光纤信号传输实验Word文档格式.docx

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光纤音频信号传输实验研究

某某

摘要：

光纤俗称玻璃纤维，是由高纯度的玻璃棒经拉丝工艺制成，以其优良的传输特性已经成为信息社会主要的信息传输手段。

光纤通信系统是以光为载波，以光纤为传输介质的通信系统，由本实验主要通过研究光纤音频信号的传输来了解光纤通信的基本工作原理，熟悉半导体发光二极管（LED）和光电检测二极管（SPD）的基本性能及主要特性的测试方法，学习分析集成运放电路的基本方法，学习掌握音频信号光纤传输系统的调试技能。

其间主要涉及了光电子技术、光纤传输技术、应用电子技术。

关键词：

光纤、调制电路、半导体发光二级管（LED）、光电检测二极管（SPD）

1、引言

自1980年代起，光纤通讯系统对于电信工业产生了革命性，同时也在数位时代里扮演非常重要的角色。

光纤通信传输容量大，保密性好等优点。

现在已经成为当今最主要的有线通信方式即将需传送的信息在发送端输入到发送机中，将信息叠加或调制到作为信息信号载体的载波上，然后将已调制的载波通过传输媒质传送到远处的接收端，由接收机解调出原来的信息。

本实验对光纤传输中几个必须环节所用器件给予说明并通过实验进行具体测试。

２、实验原理

２.１光纤音频信号传输系统的组成和原理

光纤音频信号传输系统是由“光信号发送器”“光信号接收器”以及“传输光纤”三个部分组成。

其主要原理是由音频信号作为源信号供给“光信号发送器”，从而产生相应的光信号，然后将此信号经光纤传输后送入“光信号接受器”，最终解调出原来的音频信号。

如图１所示，为了保证系统的传输损耗低，发光器件LED的发光中心波长必须在传输光纤的低损耗窗口之内，使得材料色散较小。

低损耗的波长在850nm，1300nm或1600nm附近。

光电检测的峰值响应波长也应与此接近。

为了避免或减少波形失真，要求整个传输系统的频带宽度能覆盖被传输信号的频率范围。

对于音频信号，其频谱在300—3400Hz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的幅频特性。

图１．系统结构图

２.２半导体的发光二极管（LED）的结构及工作原理

一般在光纤通讯系统中对光源器件在发光波长、电光功率、工作寿命、光谱宽度以及调制性能等方面均有特殊要求，目前在以上各方面都能较好满足要求的器主要有半导体发光二极管（lightemittingdiode，简称LED）和半导体激光器（LaserDiode，缩写LD）。

对于半导体发光二极管，它是代速短距离光通信中常用的非相干光源。

是由图所示的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，称为有源层，其带隙宽度较窄，两侧分别由AlGaAs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。

肯有不同的带隙宽度的两种半导体单晶之间的结构称为异质结，在

中所示，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，这种结构又称为N—P—P双异质结构，简称DH结构。

图２．半导体发光二极管的结构及工作原理

当在N—P—P双异质结构两端加上偏压时，就能使N层向有源层注入导电电子，这些导电电子一旦进入有源层后，因受到P

—P异质结构的阻档作用将不再能够进入右侧P层，它们只能被限制在有源层内与空穴复合，同时释放能量产生光子，发出的光子满足以下关系：

Hv=E1—E2=Ek

其中h是普朗克常量，v指光波频率，E1是有源层内导电电子的激发态能级，E2是导电电子与空穴复合后处于价键状态时的束缚能级。

两者的差值Eg与DH结构中各层材料及其组份的选取及其组份的选取有等多种因素有关，制作LED时只要求这些材料的选取和组份控制适当，就可以使LED的发光中心波长与传输光纤的低损耗波长一致。

从而保证系统的传输损耗低。

半导体发光二极管输出的光功率与其驱动电流的关系称为LED的电光特性。

为了避免和减小非线性失真，使用时应给LED一个适当偏置电流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—峰值也应位于电光特性线性范围内。

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，这时就可使LED获得无截至畸变幅度最大的调制，这将有利于信号的远距离传输。

2.3LED的驱动及调制电路

在实验中所采用的半导体发光二极管LED作为光源器件。

光纤音频信号传输系统发送端LED的驱动和调制电路如图2所示，以BGI为主构成的电路是LED的驱动电路，调节

这一电路的W2可以使LED的偏置电流发生变化。

信号发生器产生的音频信号由ICI为主构成的音频放大电路放大后经电容器耦合到BGI基极，对LED的工作电路进行调制，从而使LED发送出光强随音频信号普化的光信号，并经光纤把这一信号传至接收端。

根据运放电路理论，图2中音频放大电路的闭环增益为

G（jw）=I+Z2/Z1

其中Z2、Z1分别为放大器反馈阻抗和反相输入端的接地阻抗，只要C1选得足够小，Can选得足够大，则在要求带宽的中频范围内，C3的阻抗很大，它所在支路可视为开路，而C2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G（jw）=I+R3/R1。

C1的大小决定了高频端的截止频率f2，而C2的值决定着低频端的频率f1，故该电中的R1、R2、R3和C2、C3是决定音频放大电路增益和带宽的几个重要参数。

２.４光电检测二极管（SPD）的工作原理及特性

本实验的光信号接收采用硅光电二极管（SPD），与普通二极管一样，SPD也是一个Ｐ-Ｎ结，但SPD的管壳上有一个能让光射入其光敏区窗口，此外，它经常工作在反向偏置电压状态或无偏压状态，因此它的光电特性线性度好。

图２右半部是光信号接收器的电路原理图，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，它的峰值波长响应度（表征光电二极管光电转换效率的重要参数）为0.25—0.5uA/uW。

SPD的任务是把经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I0，然后经IC1组成的I—V转换电路，再把光电流转换成电压V0输出，V0与I0之间具有以下比例关系

V0=R1I0

３、实验内容

本实验利用FD-OFT-A型音频信号光纤传输实验仪（包括音频信号发生器、光功率计、LED放射器、SPD接收器等）、多模光纤（装于骨架上）、示波器等实验仪器完成以下实验内容：

3.1LED-----传输光纤组件电光特性的测定

在不加音频信号的情况下，研究通过LED的直流偏置ID与LED输出光功率P0之间的关系，即LED的电光特性。

实验时先打开主机电源，将光纤一端接至“LED发射器”中信号输出端，一端接至“SPD接收器”中的信号输入端，将光功率计波段开关打至“测量”档。

调节“偏流调节”旋钮，使面板上电流表读数为零，此时将光功率表也调零，然后分别把偏流大小调至5mA、10mA、15mA、20mA、25mA、30mA、35mA、40mA、45mA、50mA，记录对应的光功率值，并根据所测量的结果描绘LED—传输光纤组件的电光特性曲线，即描绘P0—ID关系图，并分析其线性范围。

3.2LED直流偏流与最大不失真调制幅度的关系测定

实验时需要找出在不同的直流偏流ID下电路能加载的不失真调制幅度的大小，同时找到LED发光电路最佳工作点和在此工作点下能加载的最大不失真信号幅度。

实验时先接好音频信号通道、光通道，把光功率计打至“实验”档。

然后将音频发生器产生信号和LED调制好信号输入双踪示波器观察。

调节音频信号发生器，使其输出信号峰--峰值为1V，频率为10KHz。

接着把偏流加至20mA，调节“LED发射器”中的调节旋钮，使加在电路上的音频信号由小变大，观察调制信号的波形及失真情况。

记录偏流为20mA时最大不失真调制幅度的峰—峰值。

分析所观察到的现象，然后决定增大或减小偏流以找到最佳静态工作点IDQ。

实验时可调节音频信号幅度来检验新的工作点是否为IDQ，若在示波器上观察到调制信号同时出现截至饱和失真，则此时正处于最佳工作。

记录刚要同时出现两种失真现象时的偏流值IDQ和调制信号峰—峰值VDQ，则从电路方面考虑，通过LED的最佳工作电流和最大不失真交流幅度分别为IDQ和VDQ/Re（Re等于50欧），装置如图所示。

图4.实验2装置示意图

3.3音频信号光纤传输系统幅频特性的测定

在光信号发送器处于正常工作状态下，研究音频信号光纤的传输系统的幅频特性。

由实验原理与前两个实验内容可知：

光信号发送器的正常工作是由LED的电光特性和LED的发光电路工作特性决定。

若LED电光线性转化，发光电路信号传输非线性失真，则光信号发送器已处于正常工作状态。

利用两个实验测得的实验结果，便可知道在不同直流偏流ID下，要使光信号发送器正常工作，加载在电路中的调制幅度的可取范围。

实验按照内容2接线，实验时先将音频发生器输出信号峰—峰值调为1V，偏流和调制信号幅度调节适当，以确保光信号发送器正常工作。

然后将音频信发生器输出信号频率调为100Hz、500Hz、1KHz、5KHz、10KHz、15KHz、20KHz，用示波器观察由光纤传输的光信号转化为音频电信号的波形的峰

—峰值。

由观测线果绘出音频信号光纤传输系统的幅频特性曲线。

4实验数据与分析

４．１LED传输光纤组件电光特性的测定

表1偏置电流与光功率数据记录

graph1Thedatarecordofbiascurrentandluminouspower

根据以上数据作图，得Po-ID关系图

图５.Po-ID测量关系图

Fig.５ThemeasuringofPo-ID

从上图中可知，直流偏流ID在15—40mA的范围内光电转换基本上是线性的。

４．２LED偏置电流与无截止畸变最大调制幅度关系的测定

表2LED直流偏流与最大不失真调制幅度的关系

graph2TherelationshipbetweenLED'

Dcbiascurrentandthemaxofdistortionlessmodulationamplitude

４．３音频信号光纤传输系统幅度特性的测定

利用前两个实验结果，实验时取偏流ID=25mA，调制信号峰值为0.82V，此时通过LED的电流范围是24.3-44.7mA，光信号发送器正常工作。

以下是音频信号光纤传输系统幅频特性：

表3光纤传输系统幅频特性关系

Graph3Theralationshipofopticfibertransmissionsystem’amplitude-frequency

根据以上数据作图，得幅频特性曲线：

图６.幅频特性曲线

Graph６Thecharacteristicofamplitude-frequency

从上图可知，本仪器在音频范围内的频响不错，但低频时幅频特性稍有欠佳。

5、附录：

（额外知识补充）

６．1光纤结构

目前通信用的光纤大多采用石英玻璃（SiO２）制成的横截面很小的双层同心圆柱体，外层玻璃的折射率比内层稍低，折射率高的中心部分叫做纤芯，其折射率为n1，直径为2a；

折射率低的外围部分称为包层，其折射率为n2，直径为2b。

未经涂覆和套塑时称为裸光纤，如图７所示由纤芯包层两部分组成：

图7.光纤基本结构

光纤按其模式性质通常可以分成两大类：

（1）单模光纤；

（2）多模光纤。

对于单模光纤，只允许一种电磁场形态的光波在纤芯内传播.多模光纤允许多种电磁场形态的