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1、第三篇 光纤传输原理实训部分 目 录第一章 光纤传输实验系统概述第二章 光纤传输系统实验第一节 激光器 P-I 特性曲线绘制实验第二节 自动功率控制（APD）原理实验第三节 光器件寿命检测及无光检测报警实验第四节 数字光发送接口指标测试实验第五节 光接收机电路原理测试实验第六节 光可变衰减器性能测试实验第七节 无源光耦合器的特性测试第八节 光纤连接器和光跳线性能测试实验第九节 光波分复用器特性测试实验第十节 光纤传输特性测量实验（扰模器的使用）第十一节 在光链路中调整与匹配光功率的实验第十二节 数字信号电光、光电转换传输实验第十三节 模拟信号电光、光电传输实验第十四节 数字光接收机接口指标测试
2、实验第十五节 图像基带信号光纤传输系统实验第十六节 波分复用（WDM）光纤通信系统实验第十七节 语音、图像的单/双光纤传输系统实验第十八节 TDM 数据、模拟图像双/单光纤传输实验第三篇 光纤传输原理实训部分第一章 光纤传输实验系统概述一、本实验系统的结构特色1、 根据目前大专院校中光纤通信专业实际应用的课程教材各章节内容定制。在基础实验方面，设置的各类信号观察点和测试点远多于其他公司目前类似产品；还设置了较多的调节旋钮，使学生可以灵活而安全地改变系统主要参数，观察参数变化对系统性能的影响。光接收部分的线性通道输出采用信号基线和判决电平分别独立可调的结构，很好的兼顾了模拟和数字信号接收。输出接
3、口采用多通道热备份形式，大大提高了设备的可靠性。2、妥善解决了基本结构、基本工作原理等基础实验与实际综合应用系统实验之间的矛盾。在同一系统中安排了两套不同波长的标配基本光纤综合传输（包括收发）系统，另扩充一对计算机数据传输光纤收发系统，用于在光纤上支持双向局间信令数据信息的传输。因此综合性实验涵盖面广，实验范围大于类似的实验设备。3、系统不采用一般常用的大平板结构，而采用各部分独立的模块化小板结构，可采用不同搭配满足用户需求；不但便于维修更换，减少用户维修周期和成本，而且十分有利于系统的平滑扩充和升级。4、在 JH5123 通信一体化综合实训系统中，本光纤传输原理实训部分可以与程控交换部分和通
4、信原理部分紧密配合，方便的插入模拟话音、数字话音、复接数据、图像基带信号等传输通道中，实现上述各类信号的长距离低损耗传输，使学生通过实验对光纤通信系统的的主要优点、光纤通信系统的基本概念、基本构成、基本应用与测试技术有一个全面的了解，以开阔学生眼界，提高学习光通信技术的兴趣。二、电路组成概述光纤通信传输实验部分包含有两套综合型光通信实验收/发端机、两套计算机数据光收/发端机以及 DDS 函数信号发生器等组成部分。为体现各个组成部分在实际应用中的相对独立性，各部分电路在该硬件平台均采用独立的 PCB 制版，板上以清晰的白色字体标明功能。对各部分电路功能的进一步细化则在板上按模块划分，对于每一个电
5、路测试模块都能单独开设实验，便于教学、实验和实验内容的组织、划分。综合型基本光通信实验收发端机主要由下列功能模块组成：1、 1310nm 波长光发送/接收机模块，以下又称“光纤综合传输模块 A”（单模，FC 型光接口） 。2、 1550nm 波长光发送/接收机模块，以下又称“光纤综合传输模块 B”（单模，FC 型光接口） 。不同的波长配置使系统既可采用双光纤空分结构，也可采用单纤 WDM 波分复用结构。计算机通信光收发端机主要由下列功能模块组成：1310nm 波长光发送/接收模块（两套，FC 型光接口，采用双光纤空分结构）DDS 函数信号发生器模块用于产生作为测试信号的函数波形，包括正弦波、三
6、角波、方波等，各信号的频率、输出幅度均可调整。在本光纤通信综合实验系统中，电源均由机柜统一供电，电源模块在该实验平台机柜内，主要完成交流220V 到+5V、-5V、+12V、-12V、-48V 的直流变换，给整个硬件平台供电。光纤通信原理综合实验系统通过下面几个端口与外部通信终端或测量设备进行连接：1. 光发送模块的“模拟输入”接口：连接电话程控交换部分的模拟话音输出接口，进行通话实验及测量；也可接入基带视频信号源（如摄像头）进行视频光纤传输。2. 光发送模块的“ 数字输入”接口：用于接入准备通过光纤发送的复用数字话音信号。3. 光接收模块的“模拟输出”接口：用于将光纤接收并恢复的基带模拟话音
7、信号送到电话程控交换部分的模拟话音输入接口；也可接入视频监视器进行光纤传输后视频的接收。4. 光接收模块的 “ 数字输出”接口：用于将光纤接收并恢复的复用数字话音信号送到本端数字解复用与解码电路。5. 尾纤 FC 型（或 SC 型）光端口（包括转接法兰盘）：用该端口连接外部单模光纤。若是光发送端口，可通过光纤与接收模块的光接口连接，或与波分复用器相连构建 WDM 光纤通信系统；也可通过该端口为光无源器件实验提供测量光源。6. 一对计算机数据光收发模块的 FC 型光路收发接口，用于通过光纤建立局间信令传输通道。第二章 光纤传输系统实验第一节 激光器 P-I 特性曲线绘制实验一、 实验目的与要求1
8、、 学习半导体激光器发光原理2、 了解半导体激光器平均输出光功率与注入电流的关系3、 掌握半导体激光器 P-I 曲线的测试及绘制方法二、 实验内容测量半导体激光器功率和注入电流，并画出 P-I 关系曲线。三、 实验仪器光纤综合传输模块（A 或 B） ，光功率计，万用表。四、 基本原理1、 半导体激光器的功率特性及伏安特性图 1-1 激光器的功率特性半导体激光器的输出光功率与驱动电流的关系如图 1-1 所示，该特性有一个转折点，相应的驱动电流称为门限电流(或称阈值电流)，用 Ith表示。在门限电流以下，激光器工作于自发发射，输出荧光功率很小，通常小于 1nW；在门限电流以上，激光器工作于受激发射
9、，输出激光，功率随电流迅速上升，基本上成直线关系。激光器的电流与电压的关系相似于正向二极管的特性，如图 1-2 所示，但由于双异质结包含两个 P-N 结，所以在正常工作电流下激光器两极间的电压约为 12V。图 1-2 激光器的伏安特性阈值条件就是光谐振腔中维持光振荡的条件。设受激发射所产生的光介质的平均增益系数(单位长度上的增益)为 ，光介质的平均损耗系数为 ，则光谐振腔产生和维持光振荡ga的条件为光子在光谐振腔中来回反射一次所产生的光能增益大于或等于光能的损耗，用公式表示为：式中 L 为光谐振腔的长度，r1，r2 分别为光谐振腔两端镜面的反射系数(O1）为电流侧向扩展因子。采用 BH、DCP
10、BH 和 RWG 激光器结构，可使 接近于 1，故能获得较小的门限电流。激光器功率特性的线性程度对模拟光纤传输系统的非线性失真指标影响很大。半导体激光二极管(LD)或简称半导体激光器与发光二极管 LED 不同，它通过受激辐射发光，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 3050)，辐射光谱线窄(A 入=011,0nm)，适用于高比特工作，载流子复合寿命短，能进行高速(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
11、度良好的半导体激光器，输出功率可以表示为其中这里的量子效率 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近于 1。（1-3）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”：（1-5）DeqhdIP2P-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，消光比大，而且不易产生光信号失真。且要求 P-I 曲线的斜
12、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。（1-3）（1-4）图 1-3 LD 半导体激光器 P-I 曲线示意图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，激光二极管可以看作为一种光学振荡器，要形成光的振荡，就必须要有光放人机制，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什称为阈值条件。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
13、出光，当电流大于 Ith时，则输出光为激光，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，以验证 P-I 的线性关系在实验中所用到半导体激光器，其输出波长分别为 1310nm 和 1550nm，带有尾纤及 FC型接口活动连接器，通过 FC-FC 法兰盘与外部光跳线相连。实验中半导体激光器工作于模拟信号方式，电流的确定通过串联在电路中的电流表测量。五、 实验步骤（以下实验步骤可在光纤综合传输模块 A 的 1310nm 光端机发送模块或光纤综合传输模块 B 的 1550nm 光端机发送模块上各自独立进行。 ）1、电路部分操作：1) 关闭系统电源，将激光器工作模式选择开关（跳线块
14、 SS01）置于“模拟”位置，使光发模块中 LD 连接于传输模拟信号状态。2) 将光发送模块中模拟发送部分的 WS04“幅度” 旋钮和 WS05“偏流”旋钮分别反时针旋至最左端，使无模拟驱动信号输入，直流偏置电流达到最小值。3) 将跳线开关（KS02）的跳线帽拨出，使其处于断开状态，在“模拟电流”测量插孔（TPS07、TPS08）上串接一只电流表。2、光路部分操作：1) 在光发送模块的 LD 尾纤法兰盘处，小心插入一根光跳线的活动连接器。2) 光跳线另一端的活动连接器连接到光功率计（注意操作要小心） ，同时打开光功率计电源开关，并将波长选择到与所测试的 LD 波长一致。3、打开光纤综合传输模块
15、交流电源开关。4、将“模拟偏置”电位器 WS05 从最左端位置开始，顺时针缓慢调节，使送入激光器的直流偏置电流逐渐增大，在可调全范围内观察电流表的电流值变化和光功率计的读数变化过程。5、更缓慢细致地从头调节电位器 WS05，使所测得的电流从最小值开始，以 1mA为间隔取整数值填入下表，依次测量对应的光功率值。并将测得的数据填入表中。序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16I（mA）P（uW）P（dBm）6、 完实验后关掉交流电开关。将跳线开关（KS02）的跳线帽还原。拆下光跳线及光功率计，将尾纤法兰盘套帽盖好，将光纤综合传输模块还原，并将各仪器摆放整齐
16、。六、 实验结果分析与处理1、 分别画出 1310nm 激光器和 1550 激光器的 P-I 曲线，并比较其异同处。2、 整理所有实验数据，参考图 1-1 画出 P-I 曲线。3、 说明所测试的激光器的阈值电流大约数值。第二节 自动功率控制（APD）原理实验一、 实验目的与要求1、 学习光发送模块的电路原理2、 学习光发送模拟各组成模块的电路原理3、 掌握自动功率控制电路的工作原理二、 实验内容1、 学习自动功率控制电路的工作原理2、 测量相关特征测试点的参数三、 实验仪器20MHz 及以上的双踪示波器，光纤综合传输模块（A 或 B） ，光功率计，万用表。四、 基本原理1、数字接口主要技术性能：1. 速率：04096kbs。2. 光调制方式：直接光强度调制。3. 输入数据信号：TTL 单极性 NRZ 码。4. 光源：LD(1310nm 或 1550nm)。5. 平均输出光功率；0-3dBm 。2
