光纤信号传输实验

光纤信号传输实验

【教学目的】

1．学习光纤信号传输系统的基本结构及各部件选配原则；

2．熟悉光纤传输系统中电光/光电转换器件的基本性能；

3．训练如何在光纤传输系统中获得较好信号传输质量。

【教学重点】

1.光纤信号的发射、传输、接收原理

2.光纤信号传输系统幅度的调制

【教学难点】

1.光纤信号传输系统的基本结构

2.光电转换器件的基本性能

【课程讲授】

提问

1.光信号是如何获得的？

2.光信号在光纤中是如何进行传输的？

一、实验原理

光纤传输系统如图一所示一般由三部分组成：光信号发送端；用于传送光信号的光纤；光信号接收端。光信号发送端的功能是将待传输的电信号经电光转换器件转换为光信号，光纤的功能是将发送端光信号以尽可能小的衰减和失真传送到光信号接收端，目前光纤一般采用在近红外波段0.84μm、1.31μm、1.55μm有良好透过率的多模或单模石英光纤。光信号接收端的功能是将光信号经光电转换器件还原为相应的电信号，光电转换器件一般采用半导体光电二极管或雪崩光电二极管。组成光纤传输系统光源的发光波长必须与传输光纤呈现低损耗窗口的波段、光电检测器件的峰值响应波段匹配。

2．光信号发送端的工作原理

系统采用的发光二极管的驱动和调制电路如图二所示，信号调制采用光强度调制的方法，发送光强度调节电位器用以调节流过LED的静态驱动电流，从而相应改变发光二极管的发射光功率。

图（二）

3．光信号接收端的工作原理

图四是光信号接收端的工作原理图，传输光纤把从发送端发出的光信号通过光纤藕合器将光信号藕合到光电转换器件光电二极管，光电二极管把光信号转变为与之成正比的电流信号，光电二极管使用时应反偏压，经运放的电流电压转换把光电流信号转换成与之成正比的电压信号。光电二极管的频响一般较高，系统的高频响应主要取决于运放等的响应频率。

图（三）

4．传输光纤的工作原理

目前用于光通讯的光纤一般采用石英光纤，它是在折射率n2较大的纤芯内部，覆上一层折射率n1较小的包层，光在纤芯与包层的界面上发生全发射而被限制在纤芯内传播，如图五所示。石英光纤的主要技术指标有衰减特性，数值孔经和色散等。

图（四）

二、实验仪器

双踪示波器、光纤信号传输实验仪

三、实验步骤

1．光纤传输系统静态电光/光电传输特性测定

分别打开光发送端电源和光接收端电源，面板上两个三位半数字表头分别显示发送光驱动强度和接收光强度。调节发送光强度电位器，每隔100单位（相当于改变发光管驱动电流1ma）分别记录发送光驱动强度数据与接收光强度数据，在坐标纸上绘制静态电光/光电传输特性曲线。

2．光纤传输系统频响的测定

将在调制信号输入接口上从信号发生器输入正弦波，将双踪示波器的通道 1 和通道 2 分别接到输入正弦信号和信号接收端，保持输入信号的幅度不变，调节信号发生器频率，记录信号变化时输出端信号幅度的变化，分别测定系统的底频和高频截止频率。

3．LED偏置电流与无失真最大信号调制幅度关系测定

将从信号发生器输入的正弦波频率设定在1kHz，输入信号幅度调节电位器置于最大位置，然后在LED偏置电流为5、10ma两种情况下，调节信号源输出幅度，使其从零开始增加，同时在接收端信号输出处观察波型变化，直到波型出现截止现象时，记录下电压波型的峰-峰值，由此确定LED在不同偏置电流下光功率的最大调制幅度。

4．多种波型光纤传输实验

将输入选择开关打到“外”，在音频信号输入接口上分别从函数信号发生器输入方波信号和三角波信号，将双踪示波器的通道1和通道2分别接到发送端示波器接口和接收端音频信号输出接口，保持输入信号的幅度不变，调节函数信号发生器输出频率，从接收端通过示波器观察输出波形变化情况，记录输入信号频率变化时输出信号幅度的变化，分别测定系统的低频和高频截止频率。

在数字光纤传输系统中往往采用方波来传输数字信号。

5．音频信号光纤传输实验

将输入选择打到“内”，按下内音频信号触发按钮，通过调节发送光强度电位器改变发送端LED的静态偏置电流，收听在接收端发出的语音片音乐声，考察当LED的静态偏置电流小于多少时，音频传输信号产生明显失真，分析原因，并同时通过示波器观察分析语音信号波形变化情况。

四、数据记录

1．光纤传输系统静态电光/光电传输特性测定

(1)低频截止频率：f

1

(2)高频截止频率：f2

3. LED偏置电流与无失真最大信号调制幅度关系测定

(1)LED偏置电流为5MA 信号源输出电压波型的峰-峰值 : V P-P

(2)LED偏置电流为10MA 信号源输出电压波型的峰-峰值 : V

P-P

4．多种波型光纤传输实验

(1) 函数信号发生器输入方波信号低频截止频率：f1

高频截止频率：f

2

(2)函数信号发生器输入方波信号低频截止频率：f1

高频截止频率：f

2

5．音频信号光纤传输实验

音频传输信号产生明显失真时，LED的静态偏置电流：I= MA

六、数据处理

（1）在坐标纸上绘制静态电光/光电传输特性曲线。

（2）当LED的静态偏置电流小于I时，音频传输信号产生明显失真，分析原因，并同时通过示波器观察分析语音信号波形变化情况。

五．思考题

1．本实验中LED偏置电流是如何影响信号传输质量？

提示：当驱动电流较小时发光二极管的发射光功率与驱动电流基本上呈线性关系,因此驱动电流在0－20ma内，光信号越强，传输质量越高。

2．本实验中光传输系统那几个环节引起光信号的衰减？

提示：光信号的传输环节由于光纤的传输损耗会引起光信号的衰减，在光信号的发射端和接收端，光电二极管进行光电转换时也会引起光信号的衰减。

3．光传输系统中如何合理选择光源与探测器？

提示：组成光纤传输系统光源的发光波长必须与传输光纤呈现低损耗窗口的波段、光电检测器件的峰值响应波段匹配。本实验发送端电光转换器件采用中心发光波长为0.84μm的高亮度近红外半导体发光二极管，传输光纤采用多模石英光纤，接收端光电转换器件采用峰值响应波长为0.8～0.9μm的硅光电二极管。

4．光电二极管在工作时应正偏压还是负偏压，为什么？

提示：在发射端发光二极管将电信号转换为光信号，此时应正偏压；传输光纤把

从发送端发出的光信号通过光纤耦合器将光信号耦合到光电转换器件光电二极

管，光电二极管把光信号转变为与之成正比的电流信号，此时应负偏压。

5．如果纤芯的中心和包层的中心不同心，这样的光纤有什么不好？

提示：