光纤实验内容四个实验.docx
《光纤实验内容四个实验.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光纤实验内容四个实验.docx（25页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
光纤实验内容四个实验
实验一半导体激光器P-I特性测试实验
一、实验目的
1、学习半导体激光器发光原理和光纤通信中激光光源工作原理
2、了解半导体激光器平均输出光功率与注入驱动电流的关系
3、掌握半导体激光器P（平均发送光功率）-I（注入电流）曲线的测试方法
二、实验内容
1、测量半导体激光器输出功率和注入电流，并画出P-I关系曲线
2、根据P－I特性曲线，找出半导体激光器阈值电流，计算半导体激光器斜率效率
三、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、连接导线20根
四、实验原理
光源是把电信号变成光信号的器件，在光纤通信中占有重要的地位。
性能好、寿命长、使用方便的光源是保证光纤通信可靠工作的关键。
光纤通信对光源的基本要求有如下几个方面：
首先，光源发光的峰值波长应在光纤的低损耗窗口之内，要求材料色散较小。
其次，光源输出功率必须足够大，入纤功率一般应在10微瓦到数毫瓦之间。
第三，光源应具有高度可靠性，工作寿命至少在10万小时以上才能满足光纤通信工程的需要。
第四，光源的输出光谱不能太宽以利于传输高速脉冲。
第五，光源应便于调制，调制速率应能适应系统的要求。
第六，电—光转换效率不应太低，否则会导致器件严重发热和缩短寿命。
第七，光源应该省电，光源的体积、重量不应太大。
作为光源，可以采用半导体激光二极管（LD,又称半导体激光器）、半导体发光二极管（LED）、固体激光器和气体激光器等。
但是对于光纤通信工程来说，除了少数测试设备与工程仪表之外，几乎无例外地采用半导体激光器和半导体发光二极管。
本实验简要地介绍半导体激光器，若需详细了解发光原理，请参看各教材。
半导体激光二极管（LD）或简称半导体激光器，它通过受激辐射发光，是一种阈值器件。
处于高能级E2的电子在光场的感应下发射一个和感应光子一模一样的光子，而跃迁到低能级E1，这个过程称为光的受激辐射，所谓一模一样，是指发射光子和感应光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，它和感应光子是相干的。
由于受激辐射与自发辐射的本质不同，导致了半导体激光器不仅能产生高功率（≥10mW）辐射，而且输出光发散角窄（垂直发散角为30～50°，水平发散角为0～30°），与单模光纤的耦合效率高（约30％～50％），辐射光谱线窄（Δλ＝0.1～1.0nm），适用于高比特工作，载流子复合寿命短，能进行高速信号（>20GHz）直接调制，非常适合于作高速长距离光纤通信系统的光源。
半导体激光器的特性，主要包括阈值电流Ith、输出功率P0、微分转换效率η、峰值波长λp、光束发散角、脉冲响应时间tr、tf等。
除上述特性参数之外，有时也把半导体激光器的工作电压、工作温度等列入特性参数。
阈值电流是非常重要的特性参数。
图1-1上A段与B段的交点表示开始发射激光，它对应的电流就是阈值电流Ith。
半导体激光器可以看作为一种光学振荡器，要形成光的振荡，就必须要有光放大机制，也即激活介质处于粒子数反转分布，而且产生的增益足以抵消所有的损耗。
将开始出现净增益的条件称为阈值条件。
一般用注入电流值来标定阈值条件，也即阈值电流Ith。
P-I特性是半导体激光器的最重要的特性。
当注入电流增加时，输出光功率也随之增加，在达到Ith之前半导体激光器输出荧光，到达Ith之后输出激光，输出光子数的增量与注入电子数的增量之比见式1-1。
（1-1）
ΔP/ΔI就是图1-1激射时的斜率，
是普朗克常数（6.625*10-34焦耳
秒），v为辐射跃迁情况下，释放出的光子的频率。
图1-1LD半导体激光器P-I曲线示意图
P-I特性是选择半导体激光器的重要依据。
在选择时，应选阈值电流Ith尽可能小，Ith对应P值小，而且没有扭折点的半导体激光器。
这样的激光器工作电流小，工作稳定性高，消光比（测试方法见实验四）大，而且不易产生光信号失真。
并且要求P-I曲线的斜率适当。
斜率太小，则要求驱动信号太大，给驱动电路带来麻烦；斜率太大，则会出现光反射噪声及使自动光功率控制环路调整困难。
在实验中所用到半导体激光器输出波长为1310nm，带尾纤及FC型接口。
其典型参数如下表1-1：
Parameter
参数
Symbol
符号
Min
最小值
Typ
典型值
Max.
最大值
Unit
单位
CentralWavelength
中心波长
1280
1310
1340
nm
SpectralWidthRMS
谱线宽度
2
5
nm
ThresholdCurrent
阈值电流
8
15
mA
Opticaloutputpower
输出功率
0.2
0.6
1.2
mW
ForwardVoltage
正向电压
Vf
1.2
1.6
V
RiseTime/FallTime
上升/下降时间
tr/tf
0.3
0.5
ns
……
……
……
……
……
……
表1-1本实验半导体激光器的部分参数参考表
本实验所涉及的实验框图如图1-2，R110（1Ω）与激光器串联。
图1-2激光器工作框图
电路中的驱动电流在数值上等于R110两端电压与电阻值之比。
为了测试更加精确，实验中先用万用表测出R110的精确值（将BM1、BM2都拨到中档，用万用表的欧姆档测T103、T104之间的电阻），计算得出半导体激光器的驱动电流，然后用光功率计测得一定驱动电流下半导体激光器发出激光的功率，从而完成P-I特性的测试。
并可根据P-I特性得出半导体激光器的斜率效率。
五、实验步骤
1、用导线连接电终端模块T68（M）和T94（13_DIN）。
2、将开关BM1拨为1310nm,将开关K43拨为“数字”，将电位器W44逆时针旋转到最小。
3、旋开光发端机光纤输出端口（1310nmT）防尘帽，用FC-FC光纤跳线将半导体激光器与光功率计输入端连接起来，并将光功率计测量波长调整到1310nm档。
4、用万用表测量T97（TV+）和T98（TV-）之间的电阻值（电阻焊接在PCB板的反面），找出所测电压与半导体激光器驱动电流之间的关系（V＝IR110）。
5、将电位器W46（阈值电流调节）逆时针旋转到底。
6、打开交流电源，此时指示灯D4、D5、D6、D7、D8亮
7、用万用表测量T97（TV+）和T98（TV-）两端电压（红表笔插T97，黑表笔插T98）。
8、慢慢调节电位器W44（数字驱动调节），使所测得的电压为下表中数值，依次测量对应的光功率值，并将测得的数据填入下表1-2，精确到0.1uW。
9、做完实验后先关闭交流电开关。
10、拆下光跳线及光功率计，用防尘帽盖住实验箱半导体激光器光纤输出端口，将实验箱还原。
U（mV）
1
2
3
4
5
6
7
8
I（mA）
P（uW）
U（mV）
9
10
12
14
16
18
20
22
I（mA）
P（uW）
U（mV）
24
26
28
30
32
34
36
38
I（mA）
P（uW）
LD的P-I特性测试表
六、实验测试点说明
T97（V+）、T98（V-）激光器的数字驱动电流测试端
TP108（LT）激光器的输出信号测试端
七、实验报告
1、根据测试结果，算出半导体激光器驱动电流，画出相应的光功率与注入电流的关系曲线。
2、根据所画的P-I特性曲线，找出半导体激光器阈值电流
的大小。
3、根据P-I特性曲线，求出半导体激光器的斜率效率。
4、实验结果及误差分析正确。
八、思考题
1、试说明半导体激光器发光工作原理。
2、环境温度的改变对半导体激光器P-I特性有何影响？
3、分析以半导体激光器为光源的光纤通信系统中，半导体激光器P-I特性对系统传输性能的影响。
实验二模拟信号光纤传输实验
一、实验目的
1、了解模拟信号光纤系统的通信原理
2、了解完整的模拟信号光纤通信系统的基本结构
二、实验内容
1、各种模拟信号LED模拟调制：
三角波，正弦波
2、各种模拟信号LD模拟调制：
三角波，正弦波
三、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1根
5、850nm光发端机和光收端机（可选）1套
6、ST/PC-ST/PC多模光跳线（可选）1根
7、连接导线20根
四、实验原理
根据系统传输信号不同，光纤通信系统可分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。
由于发光二极管和半导体激光器的输出光功率（对激光器来说，是指阈值电流以上线性部分）基本上与注入电流成正比，而且电流的变化转换为光频调制呈线性，所以可以直接调制。
对于半导体激光器和发光二极管来说，具有简单、经济和容易实现等优点。
进行发光二极管及半导体激光器调制时采用的就是直接调制。
从调制信号的形式来看，光调制可分为模拟信号调制和数字信号调制。
模拟信号调制直接用连续的模拟信号（如话音、模拟图像信号等）对光源进行调制。
图2-1就是对发光二极管进行模拟调制的原理图。
连续的模拟信号电流叠加在直流偏置电流上，适当地选择直流偏置电流的大小，可以减小光信号的非线性失真。
电路实现上，LED的模拟信号调制较为简单，利用其P-I的线性关系，可以直接利用电流放大电路进行调制，实验箱模拟信号调制电路如图2-3所示。
一般来说，半导体激光器很少用于模拟信号的直接调制，半导体激光器模拟调制要求光源线性度很高。
而且要求提高光接收机的信噪比比较高。
与发光二极管相比，半导体激光器的V-I线性区较小，直接进行模拟调制难度加大，采用图2-3调制电路，会产生非线性失真。
本实验通过完成各种不同模拟信号的LED光纤传输（如正弦波，三角波，外输入音乐信号），了解模拟信号的调制过程及调制系统组成。
模拟信号光纤通信系统组成如图2-2所示。
半导体激光器的模拟调制，直接利用图2-3所示电路进行调制，比较LED直接模拟调制与LD直接模拟调制的区别。
在LD模拟信号调制实验中，采用预失真补偿电路对模拟信号波形进行失真补偿，观察补偿后的传输效果与补偿前的效果。
模拟信号光纤传输系统原理框图如图所示：
图2-3LED模拟调制电路
整个驱动电路采用射极跟随器。
W43用于调节信号的幅度，W9用于调节驱动电流的大小。
模拟信号的产生电路如下图所示：
图2-4模拟信号源电路原理图
其中1KHz的方波是由CPLD通过分频得到，其中T7接线口输出为频率1KHz的三角波，T10接线口输出为1KHz的正弦波。
电位器W3用于调节输出的正弦波和三角波的幅度，是其输出信号的幅度从0～+5V可调。
五、实验步骤
1、用连接线连接模拟信号源模块1的T10（正弦波）和T96（13_AIN）。
注释：
T10（正弦波）的频率为1KHz。
2、用FC-FC光纤跳线将1310nm光发端机（1310nmT）与1310nm光收端机（1310nmR）连接起来。
3、将开关BM1拨为1310nm,将开关K43拨为“模拟”，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。
4、打开交流电源开关，电源指示二极管D4，D5，D6，D7，D8亮。
5、用双踪示波器测量T10处的波形，同时调节“幅度调节”电位器，使得正弦波的峰-峰值为4V。
6、顺时针调节电位器W9（模拟驱动调节）和W45（幅值调节），使得测试钩TP114处的波形幅度为2V且无明显失真。
7、用双踪示波器的两个探头同时测量TP108（LT）和TP114（13_OUT）处的波形，分别调节电位器W9（模拟驱动调节）和W45（幅值调节），观察模拟信号调制的过程。
8、将模拟信号源的T10换成T7（三角波）和T96（13_AIN）连接，按照以上步骤5-7做实验观察三角波信号光纤传输时调制过程。
9、根据以上实验设计2K正弦波和三角波的传输实验，2K的正弦波和三角波由模拟信号源模块2产生。
10、根据以上调制过程和LD模拟调制的原理，设计LED模拟信号调制实验。
11、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。
六、实验测试点说明
T10（正弦波）1K正弦波信号输出端
T96（13_AIN）1310光端机模拟信号输入端
T7（三角波）1K三角波信号输出端
TP108（LT）激光器的发射信号输出端
TP114（13_OUT）探测器的接收信号测试端
七、实验报告
1、记录并画出各模拟信号的波形，对模拟信号光传输前后的波形进行比较。
2、简述模拟信号光纤传输过程；比较LD与LED模拟信号调制的效果。
3、对实验结果以及实验结果的分析正确。
八、思考题
1、光纤传输系统能否传输数字信号，为什么？
2、分析和比较LD模拟信号调制与LED模拟信号调制的异同点，并指出其优缺点。
实验三数字光纤通信系统线路码型CMI编译码实验
一、实验目的
1、了解线路码型在光纤传输系统中的作用
2、掌握线路码型CMI码的编译码过程以及电路实现原理
二、实验内容
1、验证符合光纤传输系统的线路码型
2、观察线路码型的编译码过程
三、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、FC-FC单模光跳线1根
4、连接导线20根
四、实验原理
线路码型变换电路主要是适应数字光纤通信传输的需要而设置的，因此，数字光纤通信传输过程的前后必须有线路码型变换与反变换电路。
线路码型是指信道码的码型，它是将二进制的数字串变换为适合于特定传输媒介的形式。
因此，对于不同的传输媒介，有不同类型的线路码型。
对于光纤数字传输系统，不仅要考虑其传输媒介光纤的特性，还需考虑光电转换器件即光源器件和光检测器件的特性，例如光纤线路的带宽（色散）特性影响着对线路码型速率变化的选择，光源器件的非线性影响着对线路码型是单极性还是多极性的选择，一般说来，对光纤传输线路码型的选择主要考虑如下要求：
（1）比特序列独立性
（2）能提供足够的定时信息
（3）减小功率谱密度中的高低频分量
（4）误码倍增小
（5）便于实现不中断业务的误码监测
（6）易于在传送主信息（业务信息）的同时，传送监控、公务、数据等维护管理信息，以及区间通信等辅助信号。
（7）易于实现
在介绍常用线路码型之前，先介绍一下线路码型的分类，如果从泛指的线路码型来讲，可以从不同角度来分，现简述如下。
以应用场合来分，有用于金属缆线的线路码型（又可细分为同轴电缆用的、对称电缆用的码型等等），无线系统用的线路码型，用于光缆传输系统的码型等。
本实验介绍的CMI线路码型是光线路码型。
以传输信道（或者说调制方式）来分，有基带信道的线路码型和承载（载波）信道的线路码型。
目前光纤传输系统大多采用基带直接调制光信号，对线路码型而言，仍输入基带码型。
以线路码型的电平数来分，有两电平码、三电平码、四电平码以及多电平码。
在光纤传输系统的线路码型一般选用两电平码。
光线路码型应该是两电平、基带、连续运行、固定长度组码。
由于CMI码有很多优点，它既为我国数字通信标准制式所规定的两种接口码型之一，又是数字光纤通信系统中所采用的线路码型，它既属于伪双极性码又属于mBnB码（1B2B码）。
所以，本实验中的线路码型就采用CMI码。
CMI码为信号反转码（CodeMarkInversion），是一种二电平不归零码，是PCM四次群的线路传输码型，也就是四次群数字光纤通信设备与四次群PCM设备之间的接口码型。
1、CMI码的特点
A、CMI码编译电路简单，便于设计与调试。
B、CMI码的最大连“0”和连“1”都是3个
C、具有误码监测能力，当其编码规则被破坏，就表示有误码产生，便于线路传输中的误码监测。
D、CMI码功率谱中的直流分量恒定，低频分量小，fr（变换前的码速率）频率处有限谱，频带较宽，便于定时提取。
E、CMI码的速率是编码前信号速率的两倍。
2、CMI码的编码规则
A、对于二进制“0”被编码成为前后得A1和A2（A1为“0”电平，A2为“1”电平）两种幅值的电平，每种幅值占单位时间间隔的一半（T/2），即在CMI码中为“01”码。
B、对于二进制“1”用幅值电平A1和A2来编码。
A1或A2都占满了一个单位时间间隔（T），即在CMI码流中为“00”或“11”码；对于相继的二进制“1”，这两个电平相互交替。
这也就是前一个二进制“1”编为A1，（即“00”）则后一个二进制“1”就编A2，反之，前一个二进制“1”编为A2，（即“11”）则后一个二进制“1”就编A1，即在CMI码流中以“00”和“11”信号相互交替。
3、CMI码编码电路的方式
CMI编码电路比较简单，CMI码的编码规则是将二值码NRZ序列中的“1”和“0”状态进行分离，然后按各自的编码规则进行编码，最后由这两种状态的编码合成输出就成为CMI码。
4、CMI译码电路
CMI译码不采用CMI编码逆变换，而是采用延时CMI码T/2（即半比特时间）然后相加，时钟读出的方法。
电平码
CMI
DMIDMI
模式1
模式2
模式1
模式2
0
01
01
01
10（连“0”模式不变）
1
00
11
00
11
表3-1二电平码变为CMI和DMI码的规则
实验中线路编码将数字基带信号NRZ码变换为适合数字光纤通信系统传输的线路码型CMI码，CMI码经光纤传输后，再经线路译码变换为基带信号NRZ码。
实验方框图如图3-1所示。
观察各点波形以理解CMI编译码规则。
图3-1CMI编译码实验框图
以下是原理图分析：
图3-3CMI编码电路
根据CMI的编码规则，“1”交替编为“00”“11”；“0”编为“01”。
将所有的“0”求反，再与BS相乘，则将所有的“0”编为了“01”。
然后，根据JK触发器的特点，其碰到“1”则翻转；碰到“0”则保持的特点，将所有的“1”交替编为“00”和“11”。
最后，合成输出。
图3-4CMI译码电路
对于译码电路，首先要进行位同步提取。
这一步，在CPLD模块内实现。
得到与输入的CMI码同步的BS之后，进行如上图所示的电路变换。
将CMI码的前半位与后半位取同或，相同则译为“1”，不同则译为“0”。
五、实验步骤
1、用导线连接电终端模块T66（C_O）和光终端模块T81（C_I），T65（D_O）和T82（D_I）；
连接电终端模块T71（C_I）和光终端模块T85（C_O），T69（D_I）和T86（D_O）；
连接数字信号源模块的T79（D1_O）和T67（D1_I），T78（D2_O）和T64（D2_I），T8（D3_O）和T63（D3_I）；
连接电终端模块和数字终端模块的T70（D1_O）和T88（D1_I），T72（D2_O）和T75（D2_I），T73（D3_O）和T74（D3_I）
2、将拨码开关K35的值拨为“1100”，K38的值拨为“0000”，K37的值拨为“00000000”。
将数字信号源模块的拨码开关K36、K32和K33的值拨为任意值。
3、将开关K7、K28、K29全部拨向下。
4、旋开光发端机光纤输出端口（1550nmT）防尘帽，用FC-FC光纤跳线将半导体激光器与光机收机（1550nmR）连接起来。
5、打开交流电源，此时指示灯D4、D5、D6、D7、D8亮。
6、用示波器探头测量光终端模块T82（D_I）处的波形，并记录下来。
7、用示波器另一探头测量T92（15_DIN）处的波形，此时的波形为CMI编码后的波形，将示波器的第一通道设置为触发方式，观测两个信号的区别，并验证CMI编码的原理。
8、用示波器探头测量T89（15_DOUT）处的波形，此波形为经光纤传输后的信号波形。
9、用示波器测量电终端T65（D_O）和T69（D_I）的波形，观察CMI译码后的波形和编码前波形是否一致，同时观察数字终端二极管的发光顺序和数字信号源是否一致，一致则说明解码正确。
10、将拨码开关K37的值拨为“01000000”，即采用“扰码+CMI”的编码方式，重新做以上的试验，观察相同测试点处波形的不同。
11、在扩展模块上自己设计CMI编译码程序进行验证。
12、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。
六、实验测试点说明
T92（15_DIN）1550光发送机的数据信号输入端
T89（15_DOUT）1550光接收机的数据信号输出端
七、实验报告
1、简述CMI编译码电路的原理
2、记录个点的波形进行分析，验证CMI编译码原理的正确性
八、思考题
1、为什么实际的数字光纤通信系统一般不直接采用PCM码型？
2、CMI作为数字光纤通信系统的线路码型有哪些优点？
实验四电话光纤传输系统实验
一、实验目的
1、了解电话及语音信号通过光纤传输的全过程
2、掌握模拟电话、数字电话光纤传输的工作原理
二、实验内容
1、电话光纤传输系统实验
三、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、FC-FC单模光跳线1根
4、电话机2部
5、万用表1台
6、850nm光发端机和光收端机（可选）1套
7、ST-ST多模光跳线（可选）1根
8、连接导线20根
四、实验原理
对于局间通信来说，电话语音通信具有举足轻重的作用。
以电话通信网络为载体，各种模拟（或数字）信号的传输系统已经商业化。
如电话、传真、拨号网络通信等业务都是在局间电话网上实现的。
图4-1电话模拟光纤传输
图4-2电话数字光纤传输
图4-3时分复用帧结构示意图
电话语音信号的光纤传输分为两种方式：
一种方式为模拟电话光纤传输，即电话用户接口输出的模拟信号直接送入光纤模拟信号传输信道，从而实现两部电话的通话（由于模拟信号无法直接进行时分复用，因此模拟电话光纤传输只能传输一路电话语音信号，另一路电话语音信号直接用连接导线代替光纤），实验方框图如图8-1所示。
另一种方式为数字电话光纤传输。
在数字传输系统中，几乎所有业务均以一定的格式出现，因而在信道上对各种业务传输之前要对业务的数据进行包装。
信道上对业务数据包装的过程称之为帧组装。
不同的系统、信道设备帧组装的格式、过程不一样。
时分复用制的数字通信系统，在国际上已逐渐建立起标准并广泛使用。
时分复用（TDM）的主要特点是在一个信道上利用不同的时隙来传递各路（语音、数据或图像）不同信号。
各路信号独立、互不干扰。
实际的电话业务共有32个
升级会员 