，50(50%的耦合器也叫3dB耦合器)的耦合器各一个（建议参考拉锥操作流程111步）。4. 最后灌胶封装已制作的耦合器半成品，以便后面的测试实验。（参考灌胶封装流程）拉锥流程：1. 启动拉锥程序Fiber.exe并进入参数控制界面，并打开拉锥机的电源开关，启动拉锥系统，选择相应项目并调好所需参数，例如：氢气流量(Set H2 Flow)；火头位置(Position)；预置分光比(Coupling Ratio)等等。注意：火头的位置和氢气流量是极其重要的，关系到器件的附加损耗(EL)和偏振相关损耗(PDL)的大小，须耐心反复调节准确。选择1550nm光源，调节光源驱动电流（约0.132mA）。2. 从光纤盘上放出一根约2米长的Corning SMF-28光纤，在其中间位置用剥线钳剥去长25mm的涂敷层，（如果剥的过长将会给封装带来不便）并用无纺布蘸无水乙醇擦拭两遍。打开真空泵，再将光纤放置在真空吸附式夹具上，并使剥除涂敷层部分正对氢火焰位置。3. 再剥去其尾端的涂敷层，并用无纺布蘸无水乙醇擦拭一遍，插入裸纤适配器1，用光纤划笔沿陶瓷插芯的顶端面将裸纤截断，将裸纤适配器1插入CH1。观察软件操作界面上P1的数值，在8.99.0V较合适。如果过大，适当减小光源驱动电流。如果过小，说明端面切口质量不好，应重新切割。点击“校正”键，依次将裸纤适配器1插入CH1、CH2对系数进行校正。4. 从光纤盘上放出另一根光纤（光纤的另一头用裸纤适配器连到LD监测光源），在距尾端约1m处开剥长25mm的涂敷层，并同样用无水乙醇和无纺布清洁干净, 将其放在真空吸附式夹具上，另两根光纤的剥除涂敷层部分对齐，而且位于氢火焰的正下方。5. 开剥光纤尾端，插入光纤适配器2，将适配器2插入CH1，已剥光的部分“打结(twist)”，打结时，两条光纤的平行部分要尽量的长，并且要确认将两条光纤牢牢吸附在真空夹具上，直到调整到听不到真空泵的吸气声为止，并令光纤结处于氢火焰的外焰。将两光纤拉紧绷直（也可点击几下操作界面上的“点动”键将将两光纤绷直）。6. 点击“Pull”键，拉锥开始。7. 经一定时间的延时后（具体时间请参照马达延时设置），火头运行到顶部。主马达开始拉锥动作。你可以看到CH1和CH2的参数、耦合比和附加损耗，插入损耗等实时地显示在计算机显示器的面板上。主马达的运行距离和当前动作时间也显示在上面。同时以蓝、红、粉、绿色曲线分别实时表示器件的分光比、附加损耗、CH1的光功率、CH2的光功率。8. 等到耦合比达到期望值时，火头自动后退至原始位置。9. 取一支石英半管截下合适长度放在封装架上。点击“封装”键，封装组件将自动移至耦合器的正下方。10. 在石英半管的两端点少量混合的环氧树脂胶（注意尽量保持半管不动），同时按下拉锥机前面板上的“加热”键开始加热，等到它固化好（颜色变为红褐色）后，关闭“加热”键停止加热，取出耦合器。11. 点击“封装复位”键撤回封装组件单元。穿入热缩套管并加热。12. 加不锈钢管作后封装，并用硅胶填装，再放置在70C烘箱中烘烤2小时。灌胶封装流程：1. 需要套松套管的先套上松套管。用快干胶把松套管粘在光纤上，松套管尽量往耦合器端推进。2. 排线，不锈钢管的启始端对应耦合器的输入端，而末端对应耦合器的输出端，半圆管在不锈钢管的正中心，把耦合器依次排放于夹具之上，用单面胶固定住。3. 把夹具竖直放置，往各个不锈钢管内逐滴依次灌胶，在灌胶过程中，要随进注意有无气泡产生，如有则立即用点胶棒划破。4. 胶灌满后，会从不锈钢管的下端流出，可用点胶棒将流出的胶取下，再滴到不锈钢管口上。5. 灌胶完成后，要用纸巾沾到不锈钢管及光纤上的胶全部擦拭干净。6. 将灌好胶的耦合器放入70摄氏度，同时鼓风的烘箱中烘烤3-5分钟，拿出后，快速检查不锈钢管两端是否有气泡生成，如有则用点胶棒划破，然后将其放入烘箱中继续烘烤。7. 在烘箱内大约烘烤20-30分钟后再拿出修补外形。修补形时往不锈钢管两端添加少许的硅胶，硅胶要在其端面上呈圆锥形，锥形高度在1mm左右。【注意事项】实验前熟悉设备的时候，注意下列问题：1. 夹具应该有什么考虑，为什么使用真空吸附？2. 探测器应该如何考虑，为什么使用大面积探头，波长范围应该如何考虑？3. 火焰如何考虑？4. 氢气的安全方面应该采取那些措施？简单解释如下：1. 对于光纤产品，和任何产品一样。都要求其寿命、稳定性等参数足够好。这里使用的夹具，就是为了保证光纤不受到可能的损伤而设计的。因为如果用其他办法压光纤，由于可能出现比较小的部分收到压力而造成硬性损伤，造成产品在使用中出现问题的几率增大。用真空吸附的办法在光学器件的很多生产、监测环节中的无损固定中使用。2. 对于探测器，coupler machine的设计和光纤功率计探头的设计基本类似，主要需要考虑的参数是：光纤中的光尽可能的被探测器的光敏面接收（也就是光敏面的面积最好要大于可能的被探测光的覆盖面积），但值得注意的是，一般PIN的光敏面越大，容性负载也越大（探测器的响应带宽会降低），同时探测器的噪声一般偏大。另外就是需要考虑探测器的波长响应度、暗电流等因素。在这里我们一般考虑单模光纤的数值孔径为0.13，距离光纤端面距离光敏面的距