音频信号光纤通信

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1、音频信号光纤传输实验实验目的1.了解音频信号光纤传输的方法、结构及选配各主要部件的原则。2.熟悉半导体电光 / 光电器件的基本性能及其主要特性的测试方法。3.学习分析音频信号集成运放电路的基本方法。4.训练音频信号光纤传输系统的调试技术。实验仪器YOF-A音频信号光纤传输技术实验仪、光功率计、多波段收音机、音箱实验原理一、系统的组成图 1 示出了一音频信号光纤传输系统的结构原理图，它由半导体发光二极管 LED及其调制、 驱动电路组成的光信号发送部分、 传输光纤部分和由硅光电池、 前置电路和功放电路组成的光信号接收三个部分组成。图 1 光纤传输系统原理图塑料光纤很柔软，而且可以弯曲，加工很方便。

2、在光信息处理技术、光学计 量、短距离数据传输等方面已获得较好的应用。本系统中， 我们采用的传输光纤 是进口低损耗多模塑料光纤， 它的纤维直径是lmm ，芯径为 990m ，包层厚度为 5m 。半导体发光二极管是采用发光亮度很高的可见红色光发光二极管作为光 源，光电转换采用高灵敏的硅光电池作为转换元件，整个传输过程一目了然。为了避免或减少谐波失真， 要求整个传输系统的频带宽度要能复盖被传信号 的频谱范围， 对于语音信号， 其频谱在 300-3400Hz 的范围内。 由于光导纤维对 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幅频特性

3、。二、半导体发光二极管 (LED)的结构及工作原理光纤通讯系统中对光源器件在发光波长、电光功率、 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)和半导体激光器 (LD) 。光纤传输系统中常用的半导体发光二极管是一 个如图 2 所示的 N-p-P 三层结构的半导体器件，中间层通常是由直接带隙的 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 AlGaAs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

4、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 2 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， 敌这种结构又称 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 内与空穴复合， 导电电子在有源层与空穴复合的过程中，其中有不少电子要释放 出能量满足以下关系的光子：(1) 其中 h 是普朗克常数，是光波的频率， E1是有源层内导电电子的能量，E2 是导电电子与空穴复合

5、后处于价键束缚状态时的能量。两者的差值 Eg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的发光中心波长与传输光纤的低损耗波长一致。 所以为了减少损耗， LED发光波长应与传输光纤的低损耗波长一致，在实际通讯 系统中， LED发出的光介于可见光的边远区域。图 2 半导体发光二极管的结构及工作原理光纤通讯系统中使用的半导体发光二极管的光功率为光导纤维的尾纤输出 功率，出纤光功率与 LED驱动电流的关系称LED的电光特性，为了避免和减少非 线性失真，使用时应先给LED一个适当的偏置电流I ，其修正等于这一特性曲线 线性部分中

6、点对应的电流值， 而调制信号的峰一峰值应位于电光特性的直线范围 内。对于非线性失真要求不高的情况，也可把偏置电流选为LED最大允许工作电 流的一半，这样可使 LED获得无截止畸变幅度最大的调制，这有利于信号的远距 离传输。三、光导纤维的结构及传光原理衡量光导纤维性能好坏有两条重要指标：一是看它的传输信息的距离有多 远；二是看它携带的信息量有多大，前者决定于光纤的损耗特性，后者决定于光 纤的脉冲响应或基带频率特性。经过人们对光纤材料的提纯，目前己使光纤的损耗容易做到20dB/Km以下。 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，光纤通信最早是用短波长08

7、5um ，近来发展至用 13155um范围 的波长，因为在这一波长范围内光纤不仅损耗低，而且“色散”也小。光纤的脉冲响应或它的基带频率特性又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两大类：(1) 单模光纤； (2)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510m ，包层直径为 125m 。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202000 m ，包层厚度为 35m ，允许多种电磁场形态的光波传播。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

8、，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n，略大于包层折射率n：。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，直到在纤芯一包层界面 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 介质中的传播理论分析可知： 经光源耦合到渐变型光纤中的某些射线，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塑料光纤作为信道，它具有芯折射率高，皮折射率低， 芯和皮的交界面很清楚的特点。 下面应用几何光学理论进一步说明这种光纤的传 光原理。阶跃型多模光纤的结

9、构如图3 所示，它由纤芯和包层两部分组成，芯子 的半径为 a，折射率为 n1：包层的外径为B，折射率为 n2，且 n1n2。图 3 阶跃型多模光纤的结构示意图当一光束投射到光纤端时，进入光纤内部的光射线若在光纤入射端面处的入 射面包含光纤轴线的， 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”字形前进的平面折线：若耦合到光纤内部的光射线在光纤 入射端面处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性进行分析。图 4 子午传导射线和漏射线参看图 4，假设光纤端面与其轴线垂直。如前所述，当一

10、光线射到光纤入射 端面时的入射面包含了光纤的轴线， 则这条射线在光纤内就会按子午射线的方式 传播。根据 Snell 定律及图 4 所示的几何关系有：（1）（2）其中 n0是光纤入射端面左侧介质的折射率。通常，光纤端面处于空气介质中， 故 n21。由(2) 式可知：如果所论光线在光纤端面处的入射角。较小，则它折射到光 纤内部后投射到芯子包层界面处的入射角。 有可能大于由芯子和包层材料的折射率 n1和 n2按下式决定的临界角：(3) 在此情形下光射线在芯子包层界面处发生全内反射。该射线所携带的光能就 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 4 中入射角 1 的增加， 角就

11、会逐渐减小，直到时，子午射线携带的光能均可被局限在纤芯内。在此之后，若继续增加1，则角就会变得小于。这时子午射线在芯子包层界面的每次反射均有部分能量溢出纤芯外，于是光导纤维再也不能把光能有效地约束在纤芯内部，这类射线称为漏射 线。设与对应的 1为 1max，由上所述，凡是以 1max为张角的锥体内入射的子午射线，投射到光纤端面上时，均能被光纤有效地接收而且约束在纤芯内。根据（ 2）式有：因其中 n0表示光纤入端面空气一侧的折射率，其值为1，故：通常把上式定义为光纤的理论数值孔径（Numerical Apeture）用英文字符 NA 表示。（4）它是一个表征光纤对子午线捕获参数，其值只与纤芯和包

12、层的折射率n1和 n2有 关，与光纤的半径r 无关。在（ 4）式中（5）称为纤芯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， 表明光纤对于午射线捕获的能力愈强，亦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，模式色散也增加，这不利于传输容量的提高。四、LED的驱动及调制电路音频信号光纤传输系统发送端LED的驱动和调制电路如图5 示， 以 BGl 为主 组成的电路是 LED的驱动电路，调节这一电路中的W2可使 LED的偏置电流在 0-60mA的范围内变化。被传音频信号经由数字解调电路或ICl 组成的音频放大

13、 电路放大后再经电容器C耦合到 BGl 的基极，对 LED的工作电流进行调制， 从而 使 LED发送出光强随音频信号变化的光信号，并经光导纤维把这一信号传至接收 端。图 5 LED的驱动和调制电路根据运放电路理论图5 中音频放大电路的闭环增益为：(6) 其中 Z2、Z1分别为放大器反馈阻抗和反相输入端的接地阻抗，只要 C3选得足够 小，C2选得足够大，则在要求带宽的中频范围内，C3的阻抗很大，它所在支路可 视为开路，而 C2的阻抗很小，它可视为短路，在此情况下，放大电路的闭环增益。C3的大小决定着高频端的截止频率f2，而 C2的值决定着低频端的截止频率 f1。故该电路中的 R2、R3，R4和

14、C2，C3是决定音频放大电路增益 和带宽的几个重要参数。五、光信号接收器图 6 是光信号接收器的电路原理图，其中 SPD 是峰值响应波长与发送端LED 光源发光中心波长很接近的硅光电池，SPD的任务是把经传输光纤出射端输出的 光信号的光功率转变为与之成正比的光电流I 。 然后经 ICl 组成的 I-V 转换电路， 再把光电流转换成电压V。输出， V0与 I0之间具有以下比例关系：(7) 以 IC2(LA4112) 为主构成的是一个音频功放电路，该电路的电阻元件( 包括反馈 电阻在内 )均集成在芯片内部，只要调节外接的电位器W2，可改变功放电路的电 压增益，从而可以改变功放电路的输出功率，功放电

15、路中电容CNf的大小决定着 该电路的下限截上频率。实验内容一、光信号的调制与发送实验11 LED- 传输光纤组件电光特性的测定半导体发光二极管是一种电光转换器件，它的电气特性与普通的半导体二极 管一样，具有单向导电性。 在电光转换驱动电路中处于正向工作状态即它的正极 接驱动电路的高电位端， 负极接低电位端。 工作时，驱动电路必须限制在小于其 最大允许电流 Imax的范围内 (对本系统采用的 LED ，Imax=60mA) ，为此在驱动电路 中必须设置适当的限流电阻，否则会使LED损坏。光纤通讯技术中所用的LED 及光电转换器件均是价格昂贵的光电器件，使用过程中应注意安全。本实验系统 LED输出

16、的光功率与传输光纤是直接耦合的，LED的正负极通过 光纤绕线盘上的电流插口与发送器的调制驱动电路连接。测量 LED 光纤组件 的电光特性时， 首先用两端为两芯插头的连接线，一头插入传输光纤绕线盘上的 电流插孔，另一头插入发送部分的“LED插孔”，然后把光探测器的窗口插入传 输光纤的远端， 另外两只插头接光功率计面板上的光探测器插孔，光功率计应在 无光时调零。以上准备工作就绪后，开启发送器的电源开关便可进行测试。测试电路如图 7 示，测试时，调节发送器前面板上的“偏流调节”旋钮，使 LED的驱动电流 ID60mA的任一适当值，并观察光功率计的示值。在保持LED驱 动电流不变的情况下， 适当调整传输光纤远端与光功率计探测器的耦合状态，使 光功率计指示最大后保持这一最佳耦合状态不变。然后调节“偏流调节”旋钮， 使发送器前面板上的毫安表的示值( 即 LED的驱动电流 ID) 在 0-60mA 范围内变 化，从零开始，每隔 5 或 1OmA 读取一次光功率计的示值P0，直到 ID=60mA 为止。 根据以上测量数据