【精选】光纤实验指导书

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1、光 纤 通 信 实 验 指 导 书- -1 光纤通信教学实验指导书山东大学信息学院光电材料与器件所光 纤 通 信 实 验 指 导 书- -2 目 录实验一 光发送模块实验 3实验二 光接收模块实验 8实验三 电话语音光传输系统实验 13实验四 光纤传输特性及光纤无源器件特性测量实验 16实验五 图像光纤传输系统实验 22实验六 波分复用（WDM）光纤通信系统实验 24常用光纤通信仪表简介 29光 纤 通 信 实 验 指 导 书- -3 实验一 光发送模块实验一、基本原理要实现光纤通信需要将输入的电信号加载到光源的发射光束上变成光信号，送入光纤才能实现通信，这些功能由光发送机来完成。1、 光源的

2、调制将电信号转变为光信号的方式通常有两种：直接调制和间接调制。直接调制方法适用于半导体光源，如半导体激光器或半导体发光二极管，它将要传送的信息转变为电流信号注入光源，获得相应的光信号输出，输出光波电场幅值的平方与调制信号成比例，是一种光强度调制（IM） ，如下图所示。间接调制是利用晶体的电光、磁光和声光效应等性质对光辐射进行调制，既适用于半导体光源，又适用于其他类型的光源。间接调制最常用的是外调制的方法，它的特点是光源本身不被调制，但当光源射出以后在其传输的通道上被一只调制器调制。直接调制技术具有简单、经济和容易实现等优点，由于光源的输出光功率基本上与注入电流成正比，因此调制电流变化转化为光频

3、调制是一种线性调制。按调制信号的形式，光调制可分为模拟信号调制和数字信号调制两种。模拟信号调制是直接用连续的模拟信号（如话音和视频信号）对光源进行调制，如图 (a)所示，连续的模拟信号电流叠加在直流偏置电流上。数字信号调制主要是指 PCM 编码调制，先将连续的模拟信号通过取样、量化和编码，转换成一组二进制脉冲代码。光发送机的设计应满足系统所提出的技术要求，主要有：(1) 稳定的合适的输出功率。输出功率通常指耦合进光纤的光功率，即入纤功率，根据不同的系统要求，通常在 0.015mW 范围内，并要求在环境温度变化或器件老化过程中，输出的光功率要保持恒定。(2) 光源的发光波长要合适，由于目前使用的

4、光纤有三个低损耗窗口，分别为0.85m、1.30m、1.55m ，因此，光发送机发出的光波波长应与这三个波长相适应。(3) 较好的消光比，光脉冲的断通功率比或称消光比 EXT=PoffPon，是指激光器在全“0”码时发送的功率与全“1”码时发送的功率之比，为保证接收机灵敏度不受或少受影响，消光比应尽量小，一般应小于 0.1(4) 输出光脉冲的上升时间、下降时间和延滞时间应尽量短。(5) 应尽量抑制弛豫效应。2、 光源的驱动电路光源注入偏置电流和调制电流，就能发射光，光源接上驱动电路就构成了光发送机的光 纤 通 信 实 验 指 导 书- -4 控制开关主体部分。根据光源种类（LED 和 LD）和

5、调制方式（模拟和数字）的不同，驱动电路也是不同的。通常所说的驱动电路实际上应提供恒定的偏置电流和调制信号，并采用伺服回路以保持平均光功率恒定不变，主要由调制电路和控制电路两部分组成。控制电路的作用是消除温度变化和光源器件老化导致的输出光信号的变化。目前主要有自动温度控制（ATC）和自动功率控制（APC）两种控制电路。3、 光源与光纤的耦合怎样将光源发射的光信号功率有效耦合进光纤是光发送机设计的另一个问题。实际光发送机中，光源与光纤耦合的有效程度都用耦合效率或耦合损耗来表示，其大小取决于光源和光纤的类型，LED 与单模光纤的耦合效率小于 1%，其耦合效率的典型值为 3050%。下图给出了面发光二

6、极管、边发光二极管和半导体激光器与光纤耦合效率及损耗的比较。影响光源与光纤耦合效率的主要因素是光源的发散角和光纤的数值孔径（NA ）发散角大，耦合效率低；NA 大，耦合效率高。此外，光源发光面、光纤端面尺寸、形状及二者间间距也都直接影响耦合效率。针对不同的因素，通常采用两类方法来实现光源与光纤的耦合，即直接耦合法和透镜耦合法。最后要指出，在光发送机设计中必须考虑激光器的稳定性问题，因为半导体激光器对光反馈极其敏感，很容易破坏激光器稳定性，影响系统性能，因此需要采取抗反馈措施，大多数光发送机中，采取在激光器与光纤之间接入光隔离器的方法，达到提高系统性能的要求。4、 电路组成原理及光器件特性在光纤

7、通信系统中，在设计光发送模块时，应尽量提高电光转换效率，减小其工作时动态阻值，提供适当的工作电流。无论是 1310nm 或 1550nm 波长的光器件，其发送电路都是一样，下面对电路组成原理及光器件特性进行分析：A、 信号切换电路该部分的原理方框图及电路原理图分别如图 1-1 和图 1-2 所示。光纤光纤数字信号切换电路光发模块模拟信号光 纤 通 信 实 验 指 导 书- -5 本电路完成光发送模块的输入信号的切换，即模拟信号与数字信号的切换。图 1-1 中各单元与图 1-2 中元器件的对应关系如下： 控制开关 S1：拨位开关 切换开关 K5：双刀双掷继电器 光发模块 D18： PHLC_XX

8、P 激光器件图 1-2 信号切换电路原理图 切换开关为图 1-2 中的 K5，当 K5 未吸合时，传送的为模拟信号，吸合时，传送的为数字信号。 控制开关为图中的 S1，当 S1 接通时，K5 吸合。 在电路中，开关 K5 为模块的电源开关。开关 S1 用来完成对模拟信号及数字信号之间的切换，主要是通过继电器 K5 来完成切换动作。B、 器件特性1310nm/1550 nm FP Receptacle Laser Diode（1310nm/1550 nm FP 腔同轴激光二极管）特点： MQW 结构 1310nm/1550nm FP 腔激光二极管 -40C 至 85 C 工 作 温 度 高工作温

9、度，无需制冷器 内置背光检测激光二极管图 1-1 信号切换电路原理框图光 纤 通 信 实 验 指 导 书- -6 应用 SONET OC-3/OC-12 或 SDH STM-1/STM-4 稳定光源 置入损耗测量表光电特性 Parameter参数Symbol符号Min最小值Typ典型值Max.最大值Unit单位Test condition工作温度1280 1310 1340Central Wavelength中心波长 1520 1550 1580 nm CW,PoSpectral Width RMS谱线宽度 2 5 nm CW,PoThreshold Current阈值电流lth 8 15 m

10、AOptical output power输出功率P。 0.2 0.6 1.2 mW If=Ith+20mAForward Voltage正向电压Vf 1.2 1.6 V CW,P。Rise Time/Fall Time上升/下降时间tr/tf 0.3 0.5 ns P。 ，Ibias=Ith ，10%-90%Monitor Current监视器电流Im 0.2 mA P。=0.2mW，Vrp=5VMonitor Dark Current暗电流Id 1 10 nA Vrp=5V额定极限值（Tc=25 C）Parameter参数Symbol符号Min最小值Typ典型值Max.最大值Unit单位L

11、D Forward CurrentLD 正向电流If 100 mALD Reverse VoltageLD 反向电压Vr 2 VPD Reverse VoltagePD 反向电压Vrp 15 VPD Reverse CurrentPD 反向电流Irp 2 mAOperatingTemperature工作温度Topr -40 +85 CStorage Temperature 存储温度Tstg -40 +100 CLead Soldering Temp.管脚焊接温度Stemp 260 C光 纤 通 信 实 验 指 导 书- -7 Lead Soldering Time管脚焊接时间Stime 10

12、sC、 基本测量点与信号调节（1）光发射电流的测量：跳线 J8 为光发射二极管的发射电流测量点，平时 J8 处于短接状态，当要测量电流时，将跳线帽取下，串入一个电流表即可。（2）输入信号的衰减：对于模拟信号，模块对信号的要求是其幅度小于等于 1Vp-p，当幅度过大时，就会造成信号失真。电阻 R86 为输入模拟信号的衰减调节，即调节输入模拟信号的幅度，使其在 1Vp-p 的范围内。（3）光发射电流的调节：R95 为光发射电流调节电阻，调节该电阻即可调节整机的光发射电流，在全范围内调节该电阻都不会对光发射二极管造成损坏。对于本实验电路，其最佳光发射电流为 18mA 左右(该值为参考数据 )。二、实

13、验目的1、 了解光源的发光特性，掌握光发送模块所完成的电光变换原理。2、 了解模拟光发送和数字光发送的区别。三、预习要求预习有关光发送机原理，光功率计及误码分析仪的使用。四、实验内容1、 用分别示波器观察数字信号和模拟信号光传输的各点波形。2、 通过电原理测量并计算出半导体光源的驱动电流。3、 用光功率计测出光源的入纤光功率，多测几点并画出功率和注入电流的关系曲线。4、 在绘出的曲线上求出光源的调制度。5、 用示波器观察光源的非线性失真。五、实验步骤1310nm 光纤模块部分：1、 熟悉光发模块工作原理及结构组成，了解半导体激光器件的性能及在操作注意事项。2、 打开系统电源，观察电源指示灯是否

14、正常。用示波器检测数字信号源的 BS 输出是否正常；用示波器检测正弦信号的输出 OUT1 和 OUT2 是否正常。输出波形如图 1-3 所示。可调正弦信号源OUT2 单元 SINE WAVE 点可调正弦信号源OUT1 单元 SINE WAVE 点数字信号源单元 BS点图 1-3 本实验所用信号波形3、 关闭系统电源，用导线把数字信号源的 BS 输出端与光发送模块的 DIGITAL_IN 相连接，用示波器观测各关键测试点的波形：DIGITAL_IN 端口、J8（I_measure） 。检查光发送光 纤 通 信 实 验 指 导 书- -8 模块的切换开关 S1 是否拨向数字状态，同时检查模块电源开

15、关（POWER SWITCH）是否处于打开状态，接通系统电源，用示波器观察 J8 波形及电压，是否处于正常状态（正常状态时，此点波形应该与输入点波形同相，且幅度变小） 。其中数字输入端口为T2 输入信号的波形，J8 为进入激光器前的驱动信号波形。参见图 1-4 数字信号发送波形检测。检测点 波形数字信号源单元 BS 点1310nm 光纤收发模块I_measure J8 点图 1-4 数字信号发送波形检测注意：在测试 1310nm 光纤收发模块 I_measure J8 点时，请勿将短路子拔出。测注入电流时，将短路子拔出，用万用表的两个表笔短路 I_measure J8 点的两根铜柱。4、 用光功率计测量光纤输出光的功率：调节可调电阻 R95，改变注入电流，观察光功率计的变化。将光纤慢慢从激光器