光通信实验郑2.docx

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光通信实验郑2

实验一LED光源I-P特性研究

一、实验目的：

1.了解LED光源的发光机理。

2.学习LED光源的光学特性和电学特性。

二、实验内容与步骤：

LED即发光二极管是靠PN结附近的电子和空穴对的复合而进行自发辐射发光。

当给发光二极管的PN

结加正向电压时，外加电场将削弱内建电场，使空间电荷区变窄，载流子的扩散运动加强，由于电子迁移率总是远大于空穴的迁移率，因此，电子由N区扩散到P区是载流子扩散运动的主体。

由半导体的能带理论可知，当导带中的电子与价带中的空穴复合时，电子由高能级跃迁到低能级，电子将多余的能量与发射光子的形式释放出来，产生电致发光现象。

这就是LED的发光机理。

本实验仪采用的LED光源，其中心波长为850nm。

为获得LED的驱动电流I与输出光功率P之间的特性曲线，可按如下步骤进行测试：

1、取仪器配套的光纤一根，将其中一端与LED光源的插座相连，另一端与PIN探测器的插座相连。

2、接通电源，选择模拟通信方式。

光发射机显示窗上示值为相对偏置电流值，单位为mA，光接收机

显示窗上示值为光功率当量。

※注：

偏置电流值与光功率当量均为相对值，与真实数值成线性关系，但并非真实数值，且仪器不同可能

示值稍有差别。

且由于光探测器有一直流偏置，即使没有光输入时光功率当量窗口仍然有显示（164

左右），数据处理时可将此数值减去。

3、调节光发射机的“输入”至“MIC”档位，调节“调制”至“DIM”档位。

4、调节光接收机的“模拟”至“DIM”档位（仅在此档位光功率计示值有效）。

5、调节光发射机上的偏置电流调节按键（上三角键和下三角键），从0开始逐渐加大驱动电流，观察接

收机上光功率变化，至变化不明显为止。

6、选择实验起点，每次变化1mA，对应记下响应光功率当量。

7、将所得到的数据电流作为横坐标，光功率当量作为纵坐标，既得到类似下图所示的LED驱动电流I

与光功率输出P的关系曲线。

二、思考题:

1.分析实验数据，叙述LED光源的I-P特性曲线的特点。

2.若用此器件传输信号，应如何选择合适的静态工作点，信号的幅度应控制在怎样的范围内?

实验二LD光源I-P特性研究

一、实验目的：

1.了解LD光源的光源的发光机理。

2.学习LD光源的光学特性和电学特性。

二、实验内容及步骤：

半导体激光器LD发光有三个条件：

受激辐射、粒子束反转、谐振腔。

受激辐射是在外来光影响下产

生的，处于高能级上的原子在外来一个频率为21二E2-Ei的光子激励下，由高能级向低能级跃迁。

受激

h

辐射产生的光子与外来光子具有完全相同的特征，即它们的频率、相位、振动方向和传播方向均相同，因而，受激辐射发出的光是相干光。

在外来一个光子作用下，最终可得到许多全同光子，这种现象称为光放大。

受激吸收是受激辐射的逆过程，要使激光物质能对光进行放大，必须使物质中受激辐射大于受激吸收，此时物质中原子数出现反转分布，即高能级上的粒子数多于低能级上的粒子数，这种现象称为粒子数反转。

光通过粒子数反转分布的激活物质，发生受激放大作用。

但此时还没有形成一定的振荡方式，为此必须由一个光学谐振腔，才能实现真正的激光作用。

谐振腔的作用，一方面是使一些满足谐振条件的光，在往返多次振荡中得到放大；同时也使那些不能满足谐振条件的光在往返中逐渐消失，从而得到一定振荡模式的激光输出。

因此，半导体激光器是利用在有源区中受激而发光的光器件。

只有在工作电流超过阈值电流的情况下，

才会输出激光，因而是有阈值的器件。

本实验仪采用的LD光源，其中心波长为650nm。

为获得LED的驱动电流I与输出光功率P之间的特性曲线，可按如下步骤进行测试：

1、取仪器配套的带调节架的光源和探测器一套，分别与光发射机、光接收机相连。

2、接通电源，选择模拟通信方式。

光发射机显示窗上示值为相对偏置电流值，单位为mA，光接收机

显示窗上示值为光功率当量。

3、调节光发射机的“输入”至“MIC档位，调节“调制”至“DIM”档位。

4、调节光接收机的“模拟”至“DIM”档位（仅在此档位光功率计示值有效）。

5、调节光发射机上的偏置电流调节按键（上三角键和下三角键），从0开始逐渐加大驱动电流，观察接

收机上光功率变化，至变化不明显为止。

6、选择合适亮度，调节金属调节架上的调节旋钮，使激光束对准探测器。

7、选择实验起点，每次变化1mA，对应记下响应光功率当量。

&将所得到的数据电流作为横坐标，光功率当量作为纵坐标，既得到类似下图所示的LED驱动电流I

与光功率输出P的关系曲线。

二、思考题：

1.分析实验数据，叙述LD光源的I-P特性曲线的特点。

2.若用此器件传输信号，应如何选择合适的静态工作点，信号的幅度应控制在怎样的范围内?

3.与LED光源I-P特性曲线相比，LD光源有哪些优点和缺点。

实验三语音信号的传输

一、实验目的：

1.了解语音信号通信的有关知识；

2.学习语音信号的光纤及激光的传输方式。

二、实验步骤：

按如下步骤进行测试：

1、仪器配套的光纤一根，将其中一端与LED光源的插座相连，另一端与PIN探测器的插座相连；或取

仪器配套带调节架的LD光源和探测器。

2、将仪器配套的麦克连接至音频输入端子（也可自加音频输入设备）。

3、接通电源，选择模拟通信方式。

4、通过仪器后面版上的切换开关，选择通信方式（空间激光通信或光纤通信）。

5、调节光发射机的“输入”至“MIC”，调节“调制”至“DIM”档位。

6、调节光接收机的“模拟”至“MIC”档位。

7、用示波器观察光发射机TP1，确定音频信号幅度。

&根据实验一、实验二的结果，调节光发射机上的偏置电流调节按键，选择合适的静态工作点。

9、用示波器观察光发射机TP6、TP8,观察经驱动电路调制后音频信号波形。

10、用示波器观察光接收机TP1、TP2，观察经传输线路（光纤或空间）传输后音频信号波形。

11、调节音量调节旋钮，选择合适音量

※注：

由于探测器端放大倍数极大，所以如果音量过大可能会造成扬声器驱动电路自激，此时扬声器有啸

声，调节音量旋钮即可极大程度消除啸声。

实验四空间激光通信的干扰、窃听

一、实验目的：

1.了解激光通信的有关知识；

2.学习LD光源的基本调节方法和步骤。

二、实验步骤：

本实验属于实验三的增强型实验，只需要简单的分束镜就可实现激光通信的窃听，加深对学生对空间

激光通信的理解。

可作为基础实验，也可作为表演实验。

可按如下步骤操作：

1、在实验三的基础上，选择空间激光通信组件。

2、将分束镜插入通信激光束中，从中即可分出一束激光，而且对原通信质量影响不大。

※注：

分束镜为普通玻璃，每个端面菲涅尔反射为3%左右。

3、来回转动分束镜或插入一块毛玻璃，则通信质量会受到明显干扰。

4、使用另一台光通信实验系统的光接收机（或仍使用原接收机），将探测器对准窃出的激光束，调节合适

音量，即可实现窃听。

■

实验五视频信号的光纤传输实验

、实验目的：

1.学习全电视信号的组成；

2.学习视频信号的光纤传输。

、实验内容及步骤：

在光通信实验系统中，使用CCD摄像头作为视频信号的输入设备。

实际上发送端产生并发送的是

个复合视频图像信号一一全电视信号，它包括三个部分:

行消隐信号的作用是消除水平回扫线，场消隐信号的作用是消除竖直方向上的回扫线；行同步信号使

显像管和摄像头中的行扫描同步，场同步信号使显像管和摄像头中的场扫描同步。

全电视信号的波形如图a所示。

图中第一排表示一幅画面的全电视信号，第二排是行扫描锯齿波电

流波形，第三排是场扫描锯齿波电流波形。

同步信号电平为100%，消隐电平（黑色电平）为75%，白色

电平为12.5%;黑色电平和白色电平之间为灰色电平，图像信号的电平在此范围内。

图b是将图a的一部分放大来看。

图中，

1是一行时间内的视频图像信号，它携带着一行的图像信息，出现在行扫描的正程时间内；

2是行消隐信号，其脉冲宽度为12卩s,出现在行扫描的逆程时间内；

3是场扫描信号，其脉冲宽度为1.6ms,占有25行时间，它出现在场扫描的逆程时间内；

4是行同步信号，脉冲宽度4.7卩s；

5是场同步信号，脉冲宽度为0.16ms。

实验步骤如下：

1、取仪器配套的光纤一根，将其中一端与LED光源的插座相连，另一端与PIN探测器的插座相连。

2、取仪器普通的视频线2根，分别连接摄像头与光发射机的视频输入端子、显示器与光接收机的视频输出端子。

3、接通摄像头、显示器、主机电源，按下发射机与接收机的“VIDEO”。

4、通过仪器后面版上的切换开关，选择光纤通信方式。

5、将示波器拨至视频档位（多数示波器有此档位），观察光发射机TP7、TP8，此时示波器显示为视频信号。

6、观察光接收机的TP8波形，比较与发射机有何不同。

7、录观察到的视频信号的大体形状，并指出各部分名称。

三、思考题：

1•行消隐和场消隐信号的作用是什么，没有会怎样？

2•行同步和场同步信号的作用是什么，若发射与接收不同步，图像会怎样变化？

3.若一幅画面的信号数为400X625个，为了保证活动图像的连续性，每秒应送出25幅画面，则视

频信号的频率范围是多少。

（答案6.25兆）

4.全电视信号的高频和低频部分分别传送的是图像的哪些部分。

（答案高频传送细节，低频传送大面

积图像）

’25ft

同步电平100^^■^F~76%T1J

312.5行

0

I

II

II

行扫描

丄丄］

LL

场扫描輾齿渡

Tv=ZOms

■

Tv—2Qins

（扫奇我行）

偶敖场

I打假数行）

图a.一幅画面的全电视信号

0”16riis4・？

声

图b.全电视信号

实验六模拟信号的脉冲频率调制（PFM）传输

、实验目的：

1．掌握脉冲频率调制的基本原理；

2．学习模拟信号的脉冲频率调制及光纤传输。

、实验内容：

本节的主要内容是掌握脉冲频率调制的实验原理和实验电路。

脉冲频率调制的特点是：

脉冲序列的幅度维持不变，而脉冲的频率随外加低频信号的变化而改变。

输出脉冲频率与中心频率的变化量与输入信号

的幅度成正比，为了实现对外加信号所包含信息的调制，我们必须将中心频率设置至少大于输入信号的最

高频率两倍以上，本实验设置为

50kHz左右。

脉冲频率调制的专用电路，

号频率受到输入信号的调制。

利用其输出方波频率受输入电压控制实现脉冲频率调制，使输出方波的信

脉冲频率调制解调方案为，

将输入的脉冲频率信号倍频，将信号的频谱搬运到2倍频处，通过低通滤

波便可实现脉冲频率信号的解调，

恢复出原始信号。

实验步骤：

1、将信号设置到正弦波输入状态，选择调制方式为PFM，观察输入波形和调制输出波形;

2、正确设置好LED的驱动电流，观察LED光源两端的调制波形；

3、连结好传输光纤，在接收端将解调方式选择为PFM;

4、在此调节输入端的LED光源驱动电流大小，观察并纪录解调输入和解调输出波形。

实验七模拟信号的脉冲宽度调制（PWM）传输

一、实验目的：

1．掌握脉冲宽度调制及解调的基本原理;

2．学习模拟信号的脉冲宽度调制及光纤传输。

二、实验内容及步骤：

脉冲宽度调制（PWM）像调幅和调频一样可用于低频信号的调制传输。

PWM的特点是：

载波脉冲信号的频率和幅度维持不变，而脉冲的宽度