实验三十七 光纤传输技术实验

1、实验三十七 光纤传输技术实验光纤通信技术是现代通信技术的主要支柱之一，具有通信容量大、传输质量高、频带宽、保密性能好、抗电磁干扰性强、重量轻、体积小的优点。1966年，华裔学者高锟博士依据介质波导理论，首次提出光导纤维可以作为光通信的理论。1976年，美国亚特兰大的贝尔实验室研制成功世界上第一条光纤通信系统。此后，长达8300km横跨太平洋以及6300km横跨大西洋的海底光缆线路，先后建成并投入使用。实验目的1. 了解音频信号光纤传输系统的结构及选配各主要部件的原则。2. 熟悉半导体电光/光电器件的基本性能及主要特性的测试方法。3. 学习分析音频信号集成运放电路的基本方法。4. 训练音频信号光

2、纤传输系统的调试技能。实验仪器YOF-A型音频信号光纤传输技术实验仪，DOP-A型光功率仪，音频信号发生器，双踪示波器，数字万用表。实验原理一、系统的组成图5-37-1所示为音频信号直接光强调制光纤传输系统的结构原理图，它主要包括半导体发光二级管LED及其调制、驱动电路组成的光信号发送器，传输光纤和由光电二级管、I/V转换电路和功放电路组成的光信号接受器三个部分。组成该系统时，光源LED的发光中心波长必须在传输光纤呈现低损耗的0.85m、1.3m或1.6m附近，光电检测器件的峰值响应波长也应与此接近。本实验采用发光中心波长为0.85m的GaAs半导体发光二级管作光源，峰值响应波长为0.80.9

3、m的硅光电二级管（SPD）作光电检测元件图 5-37-1音频信号直接光强调制光纤传输系统结构原理图为了避免或减少谐波失真，要求整个传输系统的频带宽度要能覆盖被传信号的频谱范围；对于语音信号，其频谱在3003400Hz的范围内。由于光导纤维对光信号具有很宽的频带，故在音频范围内，整个系统的频带宽度主要决定于发送端调制放大电路和接收端功放电路的幅频特性。二、半导体发光二级管结构及工作原理光纤通讯系统对光源器件在发光波长、电光效率、工作寿命、光谱宽度和调制性能等均有特殊要求。所以不是随便哪种光源器件都能胜任光纤通讯任务，目前在以上各个方面都能较好满足要求的光源器件主要有半导体发光二级管（LED）和半

4、导体激光器（LD）。光纤传输系统中常用的半导体发光二级管是一个如图5-37-2所示的N-p-P三层结构的半导体器件，中间层通常是由直接带隙的GaAs（砷化镓）p型半导体材料组成，称有源层，其带隙宽度较窄，两侧分别由GaAlAs的N型和P型半导体材料组成，与有源层相比，它们都具有较宽的带隙。具有不同带隙宽度的两种半导体单晶之间的结构称为异质结，在图5-37-2中，有源层与左侧的N层之间形成的是p-N异质结，而与右侧P层之间形成的是p-P异质结，故这种结构又称N-p-P双异质结构，简称DH结构。当给这种结构加上正向偏压时，就能使图5-37-2 半导体发光二级管的结构及工作原理N层向有源层注入导电电

5、子，这些导电电子一旦进入有源层后，因受到右边p-P异质结的阻挡作用不能再进入右侧的P层，它们只能被限制在有源层内与空穴复合。导电电子在有源层与空穴复合的过程中，其中有不少电子要释放出能量满足以下关系的光子： (5-37-1)其中h是普朗克常量，是光波的频率，是有源层内导电电子的能量，是导电电子与空穴复合后处于价键束缚状态时的能量。两者的差值E与DH结构中各层材料及其组份的选取等多种因素有关，制作LED时只要这些材料的选取和组份的控制适当，就可使得LED的发光中心波长与传输光纤的低损耗波长一致。光纤传输系统中使用的半导体发光二级管的光功率是经称为尾纤的光导纤维输出的，出纤光功率与LED驱动电流的

6、关系称为LED的电光特性，为了避免和减少非线性失真，使用时应先给LED一个适当的偏置电流I，其值等于这一特性曲线线性部分中点对应的电流值。而调制信号的峰峰值应位于电光特性的直线范围内。对于非线性失真要求不高的情况下，也可把偏置电流选为LED最大允许工作电流的一半，这样可使LED获得无截止畸变幅度最大的调制，这有利于信号的远距离传输。三、LED的驱动及调制电路图5-37-3 LED的驱动和调制电路音频信号光纤传输系统发送端LED的驱动和调制电路如图5-37-3所示，以BG1为主构成的电路是LED的驱动的电路，调节这一电路中的可使LED的偏置电流在050mA的范围变化。被传音频信号由以IC1为主构

7、成的音频放大电路放大后经电容器耦合到BG1的基极，对LED的工作电流进行调制，从而使LED发送出光强随音频信号变化的光信号，并经光导纤维把这一信号传至接受端。根据运放电路理论，图5-37-3中音频放大电路的闭环增益为 (5-37-2)其中、分别为放大器反馈阻抗和反相输入端的接地阻抗，只要选得足够小， 选得足够大，则在要求带宽的中频范围内，的阻抗很大，它所在支路可视为开路，而的阻抗很小，它可视为短路。在此情况下，放大电路的闭环增益，的大小决定了高频端的截止频率，而的值决定着低频端的截止频率。故该电路中的、和是决定音频放大电路增益和带宽的几个重要参数。四、光信号接受器图5-37-4是光信号接受器的

8、电路原理图，其中SPD是峰值响应波长与发送端LED光源发光中心波长很接近的硅光电二级管，它的波长峰值响应度为0.250.5。SPD的任务是把传输光纤出射端输出的光信号的光功率转变为与之成正比的光电流I。然后经IC1组成的I/V转换电路，再把光电流转换成电压输出，与之间具有以下比例关系： （5-37-3）图5-37-4 光信号接受器的电路原理图以IC2（LA4102）为主构成的是一个音频功放电路，该电路的电阻元件（包括反馈电阻在内）均集成在芯片内部，只要调节外接的电位器，可改变功放电路的电压增益，功放电路的电容的大小决定着该电路的下限截止频率。有关集成芯片LA4102的结构及出脚功能见文献1。实

9、验内容一、光信号的调制与发送实验1. LED-传输光纤组件电光特性的测定图5-37-5 LED传输光纤组件电光特性的测定测试电路如图5-37-5所示，该电路除光功率计、LED及传输光纤外，其他元件均安装在YOF-A型音频信号光纤传输技术实验仪的光信号发送器内，测量前应把传输光纤的尾端轻轻地插入光功率计的光电探头内，并小心调整其位置使之与光功率计光电探头间的光耦合最佳，然后调节（对应着发送器前面板上的“偏流调节”旋钮）使毫安表指示从0逐渐增加，每增加10mA读取一次光功率计示值,直到100mA为止。根据测量结果描绘LED-传输光纤组件的电光特性曲线，并确定出其线性度较好的线段。2. LED偏置电

10、流和无截止畸变的关系的测定在图5-37-3中，用音频信号发生器作信号源，并把其频率调为1kHz，把双踪示波器的一条输入通道跨接在两端，然后在LED偏置电流为0、10mA、20mA、30mA、40mA和50mA的各种情况下，调节信号源输出幅度，用示波器观测光讯号无截止畸变的最大调制幅度。3. 光信号发送器调制放大电路幅频特性的测定参看图5-37-3，在保持调制放大器输入端信号不变（比如20mV）的情况下，在20Hz20kHz的范围内改变信号源频率，用双踪示波器观测放大器输入和输出端波形的峰-峰值。由观测结果绘出幅频特性曲线，确定出带宽和增益并与理论计算结果进行比较。二、光信号的接受实验1. 硅光

11、电二级管光电特性及响应度的测定图5-37-6 硅光电二级管光电特性的测定测定电路如图5-37-6所示，测量前先进行LED尾纤与SPD光敏面最佳耦合状态的调节，然后调节LED驱动电路中的，使LED的偏置电流从0到100mA范围内逐渐增加，每增加10mA，读取一次由IC1组成电流-电压变换电路的输出电压（mV）。根据测量结果、I-V变换电路中的值和LED的电光特性，描绘SPD的光电特性，并计算它在LED发光波长处的响应度R值。2. 光信号的检测在保持前项实验时，LED尾纤与接受器光电检测元件的最佳耦合状态不变以及把发送端LED的偏置电流设置50mA的情况下，调节发送端音频信号源的频率和幅度，用示波

12、器观测接收端I-V变换电路输出电压的波形变化情况，并记录下某一确定频率时（比如1kHz）这一波形无截止畸变的最大峰-峰值，根据观测结果计算与此情况对应的光信号光功率变化的幅值。3. 光信号的放大在前面各项实验联接的基础上，把接收端功放电路的电位器调至最小。然后在保持发送端输入信号幅度不变（其值以LED的光信号不出现截止失真和功放电路输出饱和失真为宜）的情况下，改变发送端信号源频率，用示波器观测和记录接收端功放电路输出电压随信号频率的变化。列表记录测量结果。增大功放电路电位器的阻值，重复以上观测，把结果与阻值最小时的情形比较并分析比较结果。4. 语音信号的传输把发送器的输入端接入收音信号，接收器功放输出端接上4的扬声器，试验整个音频信号光纤传输系统的音响效果。实验时，可适当调节发送器的LED偏置电流、输入信号幅度或接收器功放电路中的电位器的阻值，考察传输系统的听觉效果并用示波器监测系统的输入和输出信号的波形变化