光通信实验报告

光通信实验报告
实验一：测量光纤耦合效率
【实验简介】：
光线主要用于通信、光纤传感、图像传送以及光能传递等方面。

由于光纤制造技术的不断进步，光线内部的损耗越来越小，因此在实际应用中提高光源与光纤之间的耦合效率是提高系统传输效率的重要技术之一。

【实验目的】：
1.了解光纤特性，种类
2.掌握光纤耦合的基本技巧及提高耦合效率的手段
3.熟悉常用的耦合方法
【实验装置示意图】：
【实验数据】：
光纤输出光功率：0.78mW
光纤输入光功率：1.9mW
耦合效率为：0.78/1.9*100%=41.1%
【实验思考总结】
耦合时，因为起始的光强较弱，用探测器检测效果不明显。

可以先用目测法，观察输出光斑的亮度。

等到达到一定的亮度之后，在接入探测器，观察示数。

调节时，首先调节高度，然后调节俯仰角，最后在调节左右对准度与旋转方向。

实验二：测量光纤损耗
【实验目的】：
通过测量单模光纤的衰减值，了解测量光纤损耗的常用方法：插入法（实际测量中很多器件的插损、损耗都使用这种方法）。

【实验原理】：
光源发出的光通过光的注入系统输入到短光纤中，并通过光纤活动连接器与光功率计接通。

首先测量短光纤的输出功率P1，然后通过光纤连接器接入被测光纤，测量长光纤的输出功率P2，则光纤的总损耗为
被测光纤的长度为L，则光纤的损耗系数为
【实验装置示意图】：
【实验数据】：
光纤长度L：6km
波长为1310nm的数据
电流（mA）22.5 17.0 7.3
P1(dBm) -7.1 -9.9 -13.2 P2(dBm) -9.2 -12.8 -15.5 损耗A（dB） 2.1 2.9 2.5 损耗系数
0.44 0.41 0.383 （dB/km）
波长为1550nm的数据
电流（mA）25.4 16.2 13.6 P1(dBm) -6.9 -10.0 -11.1 P2(dBm) -8.7 -11.9 -12.9 损耗A（dB） 1.8 1.9 1.8 损耗系数
0.30 0.32 0.30 （dB/km）
实验三：测量光纤的数值孔径
【实验简介】：
光纤的数值孔径大小与纤芯折射率、纤芯-包层相对折射率差有关。

光纤的数值孔径表示光纤接收入射光的能力。

【实验目的】：
了解测量数值孔径的方法，对远场法有初步了解。

【实验原理】：
远场强度有效数值孔径是通过光纤远场强度分布确定的，它定义为光纤远场辐射图上光强下降到最大值的5%处的半张角的正弦值。

【实验装置示意图】
【实验数据】
光功率最大值为162.5nW，下降到5%时对应的角度为8.5°和-8.3°
【数据处理】
光纤的数值孔径：
实验四：测量光纤的模场直径和折射率分布曲线
【实验目的】：
1. 通过近场法测量光纤的折射率分布曲线，对近场法有一定了解
2. 通过近场法测量多单模光纤的模场直径，了解了解并掌握近场法测量多模光纤模场直径的方法
【实验原理】
1.近场法是利用光纤输出端面上的光强度来测量光纤的部分几何参数的典型方法。

这种方法的原理为：光纤输出端面上的光强度分布NEP近似于折射率分布，这种方法控制简单，应用广泛，但精度不高。

R=[（n1－n0）/（n1＋n0）]2
公式中n0为空气的折射率；n1为介质材料的折射率。

根据光的折射定律，我们最终可导出如下公式：
n(r)－ncl =k[Pcl－P(r)]/ Pcl
k为取决于系统参数的校正系数；ncl和Pcl是常数，分别为光纤包层折射率和折射光功率。

由此可见，折射光功率P (r)与n (r)有关，从而通过测量P (r)就可得到n (r) 。

2.根据光纤输出端面上的光强度分布绘制出光强分布曲线，通过观察光强下降为1/e出的光斑半宽度，测出光纤的模场直径
【实验结果】
1.多模光纤：
光纤端面图
光强分布曲线图
由图可知，光纤的模场直径为41.8903um 折射率分布曲线
3. 单模光纤：光纤端面图
光强分布曲线图
由图可知，光纤的模场直径约为10.6um（因为噪声的影响，图中算出的模场直径有问题）
折射率分布曲线图
实验五：光纤波分复用误码测试
【实验简介】：
系统的误码性能是衡量系统优劣的重要指标，反应数字信息在传输过程中受损伤的程度，通常用长期平均误码率、误码的时间报分数和误码秒百分数来表示。

在实际测量中，常用长时间的测量中的误码数目与传送的总码元数之比（BER）来表示。

【实验目的】：
1. 掌握误码仪性能、原理及使用方法
2. 了解波分复用通信系统的性能与误码率的关系，以及误码率与系统器件插损损耗、器件隔离度等系统各部分器件性能的关系。

【实验电路原理图】：
【实验步骤】：
1.将光纤接在误码测试仪的输入与输出之间；
2.设置误码仪，选择适当的序列信号与时钟；
3.通过下拉菜单记录可以观察到不同误码参数，记录误码特性；【实验结果】
测试时间/s 188
时钟总数 398479743
误码计数 22
误码率
秒误码率 0.0000E0
误码秒数 21
误码秒百分数 11.1702%
【实验思考总结】
通过发送不同的自定义数据，我发现当数据中含有多个连0时，误码率会大大增加，甚至会无法进行帧同步以致不能传输。

实验六：掺铒光纤放大器性能测试
【实验简介】：
目前使用化的光纤放大器主要有掺铒光纤放大器（EDFA）、半导体光放大器（SOA）和光纤喇曼放大器（FRA），其中掺铒光纤放大器以其优越的性能现已广泛应用于长距离、大容量、高速率的光纤通信系统、接入网、光纤CATV网、军用系统等领域
【实验目的】：
1. 了解EDFA的基本结构和功能；
2. 通过测量EDFA的各种参数，计算增益，输出饱和功率，噪声系数
3. 了解参数的定义、计算方法和EDFA的使用
【实验装置与EDFA结构图】
【实验数据】：
【实验思考总结】：
通过实验的数据我们发现，仪器设备的噪声非常大。

在光源发生器的电流设为0时，接入EDFA，发现输出功率为278uW,很显然，这是噪声。

在后面的实验中，当增大电流时，接入EDFA后，发现输出的功率和电流为0时的数据大小差不多，甚至输入功率增强后，放大后的输出功率却减小。

经过和同学，老师的一番讨论，我们一直认为这是实验仪器噪声的原因。

经过一番思考，我认为可以加入光隔离器和光滤波器，这样可以减少噪声。

并重新设计装置如图
实验七：波分复用图像传输系统
【实验简介】：
波分复用(WDM)是将两种或多种不同波长的光载波信号(携带各种信息)在发送端经复用器(亦称合波器，Multiplexer)汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术；在接收端，经解复用器(亦称分波器或称去复用器，Demultiplexer)将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。

【实验原理】：
1.波分复用光纤通信系统：N个光发射机分别发射N个不同波长，经过光波分复用器WDM合到一起，耦合进单根光纤中传输。

到接收端，经过具有光波长选择功能的解复用器DWDM，将不同波长的光信号分开，送到N个光接收机接收。

2.双向WDM系统: 图中WDM/DWDM是具有波长选路功能的复用/解复用器。

光发射机 T1发射的光信号，经WDM/DWDM送入传输光纤，在接收端，再经另一个MD 的波长选择后送到接收机R1接收。

T2和R2是另一方向传输的发射和接收端机。

【实验结果】：
图像1（1310nm波长）
图像2（1350nm波长）
图像3（波分复用传输）
由图可以看出，图片中除了“天津”以外，还隐约有“北京”字样。

由于“北京”对应的波长通道损耗太大，所以信号很微弱，字体模糊。

实验八：半导体激光器实验
【实验目的】
1. 通过实验熟悉半导体激光器的电学特性、光学特性。

2. 掌握半导体激光器耦合、准直等光路的调节。

3. 根据半导体激光器的光学特性考察其在光电子技术方面的应用。

【实验原理】
1、半导体激光器的基本结构
半导体激光器的全称为半导体结型二极管激光器，也称激光二极管，激光二极管的英文名称为laser diode，缩写为LD。

大多数半导体激光器用的是GaAs或GaAlAs材料。

P-N结激光器的基本结构和基本原理如图8-1所示，P-N结通常在N 型衬底上生长P型层而形成。

在P区和N区都要制作欧姆接触，使激励电流能够通过，这电流使得附近的有源区内产生粒子数反转（载流子反转），还需要制成两个平行的端面起镜面作用，为形成激光模提供必需的光反馈。

图8-1（a）半导体激光器结构
图8-1（b）半导体激光器工作原理图
2、半导体激光器的阈值条件
阈值电流作为各种材料和结构参数的函数的一个表达式：
这里，
是内量子效率，
是发射光的真空波长，n是折射率，
是自发辐射线宽，e是电子电荷，D是光发射层的厚度，
是行波的损耗系数，L是腔长，R为功率反射系数。

【实验步骤】
1．测量半导体激光器的输出功率随泵浦电流变化的关系，作出曲线，标定出光阈值电流；
2．观察半导体激光器的调频特性。

利用信号发生器调制激光电源的泵浦电流，通过双踪示波器观察被调制的激光输出随泵浦电流的变化。

【实验数据】
1. 半导体激光器的P-I特性
原始数据
由图可知，当I>13mA时，P—I曲线斜率陡增，且之后近似为线性，据此估计此半导体激光器的光阈值电流为13mA，阈值泵浦功率为1.04mW。

2. 调制的激光输出随泵浦电流的变化
I=1.7mA
I=5.2mA I=10.4mA I=15.2mA
I=21.3mA
I=24.8mA
【实验思考总结】
1.半导体激光器为什么存在阈值电流？阈值电流与那些因素有关？
半导体激光器又称激光二极管，二极管的PN结加正向电压时，可以有较大的正向扩散电流，即呈现低电阻，我们称PN结导通；PN结导通了二极管才开始工作，因此存在阈值电流。

与二极管的材料、温度有关。

2.与气体激光器相比，半导体激光器具有那些优缺点？
优点：价格便宜，体积小，可以做高速调制，功率可以很方便的进行各种调制
缺点：半导体激光管（LD）的激光输出功率会随其壳体的温度变化而有较大变化。

半导体激光器的中心波长的一致性比较差，不同批次的半导体激光管的中心波长一般来说都会略有差别。

半导体激光管（LD）的发出的激光束的发散角非常大，且两个方向的发散角不同，所以绝大多数半导体激光模块都要对半导体激光管发出的激光进行光束整形。