光纤通信实验.docx
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光纤通信实验
中南大学
[《光纤通信》课程实验报告]
(硬件实验)
实验名称:
[《光纤通信》硬件实验]
专业班级:
[通信1103]
学生姓名:
[张悦]
学号:
[0909111903]
指导教师:
[王玮]
完成时间:
[2014.6.6]
《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
通信1103
姓名
张悦
实验名称
实验一⑴半导体激光器P-I特性测试实验
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(uW)
u(V)
I(A)
P(uW)
u(V)
I(A)
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
通信1103
姓名
张悦
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)
P11(uW)
EXT
P00(uW)
P11(uW)
EXT
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
通信1103
姓名
张悦
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
通信1103
姓名
张悦
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.
《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
通信1103
姓名
张悦
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。