音频信号光纤传输技术实验报告 大学物理实验

8-1 音频信号光纤传输技术实验

预习要求

通过预习应理解以下几个问题：

1．音频信号光纤传输系统由那几个部分组成、主要器件（LED、SPD和光纤）的工作原理；2．LED调制、驱动电路工作原理

3．LED偏置电流和调制信号的幅度应如何选择、；

4．测量SPD光电流的I-V变换电路的工作原理。

实验目的

1．熟悉半导体电光/光电器件基本性能及主要特性的测试方法；

2．了解音频信号光纤传输系统的结构及各主要部件的选配原则；

3．掌握半导体电光和光电器件在模拟信号光纤传输系统中的应用技术；

4．学习音频信号光纤传输系统的调试技术。

实验原理

一．系统的组成

音频信号光纤传输系统的原理图如图8-1-1所示。它主要包括由LED（光源）及其调制、驱动电路组成的光信号发送器、传输光纤和由光—电转换、I—V变换及功放电路组成的光信号接收器三个部分。光源器件LED的发光中心波长必须在传输光纤呈现低损耗的0.85μｍ、1.3μｍ或1.5μｍ附近。本实验采用中心波长0.85μｍ的GaAs半导体发光二极管作光源、峰值响应波长为0.8～0.9μｍ的硅光二极管SPD作光电检测元件。为了避免或减少谐波失真，要求整个传输系统的频带宽度能够覆盖被传信号的频谱范围。对于音频信号，其频谱在20Hz～20KHz 的范围内。光导纤维对光信号具有很宽的频带，故在音频范围内，整个系统的频带宽度主要决定于发送端调制放大电路和接收端功放电路的频率特性。

图8-1-1 音频信号光纤传输系统原理图

二、光纤的结构及传光原理

衡量光纤信道性能好坏有两个重要指标：一是看它传输信息的距离有多远，二是看它单位时间内携带信息的容量有多大。前者决定于光纤的损耗特性，后者决定于光纤的频率特性。目前光纤的损耗容易做到每公里零点几dB水平。光纤的损耗与工作波长有关，所以在工作波长的选用上，应尽量选用低损耗的工作波长。光纤通讯最早是用短波长0.85μｍ，近来发展到能用1.3～1.55μｍ范围的波长，在这一波长范围内光纤不仅损耗低，而且“色散”也小。

光纤的频率特性主要决定于光纤的模式性质。光纤按其模式性质通常可以分成单模光纤和多模光纤。无论单模或多模光纤，其结构均由纤芯和包层两部分组成。纤芯的折射率较包层折射率大。对于单模光纤，纤芯直径只有5～10μｍ，在一定条件下，只允许一种电磁场形态的光波在纤芯内传播。多模光纤的纤芯直径为50μｍ或62.5μｍ，允许多种电磁场形态的光波传播。以上两种光纤的包层直径均为125μｍ。按其折射率沿光纤截面的径向分布状况又分成阶跃型和渐变型两种光纤，对于阶跃型光纤，在纤芯和包层中折射率均为常数，但纤芯折射率n1略大于包层折射率n2。所以对于阶跃型多模光纤，可用几何光学的全反射理论解释它的导光原理。在渐变型光纤中，纤芯折射率随离开光纤轴线距离的增加而逐渐减小，直到在

纤芯—包层界面处减到某一值后，在包层的范围内折射率保持这一值不变，根据光射线在非均匀介质中的传播理论[1]可知：经光源耦合到渐变型光纤中的某些光射线，在纤芯内是沿周期性地弯向光纤轴线的曲线传播。本实验采用阶跃型多模光纤作为信道，以下应用几何光学理论进一步说明阶跃型多模光纤的传光原理。

当一光束投射到光纤端面时，其入射面包含光纤轴线的光线称为子午射线，这类射线在光纤内部的行径是一条与光纤轴线相交、呈“Z”字型前进的平面折线。若耦合到光纤内部的光射线在光纤入射端的入射面不包含光纤轴线，称为偏射线。 偏射线在光纤内部不与光纤轴线相交；其行径是一条空间折线。以下我们只对子午射线的传播特性进行分析。

参看图8-1-2，假设光纤端面与其轴线垂直。对于子午光射线，根据smell 定律及图8-1-2所示的几何关系有：

z i sin n sin n θθ10= （8-1-1） 其中απθ-=2z ，所以有

αθcos n sin n i 10= （8-1-2）

其中0n 是光纤入射端面左侧介质的折射率。通常，光纤端面处 在空气介质中，故n 0 =1。由（8-1-2）式可知：如果光线在光纤端面处的入射角i θ较小,则它进入光纤内部后投射到纤芯-包层界面处的入射角α 就会大于按下式决定的临界角c α： ()12n n arcsin c =α （8-1-3）

在此情形下光射线在纤芯-包层界面处发生全内反射。该射线所携带的光功率就被局限在纤芯内部而不外溢。满足这一条件的射线称为传导射线。 随着图8-1-2中入射角i θ的增加，α角就会逐渐减小，直到c αα=时，子午射线携带的光功率均可被局限在纤芯内。在此之后，若继续增加i θ，则α角就会变得小于c α， 这时子午射线在纤芯-包层界面处的全反射条件受到破坏，致使光射线在纤芯-包层界面处的每次反射均有部分光功率溢出纤芯外，光导纤维再也不能把光功率有效地约束在纤芯内部。这类射线称为漏射线。

设与c αα=对应的i θ为max i θ，凡是以max i θ 为张角的锥体内入射的子午光线，投射到光纤端面上时，均能被光纤有效地接收而约束在纤芯内。根据（8-1-2）式有：

n 1 n 2 n 0 α i θ z θ 1

2

1

1 2

2 2

2

2

子午传导射线 漏射线 1 图8-1-2 子午传导射线与漏射线

c max i cos n sin n αθ10=

其中n o 表示光纤入射端面空气一侧的折射率，其值为1，故：

()()21222121211n n sin n sin c max i -=-=αθ

通常把此式定义为光纤的理论数值孔径（Numerical Aperture ）, 用英文字符NA 表示，即

NA =()()2

112122212∆θn n n sin max i =-= （8-1-4） 它是一个表征光纤对子午射线捕获能力的参数，其值只与纤芯和包层的折射率 n 1 和 n 2 有关，与光纤的半径a 无关。 在（8-1-4）式中：

△ =()

()1212122212n /n n n /n n -≈- 称为纤芯和包层之间的相对折射率差，△ 愈大，光纤的理论数值孔径NA 愈大，表明光纤对子午线捕获的能力愈强，即由光源发出的光功率更易于耦合到光纤的纤芯内。这对于作传光用途的光纤来说是有利的。但对于通讯用的光纤，数值孔径愈大，模式色散也相应增加，这不利于传输容量的提高。对于通讯用的多模光纤△ 值一般限制在1%左右。由于通信用多模光纤的纤芯折射率n 1 是在1.50附近，故理论数值孔径的值在0.21左右。

三、半导体发光二极管结构、工作原理、特性及驱动、调制电路

光纤通讯系统中对光源器件在发光

波长、电光效率、工作寿命、光谱宽度和调制性能等许多方面均有特殊要求。所以

不是随便哪种光源器件都能胜任光纤通讯

任务。目前在以上各个方面都能较好满足

要求的光源器件主要有半导体发光二极管（LED ）和半导体激光二极管（LD ）.本

实验采用LED 作光源器件.半导体发光二极管是一个如图8-1-3所示的N-p-P 三层 结构的半导体器件，中间层通常是由GaAs （砷化镓）p 型半导体材料组成,称有源层，其带隙宽度较窄。两侧分别由GaAlAs 的N 型和P 型半导体材料组成。与有源层相比，它们都具有较宽的带隙. 具有不同带隙宽度的两种半导体单晶之间的结构称为异质结. 在图8-1-3中，有源层与左侧的N 层之间形成的是p —N 异质结，而与右侧P 层之间形成的是p-P 异质结，故这种结构又称N-p-P 双异质结构（简称DH 结构）。当给这种结构加上正向偏压时，就能使N 层向有源层注入导电电子，这些导电电子一旦进入有源层后，因受到右边p-P 异质结的阻挡作用不能再进入右侧的P 层，它们只能被限制在有源层内与空穴符合。导电电子在有源层与空穴复合过程中，其中有不少电子要释放出能量满足以下关系的光子：

C E E E h =-=12ν

其中h 是普郎克常数，υ是光波的频率，E 1 是有源层内导电电子的能量，E 2是导电电子与空穴复合后处于价健束缚状态时的能量。两者的差值E C 与DH 结构中各层材料及其组份的选取等多种因素有关，制做LED 时只要这些材料的选取和组份的控制适当，就可使得LED 发光中心波长与传输光纤低损耗波长一致。

半导体发光二极管的正向伏安特性如图8-1-4示，与普通的二极管相比，正向电压大于1V 以后才开始导通。在正常使用情况下，正向压降为1.5V 左右。半导体发光二极管LED 的电-光特性如图8-1-5所示。为了使传输系统的发送端能够产生一个无非线性失真、而峰—峰值又最大的光信号，使用LED 时应先给它一个适当的偏置电流 ，其值等于电-光特性线性部分中点对应的电流值，而调制电流的峰—峰值应尽可能大地处于电-光特性的这一线性范围内。 P N p E R L 图8-1-3 半导体发光二极管的结构及工作原理