光纤通信实验解读.docx
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光纤通信实验解读
实验一多模光纤损耗测试实验
一、实验目的
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
二、实验内容
1、测量多模光纤的衰减
2、测量多模光纤的损耗
三、实验仪器
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
四、实验原理
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：
（1-1）
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（1-2）
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32-1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32-2即得多模光纤的损耗。
五、实验步骤
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。
1、打开交流电源，打开交流电源开关，电源指示二极管D4，D5，D6，D7，D8亮。
4、用万用表测量T97和T98两端电压（红表笔插TV+，黑表笔插TV-）。
慢慢调节电位器W44（数字驱动调节），使驱动电流达到额定值，即使V=25mV。
5、读出此时光功率计的数值，此数据即为没有加入小可变衰减器前的输入功率P0。
6、从光功率计端取下光纤，接入小可变衰减器（或待测光纤），用FC-FC多模光纤跳线与光功率计连接。
7、用光功率计测量此时的光功率数值P1。
8、将所测得的数值P0、P1和代入式（1-2）计算所得的结果即为多模光纤的损耗。
9、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。
注意：
请根据本实验步骤，自己设计出采用1310nm和1550nm光发端机时测得光纤损耗的步骤并记录实验数据。
六、实验报告
1、通过实验结果，计算得到待测光纤损耗
2、对实验结果以及误差进行分析
七、思考题
1、分析用剪断法测量光纤损耗中扰模器的作用，若不使用扰模器，则会对实验结果有何影响？
2、测量光纤损耗时，对光纤稍微用力拉紧，比较此时测得的光纤损耗的变化，并分析其原因。
3、查阅相关文献资料，比较插入法测试光纤损耗与剪断法测试光纤损耗的优缺点。
实验二光发射机性能测试实验
一、实验目的
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
二、实验内容
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
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、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
四、实验原理
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2-1所示。
图2-1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2-1所规定的要求。
数字率（kbit/s）
伪随机测试信号
2048
215－1
8448
215－1
34368
223－1
139264
223－1
表2-1信号源输出信号要求
2、消光比：
消光比定义式如下式4-1，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：
（2-1）
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。
输出光脉冲上出现自脉动与LD的输出特性曲线上出现扭折有关。
5、LD的辐射波长必须保持恒定
当调制速率高达数Gbit/s时，LD的辐射波长在调制脉冲的上升沿时向短波长漂移，而在脉冲下降沿时则向长波长漂移，这种现象称为Chirp效应。
它严重恶化数字光纤通信系统的传输质量，限制通信的中继距离。
在高速以至超高速的光发送机中应该对此采取相应有效的解决措施，以便实现大容量长距离的数字光纤通信。
前面指出输出光功率需恒定，或者变动微小，这是通过自动功率控制或者自动温度控制技术达到这种目的的。
本套实验系统未涉及到这种技术。
光纤传输系统、发光器件、驱动电流，都会影响发光系统的输出光功率和消光比，本实验采用4M速率的伪随机测试信号作为信号源，伪随机码测试信号为24－1位，通过观察三种不同光纤通信系统（850nm、1310nm和1550nm）传输NRZ码的输出光功率和消光比，比较其输出光功率和消光比异同点及其影响因素，同时观察驱动电流对输出光功率和消光比的影响。
实验原理图如下：
图2-2数字光驱动电路
图中是由MC10116和Q8、Q21组成数字驱动电路。
MC10116为数字接口电路送出ECL电平的双路信号Q和Q/，Q8、Q21组成差分高速驱动电路。
W44为精密可调电位器，通过调节可改变LD131激光器的驱动电流。
五、实验步骤
a、1550nm数字光发端机平均光功率及消光比测试
1、用导线连接电终端模块T68（M）和T92（15_DIN）
2、将拨码开关K35的值拨为“0000”。
3、用FC-FC光纤跳线将1550T输出端与FC接口光功率计连接，形成输出光功率测试系统。
4、打开交流电源，此时指示灯D4、D5、D6、D7、D8亮。
5、将光功率计调至1550波长档，用光功率计测量此时光发端机的光功率，即为光发端机的输出光功率。
6、拆除导线T68（M）和T92（15_DIN），其余连线不变，连接导线T79（D1_O）与T92（15_DIN），将数字信号源模块的拨码开关K36拨为全“1”，测得此时光功率为P1，将拨码开关K36拨为全“0”，测得此时光功率为P0。
7、将P1，P0代入公式12-1式即得1550nm数字光纤传输系统消光比。
8、依次关闭各电源，拆除导线，拆除光纤跳线，将实验箱还原。
b、1310nm数字发端机输出光功率及消光比测试
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连接起来。
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、打开交流电源，此时指示灯D4、D5、D6、D7、D8亮。
6、将电位器W46（阈值电流调节）逆时针旋转到底。
7、慢慢调节电位器W44（数字驱动调节），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），使之为25mV。
8、将光功率计调至1310波长档，用光功率计测量此时光发端机的光功率，即为光发端机的输出光功率。
9、拆除导线T68（M）和T94（13_DIN），其余连线和设置不变，连接导线T79（D1_O）与T94（13_DIN），将数字信号源模块的拨码开关K36拨为全“1”，测得此时光功率为P1，将拨码开关K36拨为全“0”，测得此时光功率为P0。
10、将P1，P0代入公式12-1式即得1310nm数字光纤传输系统消光比。
11、重复6-9步，调节电位器W44，调节驱动电流大小为下表中数值时，测得的输出光功率及消光比填入下表。
12、依次关闭各电源，拆除导线，拆除光纤跳线，将实验箱还原。
驱动电流（mA）
10
12.5
15
17.5
20
22.5
25
平均光功率（uW）
P1（uW）
P0（uW）
消光比（dB）
六、实验报告
1、记录光发端机的输出光功率，通过实验数据计算光发射机的消光比
2、比较不同驱动电流下的输出光功率及消光比，确定驱动电流多大时，1310光发送系统更符合传输要求
3、比较1310nm及1550nm数字光发送系统输出光功率及消光比，并分析系统性能指标
4、分析实验结果及误差
七、思考题
1、输出光功率大小对光纤通信系统有何影响？
2、消光比大小对光纤通信系统传输特性有何影响？
3、如何确定数字光纤通信系统的驱动电流？
实验三数字光接收机性能测试实验
一、实验目的
1、熟悉光收端机灵敏度的概念
2、掌握光收端机灵敏度的测试方法
3、熟悉光收端机动态范围的概念
二、实验内容
1、测量1310nm光收端机的灵敏度
2、测量1550nm光收端机的灵敏度
3、测量850nm光收端机的灵敏度（选做）
三、实验仪器
1、ZY12OFCom23BH1型光纤通信原理实验箱1台
2、光功率计1台
3、万用表1台
4、小可变衰减器1个
5、误码分析仪1台
6、FC-FC单模光跳线2根
7、ST-FC多模光跳线（可选）2根
8、850nm光发端机和光收端机（可选）1套
9、FC-FC多模光跳线（可选）1根
10、连接导线20根
四、实验原理
数字光接收机在数字光纤通信系统中的作用就是将经过光纤传输后被衰减变形的微弱光脉冲信号通过光-电变换成为电脉冲信号，并将其放大，均衡与定时再生还原成标准的数字脉冲信号。
其中的所谓定时再生就是对数字光接收放大均衡输出的信号流中的每一个信号进行判决而成为数字信号码流，并要求不发生误判或者尽量少发生误判，而这个误判就是我们平常所说的误码率。
数字光接收机在对光脉冲信号的变换，放大和均衡的过程中产生了各种噪声，这些噪声会影响数字光接收机对信号的判决。
为了减小在判决中的误码率，可以从两个不同的角度采取措施，即加大其输入光功率，或者减小数字光接收机的输入噪声。
很明显，加大输入光功率的方法是不明智的，因为这是以减小数字光纤通信的中继距离为代价的。
因此，必须想办法采取一切可行的有效措施尽量减小数字光接收机的输出噪声，这一点也就是研究数字光接收机的实际含义。
数字光接收机的输入光功率和误码率两者是互相矛盾的。
因此，必须对其中一个进行人为的规定，例如：
规定误码率为10-9，或者10-11。
根据这一要求，就可以找到数字光接收机所接收到的最小光功率作为其性能指标，即接收灵敏度。
可见数字光接收机在保证特定误码率的条件下，其输出噪声越小，接收所需要的光功率也就越小，其灵敏度也就越高。
数字光接收机的光接收灵敏度用下式表示：
（3-1）
是在随机码情况下的接收平均光功率。
CCITT（国际电报、电话咨询委员会）标准规定，用误码分析仪向光发端机的数字驱动电路发送215-1的伪随机序列作为测试信号，调整光衰减器使其衰减值增大，从而使输入光收端机的平均光功率逐步减小，使系统处于误码状态，并且使得系统测试得到的误码率为1×10-11，测得此时的光功率即为光收端机的最小光功率，这也就是光收端机的灵敏度。
光收端机动态范围的定义是在保证一定的误码率下所允许的最大和最小输入光功率之比的分贝数，即由下式计算得到
（3-2）
它表示了光收端机对输入信号变化时的适应能力。
在测试光收端机的灵敏度时，减小光衰减器的衰耗，即加大光收端机的输入光功率，使其误码率达到1×10-11时，得到允许最大的接收光功率Pmax。
图3-1数字接收单元指标测试框图
图3-2输出码型为HDB3码误码测试方法实验框图
测试框图如图3-1所示，测试方法与测量灵敏度的方法基本相同，只是最后增加测量最大输入光功率一项，其方法是逐渐减小光衰减器的衰减量，直至误码仪指示误码降为1×10-11，此时的接收光功率即为最大输入光功率。
由于数字光纤通信系统中不能传输HDB3码，而目前大部分误码分析仪输出码型均为HDB3码，作为演示实验，若使用的误码分析仪为有NRZ码输出，则可以按照图37-1所示示意图进行实验，在这里我们取当系统出现1×10-3或10-6误码率时认为光纤通信系统出现误码，即当减小光功率，使得系统误码率为1×10-3或10-6时测得的光接收端的光功率即为光收端机的灵敏度。
若使用误码分析仪只有HDB3码型输出（如YGBERT2M型误码分析仪），则可以通过实验箱中的HDB3编译码实现误码测试。
测试框图如图15-2所示，这里需要将误码分析仪输出的HDB3码经过译码变为普通的NRZ码或是CMI，5B6B之后，经过光纤传输，从而达到测试系统误码率的目的。
光收部分原理图如下：
图3-3光收模块原理图
在接收时，直接用光探测器将光信号转换为微弱电信号，然后通过低噪声运放MAX435放大。
五、实验步骤
1、用连接线将光终端模块T99（M_DOUT）和T94（13_DIN），T100（M_DIN）和T101（13_DOUT）；
连接光终端模块T80（E_I）和电终端T12，T87（E_O）和T13；
2、将开关BM1拨为1310nm,将开关K43拨为“数字”，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。
将电终端模块开关K41和K42分别拨向下，将光终端开关K7和K29拨向上，K28拨向下。
将光终端拨码开关K38的值拨为“1000”，K37的值拨为“00000000”。
3、在1310nm光发端机（1310nmT）与1310nm光收端机（1310nmR）中间加入小可变衰减器，并利用FC-FC光跳线将其连接起来，组成1310nm光纤传输系统。
4、将误码分析仪输出红色鳄鱼夹和测试钩TP87（TEST1），黑色鳄鱼夹和测试钩GND4连接；将误码分析仪输入红色鳄鱼夹和测试钩TP93（TEST2），黑色鳄鱼夹和测试钩GND5连接。
5、打开交流电源开关，电源指示二极管D4，D5，D6，D7，D8亮。
6、打开误码分析仪的电源开关，将误码分析仪的速率设为2.048MB/s，图形设为215-1，码型设为HDB3码。
7、用万用表测量T97和T98两端电压（红表笔插TV+，黑表笔插TV-）。
8、慢慢调节电位器W44（数字驱动调节），使万用表读数为17mV左右，按下误码分析仪的运行键，调节电位器W45（幅值调节）和W40（判决电平调节），使数字光纤通信系统无误码。
9、调节小可变衰减器，观察系统中误码率的变化，当误码分析仪出现误码并为指定要求值（例如1×10-3或10-6）时，取出光收端机输入端光纤，用光功率测得此时的光功率即为最小光功率Pmin。
此Pmin即为光收端机的灵敏度。
10、根据以上实验步骤，自己设计850nm、1550nm光收端机灵敏度测试步骤。
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。
六、实验报告
1、通过实验得到光收端机灵敏度。
2、比较1310nm及1550nm光检测器的灵敏度。
3、对实验结果和误差进行分析。
注意：
典型灵敏度为3dBm。
但是不同的探测器导致结果不同。
七、思考题答案
1、光收端机误码产生的原因是什么？
2、分析光收端机的误码率与输入光功率的关系，并用实验验证此关系。
3、若需要测试光收端机动态范围，则实验方案如何？
利用现有仪器能否完成？
实验四模拟信号光纤传输实验
一、实验目的
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
二、实验内容
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：
三角波，正弦波
三、实验仪器
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
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
四、实验原理
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4-3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4-3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），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4-2所示。
半导体激光器的模拟调制，直接利用图4-3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
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