光纤通信原理与技术实验指导书

光纤通信原理与技术实验指导书实验一模拟（音频）信号的调制、传输和解调实验目的和要求1、光纤端面的处理和夹持；2、了解模拟信号的光纤调制方法；3、学会已调信号的解调技术；4、观看已调波和调制波的波形；5、光纤折射率的时刻法求解。

实验装置和仪器：GX1000光纤实验仪；半导体激光器；激光功率计；光纤刀；光学实验导轨；光纤调整架；光纤；示波器；音频信号发生器（或收音机）。

实验原理：激光器的输出特性（I—P）特性激光器的光输出特性(P—J特性)是表示注入电流与激光器输出功率之间的关系曲线。

如图1所示。

当注入电流增加时．由于自发辐射量增加，输出功率也会增加，但增加得较慢。

当光辐射量超过PN结中的吸取损耗，增益超过损耗时，激光器就开始振荡，因此光输出功率随注入电流的增加而急剧增加。

图1光的调制将调制信号加在激光器上，操纵激光器的电流，则激光器的输出功率随调制信号而改变。

如图2所示。

光通信系统图3是典型的光纤通信系统。

电信号加在激光器的偏置电路上，操纵激光器的注如电流，从而使激光器的输出光功率随外加信号变化，达到对输出光进行调制．经调制的光由光纤（光纤通信）或空间（空间光通信）传输到光电探测器，探测器将光信号转变为电信号，后续电路检波解调复原所加的电信号。

图2图3 图4实验内容及步骤：（一）光纤端面的处理1、用光纤剥皮钳剥去光纤两端的涂覆层，长度约10mm。

如图5在5mm出用光纤刀刻划一下。

用力不要太大，以不使光纤断裂为限。

在刻划处轻轻弯曲纤芯，使之断裂。

处理过的光纤端面不应再被触摸，以免损坏和污染。

将光纤的一端小心放入光纤夹中，伸出长约10mm，用簧片压住，放入三维光纤架中，用锁紧螺钉锁住。

将光纤的另一端放入光纤座上的刻槽中，伸出约10mm ,用磁吸压住。

光纤的耦合将实验仪置于直流挡。

调整激光的工作电流，使激光不太明亮，用一张白纸在激光器前后移动，确定激光焦点的位置。

通过移动三维光纤调整架和调整Z轴旋钮，使光纤端面尽量靠近焦点。

将激光器工作电流调到最大，通过认真调整三维光纤调整架上的X轴、Y轴、Z轴旋钮和激光器调整架上的水平、垂直旋钮，使激光照亮光纤端面并耦合进光纤。

观测光纤输出光强的变化，反复调整各旋钮，直到光纤输出功率达最大为止。

记下最大功率值Pf。

测量5次，取平均值。

将实验仪的功能档置于音频调制档。

将示波器的CH1 和CH2通道分不与“输出波形”和“输入波形”相连。

将示波器“扫描频率”置于10μS/Div 档，示波器显示应为近似的稳固矩形波。

从“音频”端加入音频模拟信号，这时可观看到示波器上的矩形波形的前后沿闪动。

打开实验仪后面板上的“喇叭”开关，应可听到音频信号源中的声音信号。

可分不观看实验仪发射板“调制”前后的波形和接收板“解调”前后的波形。

记录波形的形状和幅值。

观看、了解音频模拟信号的调制、传输、解调过程的情形。

（注意：“喇叭”开关平常应处于“关”状态，以免产生不必要的噪声。

）将光探头接在实验仪接收板的“输入”端，光纤输出光对准光探头，示波器的CH1 依次与接收板上的解调前后的“波形”端相连，观看波形情形。

改变激光器的输出功率P0，记录对应的示波器的CH1 上的解调前“波形”幅值V前和解调后“波形”幅值V后，如下表。

加上音频，打开＂喇叭＂开关，调整激光器的电流，同时，认真听解调后的声音变化，体会传输光强的大小对传输信号的阻碍，即信噪比的阻碍．去掉光纤，让激光器的直截了当照在光探头上，示波器的CH1 依次与接收板上的解调前后的“波形”端相连，观看波形情形。

改变激光器的输出功率P0，记录对应的示波器的CH1 上的解调前“波形”幅值V前和解调后“波形”幅值V后，重复18的步骤，比较光通过空间和光纤后音频的变化．注在以上操作中，注意不要使探测器饱和。

摸索题：分析各端波形情形。

传输光的强度对音频信号有何阻碍？光纤传输和空间传输时接收的波形有何变化？ ３．比较光纤通信和空间通信的特点．实验二 光通信中的光交叉连接（OXC ）模拟实验 一、实验目的与要求学习OXC 的原理，了解事实上现方法和光网络节点OXC 在光纤通信中的作用和意义。

学习OXC 的原理，了解事实上现方法和光网络节点OXC 在光纤通信中的作用和意义。

明白得电寻址液晶空间光调制器（SLM ）的原理、光学特性和操作。

设计利用空间光调制器、柱面镜等器件实现OXC 的方法和光路。

二 实验差不多原理与功能 1．OXC 定义WDM 光网络要求光节点具备交换功能，来自不同光纤通道的信号或同一光纤的不同波长通道的信号按照实际情形需要直通或交换通道进行传输，这一功能叫做光的交叉连接（Optic Cross Connection 简称OXC ）。

O XC 的要紧功能是完成光通道的交叉连接，同时还具备本地的上下路功能。

2．OXC 节点的交叉连接原理图1、2分不表示了空间和波长交换的OXC 的原理。

在图1中，用户通道1、3的信号需要在用户通道3’、1’中传输，而通道2 的信号需要直通。

在用户信号通道1用户信号通道2用户信号通道3用户信号通道1'用户信号通道2'用户信号通道3'OXC图 1图2中，2’中进行传输，用户通道2的信号需要在用户信号通道1用户信号通道2用户信号通道1’用户信号通道2’OXC图2原通道中传输，即直通。

上述交叉连接功能确实是由OXC节点来实现的。

3 OXC节点模型在光传送网络中，OXC节点的差不多功能是在各输入端和输出端光纤上复用的WDM信道之间建立全光通道互连模式。

图3给出了OXC节点结构的一种模型，其中N代表节点的输入或输出端口数，M为每根光纤上复光交叉连接结构a 图b图图4 基于空间光开关矩阵和波分复用/解复用器对的OXC结构在图4(a)、(b)中，波分解复用器将链路中的WDM信号在空间上分开，空间光开关矩阵在空间上实现交换。

完成空间交换后各波长信号直截了当经波分复用器复用到输出链路中。

结构(a)中只能实现一个输入光信号被唯独地交叉连接到一条输出光通道中，而不能被广播发送到多条输出光通道中，它不具备广播发送能力。

另外，这种结构无波长变换器，只能支持波长通道，并不支持虚波长通道。

结构(b)中，MN×MN开关矩阵能够实现MN ×MN 无堵塞交换，任一输入链路中的任一波长都能够按照需要交换到任一输出链路中的任一波长，它支持虚波长通道。

此外，它与结构(a)一样，也不具备广播发送能力。

基于波长交换的OXC 结构目前已有基于阵列波导光栅复用器的多波长交换OXC 结构和完全基于波长交换的OXC 结构。

图5是基于阵列波导光栅复用器（AWGM ）的多波长交换OXC 结构的一种。

这种结构利用了阵列波导光栅复用器的特性，将图5 基于阵列波导光栅复用器的三级波长变换OXC 结构 4．本实验的原理本实验基于空间光交换的OXC 的原理而设计，事实上验原理图如图6所示。

本实验的核心部分——空间光交换是由空间光开关矩阵来完成的。

实验中用可动态操纵的空间光调制器作为空间光开关矩阵，空间光调制器的要紧组成部分有液晶屏和操纵器，液晶屏上的象素相当于光开关器件。

用户信号分不用红、绿、蓝三个可见点光源来表示，分不代表WDM 信号中已被解复用的三个信号。

利用柱面透镜将用户信号发散的球面波转换成准直的柱面波，并让它们同时照耀到空间光调制器上。

空间光调制器上光信号分布如图7所示。

空间光调制器后的柱面透柱面镜柱面镜空间光开关矩阵输入端面输出端面图6 OXC 实验原理图镜将传输过来的平面波转换为水平方向会聚的柱面波，因此在不同水平位置的光波将汇聚到输出端面的不同位置上。

如图7、8 所示， 当a 行开关（象素）信号1信号2信号3a b c(a,1)(a,2)(a,3)(b,1)(b,2)(b,3)(c,3)(c,2)(c,1)A B C图7 空间光调制器上光信号分布图 图8 输出端面上的光信号分布打开而其它开关全部关闭时，即仅(a,1)、(a,2)、(a,3)为开状态时，(a,1)、(a,2)、(a,3)处透过的光信号经柱面透镜后将重合于A 处，从而实现了多点到一点的连接。

当仅(a,2)打开时，A 处只能收到信号2的信号而收不到1、3的信号，从而实现了点到点的连接。

同理，b 或c 行信号如果在相应象素开关打开的情形下，光信号经柱面镜后将到达接收端上的另一位置B 或C 。

可见，只要操纵空间光调制器就可使输入端面上的红、绿、蓝三路光信号交换在接收端面上的不同光纤上，从而实现了光的交叉连接。

本模拟实验的具体实现方式如图9所示。

为了实验调整方便，我们用扩束准直加狭缝的方式来实现用户信号由球面波到垂直分布的准直柱面波的转换，并采纳反射棱镜（e ）来压缩垂直分布的平面波之间的距离，使之能专门好地被空间图9 实验装置原理图光调制器操纵。

为了使实验中的操纵及显示更加直观，我们用运算机＃1（该运算机安装了操纵软件CtrLCD 来显示和操纵空间光调制器上象素开关的开关状态。

三、实验要紧技术指标 技术指标有：1．如何使激光打出的光变为平面波。

2．如何使来自不同方向的光变为平行光。

四、实验设计 ：1．设计利用空间光调制器、柱面镜等器件实现OXC 的方法和光路。

五．设计举例；六．综合性实验任务1、设计课题：OXC实验的设计2、已知条件：OXC实验光路3、性能指标：通过操纵空间光调制器的操纵程序能分不观看到红、绿和蓝三色光以及它们混合光。

4．实验仪器设备：微镜、双胶合透镜、狭缝、反射棱镜、空间光调制器、柱面透镜、CCD探测器、运算机、电源5．设计步骤和要求按图9建立并调整OXC模拟实验光路将器件调剂等高同轴激光束第一进行扩束准直，准直成三个不同颜色的平行光斑。

利用三个狭缝，拦截所得的三束平行光斑，得到三束垂直分布的平面波。

调剂两个反射棱镜，使三条垂直平面波等间距平行并能全部射入空间光调制器（间距尽量小）调剂柱面透镜的相对位置，使三束平行平面波在柱面镜的后焦面完全重合。

打开空间光调制器，使之正常运行先把输出结果显示在白纸屏上。

动态操纵空间光调制器，并观看输出结果，体会OXC的含义。

用鼠标点击运算机#1屏幕上的栅格，当栅格变亮时，表示空间光调制器所对应的象素处于开状态，即此处开关打开，通光；反之则处于关状态，即象素开关关闭，阻光。

设计三个用户通道的不同交叉连接方式，并按照图7，对空间光调制器进行不同的开关组合，观看白纸屏看结果是否实现了设计要求。

然后加载信号并接收，体会更直观的成效。

终止实验：关闭所有光电设备电源。

七、摸索题：1．空间光调制器的工作原理是什么？2．空间光开关的作用是什么？。