光纤特性及传输试验

光纤特性及传输实验
在现代通信技术中，为了避免信号互相干扰，提高通信质量与通信容量，通常用信号对载波进行调制，用载波传输信号，在接收端再将需要的信号解调还原出来。

不管用什么方式调制，调制后的载波要占用一定的频带宽度，如音频信号要占用几千赫兹的带宽，模拟电视信号要占用8兆赫兹的带宽。

载波的频率间隔若小于信号带宽，则不同信号间要互相干扰。

能够用作无线电通信的频率资源非常有限，国际国内都对通信频率进行统一规划和管理，仍难以满足日益增长的信息需求。

通信容量与所用载波频率成正比，与波长成反比，目前微波波长能做到厘米量级，在开发应用毫米波和亚毫米波时遇到了困难。

光波波长比微波短得多，用光波作载波，其潜在的通信容量是微波通信无法比拟的，光纤通信就是用光波作载波，用光纤传输光信号的通信方式。

与用电缆传输电信号相比，光纤通信具有通信容量大、传输距离长、价格低廉、重量轻、易敷设、抗干扰、保密性好等优点，已成为固定通信网的主要传输技术，帮助我们的社会成功发展至信息社会。

实验目的
1.了解光纤通信的原理及基本特性。

2.测量半导体激光器的伏安特性，电光转换特性。

3.测量光电二极管的伏安特性。

4.基带（幅度）调制传输实验。

5.频率调制传输实验。

6.音频信号传输实验。

7.数字信号传输实验。

实验原理
1.光纤
光纤是由纤芯、包层、防护层组成的同心圆柱体，横Array截面如图1所示。

纤芯与包层材料大多为高纯度的石英玻
璃，通过掺杂使纤芯折射率大于包层折射率，形成一种光
波导效应，使大部分的光被束缚在纤芯中传输。

若纤芯的
折射率分布是均匀的，在纤芯与包层的界面处折射率突变，
称为阶跃型光纤；若纤芯从中心的高折射率逐渐变到边缘
与包层折射率一致，称为渐变型光纤。

若纤芯直径小于
10μm，只有一种模式的光波能在光纤中传播，称为单模光纤。

若纤芯直径50μm左右，有多个模式的光波能在光纤中传播，称为多模光纤。

防护层由缓冲涂层、加强材料涂覆层及套塑层组成。

通常将若干根光纤与其它保护材料组合起来构成光缆，便于工程上敷设和使用。

光纤与光纤之间固定连接时，用光纤熔接机进行熔接。

光纤与光纤之间可拆卸（活动）连接，使用光纤连接器。

光纤连接器把光纤的两个端面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去。

各种光纤连接器结构大同小异，比较常见的有FC、SC、LC、ST等。

一端装有连接器插头的光纤称为尾纤，两端都装上连接器插头的光纤称为光纤跳线。

光在光纤中传输时，由于材料的散射、吸收，使光信号衰减，当信号衰减到一定程度时，就必
需对信号进行整形放大处理，再进行传输，才能保证信号在传输过程中不失真，这段传输的距离叫
中继距离，损耗越小，中继距离越长。

光纤的损耗与光波长有关，通过研究发现，石英光纤在0.85，1.30，1.55μm 附近有3个低损耗窗口，实用的光纤通信系统光波长都在低损耗窗口区域内。

损耗用损耗系数表示。

光在有损耗的介质中传播时，光强按指数规律衰减，在通信领域，损耗系数用单位长度的分贝值（dB ）表示，定义为：
1
10lg P L P α=
（dB/km ） （1）
已知损耗系数，可计算光通过任意长度L 后的强度：
10
1010
L
P P α-= （2）
上两式中，L 是传播距离，P 0是入射光强，P 1是损耗后的光强。

2. 半导体激光器（LD ）
光通信的光源为半导体激光器（LD ）或发光二极管（LED ），本实验采用半导体激光器。

半导体激光器通过受激辐射发光，是一种阈值器件。

处于高能级E 2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E 1，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。

LD 和LED 都是半导体光电子器件，其核心部分都是P-N 结。

因此具有与普通二极管相类似的I-U 特性，如图 2所示： I(mA)
U(v)
P(mW)
I(mA)
I th
图 2 左边为半导体激光器I-U 特性示意图，右边为P-I 特性示意图
由于发光模式的不同，LD 和LED 的P-I 特性曲线则有很大的差别。

LED 的P-I 曲线基本上是一条过原点的直线。

而LD 的P-I 曲线如图 2所示，可以看出有一阈值电流I th ，只有在工作电流I>I th 部分，P-I 曲线才近似一根直线。

而在I<I th 部分，激光功率为零。

3. 光电二极管
光通信接收端由光电二极管完成光电转换与信号解调。

光电二极管是工作在无偏压或反向偏置状态下的PN 结，反向偏压电场方向与势垒电场方向一致，使结区变宽，无光照时只有很小的暗电流。

当PN 结受光照射时，价电子吸收光能后挣脱价键的束缚成为自由电子，在结区产生电子－空穴对，在电场作用下，电子向N 区运动，空穴向P 区运动，形成光电流。

光通信常用PIN 型光电二极管作光电转换。

它与普通光电二极管的区别在于在P 型和N 型半导
体之间夹有一层没有渗入杂质的本征半导体材料，称为I型区。

这样的结构使得结区更宽，结电容更小，可以提高光电二极管的光电转换效率和响应速度。

图3是反向偏置电压下光电二极管的伏安特性。

无光照时的暗电流很小，它是由少数载流子的漂移形成的。

有光照时，在较低反向电压下光电流随反向电压的增加有一定升高，这是因为反向偏压增加使结区变宽，结电场增强，提高了光生载流子的收集效率。

当反向偏压进一步增加时，光生载流子的收集接近极限，光电流趋于饱和，此时，光电流仅取决于入射光功率。

在适当的反向偏置电压下，入射光功率与饱和光电流之间呈较好的线性关系。

图3 光电二极管的伏安特性
V+ 图4 简单的光电转换电路
图4是光电转换电路，光电二极管接在晶体管基极，集电极电流与基极电流之间有固定的放大关系，基极电流与入射光功率成正比，则流过R的电流与R两端的电压也与光功率成正比，若光功率随调制信号变化，R两端的输出可解调出原调制信号。

4.光源的调制
对光源的调制可以采用内调制或外调制。

内调制用信号直接控制光源的电流，使光源的发光强度随外加信号变化，内调制易于实现，一般用于中低速传输系统。

外调制时光源输出功率恒定，利用光通过介质时的电光效应、声光效应或磁光效应实现信号对光强的调制，一般用于高速传输系统。

本实验采用内调制。

V+
调制信号
图5 简单的调制电路图6 调制原理图
图5是简单的调制电路。

调制信号耦合到晶体管基极，晶体管作共发射极连接，流过发光二极管的集电极电流由基极电流控制，R1、R2提供直流偏置电流。

图6是调制原理图，由图6可见，由于光源的输出光功率与驱动电流是线性关系，在适当的直流偏置下，随调制信号变化的电流变化由发光二极管转换成了相应的光输出功率变化。

5.光纤的多路复用
为充分发挥光纤通信容量大的优势，传输信号时常采用多路复用方式。

复用是一种将若干个彼此独立的信号，合并为一个可在同一信道上同时传输的复合信号的方法。

常用的多路复用方式有频分复用、时分复用与波分复用等。

按频率区分信号的方法叫频分复用。

即把需要传输的信号用不同的载波频率调制，只要载波的频率间隔大于信号带宽，就能将它们合并在一起而不致相互影响，并能在接收端彼此分离开来。

为区别光载波，把受模拟基带信号预调制的射频电载波称为副载波。

按时间区分信号的方法叫时分复用，时分复用适用于数字信号的传输。

由于信道的传输率超过每一路信号的数据传输率，因此可将信道按时间分成若干片段轮换地给多个信号使用。

每一时间片由复用的一个信号单独占用，在规定的时间内，多个数字信号都可按要求传输到达，从而实现一条信道上传输多个数字信号。

假设每个输入的数据比特率是9.6kbit/s ，线路的最大比特率为76.8kbit/s ，则可传输8路信号。

波分复用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，经分波器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。

6. 副载波调频调制
对副载波的调制可采用调幅、调频等不同方法。

调频具有抗干扰能力强、信号失真小的优点，本实验采用调频法。

图7是副载波调制传输框图。

图7 副载波调制传输框图
如果载波的瞬时频率偏移随调制信号m(t)线性变化，即：
()()d f t k m t ω=
（3）
则称为调频，k f 是调频系数，代表频率调制的灵敏度，单位为2π赫兹/伏。

调频信号可写成下列一般形式：
()cos[()]
t
f u t A t k m d ωττ=+⎰ （4）
式中ω为载波的角频率，0
()]t f
k m d ττ⎰为调频信号的瞬时相位偏移。

下面考虑两种特殊情况：
假设m(t)为电压为V 的直流信号，则（4）式可以写为：
()cos[()]
f u t A k V t ω=+
（5）
（5）式表明直流信号调制后的载波仍为余弦波，但角频率偏移了f k V 。

假设m(t)=Ucos Ωt ，则（4）式可以写为：
()cos[sin ]
f k U u t A t t ω=+
ΩΩ
（6）
可以证明，已调信号包括载频分量ω和若干个边频分量ω±n Ω，边频分量的频率间隔为Ω。

任意信号可以分解为直流分量与若干余弦信号的叠加，则（5），（6）两式可以帮助理解一般情况下调频信号的特征。

7. 数字信号传输
若需传输的信号本身是数字形式，或将模拟信号数字化（模数转换）后进行传输，称为数字信
号传输，数字传输具有抗干扰能力强，传输质量高；易于进行加密和解密，保密性强；可以通过时分复用提高信道利用率；便于建立综合业务数字网等优点，是今后通信业务的发展方向。

仪器介绍
整套实验系统由光纤发射装置、光纤接收装置、光纤跳线、电源线与测试连接线、示波器组成。

图8 光纤发射装置面板图
图9 光纤接收装置面板图
光纤发射与接收装置面板如图8、图9所示。

光纤发射装置可产生各种实验需要的信号，通过发射管发射出去。

发出的信号通过光纤传输后，由接收管完成光电转换。

接收装置将信号处理后，通过仪器面板显示或者示波器观察传输后的各种信号。

发射系统中的信号源模块部分由电压源、音频信号、脉冲信号、方波信号、正弦波信号等组成。

这些信号可以通过信号切换键来选择调整参数。

当对应信号源的指示灯亮起时，表示可以对该信号进行幅度/电压调节和频率调节了。

调节也可以根据所需步进选择“粗调”和“细调”，即当调节的指示灯亮起代表细调，不亮代表粗调。

接收系统中，显示部分的“光功率计”只能调节到“1310”，“1550”用作扩展（当前仪器中没有设置1550nm波长的发射装置）。

实验中使用的光纤为FC-FC光纤跳线（单模光纤，外部为黄色）。

示波器用于观测各种信号波形经光纤传输后是否失真等特性（学校自备）。

实验内容与步骤
1.半导体激光器的伏安特性与输出特性测量
用FC-FC光纤跳线将发射面板上的光发送口与接收面板上的光接收口相连（连接需紧凑，以后实验中一直这样连接），发射面板上发射模块的“直流偏置”接入信号源模块“电压源”信号。

设置接收显示为“光功率计”。

设置发射显示为“发射电流”。

先将电压调节设置为“粗调”，调节正向偏压使发射电流趋近于0。

再将电压调节设置为“细调”，寻找发射电流从0到大于0对应的旋钮位置。

将发射显示切换为“正向偏压”，记录发射电流为0时对应的正向偏压，以及接收器显示的光功率（与发射光功率成正比）于表1中。

依次改变发射电流值（可能显示电流值不能精确达到表1的设定数值，只要尽量接近即可），重复上述测量过程，将数据记录于表1中。

表 1 半导体激光器伏安特性与输出特性测量
以表1数据作所测激光二极管的伏安特性(I-U)曲线，输出特性(P-I)曲线。

讨论所作曲线与图2所描述的规律是否符合。

2.光电二极管伏安特性的测量
连线方式同实验1。

调节发射装置的正向偏压，使光电二极管接收到的光功率分别如表2第1列所示。

设置接收显示为“反向偏压”，调节接收模块的“反向偏压调节”旋钮使反向偏压至设定值，切换显示状态至“光电流”，测量与反向偏置电压对应的光电流，记录于表2中。

改变反向偏压，重复上述测量。

在不同输入光功率时，重复上述测量。

表 2 光电二极管伏安特性的测量
以表2数据，作光电二极管的伏安特性曲线。

讨论所作曲线与图3所描述的规律是否符合。

3.基带（幅度）调制传输实验
发射面板上发射模块的“直流偏置”接入信号源模块的“电压源”，发射模块的“信号输入1”接入信号源模块的“正弦波输出”。

双踪示波器的CH1输入信号源模块的“正弦波输出”（用一端是同轴电缆接口，一端是2个插头的线连接，红插头插入正弦波输出，黑色接地），双踪示波器的CH2输入端口接入接收面板上接收模块的“观测点”。

设置发射显示为“电压源”，调节电压为约2.5V。

设置信号调节选择为“正弦波/方波”，观测示波器显示的输入信号波形，将输入信号幅度调至最大。

观测示波器上显示的经光纤传输后接收模块输出的波形，波形是否失真，频率有无变化。

若信号失真，可设置信号调节选择为“电压源”，适当调节电压源电压，使正弦信号上下失真对称，此时对应的电压记为V b，然后设置信号调节选择为“正弦波/方波”，减小输入信号幅度使接收到的信号最大不失真。

记录最大不失真对应的输入信号幅度及对应接收端输出信号幅度于表3中。

设置信号调节选择为“电压源”，改变电压源电压，从示波器中可以看到，电压太大或太小时信号都会失真。

结合图2、图5、图6，可以知道电压的变化改变了激光器与晶体管的直流偏置电压，使它们偏离了最佳工作点，在大信号时进入非线性区，产生非线性失真。

在非最佳工作点时，适当调小信号幅度，也可使信号恢复正常。

表 3 基带调制传输实验
4.副载波调制传输实验
a)观测调频电路的电压频率关系
发射面板上V-F变换模块的“V信号输入”接入“电压源”（用直流信号作调制信号）。

示波器CH1端口接入V-F变换模块的“频率测量”，CH2端口断开。

根据调频原理，直流信号调制后的载波角频率偏移k f V。

观测输入电压与输出频率之间的V-F变换关系。

调节电压源，在示波器上读出频率（数字示波器）或读出信号的周期来换算成频率（模拟示波器）。

将输出频率f V随电压的变化记入表4中。

表 4 调频电路的f-V关系
以输入电压V作横坐标，输出角频率ωV =2πf V为纵坐标在坐标纸上作图。

直线与纵轴的交点为副载波的角频率ω，直线的斜率为调频系数k f。

求出ω与k f。

b)副载波调制传输实验
发射面板上发射模块的“信号输入端1”接入V-F变换模块的“F信号输出”（用副载波信号作半导体激光器调制信号），V-F变换模块的“V信号输入”端接入信号源模块的“正弦波输出”，发射模块的“直流偏置”接入信号源模块的“电压源”，将电压源设置为实验3中的V b。

接收面板上F-V变换模块的“F信号输入”接入接收模块的“接收信号输出”。

示波器CH1端口接入信号源模块的“正弦波输出”（用一端是同轴电缆接口，一端是2个插头的线连接，红插头插入正弦波输出），CH2端口接入接收面板上F-V变换模块的“观测点”。

此时示波器CH1通道显示的是基带信号，CH2通道显示的是经-调频-电光转换-光纤传输-光电转换-解调-还原出的基带信号。

将信号源模块的信号调节选择设置为“正弦波/方波”，调节正弦波的幅度和频率，选若干组数据，
记录基带信号的参数及与之对应的解调信号的参数于表5中。

表 5 副载波调制传输实验
对表
c)调频传输优点的定性观测
连接方式同b）。

将信号源模块的信号调节选择设置为“正弦波/方波”，将正弦波幅度调到最大。

将信号源模块的信号调节选择设置为“电压/脉冲源”，将发射面板显示设置为“电压源”，将接收面板显示设置为“光功率计”。

调节电压大小，观察接收到的信号有无失真？
基带传输实验中，工作电压和偏置电压不在最佳点时，信号会失真。

而调频传输实验，电压在很大范围内变化，接收到的光功率也产生了相应变化，但解调出来的信号基本不变。

事实上，直接传输基带信号，在电光转换，光纤传输，光电接收，信号放大的任何一个环节，只要出现非线性因素，都会使信号失真。

采用频率调制，解调电路的输出只与接收到的瞬时频率有关，可以观察到光功率的变化对输出几乎无影响，表明调频方式抗干扰能力强，信号失真小。

5.音频信号传输实验
a)基带调制
发射面板上发射模块的“直流偏置”接入信号源模块的“电压源”，发射模块的“信号输入端1”接入信号源模块的“音频输出”。

接收面板上音频模块的“音频信号输入”接入接收模块的“接收信号输出”。

设置发射显示为“电压源”，设置接收显示为“光功率计”，
倾听音频模块播放出来的音乐。

调节电压（此时偏置电压和发射光功率发生变化），观察接收端接收到的光功率的变化，倾听音量，音质的变化。

将电压设置为实验3中的V b，松开光纤跳线的连接头，将光纤连接头微微向外抽（增加连接损耗来模拟光在传输过程中产生的损耗），可看到接收光功率变小，听到声音变小，记录声音几乎听不到时对应的光功率。

b)副载波调制
发射面板上发射模块的“直流偏置”接入信号源模块的“电压源”，发射模块的“信号输入端1”接入V-F变换模块的“F信号输出”，V-F变换模块的“V信号输入”接入信号源模块的“音频输出”。

接收面板上F-V变换模块的“频率测量”接入接收模块的“观测点”（相当于F信号输入接入接收信号输出），音频模块的“音频信号输入”接入F-V变换模块的“V信号输出”。

倾听音频模块播放出来的音乐。

调节电压（此时偏置电压和发射光功率发生变化），观察接收端接收到的光功率的变化，倾听音量，音质的变化。

在基带传输时，电压变化会使音量音质发生变化，而调频传输基本不受影响。

将电压设置为实验3中的V b，松开光纤跳线的连接头，将光纤连接头微微向外抽（增加连接损耗来模拟光在传输过程中产生的损耗），可看到接收光功率变小，听到声音变小，记录声音几乎听不到时对应的光功率。

可以看到，在接收到的光功率更小时，调频仍能有效的传输信号。

6.数字信号传输实验
本实验用编码器发送二进制数字信号（地址和数据），并用数码管显示地址一致时所发送的数据。

发射面板上发射模块的“信号输入端1”接入数字信号发生模块的“数字信号输出”，接收面板上数字信号解调模块的“数字信号输入”接入接收模块的“接收信号输出”。

设置发射地址和接收地址，设置发射装置的数字显示。

可以观测到，地址一致，信号正常传输时，接收数字随发射数字而改变。

地址不一致或光信号不能正常传输时，数字信号不能正常接收。

实验注意事项
本仪器属于昂贵易损器件，所以在实验操作过程中应加倍小心，防止损坏，为了保证实验顺利地进行，请注意以下事项：
1、联接和断开光纤跳线时切忌用力过大。

2、光纤跳线接头应妥善保管，防止磕碰，使用后及时戴上防尘帽。

3、不要用力拉扯光纤，光纤弯曲半径一般不小于30mm，否则可能导致光纤折断。

4、实验完毕后，请立即将防尘帽盖住光纤输入、输出端口，用光纤端面防尘盖盖住光纤跳线端面，防止灰尘进入光纤端面而影响光信号的传输。

5、若不小心把光纤输出端的接口弄脏，需用酒精棉球进行清洗。