光纤通信实验报告.docx
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光纤通信实验报告
中南大学
（硬件实验）
《光纤通信》实验报告
实验室名称：
半导体激光器P-I特性测试实验实验日期：
.2014年06月06日
学院
信息科学与工程学院
专业、班级
姓名
实验名称
光源的P-I特性测试
指导
教师
王玮
教师评语
教师签名：
年月日
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
P（mW）
0.3134
0.283
0.2461
0.1846
0.1266
0.102
0.08128
0.06142
u（V）
0.611
0.574
0.528
0.455
0.373
0.372
0.347
0.320
I（mA）
18.5
17.4
16
13.8
12.3
11.3
10.5
9.7
P（uW）
0.04505
0.02246
0.01948
0.01361
0.01149
0.01
0.005
u（V）
0.298
0.269
0.264
0.258
0.255
0.199
0.140
I（mA）
9.03
8.15
8
7.82
7.73
6.03
4.24
光源P-I特性曲线：
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。
有一下收获：
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。
4.阈值电流随着温度的升高而增大，外微分量子效率减小，输出光功率明显下降。
5.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。
同时，我也学到了很多东西，加强了我的动手能力，并且培养了我的独立思考能力。
在实验的过程中我们要培养自己的独立分析问题，和解决问题的能力。
《光纤通信》实验报告
实验室名称：
光发射机消光比测试实验实验日期：
.2014年06月06日
学院
信息科学与工程学院
专业、班级
姓名
实验名称
光发射机消光比测试
指导
教师
王玮
教师评语
教师签名：
年月日
实验目的：
1、了解数字光发射机的消光比的指标要求。
2、掌握数字光发射机的消光比的测试方法。
实验内容：
1.测试光发射机发00码的功率；
2.测试光发射机发11码的功率；
实验器材：
1、主控&信号源模块、2号、25号模块各一块
2、23号模块（光功率计）一块
3、FC/PC型光纤跳线、连接线若干
实验原理：
消光比定义为：
。
式中P00是光发射机输入全“0”时输出的平均光功率即无输入信号时的输出光功率。
P11是光发射机输入全“1”时输出的平均光功率。
从激光器的注入电流（I）和输出功率（P）的关系，即P-I特性可以清楚地看出消光比的物理概念，如下图所示。
由图可知，当输入信号为“0”时，光源的输出光功率为P00，它将由直流偏置电流Ib来确定。
无信号时光源输出的光功率对接收机来说是一种噪声，将降低光接收机的灵敏度。
所以从接收机角度考虑，希望消光比越小越好。
但是，应该指出，当Ib减小时，光源的输出功率将降低，光源的谱线宽度增加，同时，还会对光源的其它特性产生不良影响，因此，必须全面考虑Ib的影响，一般取Ib=（0.7～0.9）Ith（Ith为激光器的阈值电流）。
在此范围内，能比较好地处理消光比与其它指标之间的矛盾。
考虑各种因素的影响，一般要求发送机的消光比不超过0.1。
在光源为LED的条件下，一般不考虑消光比，因为它不加直流偏置电流Ib，电信号直接加到LED上，无输入信号时的输出功率为零。
因此，只有以LD作光源的光发射机才要求测试消光比。
实验步骤：
1、关闭系统电源，按如下说明进行连线：
（1）用连接线将2号模块TH7（DoutD）连至25号光收发模块的TH2（数字输入）。
（2）用光纤跳线连接25号光收发模块的光发输出端和光收接入端，并将光收发模块的功能选择开关S1打到“光功率计”。
（3）用同轴电缆线将25号光收发模块P4（光探测器输出）连至23号模块P1（光探测器输入）。
2、将25号光收发模块开关J1拨为“10”，即无APC控制状态。
开关S3拨为“数字”，即数字光发送。
3、将25号光收发模块的电位器W4和W2顺时针旋至底，即设置光发射机的输出光功率为最大状态；
4、开电，设置主控模块菜单，选择【光功率计】功能。
5、将2号模块的拨码开关S4设置为“ON”，使输入信号为全1电平。
测得此时光发端机输出的光功率为P11。
6、将2号模块的拨码开关S4设置为“OFF”，使输入信号为全0电平。
测得此时光发端机输出的光功率为P00。
7、代入公式
，即得光发射机消光比。
8、调节W4，改变各参数，并将所测数据填入下表。
P00（uW）
0.0837
0.0837
0.0837
0.0837
0.0837
0.0837
0.0837
P11（uW）
309.0
302.6
282.3
251.9
223.9
201.7
127.1
EXT
-35.67
-35.58
-35.28
-34.79
-34.27
-33.82
-31.81
P00（uW）
0.0837
0.0837
0.0837
0.0837
P11（uW）
85.15
21.25
4.099
0.6255
EXT
-30.07
-24.05
-16.90
-8.72
实验结果及分析：
通过本次实验，了解数字光发射机平均输出光功率和消光比的指标要求，
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，
为以后的学习奠定了基础。
《光纤通信》实验报告
实验室名称：
模拟信号光纤传输实验实验日期：
.2014年06月06日
学院
信息科学与工程学院
专业、班级
姓名
实验名称
模拟信号光纤传输实验
指导
教师
王玮
教师评语
教师签名：
年月日
实验目的：
1、了解模拟信号（正弦波、三角波、方波等）光纤传输系统。
实验内容：
⒈各种模拟信号LD模拟调制：
三角波，正弦波，方波信号。
实验器材：
1、主控&信号源模块、25号模块各一块
2、双踪示波器一台
3、FC型光纤跳线、连接线若干
实验原理：
1、实验原理框图
模拟信号光纤传输系统
2、实验框图说明
主控信号源模块可输出正弦波、三角波、方波等模拟信号，信号送入光发射机的模拟输入端，经过光调制电路转换成光信号，完成电光转换；光信号经光纤跳线传输后，由接收机接收，并完成光电转换，输出原始信号。
注：
由于实验设备配置模块情况不同，光收发模块的波长类型有所不同，比如1310nm、1550nm等，需根据实际情况确定。
实验步骤：
1、关闭系统电源，用光纤跳线连接25号光收发模块的光发输出端和光收接入端，并将光收发模块的功能选择开关S1打到“光接收机”。
2、将信号源&主控模块的模拟输出A-out连接到25号光收发模块的模拟信号输入端TH1。
3、把25号光收发模块的S3设置为“模拟”。
4、将25号光收发模块的W5（接收灵敏度的调节旋钮，逆时针旋转时输出信号减小）顺时针旋到最大，适当调节W6（调节电平判决电路的门限电压）。
5、打开系统电源开关及各模块电源开关。
在主控模块中设置实验参数主菜单【光纤通信】→【模拟信号光纤传输系统】
6、用示波器观测模拟信号源模块的A-out，调节信号源模块的“输出幅度”旋钮，使信号的峰-峰值为2V。
7、用示波器观测模拟信号源的A-out和25号光收发模块的TH4，适当调节W6，使得观测到的两处波形相同。
此时，25号光收发模块无失真的传输模拟信号。
实验结果如下：
1.正弦波
2.三角波
3.方波
实验结果及分析：
1.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。
2.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。
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。
《光纤通信原理》实验报告
实验室名称：
PN序列光纤传输系统实验日期：
.2014年06月06日
学院
信息科学与工程学院
专业、班级
姓名
实验名称
PN序列光纤传输系统
指导
教师
王玮
教师评语
教师签名：
年月日
一、实验目的
1、了解PN序列光纤传输系统的原理。
二、实验器材
1、主控&信号源模块、25号模块各一块
2、双踪示波器一台
3、FC型光纤跳线、连接线若干
三、实验原理
1、实验原理框图
PN序列光纤传输系统实验框图
2、实验框图说明
本实验是了解和验证数字序列光纤传输系统的原理。
由主控信号源模块提供输入信号PN序列，PN序列经过光发射机完成电光转换，送入到光纤媒介中传输，最后通过光接收机完成光电转换以及门限判决，恢复出原始码元信号。
注：
由于实验设备配置模块情况不同，光收发模块的波长类型有所不同，比如1310nm、1550nm等，需根据实际情况确定。
四、实验步骤
1、关闭系统电源，用光纤跳线连接25号光收发模块的光发和光收，并将25号光收发模块的功能选择开关S1打到“光接收机”。
2、将信号源&主控模块的数字信号PN15连接到25号光收发模块的数字信号输入端TH2。
3、把25号光收发模块的光发模式选择S3设置为“数字”。
4、将25号光收发模块中的光发模块的J1第一位拨“ON”（数字光调制的通状态），第二位拨“OFF”（自动光功率控制补偿电流的断状态），将W5（接收灵敏度的调节旋钮，逆时针旋转时输出信号减小）顺时针旋到最大。
5、将输出光功率旋钮W4顺时针旋转到最大。
6、打开系统电源开关及各模块电源开关。
在主控模块中设置实验参数主菜单【光纤通信】→【PN序列光纤传输系统】。
用示波器观测25号光收发模块的数字输入TH2和数字输出端TH3，比较二者码元情况，适当调节25号光收发模块W6（调节电平判决电路的门限电压），使两路波形相同。
实验结果及分析：
通过本次实验，让我对PN序列的特点，以及PN序列的产生方法有了一定的了解，知道PN是一种伪随机码，同时本次实验采用的是长线性反馈移位寄存器序列作为伪随机序列.
实验结果如下图：
《光纤通信原理》实验报告
实验室名称：
CMI码编译码及其光纤传输系统实验日期：
.2014年06月06日
学院
信息科学与工程学院
专业、班级
姓名
实验名称
CMI码编译码及其光纤传输系统
指导
教师
王玮
教师评语
教师签名：
年月日
一、实验目的
1、了解和掌握CMI编译码原理和用途。
2、了解CMI编译码光纤传输系统的相关原理。
二、实验器材
主控&信号源模块、8、25号模块各一块
双踪示波器一台
FC型光纤跳线、连接线若干
三、实验原理
1、实验原理框图
实验原理框图
2、实验原理说明
和数字电缆通信一样，通常在数字光纤通信的传输通道中，一般不直接传输终端机输出的数字信号，而是经过码型变换电路，使之变换成为更适合传输通道的线路码型。
在数字电缆通信中,电缆中传输的线路码型通常为三电平的“三阶高密度双极性码”，即HDB3码，它是一种传号以正负极性交替发送的码型。
在数字光纤通信中由于光源不可能发射负的光脉冲，因而不能采用HDB3码，只能采用“0”“1”二电平码。
但简单的二电平码的直流基线会随着信息流中“0”“1”的不同的组合情况而随机起伏，而直流基线的起伏对接收端判决不利，因此需要进行线路编码以适应光纤线路传输的要求。
线路编码还有另外两个作用：
一是消除随机数字码流中的长连“0”和长连“1”码，以便于接收端时钟的提取。
二是按一定规则进行编码后，也便于在运行中进行误码监测，以及在中继器上进行误码遥测。
本实验CMI编码中，码字“0”由“01”表示，码字“1”由“00”、“11”交替表示。
其变换规则如表所示：
输入码字
CMI码
模式1
模式2
0
01
01
1
00
11
CMI码型变换规则
CMI（CodedMarkInversion）码是典型的字母型平衡码之一。
CMI在ITU-TG.703建议中被规定为139264kbit/s（PDH的四次群）和155520kbit/s（SDH的STM-1）的物理/电气界面的码型。
CMI由于结构均匀，传输性能好，可以用游动数字和的方法监测误码，因此误码监测性能好。
由于它是一种电接口码型，因此有不少139264kbit/s的光纤数字传输系统采用CMI码作为光线路码型。
除了上述优点外，它不需要重新变换，就可以直接用四次群复接设备送来的CMI码的电信号去调制光源器件，在接收端把再生还原的CMI码的电信号直接送给四次群复用设备，而无须电接口和线路码型变换/反变换电路。
其缺点是码速提高太大，并且传送辅助信息的性能较差。
四、实验步骤
1、关电，按表格所示进行连线。
源端口
目的端口
连线说明
信号源：
PN15
模块8：
TH3（编码输入-数据）
基带信号输入
信号源：
CLK
模块8：
TH4（编码输入-时钟）
提供编码位时钟
模块8：
TH6（编码输出）
模块25：
TH2（数字输入）
信号光纤传输输入
模块25：
TH3（数字输出）
模块8：
TH10（译码输入）
信号送入译码单元
2、用光纤跳线连接光收发模块的光发和光收，并将光收发模块的功能选择开关S1打到“光接收机”。
3、把光收发模块的S3设置为“数字”。
4、将1310nm光发模块的J1第一位拨“ON”（数字光调制的通状态），第二位拨“OFF”（APC自动光功率控制补偿电流的断状态），将25号光收发模块的W5（接收灵敏度的调节旋钮，逆时针旋转时输出信号减小）顺时针旋到最大。
5、将输出光功率旋钮W4顺时针旋转到最大。
6、开电，设置主菜单【光纤通信】→【CMI编译码及光纤通信系统】。
用示波器观测信号源模块的PN15和模块8的TH13数据，比较PN序列编码前后的波形有何变化。
实验结果及分析：
通过本次实验，让我对CMI编译码原理及CMI码光纤传输系统有了初步的了解，CMI即反转码，是一种两电平不归零码，误码监测性能好。
通过实验认识了CMI的三大好处，即同步、检错、无直流分量，对CMI编码的认识有了进一步的深入了解。
实验结果如右图：
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