光纤通信实验报告

光纤通信实验报告-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
光纤通信实验报告
课程名称光纤通信实验
实验一
光源的P-I特性、光发射机消光比测试
一、实验目的
1、了解半导体激光器LD的P-I特性、光发射机消光比。

2、掌握光源P-I特性曲线、光发射机消光比的测试方法。

二、实验器材
1、主控&信号源模块、2号、25号模块各一块
2、23号模块（光功率计）一块
3、FC/PC型光纤跳线、连接线若干
4、万用表一个
三、实验原理
数字光发射机的指标包括：半导体光源的P -I 特性曲线测试、消光比（EXT ）测试和平均光功率的测试。

1、半导体光源的P-I 特性
I(mA)
LD 半导体激光器P-I 曲线示意图
半导体激光器具有高功率密度和极高量子效率的特点，微小的电流变化会导致光功率输出变化，是光纤通信中最重要的一种光源，激光二极管可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，也即启动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。

半导体激光器的输出光功率与驱动电流的关系如上图所示，该特性有一个转折点，相应的驱动电流称为门限电流（或称阈值电流），用I th 表示。

在门限电流以下，激光器工作于自发辐射，输出（荧光）光功率很小，通常小于100pW ；在门限电流以上，激光器工作于受激辐射，输出激光功率随电流迅速上升，基本上成直线关系。

激光器的电流与电压的关系类似于正向二极管的特性。

该实验就是对该线性关系进行测量，以验证P -I 的线性关系。

P -I 特性是选择半导体激光器的重要依据。

在选择时，应选阈值电流I th 尽可能小，没有扭折点， P-I 曲线的斜率适当的半导体激光器：I th 小，对应P 值就小，这样的激光器工作电流小，工作稳定性高，消光比大；没有扭折点，不易产生光信号失真；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。

2、光发射机消光比 消光比定义为：00
11
10lg
P EXT P 。

式中P 00是光发射机输入全“0”时输出的平均光功率即无输入信号时的输出光功率。

P 11是光发射机输入全“1”时输出的平均光功率。

从激光器的注入电流（I ）和输出功率（P ）的关系，即P-I 特性可以清楚地看出消光比的物理概念，如下图所示。

由图可知，当输入信号为“0”时，光源的输出光功率为P 00，它将由直流偏置电流I b 来确定。

无信号时光源输出的光功率对接收机来说是一种噪声，将降低光接收机的灵敏度。

所以从接收机角度考虑，希望消光比越小越好。

但是，应该指出，当I b 减小时，光源的输出功率将降低，光源的谱线宽度增加，同时，还会对光源的其它特性产生不良影响，因此，必须全面考虑I b 的影响，一般取I b = (0.7～0.9)I th （I th 为激光器的阈值电流）。

在此范围内，能比较好地处理消光比与其它指标之间的矛盾。

考虑各种因素的影响，一般要求发送机的消光比不超过-1dB 。

在光源为LED 的条件下，一般不考虑消光比，因为它不加直流偏置电流I b ，电信号直接加到LED 上，无输入信号时的输出功率为零。

因此，只有以LD 作光源的光发射机才要求测试消光比。

四、实验步骤
1、关闭系统电源，按如下说明进行连线：
（1）用连接线将2号模块TH7（DoutD ）连至25号光收发模块的TH2（数字输入），并把2号模块的拨码开关S4设置为“ON ”，使输入信号为全1电平。

（2）用光纤跳线连接25号光收发模块的光发输出端和光收接入端，并将光收发模块的功能选择开关S1打到“光功率计”。

（3）用同轴电缆线将25号光收发模块P4（光探测器输出）连至23号模块P1（光探测器输入）。

ΔP
EX T
PIN
消光比对灵敏度的影响
2、将25号光收发模块开关J1拨为“10”，即无APC 控制状态。

开关S3拨为“数字”，即数字光发送。

3、将25号光收发模块的电位器W4和W2顺时针旋至底，即设置光发射机的输出光功率为最大状态；
4、开电，设置主控模块菜单，选择主菜单【光纤通信】→【光源的P-I 特性测试】功能。

5、用万用表测量R7两端的电压（测量方法：先将万用表打到直流电压档，然后将红表笔接TP3，黑表笔接TP2）。

读出万用表读数U ，代入公式I=U/R7，其中R7=33Ω, 读出光功率计读数P 。

调节功率输出W4，将测得的参数填入下表：
6、将25号光收发模块的电位器W4顺时针旋至底；设置主控模块菜单，选择【光功率计】功能。

7、将2号模块的拨码开关S4设置为“ON ”，使输入信号为全1电平。

测得此时光发端机输出的光功率为P 11。

8、将2号模块的拨码开关S4设置为“OFF ”，使输入信号为全0电平。

测得此时光发端机输出的光功率为P 00。

9、代入公式00
11
10lg P EXT P ，即得光发射机消光比。

10、调节W4，重复7~9步骤，并将所测数据填入下表。

五．实验记录及结果分析
绘制光源P-I特性曲线：
消光比：
P00(uW) 0.090
1
0.090
1
0.090
1
0.090
1
0.090
1
0.090
1
0.090
1
P11(uW) 387.0 366.7 347.7 322.9 307.7 284.9 266.5 EXT -36.3 -36.1 -35.8 -35.4 -35.3 -35.0 -34.7
P00(uW) 0.090
1
0.090
1
0.090
1
0.090
1
0.090
1
0.090
1
0.090
1
P11(uW) 242.3 220.1 198.6 181.4 156.7 148.4 130.7 EXT -34.3 -33.8 -33.4 -33.0 -32.4 -32.1 -31.6
P00(uW) 0.090
1
0.090
1
0.090
1
0.090
1
0.090
1
0.090
1
P11(uW) 111.9 95.05 78.34 53.68 33.82 20.08 EXT -30.9 -30.2 -29.3 -27.7 -25.7 -23.4
实验结果及分析：
1.半导体激光器工作原理是：激励方式，利用半导体物质(既利用电子)在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。

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，（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
2.环境温度的改变对半导体激光器P-I特性的影响：随着温度的上升，阈值电流越来越大，功率随电流变化越来越缓慢。

3.以半导体激光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是：当注入电流较小时，激活区不能实现粒子束反转，自发发射占主导地位。

，激光器发射普通的荧光。

随着注入电流的增加，激活器里实现了粒子束反转，受激辐射占主导地位。

但当注入电流小于阈值电流时，谐振腔内的增益还不足以克服如介质的吸收、镜面反射不完全等引起的谐振腔的损耗时，不能在腔内建立起振荡，激光器只发射较强荧光。

只有当注入电流大于阈值电流时才能产生功率很强的激光。

4.阈值电流随着温度的升高而增大，外微分量子效率减小，输出光功率明显下降。

5.当注入电流较小时，激活区不能实现粒子束反转，自发发射占主导地位。

激光器发射普通的荧光。

随着注入电流的增加，激活器里实现了粒子束反转，受激辐射占主导地位。

但当注入电流小于阈值电流时，谐振腔内的增益还不足以克服如介质的吸收、镜面反射不完全等引起的谐振腔的损耗时，不能在
腔内建立起振荡，激光器只发射较强荧光。

只有当注入电流大于阈值电流时才能产生功率很强的激光。

6.对于数字脉冲光发射机，消光比这个指标很重要，它定义为全“0”时平均光功率p0和全“1”时平均光功率p1之比，可用EXT表示，定义式如
EXT=10lg(p1/p0)(dB) ，消光比的不足容易引起对码元的误判等一系列问题。

在实际生产中，由于设备及环境差异的问题，消光比很难控制，只能将消光比控制在某一范围。

通过本实验，我学习了解半导体激光器发光原理和激光光源工作原理，掌握了半导体激光器P-I曲线的测试方法，同时了解数字光发射机平均输出光功率和消光比的指标要求，通过动手操作，掌握了数字光发射机平均输出光功率和消光比的测试方法，为以后的学习奠定了基础。

实验二
模拟信号光纤传输系统
一、实验目的
1、了解模拟信号（正弦波、三角波、方波等）光纤传输系统。

二、实验器材
1、主控&信号源模块、25号模块各一块
2、双踪示波器一台
3、FC型光纤跳线、连接线若干
三、实验原理
1、实验原理框图
25#模块光纤跳线
25#模块
模拟信号光纤传输系统
2、实验框图说明
主控信号源模块可输出正弦波、三角波、方波等模拟信号，信号送入光发射机的模拟输入端，经过光调制电路转换成光信号，完成电光转换；光信号经光纤跳线传输后，由接收机接收，并完成光电转换，输出原始信号。

注：由于实验设备配置模块情况不同，光收发模块的波长类型有所不同，比如1310nm 、1550nm 等，需根据实际情况确定。

四、实验步骤
1、关闭系统电源，用光纤跳线连接25号光收发模块的光发输出端和光收接入端，并将光收发模块的功能选择开关S1打到“光接收机”。

2、将信号源&主控模块的模拟输出A-out 连接到25号光收发模块的模拟信号输入端TH1。

3、把25号光收发模块的S3设置为“模拟”。

4、将25号光收发模块的W5（接收灵敏度的调节旋钮，顺时针旋转时输出信号减小）逆时针旋到最大，适当调节W6（调节电平判决电路的门限电压）。

5、打开系统电源开关及各模块电源开关。

在主控模块中设置实验参数主菜单【光纤通信】→【模拟信号光纤传输系统】
6、用示波器观测模拟信号源模块的A-out，调节信号源模块的“输出幅度”旋钮，使信号为适当大小（保证输出信号最大且不失真）。

7、用示波器观测模拟信号源的A-out和25号光收发模块的TH4，适当调节W5，使得观测到的两处波形相同。

此时，25号光收发模块无失真的传输模拟信号（可以通过“主控”模块中“信号源”进入“模拟信号源”菜单选择所需波型）。

五．实验记录及结果分析
示波器显示图
正弦波
三角波
方波
实验结果及分析：
1、光纤传输系统能传输数字信号，因为光纤传输的是光能量。

像我们所说的光功率，一台光源发出光信号并有一定的功率可以支持传输到终端，光源或者说这个一定功率的光信号则是一个载体，在传输前需要将数字信号调制进去，也就是附加在光信号上面。

这时数字信号通过光纤进行传播。

当然，传至终端的时候，则需要另一个解调器，将数字信号还原成我们可识别的信息继续进行传播。

3、通过本次实验了解了模拟信号光纤系统的通信原理，了解了完整的模拟信号光纤通信系统的基本结构。

实验三
PN 序列光纤传输系统
一、实验目的
1、了解PN 序列光纤传输系统的原理。

二、实验器材
1、 主控&信号源模块、25号模块 各一块
2、 双踪示波器 一台
3、
FC 型光纤跳线、连接线 若干
三、实验原理
1、实验原理框图
25#模块光纤跳线
25#模块
PN 序列光纤传输系统实验框图
2、实验框图说明
本实验是了解和验证数字序列光纤传输系统的原理。

由主控信号源模块提供输入信号PN 序列，PN 序列经过光发射机完成电光转换，送入到光纤媒介中传输，最后通过光接收机完成光电转换以及门限判决，恢复出原始码元信号。

注：由于实验设备配置模块情况不同，光收发模块的波长类型有所不同，比如1310nm 、1550nm 等，需根据实际情况确定。

四、实验步骤
1、关闭系统电源，用光纤跳线连接25号光收发模块的光发和光收，并将25号光收发模块的功能选择开关S1打到“光接收机”。

2、将信号源&主控模块的数字信号PN15连接到25号光收发模块的数字信号输入端TH2。

3、把25号光收发模块的光发模式选择S3设置为“数字”。

4、将25号光收发模块中的光发模块的J1第一位拨“ON”（数字光调制的通状态），第二位拨“OFF”（自动光功率控制补偿电流的断状态），将W5（接收灵敏度的调节旋钮，逆时针旋转时输出信号减小）顺时针旋到最大。

5、将输出光功率旋钮W4顺时针旋转到最大。

6、打开系统电源开关及各模块电源开关。

在主控模块中设置实验参数主菜单【光纤通信】→【PN序列光纤传输系统】。

用示波器观测25号光收发模块的数字输入TH2和数字输出端TH3，比较二者码元情况，适当调节25号光收发模块W6（调节电平判决电路的门限电压）及W5，使两路波形相同。

五．实验记录及结果分析
示波器波形
实验结果及分析：
本次实验的原理就是由主控信号源模块提供输入信号PN序列，PN序列经过光发射机完成电光转换，送入到光纤媒介中传输，最后通过光接收机完成光电转换以及门限判决，恢复出原始码元信号。

第一个波形为信源输入的PN序列，第二个波形为输入信号PN序列，经过光发射机完成电光转换，送入到光纤媒介中传输，最后通过光接收机完成电光转换以及门限判决，恢复出的原始码元信号，基本实现了无失真传输。

本次实验学习了PN序列光纤传输系统的基本知识，主要学习了PN序列的特点和PN序列的产生，了解了PN是一种伪随机码，本次是采用长线性反馈移位寄存器序列作为伪随机序列。

实验四
CMI码编译码及其光纤传输系统
一、实验目的
1、了解和掌握CMI编译码原理和用途。

2、了解CMI编译码光纤传输系统的相关原理。

二、实验器材
1、主控&信号源模块、
2、8、25号模块各一块
2、双踪示波器一台
3、FC型光纤跳线、连接线若干
三、实验原理
1、实验原理框图
数据
实验原理框图
2、实验原理说明
和数字电缆通信一样，通常在数字光纤通信的传输通道中，一般不直接传输终端机输出的数字信号，而是经过码型变换电路，使之变换成为更适合传输通道的线路码型。

在数字电缆通信中, 电缆中传输的线路码型通常为三电平的“三阶高密度双极性码”，即HDB3码，它是一种传号以正负极性交替发送的码型。

在数字光纤通信中由于光源不可能发射负的光脉冲，因而不能采用HDB3码，只能采用“0”“1”二电平码。

但简单的二电平码的直流基线会随着信息流中
“0”“1”的不同的组合情况而随机起伏，而直流基线的起伏对接收端判决不利，因此需要进行线路编码以适应光纤线路传输的要求。

线路编码还有另外两个作用：一是消除随机数字码流中的长连“0”和长连“1”码，以便于接收端时钟的提取。

二是按一定规则进行编码后，也便于在运行中进行误码监测，以及在中继器上进行误码遥测。

本实验CMI编码中，码字“0”由“01”表示，码字“1”由“00”、“11”交替表示。

其变换规则如表所示：
CMI码型变换规则
CMI（Coded Mark Inversion）码是典型的字母型平衡码之一。

CMI在ITU-T G.703建议中被规定为139.264Mb/s（PDH的四次群）和155.520Mb/s（SDH 的STM-1）的物理/电气界面的码型。

CMI由于结构均匀，传输性能好，可以用游动数字和的方法监测误码，因此误码监测性能好。

由于它是一种电接口码型，因此有不少139.264Mb/s的光纤数字传输系统采用CMI码作为光线路码型。

除了上述优点外，它不需要重新变换，就可以直接用四次群复接设备送来的CMI码的电信号去调制光源器件，在接收端把再生还原的CMI码的电信号直接送给四次群复用设备，而无须电接口和线路码型变换/反变换电路。

其缺点是码速提高太大，并且传送辅助信息的性能较差。

四、实验步骤
1、关电，按表格所示进行连线。

2、用光纤跳线连接光收发模块的光发和光收，并将光收发模块的功能选择开关S1打到“光接收机”。

3、把光收发模块的S3设置为“数字”。

4、将1310nm光发模块的J1第一位拨“ON”（数字光调制的通状态），第二位拨“OFF”（APC自动光功率控制补偿电流的断状态），将25号光收发模块的W5（接收灵敏度的调节旋钮，逆时针旋转时输出信号减小）顺时针旋到最大。

5、将输出光功率旋钮W4顺时针旋转到最大。

6、开电（打开主控&信号源模块、2、8、25号各模块电源），设置主菜单【光纤通信】→【CMI编译码及光纤通信系统】。

用示波器观测信号源模块的PN15与8号模块的TH13波形，观测8号模块的TH3与8号模块的TH6波形，观测25号模块的TH2与25号模块的TH3波形，观测8号模块的TH10与8号模块的TH13波形，比较PN序列编解码过程各段前后的波形有何变化。

五．实验记录及结果分析解码前
解码后
实验结果及分析：
通过实验的显示，我们可以看到，信号基本实现了无失真传输，但是会出现延时现象。

经过CMI编码之后只是有少量延时，但是经过整个光纤线路后，延时比较明显。

通过本次实验，让我对CMI编译码原理及CMI码光纤传输系统有了初步的了解，CMI即反转码，是一种两电平不归零码，误码监测性能好。

通过实验认识了CMI的三大好处，即同步、检错、无直流分量，对CMI编码的认识有了进一步的深入了解。

同时进一步加深了对光纤通信传输系统的认识。