《光信息傳輸技術(shù)》實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(新)

1、光信息傳輸技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書何寧編信息與通信學(xué)院2009年12月實(shí)驗(yàn)一光纖及LD特性測量12一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康? .掌握光纖的基本結(jié)構(gòu)和傳輸特性。2 .了解光纖通信光源的類型及發(fā)光機(jī)理。3 .掌握光纖及LD有關(guān)特性測量。二.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求1. 光纖損耗特性及連接技術(shù)測試。2. LD伏安特性測試。3. LD電光轉(zhuǎn)換特性測試。4. LD調(diào)制特性測試。三.實(shí)驗(yàn)原理光纖制造過程是比較復(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: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(gè)主要步驟：熔煉、拉絲、套塑。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

2、.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(dòng)連接兩種，固定連接一般用于光纜工程上；活動(dòng)連接一般用于機(jī)與線或機(jī)與機(jī)之間的連接，是可以拆卸的。光纖接續(xù)損耗主要受以下幾個(gè)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(shí)色散性的影響

3、。光纖的損耗是決定光纖通信系統(tǒng)傳輸距離的一個(gè)很重要的參數(shù)，光纖內(nèi)的吸收、散射和彎曲、微彎以及護(hù)套等因素均可引起光纖傳輸中光功率的衰減，由于精確地計(jì)算光纖損耗極為困難，光纖的損耗通常用實(shí)驗(yàn)確定，因此，掌握測量光纖損耗的方法十分重要。光纖中光信號(hào)的傳輸可用下式表示：P(L)P(I)e1L(1)式中P(I)是光纖輸入功率，P(L)是光纖長L處的光功率，1是功率損耗系數(shù)，單位是1/米。在光纖傳輸系統(tǒng)中，常用分貝/公里(dB/km)表示損耗，即損耗系數(shù)為：101g也L 9 P(L)(dB / km )(2)與）的關(guān)系為：4.341（3）光纖的彎曲損耗都是由于光不滿足全反射條件而造成的，現(xiàn)代光纖最大的優(yōu)點(diǎn)

4、之一就是它的易彎曲性，如果光纖的彎曲曲率半徑太小，將引起光傳播途徑的改變，使光從纖芯滲透到包層，甚至可能穿過包層向外滲漏。在正常情況下，光在纖芯內(nèi)沿軸向傳播的常數(shù)應(yīng)滿足n2k0n1k0,光強(qiáng)分布為中心軸線最強(qiáng)，隨著半徑的增大而逐漸減弱，到達(dá)纖芯的邊緣光強(qiáng)等于零，呈高斯分布。光在彎曲部分中傳輸，要想保持同相位的電場和磁場在一個(gè)平面里，則越靠近外側(cè)，其速度就會(huì)越大（即越?。?。當(dāng)傳到某一位置時(shí)，其相速度就會(huì)超過光速，即當(dāng)n2ko時(shí)，這意味著傳導(dǎo)模要變成輻4圖2光纖損耗特性tnir a：b：占-m- 削%Off / 防pl竄例】.一 例HkHit Sn:OFF 產(chǎn)牌41:酬+ 產(chǎn)，Alt 1件射模，所

5、以，光信號(hào)的一部分會(huì)損失掉，傳輸損耗將會(huì)增加。圖2和圖3是光纖特性圖。圖3光纖彎曲振蕩特性光纖通信系統(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。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(duì)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(jí)回復(fù)到低能級(jí)時(shí)，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(shí)，注入的非平衡載流子在擴(kuò)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。發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)可分為表面發(fā)光型

6、LED和邊發(fā)光型LED,光纖通信中多采用邊發(fā)光型LED。發(fā)光二極管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。光譜曲線上發(fā)光強(qiáng)度最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的波長為發(fā)光峰值波長，光譜曲線上兩個(gè)半光強(qiáng)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的波長差稱為LED的譜線寬度，其值為3040nm左右，光譜極易受溫度的影響。伏安特T是指LED通過正向電流時(shí)，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4給出示意圖。（a）伏安特性曲線（b）伏安特性測試電路圖4伏安特性示意圖光譜曲線上發(fā)光強(qiáng)度最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的波長為發(fā)光峰值波長，光譜曲線上兩個(gè)半光強(qiáng)點(diǎn)所對(duì)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

7、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(qiáng)和相干性強(qiáng)等特點(diǎn)，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5、圖6和圖7所示。CWIL .if圖5 LED光譜特性-DDnOHHW QCfi rim frii-dBm21 st sr ww f m/巧Md- ILhIH 1HBU11目暨I時(shí) El18 FWi信44出他I 0F力性-11 627 IBn金山H 而n寓劭 =事的”百inrtidBr-3Dj31 buxn ?n cmin.3具叩成J加 1E46.Eon入跆rn.QvI用曲曲ein 1陛 B：

8、& 1M/%即 0<f/ S«lpT 邵 50】城川;WbteSnsW f > I nLlsdtf 代玷.=/ All Off圖6 LD光譜特性圖7 LED多縱模光譜電光轉(zhuǎn)換特性是指 LED的光輸出功率與注入電流的關(guān)系，它是 LED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,LED所發(fā)出的光功率;而脈沖輸出光功率是指在規(guī)定幅度、頻率和占空比的矩形脈沖電流作用下,LED發(fā)光面所發(fā)射出的光功率。出光特性曲線如圖 8所示。-父11二外卡產(chǎn)王；+、*圖8 P -I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

9、模擬信號(hào)對(duì)LED進(jìn)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9給出其調(diào)制原理圖。（a）模擬調(diào)制圖9調(diào)制特性曲線四.實(shí)驗(yàn)線路圖10和圖11給出光纖彎曲損耗和彎曲振蕩的測試圖，測試中使光纖在不同直徑大小的圓柱上彎曲，在光功率計(jì)和光譜儀上進(jìn)行測量。圖12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LED工作在線性改變LED的出光功率。圖13給出了光調(diào)制電路，a）圖為模擬調(diào)制電路，為了保證LED有光信號(hào)輸出，當(dāng)輸入信號(hào)范圍，在無信號(hào)輸入時(shí)，必須給LED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，且在開關(guān)狀態(tài)下工作，當(dāng)

10、輸入信號(hào)為高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通,為低電平時(shí)，三極管截止通，LED無光信號(hào)輸出。圖13調(diào)制電路圖12伏安特性與PI特性測試電路五.實(shí)驗(yàn)步驟（一）光纖特性測量及連接技術(shù)測量光纖衰減特性、光譜特性，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LED測試電路，開啟穩(wěn)壓電源（直流5V）。2 .調(diào)整電位器，使流過LED的電流為100mA,測量LED兩端對(duì)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LED兩端對(duì)應(yīng)電壓值。4 .根據(jù)測試數(shù)據(jù)作出LED的正向伏安特性曲線。表1電流123456789102030405060708090100電壓（三）LED

11、出光特性測試1 .電源電壓為5伏，調(diào)整電位器改變流過LED的電流。2 .在LED的尾纖接入光功率計(jì)，讀出與流過LED電流對(duì)應(yīng)的光功率值，記入表2中。3 .根據(jù)測試數(shù)據(jù)作出LED的出光特性曲線。表2電流5102030405060708090100功率（四）LED調(diào)制特性測試（模擬調(diào)制）1 .將信號(hào)源頻率設(shè)置為1KHz、幅度為100mv的正弦信號(hào)，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(jì)測試此時(shí)LED的光功率值。六.實(shí)驗(yàn)設(shè)備穩(wěn)壓電源信號(hào)源光功率計(jì)光譜儀萬用表雙蹤示波器七.實(shí)驗(yàn)報(bào)告1處理實(shí)驗(yàn)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(duì)線性的要求。3實(shí)驗(yàn)體會(huì)。

12、實(shí)驗(yàn)二光通信系統(tǒng)模擬仿真OptiSystem1 、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 熟悉OptiSystem仿真軟件的功能及應(yīng)用。2. 掌握基本光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成與參數(shù)仿真。2 、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.OptiSystem軟件菜單元件庫操作2. 基本光纖傳輸系統(tǒng)仿真3、 軟件功能介紹OptiSystem能在時(shí)域和頻域上對(duì)光通信系統(tǒng)中物理層進(jìn)行模擬仿真。用途：光發(fā)射機(jī)、信道、放大器、接收機(jī)設(shè)計(jì)WDMDWDMCATVPON/FTTxROF網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、SONET/SD股計(jì)功能：圖形化界面可導(dǎo)入其它設(shè)計(jì)軟件和Matlab文件。4、 元件庫介紹發(fā)送器件庫(TransmittersLibrary)波分復(fù)用器件庫(WDMMultiplex

13、ersLibrary)光纖介質(zhì)庫(OpticalFibersLibrary)放大器件庫(AmplifiersLibrary)濾波器元件庫(FiltersLibrary)無源元件庫(PassivesLibrary)網(wǎng)絡(luò)元件庫(NetworkLibrary)接收元件庫(ReceiversLibrary)信號(hào)邏輯元件庫(SignalProcessingLibrary)接插件元件庫(ToolsLibrary)信道處理庫(CableAccessLibrary)MATLA機(jī)件庫(MATLABLibrary)測量儀器庫(VisualizerLibrary)信道調(diào)制解調(diào)元件庫(CableAccessLibra

14、ry)EDA仿真庫(EDACosimulationLibrary)EileIqGe網(wǎng)d-Hn寫作IpTrmsmiit-.rWDMIOpticalAimplifiersFiltersFibaLibrwryLitraryP-assivesLibraryNetworkLibraryE,ecelversLibarsrySignalProcess.aTooIeLibraryOptiwaveSoftw.一連續(xù)光、脈沖光、多波長光源F1ATLABLibraryVisnalizerLibreryCableAcce.,光電探測器（PIN、APD）EHACoSimula.雙擊各元件可進(jìn)行參數(shù)設(shè)置普通光纖耦合器X型

15、耦合器泵浦耦合器非線性色散光纖Coupler二CF-U-XI¥*Fi.b«rObiicilfibtgticiklHEfwfrSplL-ltH-KFsiitr知liI.I.ST線偏園偏ffIbtimt偏振器偏振衰減器（-二一FlLuTIEafnlviEh|±|分偏7-Jiirith.CMbaur偏振控制合偏PolarizationAttenuator)_偏振旋轉(zhuǎn)器(Ratator)PMD仿真MMMMMBHBM五、實(shí)驗(yàn)仿真報(bào)告及要求1、光源光譜測試系統(tǒng)改變光源譜寬（1KHz200MHZ,觀察光譜、光功率、光信噪比，作出光信噪比隨光源譜寬變化曲線。2、建立一模擬光纖傳輸

16、系統(tǒng)系統(tǒng)包括光源（功率為-20dBm）、模擬調(diào)制器、光纖介質(zhì)、光電探測器（PIN）、濾波器，信號(hào)源（頻率為200MHz幅度為100mV,要求光接收靈敏度為-53dBm左右時(shí)（接收系統(tǒng)輸出信噪比約等于1時(shí)），模擬系統(tǒng)傳輸?shù)淖畲缶嚯x。數(shù)字光纖傳輸測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、理解利用光承載電信號(hào)的原理，設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)任務(wù)和原理實(shí)驗(yàn)任務(wù)：按給定設(shè)備和器件，設(shè)計(jì)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(jì)算系統(tǒng)傳輸距離。實(shí)驗(yàn)原理：光纖通信系統(tǒng)主要由光發(fā)信機(jī)、光纖傳輸介質(zhì)（光信道）和光收信機(jī)組成，光發(fā)信機(jī)是完成電信號(hào)與

17、光信號(hào)的轉(zhuǎn)換，即調(diào)制，光波是承載電信號(hào)的載波，目前光纖通信中常用的電光轉(zhuǎn)換器件有LD和LED,調(diào)制方式主要是直接光強(qiáng)度調(diào)制。光纖是作為光信號(hào)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(hào)電流送到后級(jí)進(jìn)行處理，光纖通信中最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(hào)經(jīng)過長距離傳輸會(huì)產(chǎn)生衰減，它將影響信號(hào)的接收質(zhì)量，這就需提高接收機(jī)的靈敏度。接收機(jī)的靈敏度是在保證接收機(jī)的對(duì)信號(hào)的正常接收情況下，接收機(jī)所需的最小光功率，常采用分貝毫瓦（dBm）表不光纖傳輸系統(tǒng)中繼距離的長短，除了發(fā)射機(jī)的發(fā)射光功率和接收機(jī)的靈敏度外，還與光纖傳輸介質(zhì)的損耗有關(guān)，光纖

18、傳輸系統(tǒng)傳輸信道衰減組成及表達(dá)式如下：光纖傳輸系統(tǒng)信道組成RXLmaxPtPrnAcMeAfMcLf式中：PT為發(fā)射平均功率，單位dBm;Pr接收光功率，單位dBm;Ac 一個(gè)活動(dòng)接頭損耗，單位dB;Af光纖每公里損耗，單位 dB/Km;M e設(shè)備富余度，單位 dBAf,每個(gè)固定接頭衰減，單位 dB/個(gè);LfMC光纖線路富余度，dB/Km.C三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及技術(shù)要求1、光接收機(jī)靈敏度測試用調(diào)制光源連續(xù)光（cvy狀態(tài)測試活動(dòng)接頭的衰減量;調(diào)制光源工作頻率在1KHz、功率為0.5mW勺內(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(jī)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(jì)算出光接