《现代光纤通信系统》实验指导书(2008)

《现代光纤通信系统》实验指导书何宁编信息与通信学院2008年12月概述光纤通信是利用光波作为载波，以光纤作为传输媒质实现信息传输，是一种最新的通信技术。

通信发展过程是以不断提高载频频率来扩大通信容量，光是一种频率极高的电磁波（3×1014HZ），因此用光作载波进行通信容量极大，是过去通信方式的千百倍，具有极大的吸引力，是通信发展的必然方向。

光纤通信有许多优点：首先它有极宽的频带。

目前我国已完成了10Gbps的光纤通信系统，这意味着在125um的光纤中可以传输大约11万路电话。

其次，光纤的传输损耗很小，传统的同轴电缆损耗约在5dB/Km以上，站间距离不足10Km；而工作在1.55um的光纤最低已达到0.2dB/Km的损耗，站间无中继传输可达100Km以上。

另外，光纤通信还具有抗电磁干扰、抗腐蚀、抗辐射等特点，它在地球上有取之不尽，用之不竭的光纤原材料—SiO2。

光纤通信可用于市话中继线，长途干线通信，高质量彩色电视传输，交通监控指挥，光纤局域网，有线电视网和共用天线（CA TV）系统。

波分复用技术（WDM）的出现，使光纤传输技术向更高的领域发展，实现信息宽带、高速传输。

光纤通信将会在光同步数字体系（SDH）、相干光通信、光纤宽带综合业务数字网（B—ISDN）、用户光纤网、ATM及全光通信有进一步发展。

实验一 光纤及LD 特性测量一．实验目的1．掌握光纤的基本结构和传输特性。

2．了解光纤通信光源的类型及发光机理。

3．掌握光纤及LD 有关特性测量。

二．实验内容及要求1. 光纤基本特性及连接技术测试。

2．LD 伏安特性测试。

3．LD 电光转换特性测试。

4．LD 调制特性测试。

5．LD 光谱特性测试。

三．实验原理光纤的制造过程是比较复杂的过程，生产光纤的主要材料为石英（SiO 2），其制造流程如图1所示：图1 光纤光缆制造流程图光纤的制作过程一般可分为三个主要步骤：1、熔炼常用方法主要有改进的化学气相沉积法（MCVD ）和微波等离子体法（PCVD ），化学反应方程式为：SiCl 4+O2高温 2+2Cl 2 GeCl 4+O 2高温 GeO 2+2Cl 2式中SiO 2为石英，GeO 2用于改变石英折射率的掺杂剂。

2、 拉丝是将已制作好的预制棒在高温下拉成高质量的光纤，光纤的几何尺寸精度必须严格控制。

3、 套塑为提高光纤的机械强度，需把经一次涂覆的光纤再套上塑料套管。

光纤按制作材料不同可分为石英光纤，塑料光纤和氧化物光纤。

按工作波长分为短波光纤（0.85um ），长波长光纤（1.31um ，1.55um ）和超长波长光纤（2um 以上）。

按传输模式分为单模光纤和多模光纤。

光纤接续有固定连接和活动连接两种，固定连接一般用于光缆工程上；活动连接一般用于机与线或机与机之间的连接，是可以拆卸的。

光纤的焊接最关键的一步是端面处理，它直接影响光纤的接续损耗，光纤焊接定光缆架设工程和光缆线路日常维护的一项关键技术。

光纤接续损耗主要受以下几个因素的影响，被焊接光纤折射率失配，纤蕊失配，端面的平整度和干净程度等。

光纤传输特性主要有损耗特性和频带特性，光纤损耗特性通常用dB/km表示，引起光能量衰减的原因有吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。

要降低光纤衰减，可采用纯度极高的石英玻璃。

光纤频带特性通常用兆赫千米来表示，说明1Km光纤所具有的带宽能力，光纤频带特性主要受传光时色散性的影响。

光纤通信系统采用的光源主要有半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）,根据制作的材料不同，发光二极管的峰值发射波长有0.85um、1.3um和1.55um三种。

LED是非相干光源，是一种直接注入电流的光发射器件，它的发射过程主要对应光的自发辐射过程，是半导体晶体内部受激电子从高能级回复到低能级时，发射出光子的结果。

在发光二极管的结构中，不存在谐振腔，当注入正向电流时，注入的非平衡载流子在扩散过程中复合发光。

因此，发光二极管不是阈值器件，它的输出功率基本上与注入电流成正比。

激光器的特性主要有光谱特性、伏安特性、电光转换特性和调制特性。

伏安特性是指LD通过正向电流时，发光二极管两端所产生的正向压降，由于正向电阻比较小，故正向压降较低。

图2给出示意图。

（a）伏安特性曲线（b）伏安特性测试电路图2 伏安特性示意图光谱曲线上发光强度最大时所对应的波长为发光峰值波长，光谱曲线上两个半光强点所对应的波长差称为LD的谱线宽度，其值为30～40nm左右,光谱极易受温度的影响。

与普通光源相比，激光光源具有单色性好、亮度高、方向性强和相干性强等特点，激光的出现使原有的光谱技术在灵敏度和分辨率方面得到很大的改善。

激光器根据谱线宽度不同可分为单纵模和多纵模激光器，其光谱如图3、图4和图5所示。

图3 LED光谱特性图4 LD光谱特性图5 LED多纵模光谱电光转换特性是指LD的光输出功率与注入电流的关系，它是LD的重要参数之一，分为直流输出功率和脉冲输出功率。

直流输出光功率是指在规定正向直流工作电流下，LD所发出的光功率；而脉冲输出光功率是指在规定幅度、频率和占空比的矩形脉冲电流作用下，LD发光面所发射出的光功率。

出光特性曲线如图6所示。

图6 P－I特性曲线LED调制特性是指在规定的直流正向工作电流下，用数字或模拟信号对LED进行调制，从而改变光功率。

光通信中传输速率的大小受调制频率或调制带宽的限制。

图7给出其调制原理图。

（a）模拟调制（b）数字调制图7 调制特性曲线四．实验线路图4给出了伏安特性、出光特性的具体测试电路，调节电位器可改变流过二极管的电流，从而改变LD的出光功率。

图5给出了光调制电路，a）图为模拟调制电路，为了保证LD工作在线性范围，在无信号输入时，必须给LD加一定的直流偏置；b）图为数字调制电路，三极管VT处于零偏置，且在开关状态下工作，当输入信号为高电平时，三极管导通，LD有光信号输出，当输入信号为低电平时，三极管截止通，LD无光信号输出。

图4 伏安特性与P－I特性测试电路图5 调制电路五．实验步骤（一）光纤生产及连接技术观看生产光纤流程，测量光纤物理尺寸，光纤熔接练习。

（二）LED伏安特性测试1．将电流表串接入LD测试电路，开启稳压电源（直流5V）。

2．调整电位器，使流过LD的电流为100mA，测量LD两端对应的电压值。

3．减小电源电压，按表1中电流值调整，用万用表测量并记录LD两端对应电压值。

4．根据测试数据作出LD的正向伏安特性曲线。

表1（三）LD出光特性测试1．电源电压为5伏，调整电位器改变流过LD的电流。

2．在LD的尾纤接入光功率计，读出与流过LD电流对应的光功率值，记入表2中。

3．根据测试数据作出LD的出光特性曲线。

表2（四）LD调制特性测试（模拟调制）1．将信号源频率设置为1KHz、幅度为100mv的正弦信号，并加入电路输入端。

2．用示波器测试三极管的输出调制波形。

3．用光功率计测试此时LD的光功率值。

六．实验设备稳压电源信号源光功率计万用表双踪示波器七．实验报告1处理实验数据，并画出相关特性曲线。

2说明模拟调制和数字调制对线性的要求。

3实验体会。

实验二： 数字光纤传输测试系统设计一、 实验目的1、理解利用光承载电信号的原理，设计数字光纤通信传输测试系统。

2、掌握光纤通信系统接收的灵敏度测量及通信距离概算。

二、 实验任务和原理实验任务：按给定设备和器件，设计构建一数字光纤传输光接收灵敏度测试系统，并模拟信道衰减计算系统传输距离。

实验原理：光纤通信系统主要由光发信机、光纤传输介质（光信道）和光收信机组成，光发信机是完成电信号与光信号的转换，即调制，光波是承载电信号的载波，目前光纤通信中常用的调制方式主要是直接光强度调制。

光纤是作为光信号的传输通道，完成收发两端设备的连接。

光电探测器是将接收到的光功率转换成信号电流送到后级进行处理，光纤通信中最常用的光电探测器主要有PIN 光电二极管和APD 雪崩二极管两种。

光信号经过长距离传输会产生衰减，它将影响信号的接收质量，这就需提高接收机的灵敏度。

接收机的灵敏度是在保证接收机的对信号的正常接收情况下，接收机所需的最小光功率，常采用分贝毫瓦（dBm ）表示。

光纤传输系统中继距离的长短，除了发射机的发射光功率和接收机的灵敏度外，还与光纤传输介质的损耗有关，光纤传输系统传输信道衰减组成及表达式如下：光纤传输系统信道组成C f S f e C R T M L A A MnA P P L ++---=max式中：T P 为发射平均功率，单位dBm; R P 接收光功率，单位dBm;C A 一个活动接头损耗，单位dB; e M 设备富余度，单位dBf A 光纤每公里损耗，单位dB/Km; f f L A 每个固定接头衰减，单位dB/个；C M 光纤线路富余度，dB/Km.三、系统设计及技术要求1、光接收机灵敏度测试⑴用调制光源连续光（CW）状态测试活动接头的衰减量；⑵调制光源工作频率在1KHz、功率为0.5mW的内部脉冲调制状态；⑶搭建测试系统，测量给定光接收机的灵敏度。

要求：画出测试系统框图及测试波形，按“正切灵敏度”测试法和“替代法”测出接收的最小光功率，并计算出光接收机的灵敏度（dBm）。

2、光纤数字传输系统距离概算⑴根据上面测试的模拟信道衰减量计算出最大的传输距离；（注意活动接头的个数）⑵如果在灵敏度保持一定时，光发射机功率再增加0.1mW，计算此时光纤信道传输距离可增加多少公里。

(给定设备富余度M＝3dB，光纤衰减为0.2dB/Km)。

e四、实验仪器及使用调制光源一台稳压电源一台光纤衰减器一台双踪示波器一台光功率计一台光接收电路一块●调制光源是光纤通信完成电光转换的一个重要部分，它可使用内部电信号和外部电信号调制，可输出连续光和脉冲光，输出光功率可进行调整，通过调整INT按键可改变其工作状态，CW为连续光输出，270Hz、1KHz和2KHz为内部电脉冲调制，UR为外加TTL电脉冲信号调制，可完成dBm和mW、uW、nW功率读数显示。

●光纤衰减器是完成对光信号的衰减控制，用它可实现对传输信道长度的模拟，具有dB功率衰减显示。

●光功率计是完成对光功率的测试，具有测试波长选择，采用dBm和mW、uW、nW功率读数显示。

●光接收电路完成经传输后光信号的接收和转换，使光信号恢复为电信号。

五、设计报告1、报告测试数据及相关信号波形。

2、计算系统接收灵敏度和传输距离,分析测量误差。

3、说明光纤通信系统的传输距离主要受那些因素影响。