光纤通信实验指导书学生用书Word格式.docx
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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。
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
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
1.6
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
3
4
6
7
I（mA）
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
P（uW）
0.04
0.17
13.5
35.4
60.5
86.1
109.7
135
9
10
12
14
16
18
20
22
9.0
10.0
12.0
14.0
16.0
18.0
20.0
22.0
159
182
230
276
317
365
411
455
24
26
28
30
32
34
36
38
24.0
26.0
28.0
30.0
32.0
34.0
36.0
38.0
495
535
573
608
636
665
695
730
表1-2LD的P-I特性测试表
六、实验结果
以上的数据仅供参考，LD的阈值电流Ith一般在3～10mA比较正常。
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、根据所画出的P-I特性曲线，找出半导体激光器阈值电流Ith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。
实验二数字光纤通信系统线路码型CMI编译码实验
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
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
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
4、连接导线20根
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
01
10（连“0”模式不变）
00
11
表2-1二电平码变为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2-1所示。
观察各点波形以理解CMI编译码规则。
图2-1CMI编译码实验框图
以下是原理图分析：
图2-2CMI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2-3CMI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”。
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“”。
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。
注释：
此波形为未进行CMI编码前的数据波形
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“”，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。
此时选择的编码方式为扰码+CMI编译码的方式。
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
通道一T82（D_I）编码输入信号波形通道一T85（D_O）译码输出信号波形
通道二T92（15_DIN）编码输出信号波形通道二T89（15_DOUT）解码输入信号波形
七、思考题答案
1、简述CMI编译码电路的原理。
2、记录各点的波形进行分析，验证CMI编译码原理的正确性。
八、思考题答案
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？
实验三光发射机性能测试实验
1、了解数字光发端机输出光功率的指标要求
2、掌握数字光发端机输出光功率的测试方法
3、了解数字光发端机的消光比的指标要求
4、掌握数字光发端机的消光比的测试方法
1、测试数字光发端机的输出光功率
2、测试数字光发端机的消光比
3、比较驱动电流的不同对输出光功率和消光比的影响
5、850nm光发端机（可选）1个
6、ST-FC多模光跳线（可选）1根
7、连接导线20根
光发送机是数字光纤通信系统中的三大组成部分（光发送机、光纤光缆、光接收机）之一。
其功能是将电脉冲信号变换成光脉冲信号，并以数字光纤通信系统传输性能所要求的光脉冲信号波形从光源器件组件的尾纤发射出去。
根据光纤在0.85um、1.31um或1.55um附近呈现低损耗的特性，结合半导体发光材料，其辐射波长能够覆盖上述范围的是GaAs化合物。
光源驱动电路是光发送机的主干电路，它将电脉冲信号通过电流强度的调制方式调制半导体激光器或者发光二极管发射出光脉冲信号。
一个性能十分完善的光发送机，一方面是需要能够适应数字光纤通信特点的性能先进的光源器件，另一方面就是根据光源器件的应用特性采用先进的电子线路技术进行恰到好处的控制与防范。
这就是光发送机除了一定要有整形或码型变换电路、光源驱动电路和发射光源以外，还可能要有自动功率控制、自动温度控制和各种保护电路的原因。
光发送机的指标有如下几点：
1、输出光功率：
输出光功率必须保持恒定，要求在环境温度变化或LD器件老化的过程中，其输出光功率保持不变，或者其变化幅度在数字光纤通信工程设计指标要求的范围内，以保证其数字光纤通信系统能长期正常稳定运行。
输出光功率是指给光发端机的数字驱动电路送入一伪随机二进制序列作为测试信号，用光功率计直接测试光发端机的光功率，此数值即为数字发送单元的输出光功率。
输出光功率测试连接如图3-1所示。
图3-1输出光功率测试连接示意图
根据CCITT标准，信号源输出信号为表3-1所规定的要求。
数字率（kbit/s）
伪随机测试信号
2048
215－1
8448
34368
223－1
表3-1信号源输出信号要求
2、消光比：
消光比定义式如下式3-1，P0是给光发端机的数字驱动电路发送全“0”码，测得的光功率，P1是给光发端机的数字驱动电路发送全“1”码，测得的光功率，将P0，P1代入公式：
（3-1）
即得到光发端机的消光比。
消光比的值与光源工作电流有一定的关系，一般当发送“0”时，工作电流应在阀值附近，实验时可调节相应的驱动电流值。
光通信系统一般要求消光比越大越好，但是不可过大或过小，消光比太大，即预偏置电流太小或没有，影响通信系统传输速率；
消光比太小，则调制深度浅，有用光功率比例减小，影响系统灵敏度。
3、光脉冲的响应时间
及开通延迟时间
必须远小于每个码元的时隙，以便使光脉冲成为传输数字信号的准确重现。
4、输出光脉冲无张弛振荡和自脉动
当调制速率较高时，输出光脉冲可能会出现张弛振荡。
这时必须在电路上加以阻尼，以便使光发送机能正常工作。
输出光脉
升级会员 