光纤部分实验报告通信工程专业综合实验.docx
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光纤部分实验报告通信工程专业综合实验
通信工程专业综合实验报告
――光通信部分
姓名学号
班级
通信
上课时间
周二下午16:
20~18:
10
第8章光纤传输系统
实验一激光器P-I特性测试实验
1.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
2.实验仪器
1、ZY12OFCom13BG型光纤通信原理实验箱1台
2、FC接口光功率计1台
3、FC/PC-FC/PC单模光跳线1根
4、万用表1台
5、连接导线20根
3.实验原理
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（△入=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，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。
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质量，因此PI特性曲线的测试
了解激光器的性能是非常重要的，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上的电压值。
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
用光功率计测的一定驱动电流下半导体激光器发出激光的功率，从而完成PI特性的测试，
并可根据PI特性得出半导体激光器的斜率效率。
图1LD半导体激光器P-I曲线示意图
4.实验内容
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。
5.
实验步骤
SS01）置于“模拟”位置，使光发
实验箱左上方的1310nm光端机发送模块或右上方的
进行。
1）电路部分的操作
（1）关闭系统电源，将激光器工作模式选择开关（跳线模块中LD连接处于模拟信号传输工作状态。
（2）将光发送模块中模拟发送部分的电位器WS04“幅度”旋钮和WS05“偏流”旋钮分别反时针旋至最左端，从而使无模拟驱动信号输入，直流偏置电流达到最小值。
（3）将跳线开关（KS02）的跳线帽拨出，使其处于断开状态，在“模拟电流”测量插孔（TPS07、
TPS08上串接一只电流表。
2）光路部分操作
（1）在光发送模块LD尾纤法兰盘处，小心插入一根光跳线的活动连接器。
（2）光跳线另一端的活动连接器连接到光功率计（注意操作过程动作要轻，旋紧过程要适
度），同时打开光功率计申源开关•井将波长选择到与所测试的激光器的工作波长一致。
（3）检查各部分正确无误后，打开实验箱交流电源开关。
（4）将“模拟偏置”电位器WSO从最左端位置开始，顺时针方向缓慢调节，使送人激光
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值变化和光功率计的读数变化过程。
（5）缓慢细致地从头调节电位器WSOS使所测得的电流从最小值开始，以1mA为间隔取
整数填入表格中，依次测量对应的光功率值。
（6）完成实验后关闭交流电开关。
将跳线开关（KS02）的跳线帽还原。
拆下光跳线及光功
率计，将尾纤法兰盘套帽盖好，实验箱还原并将各仪器摆放整齐。
6.实验结果（1310nm）
I/mA
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
34
P/dBm
-38.5
9
-37.0
3
-35.3
5
-33.3
4
-30.3
6
-19.1
2
-14.4
8
-12.3
1
-10.8
4
-9.80
-8.82
-2.48
P/mW
0.021
0.024
0.029
0.035
0.048
0.147
0.235
0.292
0.338
0.375
0.413
1.281
09
65
16
65
03
78
04
00
24
31
95
6
半导体激光器p-1曲线示意
（1）分别画出1310nm激光器或1550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8-3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：
lth=10mA
（4）回答以下思考题。
激光器的阈值电流Ith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震荡，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。
（1）预习光发信机接口指标。
（2）了解发送光功率和消光比的含义。
2.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。
3.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。
4.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”、“o”等概率的特点。
平均发送光功率与输入的码型有关，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代入式（8-1）即得到光发送机的消光比：
EXT=10lgP1/P2（8-1）
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
的光功率差值却不大的情况，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。
5.实验内容及步骤
1）光发信机平均发送光功率的测试
（1）确保实验箱交流开关处于关闭状态，将跳线开关SS01插向“数字”端，使光发送模块处于数字传输状态。
（2）将光跳线的一端的金属活动连接器与光发送端口的法兰盘对接，注意双手操作，一手
保持器件间的同轴性，一手小心地推动活动连接器插入法兰盘，并保证活动连接器的凸起部
分与法兰盘凹槽完全吻合，然后微微拧紧固定帽。
（3）将光跳线的另一端与光功率计的法兰盘端口对接，操作方法同
（2）。
并将光功率计根据实际测试的波长调到1310nm或1550nm挡。
（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（数字传输系统一）板上
“加扰模块”中的“加扰输出”，或“CMI编码模块”中的“输出数据”，另一端连接1310
nm或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）打开实验箱交流开关，使实验系统正常工作。
（6）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。
（7）完成实验后关闭交流电源开关。
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”旋钮上方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，激光器所得到的码型为全“1”码，此时测得光发信机输出的光功
率为P1。
（4）将上面测试得到的P0和P1代入式（8-1）即得光发送机的消光比。
（5）做完实验后关闭交流电源开关，拆除实验导线，拆下光功率计，将实验箱还原，将各实验仪器摆放整齐。
6.实验报告要求
（1）记录光发信机的平均光功率3次，取平均值并填入表中。
1550nm：
第一次
第二次
第三次
平均值
-2.85
-2.86
-2.85
-2.853
（2）通过实验数据计算光发信机的消光比。
测得P0=-8.60，P仁-4.50
EXT=10lg（p1/p0）=10lg（-8.60/-4.50）=2.81
（3）回答以下思考题。
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：
消光比直接影响光接收机的灵敏度，从提高接收机灵敏度的角度希望消光比绝对值
尽可能大，有利于减少功率代价，但也不是越大越好。
消光比大会使激光器的图案相关抖动增加。
实验三光纤传输系统测试
1.实验准备工作
预习实验系统的模拟信号光纤传输系统原理。
2.实验目的
（1）了解模拟信号光纤传输系统的通信原理。
（2）了解模拟信号光纤通信系统的基本结构。
（3）掌握各种模拟信号的传输机理。
3.实验环境及相关设备
20MHz及以上双踪示波器、JH5002A+型光纤通信实验系统。
4.实验基本原理
通过本实验，可以了解和熟悉光纤模拟信号传输系统的组成，用示波器观察光发送模块
和光接收模块的模拟信号波形，通过调整模拟信号的幅度和频率，改变激光器偏置电流的大
小，深入理解激光器的偏置电流对信号传输的影响。
模拟信号光纤传输方式如图8-4所示。
陷權拟岱匕光纤札输&'式
模拟信号的传输方式，是用模拟信号直接控制光源的发光强度，然后经过光纤进行传输；
光纤传输系统的另一种方式是把模拟信号数字化后，对光源进行数字调制，然后再将调制好
的数字信号进行光纤传输，对方经过光电转换后，再经过数字信号的译码将模拟信号还原成原始的模拟信号，其光纤传输方式如图8-5所示，这种方式实际就是光纤数字传输系统。
本实验采用模拟信号直接控制光源发光强度的方式。
讯裁字信巧比纤朴输FN
（1）关闭系统电源，用一根光跳线连接盘。
将激光器工作模式选择开关（跳线接处于模拟信号传输状态。
（2）将光发信模块中模拟发送部分的中间位置。
5.实验内容及步骤
本实验对不同频率、不同幅度的正弦信号（或方波信号、三角波信号）通过光纤进行传
输，观察信号幅度和激光器偏置电流的调整对信号传输产生的影响。
以下实验步骤以实验箱
左上方的1310nm光发信机模块为例进行讲述，1550nm光发信机模块的测试方法与其相
同。
1310nm光端机模块的TX端法兰盘和RX端法兰
SS01）置于“模拟”位置，使光发信模块中LD连
WS04“幅度”旋钮和WS05“偏流”旋钮分别旋至
（3）打开系统电源，将示波器连接到模拟信号源模块的正弦波（或三角波、方波）输出端
口，调节频率旋钮使正弦波频率为1kHz，调节幅度旋钮，使幅度为1V的峰-峰值，然后
用实验测试线将信号连接到光发信模块的模拟信号输入端口（TPS02）。
（4）用示波器在光接收模块的模拟信号输出端口观察输出信号，通过调节光发信模块中的
电位器WS04（模拟幅度）和WS05（模拟偏流），以及光接收模块中的电位器WR01（增
益调节），得到最佳传输的模拟信号，利用示波器的两个通道进行波形对比。
（5）分别调整模拟信号源的信号频率和幅度，重复进行上述观测并对输入输出波形进行比较。
恢复输入正弦波频率为1kHz,幅度为1V的峰-峰值，反时针调节光发信模块中的电
位器WS05（模拟偏流），减小模拟偏流，观察接收波形的失真情况。
6.实验报告要求
（1）记录整理并列表描述实验所用的波形、频率和幅度，画出所观察到的发端和收端波形，并进行比较。
（2）回答以下思考题。
1当送到光发送机输入端的模拟信号幅度过大时会出现什么现象？
当发送模拟信号的激光
器偏流过小时会出现什么现象？
试根据P—I特性曲线进行分析说明。
答：
根据P-I曲线，当发送信号幅度过大时，功率会趋于饱和，变化很小，维持在一个水平线上，当过小（小于阈值电流时），功率基本为零。
2如何确定传输系统的频率和幅度范围？
答：
如果是模拟信号，应该偏置到线性区，否则易失真，就像三极管的饱和、截止会失真一
样。
如果是数字信号，关系不大。
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。
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
度更大。
7.心得体会
在实验一中我们测量了半导体激光器的平均发送光功率和注入电流的关系，并绘制出了
p-i特性曲线图，以及阈值电流对光信号传输的影响，通过动手操作，我对半导体激光器的发光原理有了更加深刻的认识。
在实验二中了解数字光发端机平均发送光功率的指标要求，以及数字光发端机消光比的指标要求，通过动手操作，掌握了数字光发射机平均输出光功率
和消光比的测试方法，使我对数字光发端机有了更深刻的理解。
在实验三中，我们通过对不
同幅度，不同频率的正弦信号进行光纤传输，使我了解了光纤模拟信号传输系统的组成和原
理。
在实验过程中，通过调整输入模拟信号的幅度和频率发现输出波形的变化，总结得出了
结论。
经过这三个实验，我对光纤传输系统有了更加全面的理解，也巩固了课堂上学到的知
识。
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.实验准备工作
（1）了解光耦合器的基本原理。
（2）预习光耦合器特性的测试方法。
2.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。
3.实验环境及相关设备
JH5002A+型光纤通信原理实验箱1台
光功率计1台
FC/PC光纤活动连接器2个
FC/PCY型光分路/合路器（分光比10:
90）1个
4.实验基本原理
光耦合器又称为光定向耦合器（DirectionalCoupler），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，
利用入/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
部分的直径从200卩m左右拉细到20〜40卩m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以下，分光比精度达
1%以下。
星形耦合器是这种结构最典型的一种形式，如图7-15所示。
7-15熠锥唱朮方向耦存器
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）2X2单模光纤耦合器的结构
2X2单模光纤耦合器方框图如图7-16所示。
p.
"F,
巴
HH7-I62X2单模Jt纤耦裔器方椎图
2X2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易性，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）工作波长入，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2X2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）Ri
分光比值的大小可以根据应用要求而定。
（4）分路损耗Li
（7-5J
（5）反向隔离度Lr
it——10lg（7-6）
通常要求Lr>55dB°（测量反向隔离度时，须将端口2、3浸润于光纤的匹配液中，以防
止光的反射。
）
除上述指标外，还有偏振灵敏度△R、光谱响应范围△入、机械性能和温度性能等项指
标。
5.实验内容及步骤
该实验可在实验箱左边上方的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。
it功率计
IHMI2A'；■
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鋼入门光分舒器件能测试辻復示盘腾
1）电路部分操作
（1）关闭系统电源，将激光器工作模式选择开关（跳线SS01）置于“模拟”位置，使光
发信模块中LD连接于传输模拟信号状态。
（2）将光发信模块中模拟发送部分的WS04“幅度”旋钮反时针旋至最左端，使无模拟驱动信号输入，WS05“偏流”旋钮顺时针旋至最右端，使直流偏置电流达到最大值。
2）光路部分操作
（1）在光发送模块的LD尾纤法兰盘处，小心插入一根光跳线一端的活动连接器。
（2）光跳线另一端的活动连接器连接到光功率计。
（3）打开光功率计电源开关，并选择光功率计的工作波长与所测试的LD波长一致。
3）打开实验箱交流电源开关
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1310nm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表7-2和表7-3，计算光分路器各支路分
路损耗值。
表7—250%光分路器分路衰耗
输入功率/dBm
输出功率/dBm
插入损耗/dB
Pa:
-4.04
Pb:
-6.01
-1.72
Pa:
-4.04
Pc:
-6.26
-1.90
表7—310%光分路器分路衰耗（b支路为10%,c支路为90%）
输入功率/dBm
输出功率/dBm
插入损耗/dB
Pa:
-1.51
Pb:
-11.50
-8.82
Pa:
-1.51
Pc:
-2.32
-1.86
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7-4、
表7-5，计算光分路器分光比。
表7—450%光分路器分光比
输入功率/dBm
总输出功率/dBm
计算分光比/%
Pb:
-4.26
P总功率：
-6.09
69.95
Pc:
-1.83
30.05
表7—510%光分路器分光比（b支路为10%，c支路为90%）
输入功率/dBm
总输出功率/dBm
计算分光比/%
Pb:
-1.07
P总功率：
-11.68
8.65
Pc:
-10.67
91.35
6）波长特性测量
分析1310nm（或1550nm）波长分路器使用1550nm（1310nm）波长时对分路损耗和分光比的影响，根据测试数据填写表7-6，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7—6波长特性测量
输入功率/dBm
输出功率/dBm
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