光纤实验内容四个实验.docx

1、光纤实验内容四个实验实验一 半导体激光器P-I特性测试实验一、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）曲线的测试方法二、实验内容1、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2、根据PI特性曲线，找出半导体激光器阈值电流，计算半导体激光器斜率效率三、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、连接导线 20根四、实验原理光源是把电信号变成光信号的器件，

2、在光纤通信中占有重要的地位。性能好、寿命长、使用方便的光源是保证光纤通信可靠工作的关键。光纤通信对光源的基本要求有如下几个方面：首先，光源发光的峰值波长应在光纤的低损耗窗口之内，要求材料色散较小。其次，光源输出功率必须足够大，入纤功率一般应在10微瓦到数毫瓦之间。第三，光源应具有高度可靠性，工作寿命至少在10万小时以上才能满足光纤通信工程的需要。第四，光源的输出光谱不能太宽以利于传输高速脉冲。第五，光源应便于调制，调制速率应能适应系统的要求。第六，电光转换效率不应太低，否则会导致器件严重发热和缩短寿命。第七，光源应该省电，光源的体积、重量不应太大。作为光源，可以采用半导体激光二极管（LD,又称

3、半导体激光器）、半导体发光二极管（LED）、固体激光器和气体激光器等。但是对于光纤通信工程来说，除了少数测试设备与工程仪表之外，几乎无例外地采用半导体激光器和半导体发光二极管。本实验简要地介绍半导体激光器，若需详细了解发光原理，请参看各教材。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

4、能产生高功率（10mW）辐射，而且输出光发散角窄（垂直发散角为3050，水平发散角为030），与单模光纤的耦合效率高（约3050），辐射光谱线窄（0.11.0nm），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。半导体激光器的特性，主要包括阈值电流Ith、输出功率P0、微分转换效率、峰值波长p、光束发散角、脉冲响应时间tr、tf等。除上述特性参数之外，有时也把半导体激光器的工作电压、工作温度等列入特性参数。阈值电流是非常重要的特性参数。图1-1上A段与B段的交点表示开始发射激光，它对应的电流就是阈值电流Ith。半导体激光器可

5、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。P-I特性是半导体激光器的最重要的特性。当注入电流增加时，输出光功率也随之增加，在达到Ith之前半导体激光器输出荧光，到达Ith之后输出激光，输出光子数的增量与注入电子数的增量之比见式1-1。 （1-1）P/I就是图1-1激射时的斜率，是普朗克常数（6.625*10-34 焦耳秒），v为辐射跃迁情况下，释放出的光子的频率。图1-1 LD半导体激光器P-I曲线示意图 P-I特性是选择

6、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（测试方法见实验四）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。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。其典型参数如下表1-1：Parameter参数Symbol符号Min最小值Typ典型值Max.最大值Unit单位Central Wavelength中心波长128013101340nmSp

7、ectral Width RMS谱线宽度25nmThreshold Current阈值电流815mAOptical output power输出功率0.20.61.2mWForward Voltage正向电压Vf1.21.6VRise Time/Fall Time上升/下降时间tr/tf0.30.5ns 表1-1 本实验半导体激光器的部分参数参考表本实验所涉及的实验框图如图1-2，R110（1）与激光器串联。 图1-2 激光器工作框图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(将BM1、BM2都拨到中档，用万用表的欧姆档测T

8、103、T104之间的电阻)，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。五、实验步骤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（1310nm T）防尘帽，用FC-FC光纤跳线将半导体激光器与光功率计输入端连接起来，并将光功率计测量波长调整到1310nm档。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

9、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（VIR110）。5、将电位器W46（阈值电流调节）逆时针旋转到底。6、打开交流电源，此时指示灯D4、D5、D6、D7、D8亮7、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）。8、慢慢调节电位器W44（数字驱动调节），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1-2，精确到0.1uW。 9、做完实验后先关闭交流电开关。10、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。U(mV)12345678I(mA)P（uW）U(mV)9101

10、21416182022I(mA)P（uW）U(mV)2426283032343638I(mA)P（uW） LD的P-I特性测试表六、实验测试点说明T97（V+）、T98（V-） 激光器的数字驱动电流测试端TP108（LT） 激光器的输出信号测试端七、实验报告1、根据测试结果，算出半导体激光器驱动电流，画出相应的光功率与注入电流的关系曲线。2、根据所画的P-I特性曲线，找出半导体激光器阈值电流的大小。3、根据P-I特性曲线，求出半导体激光器的斜率效率。4、实验结果及误差分析正确。八、思考题1、试说明半导体激光器发光工作原理。2、环境温度的改变对半导体激光器P-I特性有何影响？3、分析以半导体激光

11、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。实验二 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

12、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2-1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

13、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2-3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2-3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，外输入音乐信号），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2-2所示。半导体激光器的模拟调制，直接利用图2-3所示电路进行

14、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补偿，观察补偿后的传输效果与补偿前的效果。模拟信号光纤传输系统原理框图如图所示：图2-3 LED模拟调制电路整个驱动电路采用射极跟随器。W43用于调节信号的幅度，W9用于调节驱动电流的大小。模拟信号的产生电路如下图所示：图2-4 模拟信号源电路原理图其中1KHz的方波是由CPLD通过分频得到，其中T7接线口输出为频率1KHz的三角波，T10接线口输出为1KHz的正弦波。电位器W3 用于调节输出的正弦波和三角波的幅度，是其输出信号的幅度从0+5V可调。五、实验步骤1、用连接线连

15、接模拟信号源模块1的T10（正弦波）和T96(13_AIN)。注释：T10（正弦波）的频率为1KHz。2、用FC-FC光纤跳线将1310nm光发端机（1310nmT）与1310nm光收端机（1310nmR）连接起来。3、将开关BM1拨为1310nm,将开关K43拨为“模拟”，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。4、打开交流电源开关，电源指示二极管D4，D5，D6，D7，D8亮。 5、用双踪示波器测量T10处的波形，同时调节“幅度调节”电位器，使得正弦波的峰-峰值为4V。 6、顺时针调节电位器W9（模拟驱动调节）和W45（幅值调节），使得测试钩

16、TP114处的波形幅度为2V且无明显失真。7、用双踪示波器的两个探头同时测量TP108（LT）和TP114(13_OUT)处的波形，分别调节电位器W9（模拟驱动调节）和W45（幅值调节），观察模拟信号调制的过程。8、将模拟信号源的T10换成T7（三角波）和T96(13_AIN)连接，按照以上步骤5-7做实验观察三角波信号光纤传输时调制过程。9、根据以上实验设计2K正弦波和三角波的传输实验，2K的正弦波和三角波由模拟信号源模块2产生。 10、根据以上调制过程和LD模拟调制的原理，设计LED模拟信号调制实验。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、实验测

17、试点说明T10（正弦波） 1K正弦波信号输出端T96(13_AIN) 1310光端机模拟信号输入端T7（三角波） 1K三角波信号输出端TP108（LT） 激光器的发射信号输出端 TP114（13_OUT） 探测器的接收信号测试端七、实验报告1、记录并画出各模拟信号的波形，对模拟信号光传输前后的波形进行比较。2、简述模拟信号光纤传输过程；比较LD与LED模拟信号调制的效果。3、对实验结果以及实验结果的分析正确。八、思考题1、光纤传输系统能否传输数字信号，为什么？2、分析和比较LD模拟信号调制与LED模拟信号调制的异同点，并指出其优缺点。实验三 数字光纤通信系统线路码型CMI 编译码实验一、实验目

18、的1、了解线路码型在光纤传输系统中的作用2、掌握线路码型CMI码的编译码过程以及电路实现原理二、实验内容1、验证符合光纤传输系统的线路码型2、观察线路码型的编译码过程三、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、FC-FC单模光跳线 1根4、连接导线 20根四、实验原理线路码型变换电路主要是适应数字光纤通信传输的需要而设置的，因此，数字光纤通信传输过程的前后必须有线路码型变换与反变换电路。线路码型是指信道码的码型，它是将二进制的数字串变换为适合于特定传输媒介的形式。因此，对于不同的传输媒介，有不同类型的线路码型。对于光纤数字传输系统

19、，不仅要考虑其传输媒介光纤的特性，还需考虑光电转换器件即光源器件和光检测器件的特性，例如光纤线路的带宽（色散）特性影响着对线路码型速率变化的选择，光源器件的非线性影响着对线路码型是单极性还是多极性的选择，一般说来，对光纤传输线路码型的选择主要考虑如下要求：（1）比特序列独立性（2）能提供足够的定时信息（3）减小功率谱密度中的高低频分量（4）误码倍增小（5）便于实现不中断业务的误码监测（6）易于在传送主信息（业务信息）的同时，传送监控、公务、数据等维护管理信息，以及区间通信等辅助信号。（7）易于实现在介绍常用线路码型之前，先介绍一下线路码型的分类，如果从泛指的线路码型来讲，可以从不同角度来分，现

20、简述如下。以应用场合来分，有用于金属缆线的线路码型（又可细分为同轴电缆用的、对称电缆用的码型等等），无线系统用的线路码型，用于光缆传输系统的码型等。本实验介绍的CMI线路码型是光线路码型。以传输信道（或者说调制方式）来分，有基带信道的线路码型和承载（载波）信道的线路码型。目前光纤传输系统大多采用基带直接调制光信号，对线路码型而言，仍输入基带码型。以线路码型的电平数来分，有两电平码、三电平码、四电平码以及多电平码。在光纤传输系统的线路码型一般选用两电平码。光线路码型应该是两电平、基带、连续运行、固定长度组码。由于CMI码有很多优点，它既为我国数字通信标准制式所规定的两种接口码型之一，又是数字光纤

21、通信系统中所采用的线路码型，它既属于伪双极性码又属于mBnB码（1B2B码）。所以，本实验中的线路码型就采用CMI码。 CMI码为信号反转码（Code Mark Inversion），是一种二电平不归零码，是PCM四次群的线路传输码型，也就是四次群数字光纤通信设备与四次群PCM设备之间的接口码型。1、CMI码的特点A、CMI码编译电路简单，便于设计与调试。B、CMI码的最大连“0”和连“1”都是3个C、具有误码监测能力，当其编码规则被破坏，就表示有误码产生，便于线路传输中的误码监测。D、CMI码功率谱中的直流分量恒定，低频分量小，fr（变换前的码速率）频率处有限谱，频带较宽，便于定时提取。E、

22、CMI码的速率是编码前信号速率的两倍。2、CMI码的编码规则A、对于二进制“0”被编码成为前后得A1和A2（A1为“0”电平，A2为“1”电平）两种幅值的电平，每种幅值占单位时间间隔的一半（T/2），即在CMI码中为“01”码。B、对于二进制“1”用幅值电平A1和A2来编码。A1或A2都占满了一个单位时间间隔（T），即在CMI码流中为“00”或“11”码；对于相继的二进制“1”，这两个电平相互交替。这也就是前一个二进制“1”编为A1，（即“00”）则后一个二进制“1”就编A2，反之，前一个二进制“1”编为A2，（即“11”）则后一个二进制“1”就编A1，即在CMI码流中以“00”和“11”信号

23、相互交替。3、CMI码编码电路的方式CMI编码电路比较简单，CMI码的编码规则是将二值码NRZ序列中的“1”和“0”状态进行分离，然后按各自的编码规则进行编码，最后由这两种状态的编码合成输出就成为CMI码。4、CMI译码电路CMI译码不采用CMI编码逆变换，而是采用延时CMI码T/2（即半比特时间）然后相加，时钟读出的方法。 电平码CMIDMI DMI模式1模式2模式1模式2001010110（连“0”模式不变）100110011表3-1 二电平码变为CMI和DMI码的规则实验中线路编码将数字基带信号NRZ码变换为适合数字光纤通信系统传输的线路码型CMI码，CMI码经光纤传输后，再经线路译码变

24、换为基带信号NRZ码。实验方框图如图3-1所示。观察各点波形以理解CMI编译码规则。 图3-1 CMI编译码实验框图 以下是原理图分析：图3-3 CMI编码电路根据CMI的编码规则，“1”交替编为“00”“11”；“0”编为“01”。将所有的“0”求反，再与BS相乘，则将所有的“0”编为了“01”。然后，根据JK触发器的特点，其碰到“1”则翻转；碰到“0”则保持的特点，将所有的“1”交替编为“00”和“11”。最后，合成输出。图3-4 CMI译码电路 对于译码电路，首先要进行位同步提取。这一步，在CPLD模块内实现。得到与输入的CMI码同步的BS之后，进行如上图所示的电路变换。将CMI码的前半

25、位与后半位取同或，相同则译为“1”，不同则译为“0”。五、实验步骤1、用导线连接电终端模块T66(C_O)和光终端模块T81(C_I)，T65(D_O)和T82(D_I)；连接电终端模块T71(C_I)和光终端模块T85(C_O)，T69(D_I)和T86(D_O)；连接数字信号源模块的T79（D1_O）和T67（D1_I），T78（D2_O）和T64（D2_I），T8（D3_O）和T63（D3_I）；连接电终端模块和数字终端模块的T70（D1_O）和T88（D1_I），T72（D2_O）和T75（D2_I），T73（D3_O）和T74（D3_I）2、将拨码开关K35的值拨为“1100”，K3

26、8的值拨为“0000”，K37的值拨为“00000000”。将数字信号源模块的拨码开关K36、K32和K33的值拨为任意值。3、将开关K7、K28、K29全部拨向下。4、旋开光发端机光纤输出端口（1550nm T）防尘帽，用FC-FC光纤跳线将半导体激光器与光机收机（1550nm R）连接起来。5、打开交流电源，此时指示灯D4、D5、D6、D7、D8亮。6、用示波器探头测量光终端模块T82(D_I)处的波形，并记录下来。7、用示波器另一探头测量T92(15_DIN)处的波形，此时的波形为CMI编码后的波形，将示波器的第一通道设置为触发方式，观测两个信号的区别，并验证CMI编码的原理。8、用示波

27、器探头测量T89（15_DOUT）处的波形，此波形为经光纤传输后的信号波形。9、用示波器测量电终端T65(D_O)和T69(D_I)的波形，观察CMI译码后的波形和编码前波形是否一致，同时观察数字终端二极管的发光顺序和数字信号源是否一致，一致则说明解码正确。10、将拨码开关K37的值拨为“01000000”，即采用“扰码+CMI”的编码方式，重新做以上的试验，观察相同测试点处波形的不同。11、在扩展模块上自己设计CMI编译码程序进行验证。12、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、实验测试点说明T92（15_DIN） 1550光发送机的数据信号输入端T8

28、9（15_DOUT） 1550光接收机的数据信号输出端七、实验报告1、简述CMI编译码电路的原理2、记录个点的波形进行分析，验证CMI编译码原理的正确性八、思考题1、为什么实际的数字光纤通信系统一般不直接采用PCM码型？2、CMI作为数字光纤通信系统的线路码型有哪些优点？实验四 电话光纤传输系统实验一、实验目的1、了解电话及语音信号通过光纤传输的全过程2、掌握模拟电话、数字电话光纤传输的工作原理二、实验内容1、电话光纤传输系统实验三、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、FC-FC单模光跳线 1根4、电话机 2部5、万用表 1台

29、6、850nm光发端机和光收端机（可选） 1套7、ST-ST多模光跳线（可选） 1根8、连接导线 20根四、实验原理对于局间通信来说，电话语音通信具有举足轻重的作用。以电话通信网络为载体，各种模拟（或数字）信号的传输系统已经商业化。如电话、传真、拨号网络通信等业务都是在局间电话网上实现的。图4-1 电话模拟光纤传输图4-2 电话数字光纤传输图4-3 时分复用帧结构示意图电话语音信号的光纤传输分为两种方式：一种方式为模拟电话光纤传输，即电话用户接口输出的模拟信号直接送入光纤模拟信号传输信道，从而实现两部电话的通话（由于模拟信号无法直接进行时分复用，因此模拟电话光纤传输只能传输一路电话语音信号，另一路电话语音信号直接用连接导线代替光纤），实验方框图如图8-1所示。另一种方式为数字电话光纤传输。在数字传输系统中，几乎所有业务均以一定的格式出现，因而在信道上对各种业务传输之前要对业务的数据进行包装。信道上对业务数据包装的过程称之为帧组装。不同的系统、信道设备帧组装的格式、过程不一样。时分复用制的数字通信系统，在国际上已逐渐建立起标准并广泛使用。时分复用（TDM）的主要特点是在一个信道上利用不同的时隙来传递各路（语音、数据或图像）不同信号。各路信号独立、互不干扰。实际的电话业务共有32个