光纤实验一指导书Word下载.docx

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同时为了使学生有更大的开发和操作空间，特意制作了二次开发板，并预留大量的I/O扩展口，可在开发板上独立完成二次开发设计。

所有实验大多采用开关控制，减小了实验操作时的繁琐性。

该实验箱融合了当今的光通信技术发展的一些新技术和新器件，并将其融入到光纤通信原理课程当中，同时与通信原理和程控交换课程的部分原理结合，其主要有以下特点；

1、实验箱采用整板设计，特殊光器件玻璃罩保护，元器件贴片化，模块元件布局完全对称。

所有的测试钩和连接孔均有标识，深蓝色的电路板，白色丝印使得整个电路板层次性强、美观、大方。

2、实验系统将光纤通信原理和教材紧密接合，实验项目和顺序与教材保持完全同步。

通过七个方面全面实验来了解光纤通信的全过程，七个方面分别是：

光纤和光缆；

通信用光器件（有源器件和无源器件）；

数字光纤通信系统（光发、光收端机）；

模拟光纤通信系统；

光纤通信新技术；

光纤通信测量技术；

光纤通信网络。

3、系统采用整板上分模块的设计方式，各种系统组建灵活，可根据不同的实验搭建成模拟、数字、计算机、图像、语音及混合光纤传输系统等不同的实验系统。

4、电路实现上采用大规模CPLD/FPGA，使得产品的开放性和可升级的空间加大。

专门设计制作了可供学生进行二次开发实验的扩展板，并预留了大量的I/O口，可以方便的使学校在原有硬件电路的基础上开发新的实验内容。

5、E1标准帧结构信号和256K两种传输速率，时分复用时的复用数据和复用方式灵活，使得实验箱的传送方式更加多样，在通过对比的基础上更加深入地了解复用的原理；

E1标准帧结构形成时的话路时隙可变，更加生动、直观的体现了E1标准帧结构的结构和形成原理；

时分解复用时采用终端显示，可直观地通过对比的方式检验复用解复用过程的正确性。

6、同一实验箱中具备通用的三个低损耗光纤通信端口（850nm、1310nm、1550nm）；

光发送机和光收端机分模块设计，使得学生可以更加直观地了解激光器的调制和解调，即电-光，光-电的转换原理过程；

光发送和光接收分别采用分立元件（1310nm）和集成电路（1550nm）来实现，且电路参数可调，可通过特定的测试点来观测光发送和光接收本质原理的实现过程；

7、光发送时加入自动光功率控制电路，使得激光器的输出更加稳定，同时有利于对自动功率控制原理的理解；

光接收时在以有前置放大和主放大的基础上，加入了信号的判决和再生，可以通过判决前后眼图的形状的不同深入的理解信号在光纤传输中的衰减特性和光接收的原理。

8、5B6B、5B1P、5B1C、CMI、HDB3编译码和扰码解扰码等光纤线路码型的加入，及其各自传输时的不同特性，使得学生可以进一步了解线路码型在光传输过程中的作用；

无光告警、寿命检测电路的加入，有利于对光传输进行监测；

E1速率信号光纤传输时的不中断法误码监测、误码指示及误码率、误码扩散系数的测量，使得学生更加深一步的了解光纤传输的特性。

9、各种光无源器件的使用方法及其特性的测试，使得教学和实际紧密地结合在了一起；

波分复用+时分复用技术、电话热线呼叫时交换技术的使用，使得在两台实验箱完成四部电话的全双工通信成为可能，从而完全模拟实际的电话通信系统；

如果在光发和光收之间加入裸光纤，则可以实现两台实验箱几十公里长距离间的传输，语音、图像、计算机数据信号的单光纤传输，使得实验更加完整地体现了光纤发展新技术的要求。

10、整个实验系统大多采用开关控制，尽量少的使用连线，模块功能清晰，系统结构紧凑，操作方便，并且在设计时加入了大量的保护电路，安全性强

二、主机箱及系统模块简介

主机箱包含了光纤通信系统设备中的各个主要组成部分，具体由以下十三个模块组成。

其印刷电路板布局图如图0-2所示，每个模块均留出了关键的测试孔和测试钩，利于客户连线做系统实验以及测试用。

1、电源模块：

提供实验箱各模块电源。

2、串口通信模块：

主要用来实现实验箱与计算机之间的数据通信。

3、PCM编译码模块：

实现PCM编译码的功能。

4、电话信令控制模块：

实现电话之间的热线接续和控制功能。

5、模拟信号源模块：

用于产生系统实验所需的模拟正弦波、方波信号。

6、数字信号源模块：

产生系统实验所需的数字信号及24位伪随机码，速率为64KB/s,其中各种数字信号和伪随机码的制可以通过拨码开关来控制。

7、数字终端模块：

实现终端数字信号值的显示和读出，数据的值通过二极管发光来显示。

8、电终端模块：

实现帧同步码的产生，M序列为随机信号的产生，不同速率的信号的复用和解复用，HDB3码的编译码。

9、光终端模块：

实现光纤线路码的码型的编译码，比如5B6B、5B1P、5B1C、CMI、扰码和解扰码。

图0-2ZY12OFCom23BH1型光纤通信原理实验箱布局图

10、1310nm光发送模块：

实现模拟信号、数字信号在1310nm光发送机中的光传输及自动光功率控制功能（采用电路来实现）。

11、1550nm光发送模块：

实现模拟信号、数字信号在1550nm光发送机中的光传输及自动光功率控制功能（采用专用芯片来实现）。

12、1310nm光接收模块：

实现1310nm光纤传输信号的接收，实现接收信号光电转换，滤波及放大，将其恢复为标准的电脉冲数据信号

13、1550nm光接收模块：

实现1550nm光纤传输信号的接收，实现接收信号光电转换，滤波及放大，将其恢复为标准的电脉冲数据信号

客户可以通过上述十三个模块以及相应的配件，灵活组成各种不同光纤通信系统，如：

850nm波长光纤通信系统、1310nm波长光纤通信系统、1550nm波长光纤通信系统；

同时也可以组成单模光纤通信系统、多模光纤通信系统；

模拟光纤通信系统、数字光纤通信系统；

时分复用传输系统和波分复用传输系统等光纤通信工程中常用的绝大多数光纤通信系统。

实验系统基本组成方框图如图0-3所示：

图0-3光纤传输实验系统方框图

实验系统主要由光发模块、光收模块、光无源器件和辅助通信模块等组成。

光发端机完成将电信号直接调制至光载波上去，采用强度调制（IM）；

光接收机完成光信号的解调，采用直接检测（DD），属于非相干解调。

光载波由半导体光源产生，由半导体光检测器将光信号转换成电信号从而达到传输信号的目的。

本实验系统可以完成模拟信号（正弦波、三角波、视频信号、音频信号）的光纤传输，也可以完成数字信号（NRZ码、CMI码、5B6B码、5B1C码、5B1P码、计算机串口数据）的光纤传输，也可以对系统的传输性能进行测试（系统的误码率、误码扩散系数等）；

可以实现接口码型HDB3、线路码型CMI、电终端PCM码型的编译码；

也可实现四个时隙的复接、两个光波长的波分复用、时钟提取、帧信号的提取等实用先进功能；

也提供了丰富的资源，以实现二次开发实验。

实验设备的具体性能指标如下：

1、电源模块输出：

+5V、+12V、-5V、-12V、-48V

2、方波信号输出

（1）时钟信号：

32.768MHz，12.000MHz

（2）方波信号：

2.048MHz，256KHz，64KHz，8KHz

（3）数字基带信号：

码速率分别为2.048MHz,256KHz，64KHz

（4）频率输出误差：

≤±

1%

（5）占空比:

50%。

3、正弦波信号输出

（1）正弦波信号：

2KHz，1KHz，444Hz，25Hz，

（2）频率输出误差：

（3）幅度0V~5V连续可调

4、三角波信号输出

（1）三角波信号:

2KHz，1KHz

（3）幅度：

0~5V连续可调

5、数字、模拟电话

（1）话音质量要求：

话音质量要求清晰，只允许有少量的脉冲噪声。

（2）其它指标无要求。

光纤实验箱使用注意事项

光学器件属于昂贵易损器件，所以在实验操作过程中应加倍小心，防止光学器件的损坏，为了保证实验顺利地进行，请注意以下事项：

1、请仔细阅读实验指导书操作步骤后开机实验，实验各测试点、跳线及开关说明请参考附录

，正确连接导线，以免造成光学器件和芯片的损坏。

2、实验箱使用过程中应有防静电措施，以防静电损坏光学器件。

3、光学器件属于昂贵器件，在安装和拆卸过程中请注意轻拿轻放，遇到问题须及时向老师报告。

4、实验时不可将光纤输出端对准自己或别人的眼睛，以免损伤眼睛。

5、实验箱使用完毕后，请立即将防尘帽盖住光纤输入、输出端口，用光纤端面防尘盖盖住光纤跳线端面，防止灰尘进入光纤端面而影响光信号的传输。

6、若不小心把光纤输出端的接口弄脏，需用酒精棉球进行清洗。

7、光纤跳线接头应妥善保管，防止磕碰，使用后及时戴上防尘帽。

8、不要用力拉扯光纤，光纤弯曲半径一般不小于30mm，否则可能导致光纤折断。

9、进行光纤传输实验时，半导体激光器驱动电流不要超过40mA，发光二极管驱动电流不要超过60mA。

10、不要用手触摸激光器和探测器的焊点，以免烧坏激光器与探测器。

无源器件简介

1、光跳线：

（光纤+两端的活动连接器）

传输模式：

多模、单模。

活动连接器型式：

FC/PC、ST/PC、SC/PC（两端活动连接器可相同也可不同）

FC-FC单模光跳线

SC/PC-SC/PC单模光跳线

ST/PC-ST/PC多模光跳线

说明：

单模光纤为黄色，多模光纤为橙色。

2、波分复用器：

一般为单模耦合：

接口类型：

①适配器类型：

FC（普遍）

②尾纤类型：

FC/PC、SC/PC

工作波长：

1310和1550、1480和1550等。

隔离度：

大于18dB。

尾纤输出型

（FC型、SC型）

适配器输出型

（只有FC型）

3、Y型分路器：

1适配器类型：

2尾纤类型：

1310或1550。

分

光比：

50/50、10/90。

4、小可变衰减器：

接口类型：

只有FC-FC这一种型号。

法兰式小可变衰减器

5、适配器：

（适配器）

FC、ST、SC。

FC型适配器

SC型适配器

ST型适配器

上篇

《光纤光学》

实验一光纤光学基本知识演示实验

一、实验目的

1、了解光纤的基本结构

2、通过具体演示，使实验者对光纤光学有基本的认识，为以后的实验打下基础。

二、实验内容

1、观察光纤基模场远场分布

2、观察光纤输出的近场和远场图案

3、观察光纤输出功率和光纤弯曲的关系

三、预备知识

1、熟悉光纤的基本结构及相关知识

四、实验仪器

1、He-Ne激光器1套

2、手持式光源1台

3、光纤耦合架1套

4、633nm单模光纤1米

5、普通通信光纤跳线3米

6、光纤支架1套

7、SGN—1光功率计1台

8、手持式光功率计1台

9、光纤切割刀1套

五、实验步骤

1、观察光纤基模场远场分布。

取一根约1米长的633nm单模光纤，剥去其两端的涂敷层，用光纤切割刀切制光学端面，然后由物镜将激光从任一端面耦合进光纤，用白屏接收光纤输出端的光斑，观察光场分布。

其中，中心亮的部分对应纤芯中的模场，外围对应包层中的场分布。

2、观察光纤输出的近场和远场图案。

取一根普通通信光纤（单模、多模皆可，相对633nm为多模光纤），参照演示1的操作步骤，将He-Ne激光器的输出光束经耦合器耦合进入光纤，用白屏接收出射光斑，分别观察其近场和远场图案。

3、观察光纤输出功率和光纤弯曲（所绕圈数及圈半径）的关系。

取一根3米长的普通通信光纤（有Fc/Pc接口），用其连接手持式光源与手持式光功率计，记录功率计读数；

将光纤绕于手上，观察光纤输出功率与所绕圈数及圈半径大小的关系。

实验二光纤与光源耦合方法实验

一、实验目的

1、学习光纤与光源耦合方法的原理；

2、实验操作光纤与光源耦合。

1、光纤端面的制备

2、光纤与光源进行耦合

三、实验仪器

1、He-Ne激光器1套

2、光纤耦合架1套

3、633nm单模光纤1米

4、光纤支架1套

5、光功率计1台

6、光纤切割刀1套

四、实验原理

光纤与光源的耦合方法有直接耦合和经聚光器件耦合两种。

聚光器件有传统的透镜和自聚焦透镜之分。

自聚焦透镜的外形为“棒”形（圆柱体），所以也称之为自聚焦棒。

实际上，它是折射率分布指数为2（即抛物线型）的渐变型光纤棒的一小段。

直接耦合是使光纤直接对准光源输出的光进行的“对接”耦合。

这种方法的操作过程是：

将用专用设备使切制好并经清洁处理的光纤端面靠近光源的发光面，并将其调整到最佳位置（光纤输出端的输出光强最大），然后固定其相对位置。

这种方法简单，可靠，但必须有专用设备。

如果光源输出光束的横截面面积大于纤芯的横截面面积，将引起较大的耦合损耗。

经聚光器件耦合是将光源发出的光通过聚光器件将其聚焦到光纤端面上，并调整到最佳位置（光纤输出端的输出光强最大）。

这种耦合方法能提高耦合效率。

耦合效率η的

计算公式为：

，或

（2－1）

式子中P1为耦合进光纤的光功率（近似为光纤的输出光功率）。

P2为光源输出的光功率。

（1）直接耦合

1、直接测量激光器的输出功率P2

2、切制处理好光纤光学端面

3、将切制处理好光纤光学端面，然后按示意图2-1进行耦合操作，测量输出功率P1

4、

根据（2－1）计算耦合效率，对自己的工作进行评估

（2）透镜耦合

1、切制处理好光纤光学端面，然后按图2-2进行耦合操作，测量输出功率P1

2、根据（2－1）计算耦合效率，对自己的工作进行评估

3、

比较、评估两种耦合方法的耦合效率

六、实验报告

1、简述实验原理与目的

2、叙述切制光纤端面的基本步骤

3、计算直接耦合和透镜耦合的效率

4、对自己的工作进行评估

七、思考题

1、查阅相关文献，找出光纤与光源耦合的其他方法并进行比较。

实验三多模光纤数值孔径（NA）测量实验

1、学习光纤数值孔径的含义

2、掌握光纤数值孔径的测量方法

1、运用远场光斑法测量多模光纤的数值孔径

2、光纤耦合架1套

3、633nm多模光纤1米

数值孔径（NA）是多模光纤的一个重要参数。

它表示光纤收集光的本领的大小以及与光源耦合的难易程度。

光纤的NA大，收集、传输能量的本领就大。

1、光纤数值孔径的几种定义

（1）最大理论数值孔径NAmax,t

NAmax,t的数学表达式为

式中

为光纤允许的最大入射角，

为周围介质的折射率，空气中为1，

和

分别为光纤纤芯中心和包层的折射率，

为相对折射率差。

最大理论数值孔径

NAmax,t由光纤的最大入射角的正弦值决定。

（2）远场强度有效数值孔径NA（NAeff）

远场强度有效数值孔径是通过测量光纤远场强度分布确定的，它定义为光纤远场辐射图上光强下降到最大值的5%处的半张角的正弦值。

CCITT（国际电报电话咨询委员会）组织规定的数值孔径指的就是这种数值孔径NA，推荐值为（0.18—0.24）±

0.02。

2、光纤数值孔径的测量

（1）远场光强法

远场光强法是CCITT组织规定的G.651多模光纤的基准测试方法。

该方法对测试光纤样品的处理有严格要求，并且需要很高的仪器设备：

强度可调的非相干稳定光源；

具有良好线性的光检测器等。

（2）远场光斑法

这种测试方法的原理本质上类似于远场光强法，只是结果的获取方法不同。

虽然不是基准法，但简单易行，而且可采用相干光源。

原理性实验多半采用这种方法。

其测试原理如图4所示。

L=50cm

He-Ne激光器

五维微调架

光纤耦合架633nm多模光纤

图3-1远场光斑法原理图白屏

1、切制处理好光纤光学端面

2、切制处理好光纤光学端面，然后按示意图3-1进行耦合操作

3、在暗室中将光纤出射远场投射到白屏上（最好贴上坐标格纸，这样更方便），测量光斑直径（或数坐标格），通过下面式子计算出数值孔径。

式子中k为一常数，可由已知数值孔径的光纤标定；

d为光纤输出端光斑的直径。

4、对于未知的K，我们可以由距离L和光斑直径d根据

=arctg（d/2L）求出

，再由NA=sin

求出NA的近似值。

实验四多模光纤插入损耗测试实验

1、了解光纤损耗的定义

2、学会用插入法测量多模光纤的损耗

1、测量多模光纤的衰减

2、测量多模光纤的损耗

1、ZY12OFCom23BH1型光纤通信原理实验箱1台

2、850nm光发端机1个

3、FC接口光功率计1台

4、万用表1台

5、ST-FC多模光跳线1根

6、FC-FC多模光跳线1根

7、扰模器1台

8、小可变衰减器（或3km光纤）1个

9、连接导线20根

1、损耗机理

在光纤的传输特性中，衰减是多模光纤和单模光纤共有的最重要的指标之一。

它表明了光纤对光能的传输损耗，对光纤通信系统的中继距离有着决定性的影响。

损耗的降低依赖于工艺的提高和对石英材料的研究。

本实验研究无源器件多模光纤的损耗。

对于光纤来说，产生损耗的原因较复杂，光能在光纤中传输时，除了由于吸收、散射而使光能损失外，由于成缆敷设造成的光纤微弯和宏弯曲，光纤的耦合和接续，都会使光能产生附加的损失。

归纳起来，产生衰减的原因大致可以分为三大类：

吸收损耗，散射损耗，附加损耗，具体如下：

（1）纤芯和包层物质的吸收损耗，包括石英材料的本征吸收和杂质吸收；

（2）纤芯和包层材料的散射损耗，包括瑞利散射损耗以及光纤在强光场作用下诱发的受激喇曼散射和受激布里渊散射；

（3）由于光纤表面的随机畸变或粗糙所产生的波导散射损耗；

（4）光纤弯曲所产生的辐射损耗；

（5）外套损耗。

这些损耗可以分为两种不同的情况：

一是石英光纤的固有损耗机理，像石英材料的本征吸收和瑞利散射，这些机理限制了光纤所能达到的最小损耗；

二是由于材料和工艺所引起的非固有损耗，它可以通过提纯材料或改善工艺而减小甚至消除其影响，如杂质的吸收、波导散射等。

光纤中平均光功率沿长度减少的规律为：

（4-1）

其中P（Z）和P（0）分别为轴向距离Z处和Z＝0处的光功率，α为光纤的衰减系数，定义为单位长度光纤引起的光功率衰减，单位是dB/km。

当Z=L时，

dB/km（4-2）

这里

表示在波长

处的衰减系数。

应用上式时，要特别注意两点：

（1）假定光纤沿轴向是均匀的，即

与轴向位置无关。

（2）对多模光纤，必须达到平衡模分布。

只有满足这样的条件，测得的衰减系数才能线性相加。

2、损耗测量

测量光纤损耗的方法很多，CCITT建议以剪断法为参考，插入法为第一替代法，背向散射法为第二替代法。

多模光纤损耗的测量，注入条件是头等重要的。

多模光纤中可以传输成百上千个模，由于耦合条件的不同，各模携带的初始能量亦不同，传播过程中，由于模变换、模耦合和模衰减，各模携带的能量比例不断变化，只有经过很长的传输距离后，各模传输能量的比例才能固定下来。

这时才达到了平衡模分布或稳态模分布。

也就是说光纤输出端的近场分布和远场分布不再随长度而变化。

随着光纤轴向均匀性的差异和光纤所处的状态不同，达到平衡模分布的长度也不一样，一般可从几百米到几千米不等。

显然，测量剪断后2m光纤的长度是远远达不到平衡模分布要求的。

为了满足测量的要求，必须加速平衡模分布建立的过程，就是说，要人为地控制注入条件和注入技术，使1～2m长光纤输出端的场分布接近平衡模分布。

注入技术采取的措施包括扰模器（scrambler）、滤模器（modefilter）和包层模剥除器（claddingstripper）等。

在实验系统测试多模光纤损耗时，采用CCITT推荐的以剪断法为测试方法，用小可变衰减器替代可调衰减的多模光纤，用柱状扰模器形成平衡模分布，测试实验框图如图4-1所示。

测试方法为首先用光纤跳线接850nm光发端机，经过扰模器扰模后测试得到A点处光功率P0，取下光功率计，接上待测光纤（小可变衰减器模拟），再用光功率计测试得到B点光功率P1，代入公式（4-2）即得多模光纤的损耗。

1、用连接线连接电终端模块T68（M）和T94（13_DIN）

2、将光终端模块的开关K43打拨到“数字”，BM1打拨到“850nm”

3、安装好850nm光发端机，用一根ST-FC多模光跳线一端接入850nm光发端机经扰模器扰模后与光功率计相连。

打开交流电源，打