光纤通信实验Word格式文档下载.docx
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实验目的：
⒈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
⒉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
⒊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
实验内容：
⒈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。
⒉根据P-I特性曲线，找出半导体激光器阈值电流。
实验器材：
⒈光纤通信原理实验箱1台
⒉光功率计1台
⒊FC/PC-FC/PC单模光跳线1根
⒋万用表1台
⒌连接导线20根
实验原理：
半导体激光二极管（LD）简称半导体激光器，它通过受激辐射发光，（处于高能级E2的电子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。
）是一种阈值器件。
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。
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，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。
半导体激光器具有高功率密度和极高量子效率的特点，微小的电流变化
会导致光功率输出较大变化，是光纤通信中最重要的一种光源；
它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，当输入电流小于Ith时，其输出光为非相干的荧光，类似于LED发出的光，当电流大于Ith时，输出光为激光，且输入电流和输出光功率成线性关系。
该实验就是对该线性关系进行测量，以测试半导体激光器的P-I线性关系。
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。
半导体激光器作为光纤通信中应用的主要光源，其性能指标直接影响到系统传输数据的质量，因此P-I特性曲线的测试了解激光器性能是非常重要的。
半导体激光器驱动电流的确定是通过测量串联在电路中的R110上电压值。
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，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。
实验步骤：
⒈将光发模块中的可调电阻W101逆时针旋转到底，使数字驱动电流达到最小值。
⒉⑴拨动双刀三掷开关BM1、BM2选择在中间档，即将R110与电路断开。
⑵用万用表测得R110电阻值，找出所测电压与半导体激光器驱动电流之间的关系（V＝I×
R110）。
⒊拨动双刀三掷开关，BM1选择到半导体激光器数字驱动，BM2选择到1310nm。
⒋旋开光发端机光纤输出端口（1310nmT）防尘帽，用FC-FC光跳线将半导体激光器与光功率计输入端连接起来。
⒌连接导线：
将T502与T101连接，将数字信号码型拨成10101010，10101010，10101010（推荐码型“1”与“0”个数相等，这样做的目的是将平均偏置电流调制到“0”与“1”的中间。
其他码型也可，但应尽可能将“0”与“1”的个数接近）。
⒍连接好实验箱电源，先开交流电源开关，再开直流电源开关，即按下K01，K02（电源模块），并打开光发模块（K10）和数字信号源（K50）的直流电源。
⒎用万用表测量R110两端电压（红表笔插T103，黑表笔插T104）。
⒏慢慢调节电位器W101，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。
⒐做完实验后先关闭光发模块电源（K10），然后依次关掉各直流开关（电源模块），以及交流电开关。
⒑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。
⒒将各仪器设备摆放整齐。
实验过程原始记录（数据、图表、波形等）：
图1-1LD半导体激光器P-I曲线示意图
U（mV）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
12
14
I（mA）
P（uW）
16
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
实验结果及分析：
通过本实验，学习了解半导体激光器发光原理和激光光源工作原理，掌握了半导体激光器P-I曲线的测试方法。
1.半导体激光器工作原理是：
激励方式，利用半导体物质（既利用电子）在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。
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，（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2.环境温度的改变对半导体激光器P-I特性的影响：
随着温度的上升，阈值电流越来越大，功率随电流变化越来越缓慢。
3.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是：
当注入电流较小时，激活区不能实现粒子束反转，自发发射占主导地位。
，激光器发射普通的荧光。
随着注入电流的增加，激活器里实现了粒子束反转，受激辐射占主导地位。
但当注入电流小于阈值电流时，谐振腔内的增益还不足以克服如介质的吸收、镜面反射不完全等引起的谐振腔的损耗时，不能在腔内建立起振荡，激光器只发射较强荧光。
只有当注入电流大于阈值电流时才能产生功率很强的激光。
光电检测器特性实验实验日期：
实验一⑵光电检测器特性实验
⒈学习光电检测器响应度及量子效率的概念；
⒉掌握光电检测器响应度的测试方法；
⒊了解光电检测器响应度对光纤通信系统的影响。
1.测试1310nm检测器I-P特性；
⒉根据I-P特性曲线，得出各检测器的响应度并计算其量子效率。
⒈ZYE4301G型光纤通信原理实验箱1台
⒉光功率计1台
⒊FC/PC-FC/PC单模光跳线1根
⒋万用表1台
⒌连接导线20根
在光纤通信工程中，光检测器（ptotodetector），又称光电探测器或光检波器，其作用原理是将入射光转化为电流或电压，以光子-电子的能量转换形式完成光的检测的过程。
最简单的光检测器就是p-n结，但它存在许多缺点，光纤通信系统中，较多采用p-i-n光电二极管（简称PIN管）及雪崩光电二极管（APD管），都是实现光电转换的半导体器件。
在给定波长的光照射下，光检测器的输出平均电流与入射的光功率平均值之比称响应率或响应度。
简言之，即输入单位的光功率产生的平均输出电流，R的单位为A/W或uA/uW。
其表达式为：
R＝IP/P（1-1）
响应率是器件外部电路中呈现的宏观灵敏特性，而量子效率是内部呈现的微观灵敏特性。
量子效率是能量为hυ的每个入射光子所产生的电子-空穴载流子对的数量：
（×
100％）（1-2）
上式中，e是电子电荷，υ为光的频率。
通过测试IP与P的关系，即可计算获得检测器的量子效率，其中光电检测器的量子效率与响应度的关系为：
（1-3）
在波长确定的情况下，通过测试得到一定光功率下检测器输出的电流，即可获得检测器的响应度及量子效率的大小，从而了解检测器的性能指标。
本实验目的就是通过测试1310nm收端机检测器的响应度，了解不同检测器响应度的差异。
实验箱中，使用的检测器为PIN光电二极管，用光功率计测试得到光发端机输出的平均光功率，然后再测试得到光收端机检测得到的响应电流，改变光发端机输出功率，作检测器端的I-P特性曲线，曲线斜率即为特定波长下的响应度。
响应电流的测定是通过运放，将检测器的电流信号，放大成电压信号后得到的，检测电压点为T123，即此测试点与接地点之间的电压V。
其放大系数为10000倍，即检测电流
I＝V/10000（1-4）
⒈PCM编译码模块T661与CPLD下载模块983连接，T980与1310nm光发模块输入端T101连接（通过CPLD模块产生一个4M的伪随机码，送入光发模块）。
⒉用FC-FC光跳线将1310nmT光发端与1310R光收端连接。
拨码开关BM1、BM2、BM3分别拨为：
数字、1310nm和1310nm，并且将跳线帽K121接1,2脚（K121接到上面，检测器的响应电流就转化为电压信号，通过T123表现出来；
同时不可带电拔插光电器件，以免激光不小心入眼或者射到皮肤上面）。
⒊接上交流电源线，先开交流开关，再开直流开关K01，K02，五个发光二极管全亮。
⒋接通PCM编译码模块（K60）、CPLD模块（K90）和光发模块（K10）的直流电源。
⒌用万用表监控R110两端电压（红表笔插T103，黑表笔插T104），调节半导体激光器驱动电流，使之为30mA，用万用表测试T123与电源模块中的地之间电压V，填入下表中，将1310nm光收端机端光纤取出，测试此时光功率并填入对应表格中。
⒍调节W101，减小驱动电流为下表中的数值，测试T123与地之间的电压，取出光纤测试光功率，填入对应表格中。
⒎依次关闭各直流电源、交流电源，拆除导线，将实验箱还原。
⒏将测得的电压，代入公式（1-4）中，计算得到检测器输出电流I，填入表格中。
驱动电流（mA）
25
15
测试电压V（V）
计算得到电流I（mA）
输出光功率P（uW）
本实验需要经常联接和断开光跳线与光检测器、光跳线与光功率计，使用时切忌用力过大；
同时不可带电拔插光电器件，以免激光不小心入眼或者射到皮肤上面.
模拟信号光纤传输实验实验日期：
实验二模拟信号光纤传输实验
⒈了解模拟信号光纤系统的通信原理
⒉了解完整的模拟信号光纤通信系统的基本结构
⒈各种模拟信号LD模拟调制：
三角波，正弦波，方波信号。
⒈ZYE4301G型光纤通信原理实验箱1台
⒉20MHz双踪模拟示波器1台
⒊万用表1台
⒋FC/PC-FC/PC单模光跳线1根
⒌连接导线20根
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也呈线性，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。
图2―1发光二极管模拟调制原理图
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―2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―2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LD光纤传输（如正弦波，三角波，方波信号），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―3所示。
半导体激光器的模拟调制，直接利用图2―2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。
图2―2LED模拟调制电路
图2―3模拟信号光纤传输系统框图
⒈连接导线：
模拟信号源模块T303与光发模块T111连接。
⒉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。
⒊将双刀三掷开关BM1、BM2和BM3分别拨到模拟、1310nm和1310nm，将K121接2，3脚。
⒋接上交流电源线，先开交流开关，再开直流开关K01，K02，五个发光二极管全亮。
⒌打开模拟信号源模块（K30）、光发模块（K10）的直流电源。
⒍半导体激光器驱动电流的确定是通过测量串联在电路中的R110上电压值。
为了测试更加精确，实验中先用万用表测出R110的精确值，计算得出半导体激光器的驱动电流：
⑴将光发模块中的可调电阻W101逆时针旋转到底，使数字驱动电流达到最小值；
⑵拨动双刀三掷开关BM1、BM2，将BM1、BM2选择在中间档，即将R110与电路断开；
⑶用万用表测得R110电阻值，找出所测电压与半导体激光器驱动电流之间的关系（V＝I×
⒎用万用表监控R110两端电压（红表笔插T103，黑表笔插T104），调节W112，使半导体激光器驱动电流小于25mA。
⒏调节模拟信号源模块电位器W306，使TP303波形幅度为2V。
⒐调节电位器W111和W121，使得TP121处波形幅度为2V且无明显失真，用示波器观察TP111，TP112和TP121波形，观察模拟信号光纤传输调制过程。
⒑将T303换成T302（三角波）或T301（方波）——只做其中一种即可，观察各测试点波形效果。
⒒依次关闭各直流电源、交流电源，拆除导线，拆除各光学器件，将实验箱还原。
这个实验虽然在实验室没有做,但是课后查询些资料了解到:
光纤传输系统能传输数字信号，因为光纤传输的是光能量.像我们所说的光功率.一台光源发出光信号并有一定的功率可以支持传输到终端.光源或者说这个一定功率的光信号则是一个载体.在传输前需要将数字信号调制进去.也就是附加在光信号上面.这时数字信号通过光纤进行传播.当然,传至终端的时候.则需要另一个解调器.将数字信号还原成我们可识别的信息继续进行传播。
LD就是背光源发光液晶电视，缺点是屏幕厚度大，制造工艺复杂，发光是整体发光技术，耗电量大，黑色背景显示失真。
LED的背光源采用了LED发光二级管，屏幕厚度只有2结厘米，耗电小，发光技术是有画面的地方才发光，黑色画面不会失真，缺点是新上市产品价格虚高，估计半年或一年后价格会缩水50%并全面取代LCD电视。
通过本次实验了解了模拟信号光纤系统的通信原理，了解了完整的模拟信号光纤通信系统的基本结构。
数字信号光纤传输实验实验日期：
实验三数字信号光纤传输实验
⒈了解数字信号光纤传输系统的通信原理
⒉掌握完整数字光纤通信系统的基本结构
观察各种数字信号在LD（1310nm）光纤传输系统中的波形
⒊万用表1台
数字信号的光源驱动电路与模拟驱动电路原理有一定区别。
半导体激光器是利用其在有源区中受激发射的器件，只有在工作电流超过阈值电流的情况下，才会输出激光（相干光），因而是有阈值的器件。
图3-1为LD的P-I特性曲线及调制波形，图中的Ith为LD的阈值电流。
由图可见调制LD光源器件发光必须是直流偏置电流Ib和信号电流（即调制电流Im）的共同作用。
图3-1LD的P-I特性曲线与调制波形
本实验利用光纤对各种数字信号进行传输，以了解和熟悉光纤传输数字信号系统的组成。
用双踪示波器观察光发模块与光接收模块各点的波形，并进行比较。
数字信号有脉冲信号、NRZ码，CMI码。
图3-2数字信号光纤传输系统组成框图
数字信号光纤传输系统组成框图如图3-2所示，对原始数字信号产生模块的信号进行各种不同方式的编码和译码，然后通过光纤传输，在测试端口观测输出端的信号波形，并且比较发光二极管的数字驱动与半导体激光器数字驱动效果的异同。
在电路驱动上，数字驱动电路采用射极耦合驱动电路。
所有数字信号先经过电平转换，进行直流偏置后直接幅度调制到激光器中。
其驱动电路如图3-3所示。
图3-3数字信号光纤传输系统组成框图
⒈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，组成1310nm光纤传输系统。
⒉连接导线：
数字信号源T504与光发模块T101连接，将数字信号源模块K511拨到上面（拨上面，则码型速率为64KHz；
拨下面，则码型速率为256KHz）。
⒊将双刀三掷开关BM1、BM2和BM3分别拨到数字、1310nm和1310nm，将K121接2，3脚。
⒋接上交流电源线，开交流开关，再开直流开关K01，K02，五个发光二极管全亮。
⒌接通数字信号源模块（K50）、光发模块（K10）的直流电源。
⒍用万用表监控R110两端电压（红表笔插T103，黑表笔插T104），调节半导体激光器驱动电流（W101），使之小于25mA。
（调节方法见实验二）
⒎调节电位器W121，使得TP121处波形幅度大小适中，用示波器观察TP101，TP102和TP121波形，观察数字信号光纤传输调制过程。
⒏将数字信号源模块K511接2，3脚（接1，2脚为64K伪随机码，2，3脚为256K伪随机码），观察各点波形变化。
⒐改变数字信号源模块拨码开关状态，观察各测试点波形变化。
⒑依次关闭各直流电源、交流电源，拆除导线，拆除各光学器件，将实验箱还原。
数字信号的光源驱动电路与模拟驱动电路原理有一定区别。
由实验结果图可见调制LD光源器件发光必须是直本实验利用光纤对各种数字信号进行传输，以了解和熟悉光纤传输数字信号系统的组成。
流偏置电流Ib和信号电流（即调制电流Im）的共同作用。
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