光纤实验Word下载.docx
《光纤实验Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光纤实验Word下载.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
图8-1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8-1。
（8-1）
ΔP/ΔI就是图8-1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8-1LD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
0.4
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8-1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8-2，R110（1Ω）与激光器串联。
图8-2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。
六、实验报告
LD的P-I特性测试表
U（mV）
1
3
4
6
7
I（mA）
0.56
1.11
1.67
2.22
2.78
3.33
3.89
4.44
P（uW）
0.061
0.126
0.147
0.458
0.871
1.126
1.505
1.833
9
10
12
14
16
18
20
22
5.0
5.56
6.67
7.78
8.89
10.0
11.11
12.21
2.161
2.472
3.101
3.739
4.371
4.985
5.741
6.343
24
26
28
30
32
34
36
38
13.31
14.45
15.52
16.63
17.74
18.85
20.0
21.1
6.975
7.559
8.295
8.915
9.393
9.652
9.846
10.48
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。
由上图可知，阀值电流Ith
=1.67mA
左右
3、根据P-I特性曲线，求出半导体激光器的斜率效率。
半导体激光器的斜率K=△P/△I=0.00507W/A
4.在误差允许范围内结果是正确的
七、思考题
1、试说明半导体激光器发光工作原理。
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特性有何影响？
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、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。
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。
实验九发光二极管P-I特性测试曲线
1、学习发光二极管的发光原理
2、了解发光二极管平均输出光功率与注入电流的关系
3、掌握发光二极管P（平均发送光功率）-I（注入电流）曲线的测试
1、测量发光二极管平均输出光功率和注入电流，并画出P-I关系曲线
2、根据P－I特性曲线，计算发光二极管斜率效率
3、850nm光发端机（HFBR-1414T）1个
4、ST-FC多模光跳线1根
5、万用表1台
6、连接导线20根
半导体光源主要有半导体发光二极管（LED）和半导体激光器（LD）两种。
LD已经在上一个实验介绍过，本实验主要是介绍LED。
半导体发光二极管（LED）是利用半导体P-N结自发发射原理发光的器件的统称。
商品发光二极管种类很多，电信仪表与家电产品的半导体指示灯也是半导体发光二极管。
光纤通信专用半导体发光二极管的特点是高亮度、高响应速度，其制造工艺与价格与半导体指示灯有所不同。
发光二极管（LED）结构简单，是一个正向偏置的PN同质结，电子-空穴对在耗尽区辐射复合发光，称为电致发光。
发光二极管（LED）发射的不是激光，输出功率较小、具有较宽的谱宽（30～60nm）、发射角较大（≈100°
）、与光纤的耦合效率较低。
其优点是：
寿命很长，理论推算可达108至1010小时，其次是受温度影响较小，输出光功率与注入电流的线性关系较好，价格也比较便宜，驱动电路简单，不存在模式噪声等问题。
半导体发光二极管（LED）可以做为中短距离、中小容量的光纤通信系统的光源。
对于发光二极管（LED）而言，自发辐射产生的功率是由正向偏置电压产生的注入电流提供的，当注入电流为I，工作在稳态时，电子-空穴对通过辐射和非辐射复合，其复合率等于载流子注入率I/P，其中发射电子的复合率决定于内量子效率ηint，光子产生率为（Iηint/P），因此LED内产生的光功率为
（9-1）
式中，
为光量子能量。
假定所有发射的光子能量近似相等，并设从LED逸出的功率内部产生功率的份额为
，则LED的发射功率为
（9-2）
图9-1LED发光二极管P-I曲线示意图
ηext亦称为外量子效率。
由9-2式可知，LED发射功率P和注入电流I近似成正比。
这说明LED的P-I曲线线性度好，调制时动态范围大，信号失真小。
该实验测量其电光转换特性（P-I特性），工作电流不同的时候，输出功率也不同，基本上是成线性关系。
本实验选用的半导体发光二极管是安捷伦公司的HFBR0400系列的HFBR1414T。
其型号所代表的意思如下：
其中心波长为820nm，接头为ST型。
实验中发光二极管电流的确定通过测量串联在电路中R110的电压值。
实验中先用万用表测出R110的精确值，计算得出发光二极管的驱动电流，然后用光功率计测得一定驱动电流下发出的光功率，从而完成P-I特性的测试。
1、用导线连接电终端模块T68（M）和T94（13_DIN）
2、将开关BM1拨为850nm,将开关K43拨为“数字”，将电位器W44逆时针旋转到最小。
3、装好850nm光发射机（850nmT），用ST-FC光纤跳线将LED（发端为TX，收端为RX）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850nm档。
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，精确到0.1uW。
9、做完实验后先关闭交流电开关。
25
35
40
15.0
25.0
30.0
35.0
40.0
1.067
5.352
11.28
18.54
25.67
32.05
39.46
45.95
LED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、根据实验记录数据，画出相应的光功率与注入电流的关系曲线
八、思考题
1、说明发光二极管工作原理，比较分析发光二极管与半导体激光器发光原理的区别。
答：
工作原理：
发光二极管简称LED，采用砷化镓、镓铝砷、和磷化镓等材料制成，其内部结构为一个PN结，具有单向导电性当在发光二极管PN结上加正向电压时，PN结势垒降低，载流子的扩散运动大于漂移运动，致使P区的空穴注入到N区，N区的电子注入到P区，这样相互注入的空穴与电子相遇后会产生复合，复合时产生的能量大部分以光的形式出现，因此而发光。
区别：
LED没有谐振腔，LD有谐振腔。
LD工作原理是基于受激辐射、LED是基于自发辐射。
LD发射功率较高、光谱较窄、直接调制带宽较宽，而LED发射功率较小、光谱较宽、直接调制带宽较窄。
2、环境温度的改变对发光二极管P-I特性曲线有何影响？
当温度升高时，同一电流下的发射功率要降低
3、发光二极管P-I特性曲线是否严格线性？
为什么？
LED的P-I关系特性曲线基本上是一条近似的线性直线，但当电流过大时，曲线比较平坦，也就是功率增加不是线性的了，这是由于PN结发热产生饱和现象，使P-I曲线的斜率减小。
实验十六模拟信号光纤传输实验
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
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：
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
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16-1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21-3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16-3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16-2所示。
半导体激光器的模拟调制，直接利用图16-3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16-3LED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16-4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。
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，使得正弦波幅度在4V以下。
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20V且无明显失真。
7、用双踪示波器的两个探头同时测量TP108和TP108（LT）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6、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。
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（13OUT）探测器的接收信号测试端
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。
TP10正弦波
TP114正弦波
TP108和TP114正弦波
TP10三角波
TP108与TP114三角波
TP108与TP114
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。
光纤传输过程是由发光二极管LED或注入型激光二极管ILD发出光信号沿光媒体传播，在另一端则有PIN或APD光电二极管作为检波器接收信号。
对光载波的调制为移幅键控法，又称亮度调制典型的做法是在给定的频率下，以光的出现和消失来表示两个二进制数字。
发光二极管LED和注入型激光二极管ILD的信号都可以用这种方法调制，PIN和ILD检波器直接响应亮度调制。
LED的调制效果好一点
3、对实验结果以及实验结果的分析正确。
在误差允许范围内结果是正确的
1、光纤传输系统能否传输数字信号，为什么？
能，在光纤传输系统有一个发射系统，一个接收系统，发射系统可以通过电压去控制发光强度，而接收系统根据传输的光的强度的不同，如取一个临界值，大于它输出为1，小于则为0，从而实现了数据的传输。
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。
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-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。
出师表
两汉：
诸葛亮
先帝创业未半而中道崩殂，今天下三分，益州疲弊，此诚危急存亡之秋也。
然侍卫之臣不懈于内，忠志之士忘身于外者，盖追先帝之殊遇，欲报之于陛下也。
诚宜开张圣听，以光先帝遗德，恢弘志士之气，不宜妄自菲薄，引喻失义，以塞忠谏之路也。
宫中府中，俱为一体；
陟罚臧否，不宜异同。
若有作奸犯科及为忠善者，宜付有司论其刑赏，以昭陛下平明之理；
不宜偏私，使内外异法也。
侍中、侍郎郭攸之、费祎、董允等，此皆良实，志虑忠纯，是以先帝简拔以遗陛下：
愚以为宫中之事，事无大小，悉以咨之，然后施行，必能裨补阙漏，有所广益。
将军向宠，性行淑均，晓畅军事，试用于昔日，先帝称之曰“能”，是以众议举宠为督：
愚以为营中之事，悉以咨之，必能使行阵和睦，优劣得所。
亲贤臣，远小人，此先汉所以兴隆也；
亲小人，远贤臣，此后汉所以倾颓也。
先帝在时，每与臣论此事，未尝不叹息痛恨于桓、灵也。
侍中、尚书、长
升级会员 