《現(xiàn)代光纖通信系統(tǒng)》實驗指導(dǎo)書(2008)

1、 現(xiàn)代光纖通信系統(tǒng) 實驗指導(dǎo)書 何 寧 編 信息與通信學(xué)院 2011年6月概 述 光纖通信是利用光波作為載波，以光纖作為傳輸媒質(zhì)實現(xiàn)信息傳輸，是一種最新的通信技術(shù)。通信發(fā)展過程是以不斷提高載頻頻率來擴大通信容量，光是一種頻率極高的電磁波（3×1014HZ），因此用光作載波進行通信容量極大，是過去通信方式的千百倍，具有極大的吸引力，是通信發(fā)展的必然方向。光纖通信有許多優(yōu)點：首先它有極寬的頻帶。目前我國已完成了10Gbps的光纖通信系統(tǒng)，這意味著在125um的光纖中可以傳輸大約11萬路電話。其次，光纖的傳輸損耗很小，傳統(tǒng)的同軸電纜損耗約在5dB/Km以上，站間距離不足10Km；而工作在1

2、.55um的光纖最低已達到0.2dB/Km的損耗，站間無中繼傳輸可達100Km以上。另外，光纖通信還具有抗電磁干擾、抗腐蝕、抗輻射等特點，它在地球上有取之不盡，用之不竭的光纖原材料SiO2。光纖通信可用于市話中繼線，長途干線通信，高質(zhì)量彩色電視傳輸，交通監(jiān)控指揮，光纖局域網(wǎng)，有線電視網(wǎng)和共用天線（CATV）系統(tǒng)。波分復(fù)用技術(shù)（WDM）的出現(xiàn)，使光纖傳輸技術(shù)向更高的領(lǐng)域發(fā)展，實現(xiàn)信息寬帶、高速傳輸。光纖通信將會在光同步數(shù)字體系（SDH）、相干光通信、光纖寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（BISDN）、用戶光纖網(wǎng)、ATM及全光通信有進一步發(fā)展。 實驗一 光纖及LD特性測量一實驗?zāi)康?掌握光纖的基本結(jié)構(gòu)和傳輸特性

3、。2了解光纖通信光源的類型及發(fā)光機理。3掌握光纖及LD有關(guān)特性測量。二實驗內(nèi)容及要求1. 光纖基本特性及連接技術(shù)測試。2LD伏安特性測試。3LD電光轉(zhuǎn)換特性測試。4LD調(diào)制特性測試。5LD光譜特性測試。三實驗原理光纖的制造過程是比較復(fù)雜的過程，生產(chǎn)光纖的主要材料為石英（SiO2），其制造流程如圖1所示：拉絲成纜套塑預(yù)制棒熔煉 材料提純 光纖測試預(yù)制棒檢驗材料分析檢驗 圖1 光纖光纜制造流程圖光纖的制作過程一般可分為三個主要步驟：1、熔煉 常用方法主要有改進的化學(xué)氣相沉積法（MCVD）和微波等離子體法（PCVD），化學(xué)反應(yīng)方程式為： SiCl4+O2 高溫 SiO2+2Cl2 GeCl4+O2高

4、溫 GeO2+2Cl2 式中SiO2為石英，GeO2用于改變石英折射率的摻雜劑。2、 拉絲 是將已制作好的預(yù)制棒在高溫下拉成高質(zhì)量的光纖，光纖的幾何尺寸精度必須嚴格控制。3、 套塑為提高光纖的機械強度，需把經(jīng)一次涂覆的光纖再套上塑料套管。光纖按制作材料不同可分為石英光纖，塑料光纖和氧化物光纖。按工作波長分為短波光纖（0.85um），長波長光纖（1.31um，1.55um）和超長波長光纖（2um以上）。按傳輸模式分為單模光纖和多模光纖。光纖接續(xù)有固定連接和活動連接兩種，固定連接一般用于光纜工程上；活動連接一般用于機與線或機與機之間的連接，是可以拆卸的。光纖的焊接最關(guān)鍵的一步是端面處理，它直接影響

5、光纖的接續(xù)損耗，光纖焊接定光纜架設(shè)工程和光纜線路日常維護的一項關(guān)鍵技術(shù)。光纖接續(xù)損耗主要受以下幾個因素的影響，被焊接光纖折射率失配，纖蕊失配，端面的平整度和干凈程度等。光纖傳輸特性主要有損耗特性和頻帶特性，光纖損耗特性通常用dB/km表示，引起光能量衰減的原因有吸收損耗、散射損耗和輻射損耗。要降低光纖衰減，可采用純度極高的石英玻璃。光纖頻帶特性通常用兆赫千米來表示，說明1Km光纖所具有的帶寬能力，光纖頻帶特性主要受傳光時色散性的影響。光纖通信系統(tǒng)采用的光源主要有半導(dǎo)體激光器（LD）和發(fā)光二極管（LED）,根據(jù)制作的材料不同，發(fā)光二極管的峰值發(fā)射波長有0.85um、1.3um和1.55um三種。

6、LED是非相干光源，是一種直接注入電流的光發(fā)射器件，它的發(fā)射過程主要對應(yīng)光的自發(fā)輻射過程，是半導(dǎo)體晶體內(nèi)部受激電子從高能級回復(fù)到低能級時，發(fā)射出光子的結(jié)果。在發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)中，不存在諧振腔，當(dāng)注入正向電流時，注入的非平衡載流子在擴散過程中復(fù)合發(fā)光。因此，發(fā)光二極管不是閾值器件，它的輸出功率基本上與注入電流成正比。激光器的特性主要有光譜特性、伏安特性、電光轉(zhuǎn)換特性和調(diào)制特性。伏安特性是指LD通過正向電流時，發(fā)光二極管兩端所產(chǎn)生的正向壓降，由于正向電阻比較小，故正向壓降較低。圖2給出示意圖。 （a）伏安特性曲線 （b）伏安特性測試電路 圖2 伏安特性示意圖光譜曲線上發(fā)光強度最大時所對應(yīng)的波長為發(fā)

7、光峰值波長，光譜曲線上兩個半光強點所對應(yīng)的波長差稱為LD的譜線寬度，其值為3040nm左右,光譜極易受溫度的影響。與普通光源相比，激光光源具有單色性好、亮度高、方向性強和相干性強等特點，激光的出現(xiàn)使原有的光譜技術(shù)在靈敏度和分辨率方面得到很大的改善。激光器根據(jù)譜線寬度不同可分為單縱模和多縱模激光器，其光譜如圖3、圖4和圖5所示。 圖3 LED光譜特性 圖4 LD光譜特性 圖5 LED多縱模光譜電光轉(zhuǎn)換特性是指LD的光輸出功率與注入電流的關(guān)系，它是LD的重要參數(shù)之一，分為直流輸出功率和脈沖輸出功率。直流輸出光功率是指在規(guī)定正向直流工作電流下，LD所發(fā)出的光功率；而脈沖輸出光功率是指在規(guī)定幅度、頻率

8、和占空比的矩形脈沖電流作用下，LD發(fā)光面所發(fā)射出的光功率。出光特性曲線如圖6所示。 圖6 PI特性曲線LED調(diào)制特性是指在規(guī)定的直流正向工作電流下，用數(shù)字或模擬信號對LED進行調(diào)制，從而改變光功率。光通信中傳輸速率的大小受調(diào)制頻率或調(diào)制帶寬的限制。圖7給出其調(diào)制原理圖。 （a）模擬調(diào)制 （b）數(shù)字調(diào)制 圖7 調(diào)制特性曲線四實驗線路 圖4給出了伏安特性、出光特性的具體測試電路，調(diào)節(jié)電位器可改變流過二極管的電流，從而改變LD的出光功率。圖5給出了光調(diào)制電路，a）圖為模擬調(diào)制電路，為了保證LD工作在線性范圍，在無信號輸入時，必須給LD加一定的直流偏置；b）圖為數(shù)字調(diào)制電路，三極管VT處于零偏置，且在

9、開關(guān)狀態(tài)下工作，當(dāng)輸入信號為高電平時，三極管導(dǎo)通，LD有光信號輸出，當(dāng)輸入信號為低電平時，三極管截止通，LD無光信號輸出。圖4 伏安特性與PI特性測試電路 圖5 調(diào)制電路五實驗步驟（一） 光纖生產(chǎn)及連接技術(shù) 觀看生產(chǎn)光纖流程，測量光纖物理尺寸，光纖熔接練習(xí)。（二）LED伏安特性測試1將電流表串接入LD測試電路，開啟穩(wěn)壓電源（直流5V）。2調(diào)整電位器，使流過LD的電流為100mA，測量LD兩端對應(yīng)的電壓值。3減小電源電壓，按表1中電流值調(diào)整，用萬用表測量并記錄LD兩端對應(yīng)電壓值。4根據(jù)測試數(shù)據(jù)作出LD的正向伏安特性曲線。表1電流123456789102030405060708090100電壓（三

10、）LD出光特性測試1電源電壓為5伏，調(diào)整電位器改變流過LD的電流。2在LD的尾纖接入光功率計，讀出與流過LD電流對應(yīng)的光功率值，記入表2中。3根據(jù)測試數(shù)據(jù)作出LD的出光特性曲線。表2電 流 5 10 20 30 40 50 60 70 8090100功 率（四）LD調(diào)制特性測試（模擬調(diào)制）1將信號源頻率設(shè)置為1KHz、幅度為100mv的正弦信號，并加入電路輸入端。2用示波器測試三極管的輸出調(diào)制波形。3用光功率計測試此時LD的光功率值。六實驗設(shè)備穩(wěn)壓電源 信號源 光功率計 萬用表 雙蹤示波器 七實驗報告1處理實驗數(shù)據(jù)，并畫出相關(guān)特性曲線。2說明模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制對線性的要求。3實驗體會。實驗二：

11、 數(shù)字光纖傳輸測試系統(tǒng)設(shè)計一、 實驗?zāi)康?、 理解利用光承載電信號的原理，設(shè)計數(shù)字光纖通信傳輸測試系統(tǒng)。2、 掌握光纖通信系統(tǒng)接收的靈敏度測量及通信距離概算。二、 實驗任務(wù)和原理實驗任務(wù)：按給定設(shè)備和器件，設(shè)計構(gòu)建一數(shù)字光纖傳輸光接收靈敏度測試系統(tǒng)，并模擬信道衰減計算系統(tǒng)傳輸距離。實驗原理：光纖通信系統(tǒng)主要由光發(fā)信機、光纖傳輸介質(zhì)（光信道）和光收信機組成，光發(fā)信機是完成電信號與光信號的轉(zhuǎn)換，即調(diào)制，光波是承載電信號的載波，目前光纖通信中常用的調(diào)制方式主要是直接光強度調(diào)制。光纖是作為光信號的傳輸通道，完成收發(fā)兩端設(shè)備的連接。光電探測器是將接收到的光功率轉(zhuǎn)換成信號電流送到后級進行處理，光纖通信中最

12、常用的光電探測器主要有PIN光電二極管和APD雪崩二極管兩種。光信號經(jīng)過長距離傳輸會產(chǎn)生衰減，它將影響信號的接收質(zhì)量，這就需提高接收機的靈敏度。接收機的靈敏度是在保證接收機的對信號的正常接收情況下，接收機所需的最小光功率，常采用分貝毫瓦（dBm）表示。光纖傳輸系統(tǒng)中繼距離的長短，除了發(fā)射機的發(fā)射光功率和接收機的靈敏度外，還與光纖傳輸介質(zhì)的損耗有關(guān)，光纖傳輸系統(tǒng)傳輸信道衰減組成及表達式如下：TXRXMcMe活動接頭固定接頭 光纖傳輸系統(tǒng)信道組成式中： 為發(fā)射平均功率，單位dBm; 接收光功率，單位dBm; 一個活動接頭損耗，單位dB; 設(shè)備富余度，單位dB 光纖每公里損耗，單位dB/Km; 每個

13、固定接頭衰減，單位dB/個； 光纖線路富余度，dB/Km.三、 系統(tǒng)設(shè)計及技術(shù)要求1、 光接收機靈敏度測試用調(diào)制光源連續(xù)光（CW）狀態(tài)測試活動接頭的衰減量；調(diào)制光源工作頻率在1KHz、功率為0.5mW的內(nèi)部脈沖調(diào)制狀態(tài)；搭建測試系統(tǒng)，測量給定光接收機的靈敏度。要求：畫出測試系統(tǒng)框圖及測試波形，按“正切靈敏度”測試法和“替代法”測出接收的最小光功率，并計算出光接收機的靈敏度（dBm）。2、 光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)距離概算根據(jù)上面測試的模擬信道衰減量計算出最大的傳輸距離；（注意活動接頭的個數(shù)）如果在靈敏度保持一定時，光發(fā)射機功率再增加0.1mW，計算此時光纖信道傳輸距離可增加多少公里。(給定設(shè)備富余度3dB，光纖衰減為0.2dB/Km)。四、實驗儀器及使用調(diào)制光源 一臺 穩(wěn)壓電源 一臺 光纖衰減器 一臺雙蹤示波器 一臺 光功率計 一臺 光接收電路 一塊l 調(diào)制光源是光纖通信完成電光轉(zhuǎn)換的一個重要部分，它可使用內(nèi)部電信號和外部電信號調(diào)制，可輸出連續(xù)光和脈沖光，輸出光功率可進行調(diào)整，通過調(diào)整INT按鍵可改變其工作狀態(tài)，CW為連續(xù)光輸出，270Hz、1KHz和2KHz為內(nèi)部電脈沖調(diào)制，UR為外加TTL電脈沖信號調(diào)制，可完成dBm和mW