光纤通信实验报告汇总.pdf

南京工程学院 通信工程学院 实验报告 课程名称光纤通信 _ 实验项目名称光纤通信实验 _ 实验学生班级通信（卓越） 131_ 实验学生姓名吴振飞 _ _ 实验学生学号 208130429_ 实验时间2 0 1 6 . 6 . 1 5 _ _ _ 实验地点信息楼 C413_ 实验成绩评定 _ 指导教师签字 _ 2016年 6 月 19 日 目录 实验一 半导体激光器 P-I 特性测试实验 1 一、实验目的 . 1 二、实验仪器 . 1 三、实验原理 . 1 四、实验内容 . 2 五、实验步骤 . 2 六、注意事项 . 2 七、思考题 . 3 实验二 光电探测器特性测试实验 3 一、实验目的 . 3 二、实验仪器 . 3 三、实验原理 . 3 四、实验内容 . 4 五、实验步骤 . 4 六、注意事项 . 4 实验三 电话光纤传输系统实验 4 一、实验目的 . 4 二、实验内容 . 5 三、预备知识 . 5 四、实验仪器 . 5 五、实验原理 . 5 六、注意事项 . 6 七、实验步骤 . 6 九、思考题 . 6 实验一 半导体激光器 P-I 特性测试实验 一、实验目的 学习半导体激光器发光原理和光纤通信中激光光源工作原理；了解半导体激光器平均输 出光功率与注入驱动电流的关系；掌握半导体激光器 P( 平均发送光功率) -I(注入电流 ) 曲线的测试方法。 二、实验仪器 1、ZYE4301G 型光纤通信原理实验箱 1 台 2、光功率计1 台 3、FC/PC-FC/PC 单模光跳线 1 根 4、万用表 ( 自带 ) 1 台 5、连接导线 20 根 三、实验原理 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，所谓一模一样，是指发射光子和感应光子不仅频率相同，而且 相位、偏振方向和传播方向都相同，它和感应光子是相干的。) 是一种阈值器件。由于 受激辐射与自发辐射的本质不同，导致了半导体激光器不仅能产生高功率(10mW) 辐射， 而且输出光发散角窄( 垂直发散角为 3050 ° ， 水平发散角为 030 ° ) ， 与单模光纤的 耦合效率高 ( 约 30%50%)，辐射光谱线窄( =0.11.0nm)， 适用于高比特工作，载流 子复合寿命短，能进行高速信号(20GHz) 直接调制，非常适合于作高速长距离光纤通信 系统的光源。 对于线性度良好的半导体激光器，其输出功率可以表示为 (1-1) Pe=)(2thDIIq - 其中 intintaaamirmirD+=， 这里的量子效率 int ， 表征注入电子通过受激辐射 转化为光子的比例。在高于阈值区域，大多数半导体激光器的int接近于 1 。 1-1 式表明，激光输出功率决定于内量子效率和光腔损耗，并随着电流而增大，当注入 电流 IIth时，输出功率与I 成线性关系。其增大的速率即P-I 曲线的斜率，称为斜率 效率 dP2DeqdI= (1-2) 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Ith尽可能小， Ith对应 P值小，而且没有扭折点的半导体激光器，这样 的激光器工作电流小，工作稳定性高，而且不易产生光信号失真。并且要求P-I 曲线的 斜率适当。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。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， 半导体激光器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 即激活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。将开始出现净增 益的条件称为阈值条件。一般用注入电流值来标定阈值条件，也即阈值电流Ith ， 当输 入电流小于Ith时，其输出光为非相干的荧光，类似于 LED发出的光，当电流大于Ith 时，输出光为激光，且输入电流和输出光功率成线性关系。该实验就是对该线性关系进 行测量，以测试半导体激光器的P-I 线性关系。在实验中所用到半导体激光器输出波长为 1310nm ， 带尾纤及FC型接口。半导体激光器作为光纤通信中应用的主要光源，其性能指 标直接影响到系统传输数据的质量，因此 P-I 特性曲线的测试了解激光器性能是非常重要 的。 半导体激光器驱动电流的确定是通过测量串联在电路中的 R110 上电压值。电路中的 驱动电流在数值上等于 R110 两端电压与电阻值之比。为了测试更加精确，实验中先用万 用表测出 R110 的精确值，计算得出半导体激光器的驱动电流，然后用光功率计测得一定 驱动电流下半导体激光器发出激光的功率，从而完成 P-I 特性的测试。并可根据 P-I 特 性得出半导体激光器的斜率效率。 四、实验内容 测量半导体激光器输出功率和注入电流，并画出 P-I 关系曲线。 根据 P-I 特性曲线，找出半导体激光器阈值电流，计算半导体激光器斜率效率。 五、实验步骤 1、将光发模块中的可调电阻 W101 逆时针旋转到底，使数字驱动电流达到最小值。 2、用万用表测得R110 电阻值，找出所测电压与半导体激光器驱动电流之间的关系 (V=IR110) 。 3、拨动双刀三掷开关， BM1 选择到半导体激光器数字驱动， BM2 选择到 1310 。 4、旋开光发端机光纤输出端口(1310nm T) 防尘帽，用 FC-FC 光纤跳线将半导体激光 器与光功率计输入端连接起来，并将光功率计测量波长调整到 1310nm 档。 5、连接导线 : 将 T502 与 T101 连接。 6、连接好实验箱电源，先开交流电源开关，再开直流电源开关，即按下 K01 ， K02 ( 电源模块 ) ，并打开光发模块(K10) 和数字信号源 (K50) 的直流电源。 7、用万用表测量 R110 两端电压 ( 红表笔插 T103 ， 黑表笔插 T104) 。慢慢调节电位器 W101 ， 使所测得的电压为下表中数值，依次测量对应的光功率值，并将测得的数据填入 下表。 8、做完实验后先关闭光发模块电源(K10) ， 然后依次关掉各直流开关( 电源模块 ) ， 以 及交流电开关。 9、拆下光跳线及光功率计，用防尘帽盖住实验箱半导体激光器光纤输出端口，将实 验箱还原。 10、将各仪器设备摆放整齐。 六、注意事项 1、半导体激光器驱动电流不可超过 40mA， 否则有烧毁激光器的危险。 2、 由于光功率计，光跳线等光学器件的插头属易损件，使用时应轻拿轻放，切忌 用力过大。 七、思考题 1、试说明半导体激光器发光工作原理。 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。 2、环境温度的改变对半导体激光器 P-I 特性有何影响 ? 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、 分析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。 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。 实验二 光电探测器特性测试实验 一、实验目的 1、学习光电探测器响应度及量子效率的概念； 2、掌握光电探测器响应度的测试方法 3、光电探测器响应度对光纤通信系统的影响 二、实验仪器 1、ZYE4301G 型光纤通信原理实验箱 1 台 2、光功率计 1 台 3、万用表 ( 自带 ) 1 台 4、连接导线 20 根 三、实验原理 在光纤通信工程中，光检测器 (ptotodetector) ,又称光电探测器或光检波器。在给 定波长的光照射下，光检测器的输出平均电流与入射的光功率平均值之比称响应率或响应 度。 简言之，即输入单位的光功率产生的平均输出电流， R 的单位为 A/W 或 uA/uW。 其 表达式为 : R=IP/P (5-1) 响应率是器件外部电路中呈现的宏观灵敏特性，而量子效率是内 部呈现的微观灵敏特性。量子效率是能量为 h 的每个入射光子所产生的电子- 空穴载流子 对的数量 : I / = 通过结区的光生载流子对数入射到器件上的光子数上式中， e 是电子电 荷; 为光的频率。通过测试IP 与 P的关系，即可计算获得检测器的量子效率，其中 光电检测器的量子效率与响应度的关系为: = (5-3) /PeP hv= (×100%) (5-2) 1.24R 在波长确定的情况下，通过测试得到一定光功率下检测器输出的电流，即可获得检测器的 响应度及量子效率的大小，从而了解检测器的性能指标。本实验目的就是通过测试 850nm ，1310nm 收端机检测器的响应度，了解不同检测器响应度的差异。实验箱中，使 用的检测器为 PIN 光电二极管，用光功率计测试得到光发端机输出的平均光功率，然后 再测试得到光收端机检测得到的响应电流，改变光发端机输出功率，作检测器端的I-P 特 性曲线，曲线斜率即为特定波长下的响应度。响应电流的测定是通过运放，将检测器的 电流信号，放大成电压信号后得到的，检测电压点为 T123 ， 即此测试点与接地点之间的 电压 V。其放大系数为 10000 倍，即检测电流 I=V/10000 (5-4)。 四、实验内容 1、测试 1310nm 检测器 I-P 特性； 2、根据 I-P 特性曲线，得出各检测器的响应度并计算其量子。 五、实验步骤 1310nm 光检测器 I-P 特性测试 1、PCM 编译码模块 T661 与 CPLD 下载模块 983 连接， T980 与 1310nm 光发模块输 入端 T101 连接。 2、 用 FC-FC 光纤跳线将 1310nmT 光发端与 1310R 光收端连接。拨码开关 BM1、 BM2、 BM3分别拨为 : 数字、 1310nm 和 1310nm， 并且将跳线帽 K121 接 1,2 脚。 3、接上交流电源线，先开交流开关，再开直流开关 K01 ， K02， 五个发光二极管全 亮。 4、接通 PCM 编译码模块 (K60) 、 CPLD 模块 (K90) 和光发模块 (K10) 的直流电源。 5、用万用表监控 R110 两端电压 ( 红表笔插 T103 ， 黑表笔插 T104) ， 调节半导体激 光器驱动电流，使之为 30mA， 用万用表测试 T123 与电源模块中的地之间电压 V， 填入 下表中，将 1310nm 光收端机端光纤取出，测试此时光功率并填入对应表格中。 6、调节 W101， 减小驱动电流为下表中的数值，测试 T123 与地之间的电压，取出 光纤测试光功率，填入对应表格中。 7、依次关闭各直流电源、交流电源，将 K121 接 2,3 脚， 拆除导线，将实验箱还 原。 8、将测得的电压，代入公5-4 中，计算得到检测器输出电流 I ， 填入对应表格中。 六、注意事项 1、由于光源，光功率计等光学器件的插头属易损件，应轻拿轻放，使用时切忌用力 过大。 2、不可带电拔插光电器件。要拔插光电器件，须先关闭电源后进行。 实验三 电话光纤传输系统实验 一、实验目的 1、了解电话及语音信号通过光纤传输的全过程； 2、掌握模拟电话、数字电话光纤传输的工作原理。 二、实验内容 数字电话光纤传输系统实验。 三、预备知识 了解数字电话的特点，区别。 四、实验仪器 1、ZY12OFCom13BG3 型光纤通信原理实验箱 1 台 2、20MHz 双踪模拟示波器 1 台 3、FC/PC-FC/PC 单模光跳线 1 根 4、电话机 2 部 5、万用表 1 台 6、 850nm 光发端机和光收端机( 可选 ) 1 套 7、ST/PC-ST/PC 多模光跳线 ( 可选 ) 1 根 8、连接导线 20 根 五、实验原理 对于局间通信来说，电话语音通信具有举足轻重的作用。以电话通信网络为载体，各 种模拟 ( 或数字 ) 信号的传输系统已经商业化。如电话、传真、 拨号网络通信等业务都是 在局间电话网上实现的。图 13-1 电话模拟光纤传输电话语音信号的光纤传输分为两种方 式: 一种方式为模拟电话光纤传输，即电话用户接口输出的模拟信号直接送入光纤模拟信 号传输信道，从而实现两部电话的通话( 由于模拟信号无法直接进行时分复用，因此模拟 电话光纤传输只能传输一路电话语音信号，另一路电话语音信号直接用连接导线代替光 纤) ， 实验方框图如图 13-1 所示。图 13-2 电话数字光纤传输图 13-3 PCM 编码帧结构 示意图另一种方式为数字电话光纤传输。在数字传输系统中，几乎所有业务均以一定的 格式出现，因而在信道上对各种业务传输之前要对业务的数据进行包装。信道上对业务数 据包装的过程称之为帧组装。不同的系统、信道设备帧组装的格式、过程不一样。时分 复用制的数字通信系统，在国际上已逐渐建立起标准并广泛使用。时分复用 (TDM)的主要 特点是在一个信道上利用不同的时隙来传递各路( 语音、数据或图像 ) 不同信号。各路信 号独立、 互不干扰。实际的电话业务共有 32 个时隙， 其中 30 个时隙用于话音业务。第 一个时隙为定位时隙，用于做帧同步提取用。第二到第十六个时隙传输话音业务，第十 七个时隙用于信令信号传输，以实现信令的接续。第十八到三十二时隙用于话音业务。在 我们的实验箱中，电话用户接口输出的两路模拟信号经过 PCM 编码以后，利用时分复用 的方式，将两路信号数字调制成一路信号，然后送入光发端机中进行光纤传输，光收端 机接收的信号通过时分解复用，实现信号的分离，分别送入两个电话用户接口电路中，实 现两部电话的全双工通话，其方框图如图 13-2 所示。在 PCM 编译码中，帧同步信号为 8KHz， 一帧信号分为四个时隙，分别为时隙 0 、 时隙 1 、时隙 2 和时隙 3; 时隙 0 为 帧同步信号，其同步码为固定的码流“0 1 1 1 0 0 1 0”，时隙 1 和时隙 2 分别为两 路电话语音调制数据，时隙 3 为空时隙， 在本实验中没有用到( 用低电平表示) ， TP621 为 PCM 编码输出测试点，图 13-3 为 PCM 编码一帧的结构示意图。 六、注意事项 1、光源，光跳线，光波分复用器，光功率计等光学器件的插头属易损件，应轻拿 轻放，使用时切忌用力过大。 2、不可带电拔插光电器件，要拔插光电器件，须先关闭电源后进行。 七、实验步骤 数字电话光纤传输系统实验 1、 连接导线 : 电话用户接口模块 T401 与 PCM 编译码模块 T601 连接， T411 与 T611 连接， T412 与 T603 连接， T402 与 T613 连接， T621 与 T101 连接， T631 与 T121 连 接，在电话甲、电话乙口分别接上电话机。 2、 将 K601 ， K602， K603 拨到上面。 3、 用 FC-FC 光纤跳线将 1550nm 光发端机 (1550nmT) 与 1550nm 光收端机 (1550nmR) 连接起来，组成 1550nm 光纤传输系统。 4、 将拨码开关 BM1、 BM2 和 BM3 分别拨到数字、850nm 和 850nm。 5、 接上交流电源线，先开交流开关，再开直流开关 K01 ， K02 ， 五个发光二极管 全亮。 6、 接通电话用户接口模块(K40， K41) 、 PCM 编译码模块 (K60) 和光发模块 (K10) 的 直流电源。 7、 用万用表监控 R110 两端电压 ( 红表笔插 T103 ， 黑表笔插 T104) ， 调节半导体激 光器驱动电流 (W101)， 使驱动电流小于 25mA。 8、 摘机进行两人通话实验，用示波器测试并比较 TP401， TP402， TP411 、 TP412 的 波形 ( 可选用双音多频信号的按键音来观察测试点的波形) ， 并做记录。 9、 用示波器观察 TP101、 T121 波形。 10、 依次关闭各直流电源、交流电源，拆除导线，拆除各光学器件，将实验箱还 原。 11、 根据上述步骤，设计并执行 850nm 光纤传输系统数字电话传输实验。 九、思考题 1、能否用一根光纤传输两路模拟信号，如果可以，如何实现? 如果不行，说明理由。 可以，一根光纤是一条信道，如果要传两路信号就要复用，频分时分都可以，前提是 模拟信号经过数字处理，抽样量化 编码成为离散的数字信号，然后将数字信号用不同频率 的载频进行调制，调制到不同频段。一根光纤可以接一对视频光端机光端机有 1 、2、4、8、 16、32 或者更高的所以一根光纤传输2 路 甚至 32 路 或者 32 以上的视频信号是没有任何 问题的这个其实就是扩容的问题实现光纤通信扩容的主要手段是复用技术, 目前复用方法 有: 时分复用 (TMN)、波分复用 (WDM) 、频分复用 (FDM)等。时分复用技术已经成为一种很成熟 的复用技术 , 该技术的核心是将传输的时间分割成若干个小的时隙, 将需要传输的多路信号 按照一定的规律插入相应时隙, 实现多路信号复用。波分复用技术的基本原理是多个信源电 信号调制各自的光载波, 经复用后在将其在一根光纤上进行传输, 并在接收端经解复用器将 各个不同波长的光载波分开。 2、与模拟电话相比，数字电话有哪些优点? 抗干扰能力强；便于加密，安全；便于构成综合数字网和综合业务数字网；便于储存、 处理和交换。 3、画出PCM 编码输出一帧的结构示意图，用示波器观察各帧的波形，说明一帧信息各 时隙代表的意义。