北交大通信工程综合实验光纤.docx

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北交大通信工程综合实验光纤

通信工程综合实验

实验报告

●光纤传输系统实验

学院：

班级：

姓名：

学号：

组员：

日期：

2016/4

第7章光无源器件特性测试

实验三无源光耦合器特性测试

1、实验目的

（1）了解光耦合器的工作原理及其结构

（2）掌握光耦合器的正确使用方法

（3）掌握光耦合器的主要特性参数的测试方法

2、实验环境及相关设备

（1）JH5002A+型光纤通信原理实验箱1台

（2）光功率计1台

（3）FC/PC光纤活动连接器2个

（4）FC/PCY型光分路/合路器（分光比10：

90）1个

3、实验基本原理

光耦合器又称为光定向耦合器，用于对光信号实现分路、合路、插入和分配，其工作机理是光波导间电磁场的相互耦合

1）光耦合器的分类

光耦合器的种类很多，最基本的耦合器可以实现两波耦合。

从结构上看，两个入口的光耦合器有如下几种类型。

第1类光耦合器件为微光元件型，这种类型多数采用自聚焦透镜为主要的光学构件，利用λ/4的自聚焦透镜可以把汇聚或发散的光线变成平行光线，也可以把平行光线变成汇聚或发散的光线，这一特点可以用来实现两束光线的耦合。

第2类光耦合器件是利用光纤熔锥成形，用两根以上的光纤经局部加热融合而成，首先去掉光纤的覆层，再在熔融拉伸设备上平行安装两根光纤，局部加热融合，并渐渐将融合部分直径从200μm左右拉伸到20~40μm左右。

由于这种细芯中的光场渗透到包层中，两个纤芯之间就会产生光的耦合，控制拉伸的程度即可以控制耦合比，附加损耗和分光比由光纤选型和熔融拉伸工艺所决定，借助计算机的精密控制，自动熔融拉伸设备可不间断地监测分光比和拉伸量，使制得的光纤耦合器平均插入损耗达0.1dB一下，分光比精度达1%一下。

星型耦合器是这种结构最典型的一种形式，如图7-15所示。

第3类光耦合器件采用光纤磨抛技术，将两根光纤磨抛后的楔形斜面对接胶黏，再与另一根光纤的端面黏结。

其附加损耗可以低于1dB，隔离度大于50dB，分光比可由1：

1至1：

100。

第4类光耦合器件用平面波导技术实现，运用先进的平面薄膜光刻、扩散工艺，可得到一致性好、分光比精度也高的光耦合器，但耦合到光纤的插入损耗较大。

在上述各类光耦合器中，熔锥型光纤耦合器制作方便，容易与外部光纤连接，能耐受较高的机械振动和温度变化，且价格便宜，因此这种类型的光耦合器件应用最多。

2）2×2单模光纤耦合器的结构

2×2单模光纤耦合器方框图如图7-16所示

2×2单模光纤耦合器按应用目的可分别制成性能不同的两类器件，一类是光分路器/合路器，另一类是波分复用器（又称光分波器/合波器）。

光分路器/合路器工作于一个波长，对光信号实现分路、合路；而波分复用器则工作于两个或两个以上不同的波长，实现不同波长光信号的合路或根据波长进行光信号的分路。

3）光分路器/合路器的性能指标

当光分路器/合路器工作于一个波长时，假设光源接于端口1，则光功率耦合到端口3和2，几乎没有光功率折返过来耦合到端口4；而当光源接于端口4时，也几乎没有光功率折返过来耦合到端口1。

另外，根据器件的光路可互异性，端口1、4可以与端口2、3对调。

这种耦合器的技术指标如下。

（1）工作波长λ，通常取1310nm或1550nm

（2）附加损耗Lf

式中，P1——注入端口1的光功率

P2，P3——分别为端口2、3输出的光功率。

良好的2×2单模光纤耦合器的附加损耗可小于0.2dB。

（3）分光比（或分束比）

分光比的比值大小可以根据应用要求而定。

（4）分路损耗

（5）反向隔离度

通常要求

。

4、实验内容及步骤

该实验可在试验箱左边上方的1310nm光端机发送模块或右边上方的1550nm光端机发送模块上各自独立进行。

主要是对光分路/合路器性能指标进行测试，做实验前做好准备工作，按图7-17连接好测试设备，连接尾纤、连接器和光无源器件时要注意定位槽方向。

（选用的是1550nmLD，与示意图略有不符）

1）电路部分操作

2）光路部分操作

3）打开实验箱操作电源开关

4）输入端至各支路输出端分路损耗的测量

用光功率计测量1550nm光源经尾纤输出在“a”点的光功率Pa，然后将信号接入光分路器的输入端口；用光功率计测量支路一（“b”点）光功率Pb及支路二（“c”点）光功率Pc，记录测量结果并将测试数据分别填入以下两表，计算光分路器各支路分路损耗值。

50%光分路器分路损耗

输入功率/dBm

输出功率/dBm

插入损耗/dB

Pa：

-0.68

Pb：

-3.68

3

Pa：

-0.68

Pc：

-3.77

3

5）分光比测量

在上述测量条件下，用光功率计再次测量光功率Pb及Pc。

记录测量结果，填入表，计算光分路器的分光比。

50%光分路器分光比

输出功率/dBm

总输出功率/dBm

计算分光比/%

Pb：

-3.58

-0.71

50.52

Pc：

-3.77

-0.71

49.48

6）波长特性测量

分析1310nm波长分路器使用1550nm波长时对分路损耗和分光比的影响，根据测试数据填写下表，计算分路损耗和分光比，分析波长的变化对分路及分光比的影响。

表——波长特性测量

输入功耗/dBm

输出功率/dBm

分路损耗/dB

Pa：

-0.68

Pb：

-1.69

1

Pa：

-0.68

Pc：

-7.76

7

输出功率/dBm

总输出功率/dBm

计算分光比/%

Pb：

-1.69

-0.73

80.2

Pc：

-7.76

-0.73

19.8

7）合波定向特性测量

按下图连接好测试设备。

连接尾纤、连接器和光无源器件时注意定位销的方向。

用光功率计测量1550nm光源经尾纤输出在支路一（“a”点）的光功率Pa，然后用光功率计测量光合路输出（“b”点）的光功率Pb，用光功率计在支路二（“c”点）测量返回的光功率Pc，根据上述测量数据，将测量结果填入下表，计算光合路回波损耗。

合波定向特性测试

支路—输入功率/dBm

输出功率/dBm

计算损耗/dB

Pa：

-0.68

定向输出Pb：

-3.50

2.82

Pa：

-0.68

返回输出Pc：

-22.74

22

5、思考题

（1）合波定向特性测试说明了什么问题？

答：

合成波定向特性测试说明一路损耗中的插入损耗几乎等于附加损耗与分光比损耗的和，但是这并不意味着插入损耗包含这两者。

（2）波长的变化对光分路损耗和分光比有何影响？

答：

光分路器的分光比与传输光的波长有关，例如一个光分路在传输1.31微米的光时两个输出端的分光比为50：

50；在传输1.5μm的光时，则变为70：

30（之所以出现这种情况，是因为光分路器都有一定的带宽，即分光比基本不变时所传输光信号的频带宽度）。

所以在订做光分路器时一定要注明波长。

第八章光纤传输系统

实验一激光器P-I特性测试

1、实验目的

（1）学习半导体激光器发光原理

（2）了解半导体激光器平均输出光功率与注入电流的关系

（3）掌握半导体激光器P-I曲线的测试及绘制方法

2、实验环境及相关设备

JH5002A+型光纤通信实验系统1台，光功率计1个，万用表1个

3、实验基本原理

半导体激光器的输出光功率与驱动电流的关系（激光器的功率特性）如下图所示，该特性有一个转折点，相应的驱动电流称为门限电流（或阈值电流），用

表示。

在门限电流以下，激光器工作于自发发射，输出荧光功率很小，通常小于1nW；在门限电流以上，激光器工作于受激发射，输出激光，功率随电流迅速上升，基本上成直线关系。

激光器的电流与电压的关系相似于正向二极管的特性，如下图所示，但由于双异质结包含两个PN结，所以在正常工作电流下激光器两级间的电压约为1.2V。

P-I特性是选择半导体激光器的重要参数。

在选择半导体激光器时，应选阈值电流

尽可能小，

对应功率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。

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。

一般用注入电流值来标定阈值条件，也就是阈值电流

标定阈值条件，当输入电流小于

时，其输出为非相干的荧光，类似于LED发出的光，当电流大于

时，则输出光为激光，并且输入电流和输出光功率近似线性的关系，本实验就是对该近似的线性关系曲线进行测量，以验证P-I的线性关系。

在实验中所用到的半导体激光器，其输出波长分别为1310nm和1550nm，带有尾纤及FC型接口活动性连接器，通过FC-FC法兰盘与外部光跳线相连。

实验中半导体激光器工作于模拟信号方式，电流的确定通过电路中串联的电流表测量。

4、实验内容及步骤

测量半导体激光器功率和注入电流的关系，并画出P-I关系曲线。

以下实验步骤可在实验箱左上方的1310nm光端机发送模块和右上方的1550nm光端机发送上各自独立进行。

选择1550nm光端机发送模块

1）电路部分操作

测得电流5.69mA

2）光路部分操作

（1）

（2）（3）略

（4）将“模拟偏置”电位器顺时针方向缓慢调节，使送入激光器的直流偏置电流逐渐增大，在可调范围内观察电流表的电流变化和光功率计读数的变化过程。

（5）缓慢细致地从头调节电位器WS05，使所测得的电流从最小值开始，以1mA为间隔取整数值填入下表，依次测量对应的光功率值，并将测得的数据填入表中。

光功率测试值

序号

1

2

3

4

5

6

7

8

I/mA

5.82

6.82

7.82

8.82

9.82

10.82

11.82

12.82

P/uW

0.22

0.31

0.47

0.83

6.50

29.72

61.24

87.50

P/dBm

-36.64

-35.10

-33.28

-30.83

-21.87

-15.27

-12.13

-10.58

序号

9

10

11

12

13

14

15

I/mA

13.82

14.82

15.82

16.82

17.82

18.82

19.82

P/uW

117.76

148.94

184.50

207.01

235.50

266.07

298.54

P/dBm

-9.29

-8.27

-7.34

-6.84

-6.28

-5.75

-5.25

（6）略

5、思考题

（1）分别画出1310nm激光器或1550nm激光器的P-I曲线，并加以分析

（2）整理所有实验数据，参考图画出P-I曲线

（3）说明所测试的激光器的阈值电流大约数值

答：

通过观察发现

在9mA到10mA之间。

分别对其前四个点和后十个点添加线性趋势线并显示公式，联立求解得

（9.8365,0.9582）即阈值电流约为9.8365mA。

（4）激光器的阈值电流对光信号传输有何影响？

答：

阈值是所有激光器的属性，它标志着激光器的增益与损耗的平衡点，即阈值以后机关器才开始净增益。

只有谐振腔内的增益达到能够克服损耗，才能建立起稳定的光振荡，输出谱线尖锐，方向性好的激光，而增大增益的方法就是加大半导体激光器的注入电流，因此阈值的大小决定着器件的功耗，也就决定着器件的连续工作时间和使用寿命：

阈值电流低，功耗低，连续工作时间长，使用寿命长，工作稳定性高。

如果阈值高，则同时要提高信号中的直流分量，才能减少信号的失真，提高调制性能，而且从功耗的角度来讲，直流成分高的系统其功耗一定高，这样对系统运行的稳定性是一个影响。

实验二光发信机接口指标测试

1、实验目的

（1）了解数字光发端机平均发送光功率的指标要求，并掌握测试方法

（2）了解数字光发端机消光比的指标要求，并掌握测试方法

2、实验环境及相关设备

JH5002A+型光纤通信实验系统、光功率计、FC-FC光跳线、万用表

3、实验基本原理

平均发送光功率是指在外加伪随机二进制序列作为测试信号的情况下，用光功率计在数字光发信机输出光接口处直接测试得到光功率，此数值即为数字光发信机的平均发送光功率。

采用伪随机码型可使发送数码具有“1”，“0”等概率的特点。

平均发送光功率与输入码型有关，NRZ码与RZ码相比，其占空比分别为100%、50%，因而NRZ码的平均光功率比RZ码大一倍，即3dB。

另外，平均发送光功率是在额定偏置电流和调制电流条件之下测得的，否则结果会有偏差。

消光比是指数字驱动电路输入为全“1”码时光发信机的平均发送光功率P1，与数字驱动电路输入为全“0”码时光发信机的平均发送光功率P0之比的对数表达值，将测得的光功率P1、P0代入下式即得到光发送机的消光比：

光通信系统消光比太大，说明此时预偏置电流太小或没有，调制电流的增大要先经过低于LD阈值的一段区域才能进入激射区，这时会出现较大的时延，影响光通信系统的传输速率；消光比太小，则调制深度浅，这时会出现平均发送光功率很大而“1”“0”码对应的光功率值却不大的情况，使接收端有用的光功率摆幅减小，因而影响系统的接收灵敏度。

4、实验内容及步骤

1）光发信机平均发送光功率测试

（1）

（2）实验箱配置连线（略）

（3）将光功率计根据实际测试的波长调到1310nm或1550nm档（采用1550nm）

（4）连接测试线，即取实验测试线一根，一端连接数字电路模块，另一端连接1550nm光发信机的“数字输入”接口，向光发信机送入“1”“0”等概率的数字信号。

（5）打开电源。

用光功率计测量此时光发信机的光功率，即为光发信机的平均发送光功率，注意记录光发信机的平均光功率3次，取平均值。

1

2

3

平均

P/dBm

-2.25

-2.22

-2.18

-2.217

P/mW

0.5957

0.5998

0.6053

0.6003

（6）关闭电源

2）数字光发信机的消光比测试

（1）保持实验内容1）部分必要的实验测试状态

（2）将光发信机“数字输入”旋钮上方的输入选择跳线开关置于“ALL0位置”，此时将直流低电平送入光发信机，激光器所得到的码型为全“0”码。

测得此时光发信机输出的光功率为P0

（3）将光发信机“数字输入”旋钮上放的输入选择跳线开关置于“ALL1”位置，此时将直流高电平送入光发信机，激光器多得到的码形为全“1”码。

测得此时光发信机输出的光功率为P1

（4）计算消光比

P0=-2.23dBm=0.5984mW

P1=-0.31dBm=0.9311mW

ETX=1.92

（5）关闭电源

5、思考题

光纤通信系统中的消光比的大小对系统传输特性有何影响？

为什么？

答：

光通信系统消光比太大，说明此时预偏置电流太小或没有，调制电流的增大要先经过低于LD阈值的一段区域才能进入激射区，这时会出现较大的时延，影响光通信系统的传输速率；消光比太小，则调制深度浅，这时会出现平均发送光功率很大而“1”“0”码对应的光功率值却不大的情况，使接收端有用的光功率摆幅减小，因而影响系统的接收灵敏度。

第9章光波分复用传输系统

实验一光波分复用器特性测试

1、实验目的

（1）了解光波分复用器的工作原理及其结构

（2）掌握光波分复用器的特性参数测试和正确使用方法

2、实验环境及相关设备

JH5002A+型光纤通信原理实验箱1个

光功率计1台

1310/1550光波分复用器2只

FC/PC光纤跳线4根

3、实验基本原理

1）光纤传输系统的构成

在做实验前，需要对波分复用器的基本原理及其性能有初步的了解，波分复用光纤传输系统如下图所示。

当该传输系统工作于两个不同的波长时，假设端口1注入的光波是由波长λ1、λ2两个光波合成的，则光波经波分复用器内部传输后，λ1只能从端口2、3中一个待定的端口输出，而光波λ2只能从另一个特定的端口输出。

作为波分复用器的单模光纤耦合器可单向运用，也可双向运用。

在单向运用时，两个不同波长的光波分别从端口2、3注入，则端口1有两个波长的合成光波输出，这是合波器；反之，两个不同波长的合成光波从端口1注入，端口2、3分别有一个波长的光波输出，这是分波器。

合波器和分波器分别应用在波分复用光纤传输系统的发送端和接收端。

在双向运用时，正方向和反方向传输的光波的波长不同，两个波分复用器分别置于双向光纤传输系统的两端，在这种情况下，波分复用器起的作用是波长隔离作用。

双向光纤传输系统如下图。

波分复用器的合波状态应用较多，例如，在掺饵光纤放大器中将980nm或1480nm波长的泵浦光与1550nm波长的信号光合成起来注入掺饵光纤。

2）波分复用器主要技术指标

（1）工作波长λ1、λ2。

本实验系统的工作波长λ1、λ2分别为1310nm和1550nm。

（2）插入损耗

。

根据图9-1，发端波分复用器插入损耗的定义为：

或

（9-1）

从式（9-1）可知，当工作波长为λ1时，插入损耗就是波长为λ1的输入光功率P1与输出光功率P2之比的分贝数，当工作波长为λ2时，插入损耗就是波长为λ2的输入光功率P1与输出光功率P3之比的分贝数。

良好的波分复用器的插入损耗可小于0.5dB。

（3）波长隔离度

：

是指一个波长的光功率串扰另一个工作波长的输出串扰程度，一般用分贝数来描述。

值一般应达到20dB以上。

波长隔离度的定义为：

（4）光谱响应范围△λ：

通常指插入损耗小于某一容许值的波长范围，要根据应用要求而定。

除此以外还有机械性能和温度性能指标。

一个典型的1.31um/1.55um熔锥型单模光纤波分复用器的谱损耗曲线如图9-3所示。

（5）波分复用器的光串扰：

波分复用器的光串扰测量原理框图如图9-4所示。

在图9-4中，波长分别为1310nm和1550nm的光信号经波分复用器合波复用后输出的光功率分别为P1、P2，经解复用后，将各输出端口不同波长的光功率记为Pmn。

其中，m表示端口特定的理论输出波长，m=1表示1310nm，m=2表示1550nm；而n表示实际输出的波长与端口理论波长的匹配状况，n=1表示匹配，n=2表示不匹配。

因此匹配情况是从1310nm窗口输出1310nm的光功率，记为P11，或从1550nm窗口输出1550nm的光功率，记为P21，而不匹配情况是从1310nm窗口输出1550nm的光功率，记为P12或从1550nm窗口输出1310nm的光功率，记为P22。

显然，P12和P22就是串扰光功率。

因此，光串扰可以用下式计算：

由于便携式光功率计不可能在测量波长1550nm的光功率时完全滤除波长1310nm的光功率，也不可能在测量波长1310nm的光功率时完全滤除波长1550nm的光功率，所以改用下面的方法进行光串扰的测量可以提高测量精度。

测量1310nm的光串扰的方框图如图9-5（a）所示，测量1550nm的光串扰的方框图如图9-5（b）所示。

波分复用器实际测量得到的光串扰为：

4、实验内容及步骤

以下实验步骤可在实验箱左上方1310nm光发信模块或右上方的1550nm光模块上各自独立进行。

1）波分复用器的插入损耗测量

（1）

（2）电路连线操作，输入调整成数字

（3）开启系统电源，用光功率计测量此时的输出光功率P2

P2=-25.60dBm

（4）将发端波分复用器接入，测得此时的光功率P1

P1=-25.06dBm

（5）将P1代入公式计算传输系统发端波分复用器的插入损耗

Li=0.54dB

2）波长隔离度测量

（1）

（2）连接实验箱（保持实验内容1）中

（2）的导线连接状态不变）

（3）打开电源开关，用光功率计测量此时光发信机经过发端波分复用器、收端波分复用器后的光功率P2和P3

P2=-25.60dBm

P3=-47.30dBm

（4）按式（9-2）计算波长隔离度

波长隔离度：

21.7dB

3）波分复用器的光串扰测量

（1）

（2）（3）连接实验板相应部分，用一根光跳线将两个波分复用器的“IN”相连。

（4）选择光功率计工作波长至1310nm档，开启系统电源，分别测出图9-5（a）中的P11、P22

P11=-26.47dBm

P22=-47.50dBm

（5）将波分复用器A上标有“1550nm”的光纤接头插入1550nm光发送模块的光输出端法兰盘，从1310nm光发送模块上拔出波分复用器A的标有“1310nm”的光纤接头，并使其保持无光输入状态

（6）光功率计工作波长选至1550nm档，开启系统电源，分别测出图9-5（b）中的P12、P21.

P12=-47.30dBm

P21=-25.60dBm

（7）将P1、P22、P2、P21代入公式，计算出波分复用器的光串扰。

做完实验关闭系统电源开关，拆除导线及光学器件并妥善放置，将各种实验仪器摆放整齐。

光串扰：

根据（9-5）（9-6）计算取平均可得，光串扰为21.6dB。

5、思考题

波分复用器的光串扰对传输系统有何影响？

答：

波分复用器的光串扰用来衡量波分复用器输出端口的光进入非指定输出端口光能量对结果影响的大小，串扰经非线性传输后引起信号传输质量的下降。