实验十音频光纤传输技术-

1、实验十音频光纤传输技术一、实验目的1、了解声光调制器基本原理。2、理解光纤通信的原理。3、掌握音频信号光纤传输系统的基本结构。4、学会如何在音频信号传输系统中获得较好信号传输质量。二、实验仪器设备氦氖激光器、声光调制器、高频信号发生器、小孔光阑、光纤(L=1.62m、收录机(调幅、光电接收及解调功放盒、8喇叭三、实验原理光纤传输信息有二种方法:模拟法和数字法。本实验采用模拟法,如图1所示,主要由三部分组成:光信号发送端,功能是将待传输的音频电信号经光电转换器件转换为光信号。 用于传送光信号的光纤,功能是将发送端光信号以尽可能小的衰减和失真传送到光信号接收端。 光信号接收端,功能是将光信号经光电

2、转换器件还原为相应的电信号。本实验发送端电光转换器件是声光调制器,传输光纤系多模石英光纤。接收端光电转换器件采用PIN 管。光信号发送端声光调制器光电接收端PIN管 驱动源和音频信号光信号解调器扬声器图1 原理方框图1、光导纤维的工作原理当今的信息时代,人们对通信的带宽、速度的要求不断提高。光纤通信具有宽频带、高速度、不受电磁干扰影响等一系列优点,得到迅速发展。1970年,世界上第一根实用光纤研制成功。到目前,光通信速率在实验室中已达到1012b/s, 即可将全世界可能传输的全部通信量于同一时刻内在一根光纤中传送。光导纤维是用细的石英玻璃制成的,每根光纤是由一个圆柱形的内芯和包层组成。内芯的折

3、射率略大于包层的折射率。当光纤直径远大于光波波长时,可以用几何光学的方法来解释光在光纤中的传播 图2 光导纤维中光的传输特性当光线从光密物质射向光疏物质时,如入射角大于临界角时,光线产生全反射,即光线不再离开光密介质。如图2所示,在角度2之间的入射光,除了在玻璃中吸收和散射之外,大部分在界面上产生多次全反射,而以锯齿型的路线在光纤中传播。在光纤的末端以入射角相等的出射角射出光纤。如图二所示,光被闭锁在光纤内,只能沿着光纤传输。光纤的芯径一般几个微米至几百微米,按照传输光模式可分为多模光纤和单模光纤。本实验采用的是多模光纤。石英光导纤维的主要技术指标有:数值孔径:数值孔径反映纤芯接受光量的多少。

4、无论光源发射功率有多大,只有2张角之内的光功率能被光纤接收。定义光纤数值孔径NA=sin=(n21n221/2(1一般希望有大的数值孔径,以利于耦合效率的提高,但数值孔径太大,光信号畸变就越严重,因此要适当选择数值孔径,一般在0.10.6之间,对应的在9°33°。光纤模式:指光波沿光纤传播的途径和方式。如同一信号采取很多模式传播,就会导致信号畸变,因此希望模式数量越少越好。阶跃型的圆筒波导内的模式数量克表示为 d (n21n221/2V= (2 0式中d为纤芯直径,0为入射光波长。D一般取几个微米,n1 n2之差不大于1%传播损耗:光纤的损耗主要由于材料吸收引起的吸收损耗,

5、纤芯折射率不均匀引起的散射损耗,纤芯和包层之间界面不规则引起的界面散射损耗,光纤弯曲造成的损耗,纤维间对接损耗,以及输入输出端耦合损耗。假设纤芯输入端光功率强度为I0,当它通过光纤时,其强度通常按指数式下降,光纤中任一点的光强度为:I(L=I0el (3式中I0为输入端的初始光强。L为光纤纵向长度,A为强度衰减系数。2、光发送机原理 图3光发送机原理图光发送机的作用是将电信号转化为光形式,并将生成的光信号注入光纤。它由光源、声光调制器和通道耦合器组成,如图3所示。声光调制器是由声光介质、电声换能器、吸声 (或反衬装置及驱动源组成。调制信号(假设为正弦波通过电声转换器转换为超声波,然后加到声光晶

6、体上,电声转换器是利用某些压电晶体(例如铌酸锂、石英等反压电效应,在外加电场作用下产生机械振动而形成超声波。超声波使声光介质的折射率沿声波方向随时间交替变化,当一平行波光束通过它时,由于声致光衍射,其出射光束就具有随时间而周期性变化的光程差,因此形成了各级闪烁变化的衍射光。本实验采用幅度调制的电信号驱动压电换能器,通过电声转换,得到与输入电信号相对应的幅度调制的超声波,超声波在介质中传播,从而形成同样幅度调制的超声光栅。当光波被声光栅所衍射时,衍射光的强度调制与输入电信号的幅度调制相对立,因而得到调制的输出光。3.光接收机光接收机将从光纤输出端接收到的光信号转换成原始的电信号。 图 4 光接收

7、机基本结构图它由耦合器、光电检测器和解调器组成,如图4所示。这里主要介绍光电检测器的原理。本实验使用的检测器是PIN光电二极管,其典型结构如图5所示,本征区SiO2层表面光 2本征区图5 PIN管结构的透光区镀以增透膜,其余区镀金属膜,形成金属接触器。光照射透光区,先进入p+层,再进入本征区I区,最后到N+基片。当PIN管两端加上足够大的反向偏压,本征区中的载流子就完全耗尽,与这个区域中的杂质浓度相比,本征的电子和空穴载流子浓度小得可以忽略。当入射光经p+区进入到本征区时,产生电子-空穴对,因本征区较厚,光线大部分被吸收。因此光生载流子主要在本征区中产生,由于本征区存在电场,使这些载流子迅速分

8、开,并被收集在反偏压结两端,使得外电路产生光电流I p,如图6所示。 图6 PIN 管电路图光信号接收端的工作原理主要是传输光纤把从发送端发出的光信号通过光纤耦合器将光信号耦合到光电转换器件PIN 管上,PIN 管又把光信号转变为与之成正比的电流信号,PIN 管使用时应加反偏压,经运放电流电压转换,把光电流信号转换成正比的电压信号,电压信号中包含的音频信号经电容电阻耦合到音频功率放大器驱动喇叭发声。四、实验步骤要求1、 首先调整He-Ne 激光器光线方向平行于导轨。2、 调节PM 声光调制器的俯仰及方位角,使入射光以布拉格角入射到调制器上。3、 进行光纤不衍射时传感器损耗的测量10lg out

9、 in p p L = 组数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10入射光功率pin出射光功率pout(dB/km4、 接通调制电源24V ,射频频率为100MHz,观察衍射光,仔细调节声光调制器,使衍射光一级较强。5、 调节光纤接收端和声光调制器,让一级衍射光完全入射到光纤中,最佳位置时,在出射口看到很亮的光斑。6、进行一级衍射时,传感器损耗的测量:组数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10入射光功率pin出射光功率pout(dB/km7、进行音频传输实验,在4、5步的基础上,在声光调制驱动源的AM(0-5v输入端收音机调幅波信号,光接收器直流电压为915V,电流约0.2A左右,接上阻抗8的音响喇叭。8、输入音频信号,调节光纤接收端,听输出喇叭效果,分析音