【精选】实验一音频信号光纤传输技术实验

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1、1音 频 信 号 光 纤 传 输 技 术 实 验目 的 要 求 1. 熟 悉 半 导 体 电 光 /光 电 器 件 的 基 本 性 能 。2. 了 解 音 频 信 号 光 纤 传 输 的 结 构 。3. 学 习 分 析 集 成 运 放 电 路 的 基 本 方 法 。4. 了 解 音 频 信 号 在 光 纤 通 信 的 基 本 结 构 和 原 理仪 器 设 备 1. ZY120FCom13BG3 型 光 纤 通 信 原 理 实 验 箱 。2. 20MHz 双 踪 模 拟 示 波 器 。3. FC/PC-FC/PC 单 模 光 跳 线4. 数 字 万 用 表 。5. 850nm 光 发 端 机 和

2、 光 收 端 机6. 连 接 导 线7. 电 话 机实 验 原 理 一 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（ LE

3、D） 、 半 导 体 激 光 二 极 管 （ LD） ， 本 实 验 采 用 LED 作 光 源 器 件 。图 1 半 导 体 发 光 二 极 管 及 工 作 原 理光 纤 传 输 系 统 中 常 用 的 半 导 体 发 光 二 极 管 是 一 个 如 图 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

4、 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 结 。 在 图 （ 1） 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 。 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

5、挡 作 用 不 能 再 进 入 右 侧 的P 层 ， 它 们 只 能 被 限 制 在 有 源 层 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 ：h = E -E = E12g2其 中 h 上 普 朗 克 常 数 ， 是 光 波 的 频 率 ， E 是 有 源 层 内 导 电 电 子 的 能 量 ， E1是 导 电 电 子 与 空 穴 复 合 处 于 价 健 束 缚 状 态 时 的 能 量 。 两 者 的 差 值 E 与 DH 结2 g构 中 各 层 材 料

6、及 其 组 份 的 选 取 等 多 种 因 素 有 关 ， 制 做 LED 时 只 要 这 些 选 取 和 组份 的 控 制 适 当 ， 就 可 便 得 LED 发 光 中 心 波 长 与 传 输 光 纤 低 损 耗 波 长 一 致 。图 2 HFRB-1424 型 LED 的 正 向 伏 安 特 性本 实 验 采 用 HFBR-1424 型 半 导 体 发 光 二 极 管 的 正 向 特 性 如 图 2 所 示 与 普 通的 二 极 管 相 比 ， 在 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 。

7、 半 导 体 发 光 二 极 管 输 出 的 光 功 率 与 其 驱 动 电 流 的 关 系 称LED 的 电 光 特 性 。 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 这 一特 性 曲 线 线 性 部 分 中 点 电 流 值 ， 而 调 制 电 流 的 峰 -峰 值 应 尽 可 能 大 地 处 于 这 电 光特 性 的 线 性 范 围 内 。音 频 信 号 光 纤 传 输 系 统 发 送 端 LED

8、的 驱 动 和 调 制 电 路 如 图 3 示 ， 以 BG1 为主 构 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 0-50mA 的 范 围 内 变 化 。 被 传 音 频 信 号 由 IC1 为 主 构 成 的 音 频 放 大 电 路 放 大 后经 电 容 器 C4 耦 合 到 基 极 ， 对 LED 原 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 3 LED

9、的 驱 动 和 调 制 电 路根 据 理 想 运 放 电 路 开 环 电 压 增 益 大 （ 可 近 似 为 无 限 大 ） 、 同 相 和 反 相 输 入 阻抗 大 （ 也 可 近 似 为 无 限 大 ） 和 虚 地 等 三 个 基 本 性 质 ， 可 以 推 导 出 图 6 所 示 音 频C 2w 1C 1R 1R 2R 3C 3C 4R 4W 2LEDR eR bmA光纤IC1 BG13广 大 闭 环 增 益 为 ：G(j ) = v /v = 1+Z /Z021其 中 Z 、 Z 分 别 为 放 大 器 反 馈 阻 抗 和 反 相 输 入 端 的 接 地 阻 抗 ， 只 要 C 选 得

10、 足12 3够 小 ， C 选 得 足 够 大 ， 则 在 要 求 带 宽 的 中 频 范 围 内 ， C 阻 抗 很 大 ， 它 所 在 支 路3可 视 为 开 路 ， 而 C 的 阻 抗 很 小 ， 它 可 视 为 短 路 。 在 此 情 况 下 ， 放 大 电 路 的 闭 环 增2益 G（ j ） =1+ R /R 。 C 的 大 小 决 定 了 高 频 端 的 截 止 频 率 f ,而 C 的 值 决13 2定 着 低 频 端 的 截 止 频 率 f 。 故 该 电 路 中 的 R 、 R 、 R 和 C 、 C 是 决 定 音 频1233放 大 电 路 增 益 和 带 宽 的 几 个

11、 重 要 参 数 。二 光 导 纤 维 的 结 构 及 传 光 原 理光 纤 按 其 模 式 性 质 通 常 可 以 分 成 两 大 类 单 模 光 纤 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 510 m， 在 一 定 的 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 50 m 或 62.5 m， 允 许 多 种 电磁 场

12、 形 态 的 光 波 传 播 ； 以 上 两 种 光 纤 的 包 层 直 径 均 为 125 m。 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 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 光

13、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 ， 现 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 结 构 如 图 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 ， 包 层 的 外 径 为 b， 折 射 率 为 ,且 。1n2n12图 4 阶 型 多 模 光 纤 的 结 构 示 意 图当 一 光 束 投 射 到 光 纤 端 面 时 ， 进 入 光 纤

14、 内 部 的 光 射 线 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 了 行 径 ， 是 一 条 与 光 纤 轴 线 相交 、 呈 “Z”字 型 前 进 的 平 面 折 线 ； 若 藉 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 。三 系 统 的 组 成图 （ 5） 示 给 出 了 一 个 音 频 信

15、 号 直 接 光 强 调 制 光 纤 传 输 系 统 的 结 构 原 理 图 ， 它 主要 包 括 由 LED 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 、4IV 变 换 及 功 放 电 路 组 成 的 光 信 号 接 收 器 的 三 个 部 分 。图 5 音 频 信 号 光 纤 传 输 实 验 系 统 原 理 图本 实 验 采 用 中 心 波 长 0.85 m 附 近 的 GaAs 半 导 体 发 光 二 极 管 （ LED） 作 光源 、 峰 值 响 应 波 长 为 0.80.9 m 的 硅 光 二 极 管 （ SP

16、D） 作 光 电 检 测 元 件 。 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 。实 验 内 容 一 音 频 信 号 光 纤 传 输 实 验1、 连 接 导 线 ： 模 拟 信 号 源 模 块 T303 与 光 发 模 块 T111 连 接 。2、 用 FC-FC 光 纤 跳 线 1310nm 光 发 端 机 （ 1310nmT） 与 1310nm 光 收 端 机（ 1310nmR） 连 接 起 来 。3、 将 拨 码 开 关 BM1,BM2 和 BM3 分 别 拨 至 模 拟 ， 1310nm 和 1310nm。 K121拨 下 。4、 接 上 交 流 电 源 ， 先 开 交 流 开 关 ， 再 看 直 流 开 关 K01， K02， 五 个 发 光 管全 亮5、