1、通信工程專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告 光通信部分 姓名 學(xué)號(hào) 班級(jí) 通信 上課時(shí)間 周二下午16:2018:10 第8章 光纖傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)一 激光器P-I特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)習(xí)半導(dǎo)體激光器發(fā)光原理和光纖通信中激光光源工作原理2、了解半導(dǎo)體激光器平均輸出光功率與注入驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系3、掌握半導(dǎo)體激光器P（平均發(fā)送光功率）-I（注入電流）曲線的測(cè)試方法2.實(shí)驗(yàn)儀器1、ZY12OFCom13BG3型光纖通信原理實(shí)驗(yàn)箱1臺(tái)2、FC接口光功率計(jì)1臺(tái)3、FC/PC-FC/PC單模光跳線1根4、萬用表1臺(tái)5、連接導(dǎo)線 20根3.實(shí)驗(yàn)原理半導(dǎo)體激光二極管（LD）或簡(jiǎn)稱半導(dǎo)體激光器，它通過受激輻射發(fā)光，是一種閾值器

2、件。處于高能級(jí)E2的電子在光場(chǎng)的感應(yīng)下發(fā)射一個(gè)和感應(yīng)光子一模一樣的光子，而躍遷到低能級(jí)E1，這個(gè)過程稱為光的受激輻射，所謂一模一樣，是指發(fā)射光子和感應(yīng)光子不僅頻率相同，而且相位、偏振方向和傳播方向都相同，它和感應(yīng)光子是相干的。由于受激輻射與自發(fā)輻射的本質(zhì)不同，導(dǎo)致了半導(dǎo)體激光器不僅能產(chǎn)生高功率（10mW）輻射，而且輸出光發(fā)散角窄（垂直發(fā)散角為3050，水平發(fā)散角為030），與單模光纖的耦合效率高（約3050），輻射光譜線窄（0.11.0nm），適用于高比特工作，載流子復(fù)合壽命短，能進(jìn)行高速信號(hào)（20GHz）直接調(diào)制，非常適合于作高速長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)的光源。 P-I特性是選擇半導(dǎo)體激光器的重要

3、依據(jù)。在選擇時(shí)，應(yīng)選閾值電流盡可能小，對(duì)應(yīng)P值小，而且沒有扭折點(diǎn)的半導(dǎo)體激光器。這樣的激光器工作電流小，工作穩(wěn)定性高，消光比大，而且不易產(chǎn)生光信號(hào)失真。并且要求P-I曲線的斜率適當(dāng)。斜率太小，則要求驅(qū)動(dòng)信號(hào)太大，給驅(qū)動(dòng)電路帶來麻煩；斜率太大，則會(huì)出現(xiàn)光反射噪聲及使自動(dòng)光功率控制環(huán)路調(diào)整困難。半導(dǎo)體激光器可以看作為一種光學(xué)振蕩器，要形成光的振蕩，就必須要有光放大機(jī)制，也即激活介質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，而且產(chǎn)生的增益足以抵消所有的損耗。將開始出現(xiàn)凈增益的條件稱為閾值條件。一般用注入電流值來標(biāo)定閾值條件，也即閾值電流。在實(shí)驗(yàn)中所用到半導(dǎo)體激光器輸出波長(zhǎng)為1310nm，帶尾纖及FC型接口。半導(dǎo)體激光器作

4、為光纖通信中應(yīng)用的主要光源其性能指標(biāo)直接影響到系統(tǒng)傳輸質(zhì)量，因此PI特性曲線的測(cè)試了解激光器的性能是非常重要的，半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電流的確定是通過測(cè)量串聯(lián)在電路中的R110上的電壓值。電路中的驅(qū)動(dòng)電流在數(shù)值上等于R110兩端電壓與電阻之比。為了測(cè)試更加精確，實(shí)驗(yàn)中先用萬用表測(cè)出R110的精確值，計(jì)算得出半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電流，然后用光功率計(jì)測(cè)的一定驅(qū)動(dòng)電流下半導(dǎo)體激光器發(fā)出激光的功率，從而完成PI特性的測(cè)試，并可根據(jù)PI特性得出半導(dǎo)體激光器的斜率效率。圖1 LD半導(dǎo)體激光器P-I曲線示意圖4.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 測(cè)量半導(dǎo)體激光器輸出功率和注入電流，并畫出P-I關(guān)系曲線。5.實(shí)驗(yàn)步驟測(cè)量半導(dǎo)體激光器功率和注

5、入電流的關(guān)系，并畫出PI關(guān)系曲線。以下實(shí)驗(yàn)步驟可在實(shí)驗(yàn)箱左上方的1 310 nm光端機(jī)發(fā)送模塊或右上方的1 550 nm光端機(jī)發(fā)送模塊上各自獨(dú)立進(jìn)行。 1）電路部分的操作 （1）關(guān)閉系統(tǒng)電源，將激光器工作模式選擇開關(guān)（跳線 SS01）置于“模擬”位置，使光發(fā)模塊中LD連接處于模擬信號(hào)傳輸工作狀態(tài)。 （2）將光發(fā)送模塊中模擬發(fā)送部分的電位器 WS04“幅度” 旋鈕和 WS05“偏流”旋鈕分別反時(shí)針旋至最左端，從而使無模擬驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入，直流偏置電流達(dá)到最小值。 （3）將跳線開關(guān)（KS02）的跳線帽撥出，使其處于斷開狀態(tài)，在“模擬電流”測(cè)量插孔（TPS07、TPS08）上串接一只電流表。 2)光路部

6、分操作 （1）在光發(fā)送模塊LD尾纖法蘭盤處，小心插入一根光跳線的活動(dòng)連接器。 （2）光跳線另一端的活動(dòng)連接器連接到光功率計(jì)(注意操作過程動(dòng)作要輕，旋緊過程要適度)，同時(shí)打開光功率計(jì)申源開關(guān).井將波長(zhǎng)選擇到與所測(cè)試的激光器的工作波長(zhǎng)一致。 （3）檢查各部分正確無誤后，打開實(shí)驗(yàn)箱交流電源開關(guān)。 （4）將“模擬偏置”電位器WSOS從最左端位置開始，順時(shí)針方向緩慢調(diào)節(jié)，使送人激光器的直流偏置電流逐漸增大，在可調(diào)范圍內(nèi)觀察電流表的電流值變化和光功率計(jì)的讀數(shù)變化過程。 （5）緩慢細(xì)致地從頭調(diào)節(jié)電位器WSOS，使所測(cè)得的電流從最小值開始，以1mA為間隔取整數(shù)填入表格中，依次測(cè)量對(duì)應(yīng)的光功率值。（6） 完成實(shí)

7、驗(yàn)后關(guān)閉交流電開關(guān)。將跳線開關(guān)（KS02）的跳線帽還原。拆下光跳線及光功率計(jì)，將尾纖法蘭盤套帽蓋好，實(shí)驗(yàn)箱還原并將各儀器擺放整齊。 6.實(shí)驗(yàn)結(jié)果（1310nm）I/mA67891011121314151634P/dBm-38.59-37.03-35.35-33.34-30.36-19.12-14.48-12.31-10.84-9.80-8.82-2.48P/mW0.021090.024650.029160.035650.048030.147780.235040.292000.338240.375310.413951.2816（1）分別畫出 1 310 nm激光器或 1 550激光器的PI曲線，

8、并加以分析。 （2）整理所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，參考圖 8-3 畫出 PI曲線。 （3）說明所測(cè)試的激光器的閾值電流大約數(shù)值。 答：Ith=10mA（4）回答以下思考題。 激光器的閾值電流Ith對(duì)光信號(hào)傳輸有何影響？答：閾值是所有激光器的屬性，它標(biāo)志著激光器的增益與損耗的平衡點(diǎn)，即閾值以后機(jī)關(guān)器才開始凈增益。只有諧振腔內(nèi)的增益達(dá)到能夠克服損耗，才能建立起穩(wěn)定的光震蕩，輸出譜線尖銳，方向性好的激光，而增大增益的方法就是加大半導(dǎo)體激光器的注入電流，因此閾值的大小決定著器件的功耗，也就決定著器件的連續(xù)工作時(shí)間和使用壽命：閾值電流低，功耗低，連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)，使用壽命長(zhǎng)，工作穩(wěn)定性高。如果閾值高，則同時(shí)要提高信號(hào)

9、中的直流分量，才能減少信號(hào)的失真，提高調(diào)制性能，而且從功耗的角度來講，直流成分高的系統(tǒng)其功耗一定高，這樣對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性是一個(gè)影響。實(shí)驗(yàn)二 光發(fā)信機(jī)接口指標(biāo)測(cè)試1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作 （1）預(yù)習(xí)光發(fā)信機(jī)接口指標(biāo)。 （2）了解發(fā)送光功率和消光比的含義。 2實(shí)驗(yàn)?zāi)康?（1）了解數(shù)字光發(fā)端機(jī)平均發(fā)送光功率的指標(biāo)要求，并掌握測(cè)試方法。 （2）了解數(shù)字光發(fā)端機(jī)消光比的指標(biāo)要求，并掌握測(cè)試方法。 3實(shí)驗(yàn)環(huán)境及相關(guān)設(shè)備 JH5002A+型光纖通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、光功率計(jì)、FC-FC光跳線、萬用表。 4實(shí)驗(yàn)基本原理 平均發(fā)送光功率是指在外加偽隨機(jī)二進(jìn)制序列作為測(cè)試信號(hào)的情況下，用光功率計(jì)在數(shù)字光發(fā)信機(jī)輸出光接口處直接測(cè)試

10、得到光功率，此數(shù)值即為數(shù)字光發(fā)信機(jī)的平均發(fā)送光功率。采用偽隨機(jī)碼型可使發(fā)送數(shù)碼具有“1”、“0”等概率的特點(diǎn)。 平均發(fā)送光功率與輸入的碼型有關(guān)，NRZ碼與RZ碼相比，其占空比分別為100、50，因而NRZ碼的平均光功率比RZ碼大一倍，即 3 dB。另外，平均發(fā)送光功率是在額定偏置電流和調(diào)制電流條件之下測(cè)得的，否則結(jié)果會(huì)有偏差。 消光比是指數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路輸入為全“1”碼時(shí)光發(fā)信機(jī)的平均發(fā)送光功率P1，與數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路輸入為全“0”碼時(shí)光發(fā)信機(jī)的平均發(fā)送光功率 P0 之比的對(duì)數(shù)表達(dá)值，將測(cè)得的光功率P1、P0代入式（8-1）即得到光發(fā)送機(jī)的消光比： EXT = 10lg P1/P2 （8-1） 光通信

11、系統(tǒng)消光比太大，說明此時(shí)預(yù)偏置電流太小或沒有，調(diào)制電流的增大要先經(jīng)過低于 LD 閾值的一段區(qū)域才能進(jìn)入激射區(qū)，這時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的時(shí)延，影響光通信系統(tǒng)的傳輸速率；消光比太小，則調(diào)制深度淺，這時(shí)會(huì)出現(xiàn)平均發(fā)送光功率很大而“1”、“0”碼對(duì)應(yīng)的光功率差值卻不大的情況，使接收端有用的光功率擺幅減小，因而影響系統(tǒng)的接收靈敏度。 5實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟 1）光發(fā)信機(jī)平均發(fā)送光功率的測(cè)試 （1）確保實(shí)驗(yàn)箱交流開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，將跳線開關(guān)SS01 插向“數(shù)字”端，使光發(fā)送模塊處于數(shù)字傳輸狀態(tài)。（2）將光跳線的一端的金屬活動(dòng)連接器與光發(fā)送端口的法蘭盤對(duì)接，注意雙手操作，一手保持器件間的同軸性，一手小心地推動(dòng)活動(dòng)連接器插

12、入法蘭盤，并保證活動(dòng)連接器的凸起部分與法蘭盤凹槽完全吻合，然后微微擰緊固定帽。 （3）將光跳線的另一端與光功率計(jì)的法蘭盤端口對(duì)接，操作方法同（2）。并將光功率計(jì)根據(jù)實(shí)際測(cè)試的波長(zhǎng)調(diào)到 1 310 nm或 1 550 nm擋。 （4）連接測(cè)試線，即取實(shí)驗(yàn)測(cè)試線一根，一端連接數(shù)字電路模塊（數(shù)字傳輸系統(tǒng)一）板上“加擾模塊”中的“加擾輸出”，或“CMI編碼模塊”中的“輸出數(shù)據(jù)”，另一端連接 1 310 nm或 1 550 nm光發(fā)信機(jī)的“數(shù)字輸入”接口，向光發(fā)信機(jī)送入“1”、“0”等概率的數(shù)字信號(hào)。 （5）打開實(shí)驗(yàn)箱交流開關(guān)，使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)正常工作。 （6）用光功率計(jì)測(cè)量此時(shí)光發(fā)信機(jī)的光功率，即為光發(fā)信機(jī)

13、的平均發(fā)送光功率，注意記錄光發(fā)信機(jī)的平均光功率3次，取平均值。 （7）完成實(shí)驗(yàn)后關(guān)閉交流電源開關(guān)。 2）數(shù)字光發(fā)信機(jī)的消光比測(cè)試 （1）保持實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1）部分必要的實(shí)驗(yàn)測(cè)試狀態(tài)。 （2）將光發(fā)信機(jī)“數(shù)字輸入”旋鈕上方的輸入選擇跳線開關(guān)置于“ALL 0”位置，此時(shí)將直流低電平送入光發(fā)信機(jī)，激光器所得到的碼型為全“0”碼，測(cè)得此時(shí)光發(fā)信機(jī)輸出的光功率為P0。 （3）將光發(fā)信機(jī)“數(shù)字輸入”旋鈕上方的輸入選擇跳線開關(guān)置于“ALL 1”位置，此時(shí)將直流高電平送入光發(fā)信機(jī)，激光器所得到的碼型為全“1”碼，此時(shí)測(cè)得光發(fā)信機(jī)輸出的光功率為P1。 （4）將上面測(cè)試得到的P0和P1代入式（8-1）即得光發(fā)送機(jī)的消光

14、比。 （5）做完實(shí)驗(yàn)后關(guān)閉交流電源開關(guān)，拆除實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線，拆下光功率計(jì)，將實(shí)驗(yàn)箱還原，將各實(shí)驗(yàn)儀器擺放整齊。 6.實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 （1） 記錄光發(fā)信機(jī)的平均光功率3次，取平均值并填入表中。1550nm： 第一次第二次第三次平均值-2.85-2.86-2.85-2.853（2） 通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算光發(fā)信機(jī)的消光比。測(cè)得P0=-8.60，P1=-4.50EXT=10lg(p1/p0)=10lg(-8.60/-4.50)=2.81（3）回答以下思考題。 光纖通信系統(tǒng)中的消光比的大小對(duì)系統(tǒng)傳輸特性有何影響？為什么？ 答：消光比直接影響光接收機(jī)的靈敏度,從提高接收機(jī)靈敏度的角度希望消光比絕對(duì)值盡可能大，有利于減

15、少功率代價(jià)，但也不是越大越好。消光比大會(huì)使激光器的圖案相關(guān)抖動(dòng)增加。實(shí)驗(yàn)三 光纖傳輸系統(tǒng)測(cè)試1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作 預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的模擬信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)原理。 2實(shí)驗(yàn)?zāi)康?（1）了解模擬信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)的通信原理。 （2）了解模擬信號(hào)光纖通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。 （3）掌握各種模擬信號(hào)的傳輸機(jī)理。 3實(shí)驗(yàn)環(huán)境及相關(guān)設(shè)備 20MHz及以上雙蹤示波器、JH5002A+型光纖通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。4實(shí)驗(yàn)基本原理 通過本實(shí)驗(yàn)，可以了解和熟悉光纖模擬信號(hào)傳輸系統(tǒng)的組成，用示波器觀察光發(fā)送模塊和光接收模塊的模擬信號(hào)波形，通過調(diào)整模擬信號(hào)的幅度和頻率，改變激光器偏置電流的大小，深入理解激光器的偏置電流對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽ＤM信號(hào)光

16、纖傳輸方式如圖 8-4所示。 模擬信號(hào)的傳輸方式，是用模擬信號(hào)直接控制光源的發(fā)光強(qiáng)度，然后經(jīng)過光纖進(jìn)行傳輸；光纖傳輸系統(tǒng)的另一種方式是把模擬信號(hào)數(shù)字化后，對(duì)光源進(jìn)行數(shù)字調(diào)制，然后再將調(diào)制好的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行光纖傳輸，對(duì)方經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)過數(shù)字信號(hào)的譯碼將模擬信號(hào)還原成原始的模擬信號(hào)，其光纖傳輸方式如圖 8-5 所示，這種方式實(shí)際就是光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)采用模擬信號(hào)直接控制光源發(fā)光強(qiáng)度的方式。 5實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟 本實(shí)驗(yàn)對(duì)不同頻率、不同幅度的正弦信號(hào)（或方波信號(hào)、三角波信號(hào)）通過光纖進(jìn)行傳輸，觀察信號(hào)幅度和激光器偏置電流的調(diào)整對(duì)信號(hào)傳輸產(chǎn)生的影響。以下實(shí)驗(yàn)步驟以實(shí)驗(yàn)箱左上方的 1 310 nm

17、光發(fā)信機(jī)模塊為例進(jìn)行講述，1 550 nm光發(fā)信機(jī)模塊的測(cè)試方法與其相同。 （1）關(guān)閉系統(tǒng)電源，用一根光跳線連接1 310 nm光端機(jī)模塊的TX端法蘭盤和RX端法蘭盤。將激光器工作模式選擇開關(guān)（跳線 SS01）置于“模擬”位置，使光發(fā)信模塊中LD連接處于模擬信號(hào)傳輸狀態(tài)。 （2）將光發(fā)信模塊中模擬發(fā)送部分的 WS04“幅度” 旋鈕和 WS05“偏流”旋鈕分別旋至中間位置。 （3）打開系統(tǒng)電源，將示波器連接到模擬信號(hào)源模塊的正弦波（或三角波、方波）輸出端口，調(diào)節(jié)頻率旋鈕使正弦波頻率為 1 kHz，調(diào)節(jié)幅度旋鈕，使幅度為 1 V 的峰-峰值，然后用實(shí)驗(yàn)測(cè)試線將信號(hào)連接到光發(fā)信模塊的模擬信號(hào)輸入端口

18、（TPS02）。 （4）用示波器在光接收模塊的模擬信號(hào)輸出端口觀察輸出信號(hào)，通過調(diào)節(jié)光發(fā)信模塊中的電位器 WS04（模擬幅度）和 WS05（模擬偏流），以及光接收模塊中的電位器 WR01（增益調(diào)節(jié)），得到最佳傳輸?shù)哪M信號(hào)，利用示波器的兩個(gè)通道進(jìn)行波形對(duì)比。 （5）分別調(diào)整模擬信號(hào)源的信號(hào)頻率和幅度，重復(fù)進(jìn)行上述觀測(cè)并對(duì)輸入輸出波形進(jìn)行比較。 恢復(fù)輸入正弦波頻率為 1 kHz，幅度為 1 V 的峰-峰值，反時(shí)針調(diào)節(jié)光發(fā)信模塊中的電位器WS05（模擬偏流），減小模擬偏流，觀察接收波形的失真情況。 6實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 （1）記錄整理并列表描述實(shí)驗(yàn)所用的波形、頻率和幅度，畫出所觀察到的發(fā)端和收端波形，并

19、進(jìn)行比較。 （2）回答以下思考題。 當(dāng)送到光發(fā)送機(jī)輸入端的模擬信號(hào)幅度過大時(shí)會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？當(dāng)發(fā)送模擬信號(hào)的激光器偏流過小時(shí)會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？試根據(jù)PI特性曲線進(jìn)行分析說明。 答：根據(jù)P-I曲線，當(dāng)發(fā)送信號(hào)幅度過大時(shí)，功率會(huì)趨于飽和，變化很小，維持在一個(gè)水平線上，當(dāng)過小（小于閾值電流時(shí)），功率基本為零。 如何確定傳輸系統(tǒng)的頻率和幅度范圍？ 答：如果是模擬信號(hào)，應(yīng)該偏置到線性區(qū)，否則易失真，就像三極管的飽和、截止會(huì)失真一樣。如果是數(shù)字信號(hào)，關(guān)系不大。連續(xù)的模擬信號(hào)電流疊加在直流偏置電流上，適當(dāng)?shù)剡x擇直流偏置電流的大小，可以減小光信號(hào)的非線性失真。一般來說，半導(dǎo)體激光器很少用于模擬信號(hào)的直接調(diào)制，半

20、導(dǎo)體激光器模擬調(diào)制要求光源線性度很高。而且要求提高光接收機(jī)的信噪比比較高。與發(fā)光二極管相比，半導(dǎo)體激光器的V-I線性區(qū)較小，直接進(jìn)行模擬調(diào)制難度更大。7.心得體會(huì) 在實(shí)驗(yàn)一中我們測(cè)量了半導(dǎo)體激光器的平均發(fā)送光功率和注入電流的關(guān)系，并繪制出了P-I特性曲線圖，以及閾值電流對(duì)光信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀ㄟ^動(dòng)手操作，我對(duì)半導(dǎo)體激光器的發(fā)光原理有了更加深刻的認(rèn)識(shí)。在實(shí)驗(yàn)二中了解數(shù)字光發(fā)端機(jī)平均發(fā)送光功率的指標(biāo)要求，以及數(shù)字光發(fā)端機(jī)消光比的指標(biāo)要求，通過動(dòng)手操作，掌握了數(shù)字光發(fā)射機(jī)平均輸出光功率和消光比的測(cè)試方法，使我對(duì)數(shù)字光發(fā)端機(jī)有了更深刻的理解。在實(shí)驗(yàn)三中，我們通過對(duì)不同幅度，不同頻率的正弦信號(hào)進(jìn)行光纖傳輸

21、，使我了解了光纖模擬信號(hào)傳輸系統(tǒng)的組成和原理。在實(shí)驗(yàn)過程中，通過調(diào)整輸入模擬信號(hào)的幅度和頻率發(fā)現(xiàn)輸出波形的變化，總結(jié)得出了結(jié)論。經(jīng)過這三個(gè)實(shí)驗(yàn)，我對(duì)光纖傳輸系統(tǒng)有了更加全面的理解，也鞏固了課堂上學(xué)到的知識(shí)。第7章 光無源器件特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)三 無源光耦合器特性測(cè)試1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作 （1）了解光耦合器的基本原理。（2）預(yù)習(xí)光耦合器特性的測(cè)試方法。 2實(shí)驗(yàn)?zāi)康?（1）了解光耦合器的工作原理及其結(jié)構(gòu)。 （2）掌握光耦合器的正確使用方法。 （3）掌握光耦合器的主要特性參數(shù)的測(cè)試方法。 3實(shí)驗(yàn)環(huán)境及相關(guān)設(shè)備 JH5002A+型光纖通信原理實(shí)驗(yàn)箱 1臺(tái) 光功率計(jì) 1臺(tái) FC/PC 光纖活動(dòng)連接器 2個(gè) FC/P

22、C Y型光分路/合路器（分光比10 : 90） 1個(gè) 4實(shí)驗(yàn)基本原理 光耦合器又稱為光定向耦合器（Directional Coupler），用于對(duì)光信號(hào)實(shí)現(xiàn)分路、合路、插入和分配，其工作機(jī)理是光波導(dǎo)間電磁場(chǎng)的相互耦合。 1）光耦合器的分類 光耦合器的種類很多，最基本的耦合器可以實(shí)現(xiàn)兩波耦合。從結(jié)構(gòu)上看，兩個(gè)入口的光耦合器有如下幾種類型。 第 1 類光耦合器件為微光元件型，這種類型多數(shù)采用自聚焦透鏡為主要的光學(xué)構(gòu)件，利用/4 的自聚焦透鏡可以把匯聚或發(fā)散的光線變成平行光線，也可以把平行光線變成匯聚或發(fā)散的光線，這一特點(diǎn)可以用來實(shí)現(xiàn)兩束光線的耦合。 第 2 類光耦合器件是利用光纖熔錐成形，用兩根以

23、上的光纖經(jīng)局部加熱融合而成，首先去掉光纖的覆層，再在熔融拉伸設(shè)備上平行安裝兩根光纖，局部加熱融合，并漸漸將融合部分的直徑從200 m左右拉細(xì)到2040 m左右。由于這種細(xì)芯中的光場(chǎng)滲透到包層中，兩個(gè)纖芯之間就會(huì)產(chǎn)生光的耦合，控制拉伸的程度即可以控制耦合比，附加損耗和分光比由光纖選型和熔融拉伸工藝所決定，借助計(jì)算機(jī)的精密控制，自動(dòng)熔融拉伸設(shè)備可不間斷地監(jiān)測(cè)分光比和拉伸量，使制得的光纖耦合器平均插入損耗達(dá) 0.1 dB 以下，分光比精度達(dá) 1以下。星形耦合器是這種結(jié)構(gòu)最典型的一種形式，如圖7-15所示。 第 3 類光耦合器件采用光纖磨拋技術(shù)，將兩根光纖磨拋后的楔形斜面對(duì)接膠黏，再與另一根光纖的端面

24、黏結(jié)。其附加損耗可以低于 1 dB，隔離度大于 50 dB，分光比可由 1 : 1至1 : 100。 第 4 類光耦合器件用平面波導(dǎo)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，運(yùn)用先進(jìn)的平面薄膜光刻、擴(kuò)散工藝，可得到一致性好、分光比精度也高的光耦合器，但耦合到光纖的插入損耗較大。 在上述各類光耦合器中，熔錐型光纖耦合器制作方便，容易與外部光纖連接，能耐受較高的機(jī)械振動(dòng)和溫度變化，且價(jià)格便宜，因此這種類型的光耦合器件應(yīng)用最多。 2）22單模光纖耦合器的結(jié)構(gòu) 22單模光纖耦合器方框圖如圖 7-16所示。 22 單模光纖耦合器按應(yīng)用目的可分別制成性能不同的兩類器件，一類是光分路器/合路器，另一類是波分復(fù)用器（又稱光分波器/合波器）。

25、光分路器/合路器工作于一個(gè)波長(zhǎng)，對(duì)光信號(hào)實(shí)現(xiàn)分路、合路；而波分復(fù)用器則工作于兩個(gè)或兩個(gè)以上不同的波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)光信號(hào)的合路或根據(jù)波長(zhǎng)進(jìn)行光信號(hào)的分路。 3）光分路器/合路器的性能指標(biāo) 當(dāng)光分路器/合路器工作于一個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，假設(shè)光源接于端口 1，則光功率耦合到端口3 和2，幾乎沒有光功率折返過來耦合到端口4；而當(dāng)光源接于端口4時(shí)，也幾乎沒有光功率折返過來耦合到端口1。另外，根據(jù)器件的光路可互易性，端口1、4可以與端口2、3對(duì)調(diào)。這種耦合器的技術(shù)指標(biāo)如下。 （1）工作波長(zhǎng)，通常取 1 310 nm 或 1 550 nm。 （2）附加損耗Lf ： 式中，P1注入端口1的光功率；P2、P3分別為端口

26、 2、3 輸出的光功率。良好的22 單模光纖耦合器的附加損耗可小于0.2 dB。 （3） 分光比（或分束比）Ri 分光比值的大小可以根據(jù)應(yīng)用要求而定。 （4） 分路損耗Li ： （5）反向隔離度Lr ： 通常要求 Lr55 dB。（測(cè)量反向隔離度時(shí)，須將端口2、3 浸潤于光纖的匹配液中，以防止光的反射。） 除上述指標(biāo)外，還有偏振靈敏度R、光譜響應(yīng)范圍、機(jī)械性能和溫度性能等項(xiàng)指標(biāo)。 5實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟 該實(shí)驗(yàn)可在實(shí)驗(yàn)箱左邊上方的1 310 nm光端機(jī)發(fā)送模塊或右邊上方的1 550 nm光端機(jī)發(fā)送模塊上各自獨(dú)立進(jìn)行。主要是對(duì)光分路/合路器性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，做實(shí)驗(yàn)前做好準(zhǔn)備工作，按圖7-17連接好測(cè)試

27、設(shè)備，連接尾纖、連接器和光無源器件時(shí)要注意定位槽方向。 1）電路部分操作 （1）關(guān)閉系統(tǒng)電源，將激光器工作模式選擇開關(guān)（跳線 SS01）置于“模擬”位置，使光發(fā)信模塊中LD連接于傳輸模擬信號(hào)狀態(tài)。 （2）將光發(fā)信模塊中模擬發(fā)送部分的 WS04“幅度”旋鈕反時(shí)針旋至最左端，使無模擬驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入，WS05“偏流”旋鈕順時(shí)針旋至最右端，使直流偏置電流達(dá)到最大值。 2）光路部分操作 （1）在光發(fā)送模塊的LD尾纖法蘭盤處，小心插入一根光跳線一端的活動(dòng)連接器。 （2）光跳線另一端的活動(dòng)連接器連接到光功率計(jì)。 （3）打開光功率計(jì)電源開關(guān)，并選擇光功率計(jì)的工作波長(zhǎng)與所測(cè)試的LD波長(zhǎng)一致。 3）打開實(shí)驗(yàn)箱交流電

28、源開關(guān) 4）輸入端至各支路輸出端分路損耗的測(cè)量 用光功率計(jì)測(cè)量 1 310 nm光源經(jīng)尾纖輸出在“a”點(diǎn)的光功率Pa，然后將信號(hào)接入光分路器的輸入端口；用光功率計(jì)測(cè)量支路一（“b”點(diǎn)）光功率Pb 及支路二（“c”點(diǎn)）光功率 Pc，記錄測(cè)量結(jié)果并將測(cè)試數(shù)據(jù)分別填入表 7-2 和表 7-3，計(jì)算光分路器各支路分路損耗值。表72 50%光分路器分路衰耗輸入功率/dBm輸出功率/dBm插入損耗/dBPa: -4.04Pb: -6.01-1.72Pa: -4.04Pc: -6.26-1.90表73 10%光分路器分路衰耗（b支路為10%，c支路為90%）輸入功率/dBm輸出功率/dBm插入損耗/dBPa

29、: -1.51Pb: -11.50-8.82Pa: -1.51Pc: -2.32-1.865）分光比測(cè)量 在上述測(cè)量條件下，用光功率計(jì)再次測(cè)量光功率Pb及 Pc。記錄測(cè)量結(jié)果，填入表 7-4、表 7-5，計(jì)算光分路器分光比。表74 50%光分路器分光比 輸入功率/dBm總輸出功率/dBm計(jì)算分光比/%Pb: -4.26P總功率： -6.0969.95Pc: -1.8330.05表75 10%光分路器分光比（b支路為10%，c支路為90%）輸入功率/dBm總輸出功率/dBm計(jì)算分光比/%Pb: -1.07P總功率： -11.688.65Pc: -10.6791.35 6）波長(zhǎng)特性測(cè)量 分析1 3

30、10 nm（或 1 550 nm）波長(zhǎng)分路器使用1 550 nm（1 310 nm）波長(zhǎng)時(shí)對(duì)分路損耗和分光比的影響，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)填寫表7-6，計(jì)算分路損耗和分光比，分析波長(zhǎng)的變化對(duì)分路及分光比的影響。表76 波長(zhǎng)特性測(cè)量輸入功率/dBm輸出功率/dBm分路損耗/dBPa: -1.51Pb:-8.66-7.58Pc:-4.12-4.36輸出功率/dBm總輸出功率/dBm計(jì)算分光比/%Pb:-8.66P總功率：-12.7867.76Pc:-4.1232.24 7）合波定向特性測(cè)量 按圖7-18連接好測(cè)試設(shè)備。連接尾纖、連接器和光無源器件時(shí)注意定位銷的方向。 用光功率計(jì)測(cè)量1 310 nm光源經(jīng)尾纖

31、輸出在支路一（“a”點(diǎn)）的光功率Pa，然后用光功率計(jì)測(cè)量光合路輸出（“b”點(diǎn)）的光功率 Pb，用光功率計(jì)在支路二（“c”點(diǎn)）測(cè)量返回的光功率Pc，根據(jù)上述測(cè)量數(shù)據(jù)，將測(cè)量結(jié)果填入表7-7，計(jì)算光合路器回波損耗。表77 合波定向特性測(cè)試 支路一輸入功率/dBm輸出功率/dBm計(jì)算損耗/dBPa: -1.51定向輸出Pb: -2.47-2.14返回輸出Pc: -27.77-12.656實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 （1）將測(cè)量結(jié)果填入相關(guān)表格，計(jì)算光分路器各分路損耗、分光比、光合路器的回波損耗。并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。 （2）回答以下思考題。 合波定向特性測(cè)試說明了什么問題？ 答：合成波定向特性測(cè)試說明一路損耗中的

32、插入損耗幾乎等于附加損耗與分光比損耗的和，但是這并不意味著插入損耗包含這兩者。 波長(zhǎng)的變化對(duì)光分路損耗和分光比有何影響？ 答：光分路器的分光比與傳輸光的波長(zhǎng)有關(guān)，例如一個(gè)光分路在傳輸1.31 微米的光時(shí)兩個(gè)輸出端的分光比為50：50；在傳輸1.5m的光時(shí)，則變?yōu)?0：30（之所以出現(xiàn)這種情況，是因?yàn)楣夥致菲鞫加幸欢ǖ膸挘捶止獗然静蛔儠r(shí)所傳輸光信號(hào)的頻帶寬度）。所以在訂做光分路器時(shí)一定要注明波長(zhǎng)。第9章 光波分復(fù)用傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)一 光波分復(fù)用器特性測(cè)試1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作 （1）了解光波分復(fù)用器的原理。 （2）預(yù)習(xí)光波分復(fù)用器指標(biāo)測(cè)試方法。 2實(shí)驗(yàn)?zāi)康?（1）了解光波分復(fù)用器的工作原理及其結(jié)構(gòu)。

33、（2）掌握光波分復(fù)用器的特性參數(shù)測(cè)試和正確使用方法。 3實(shí)驗(yàn)環(huán)境及相關(guān)設(shè)備 JH5002A+型光纖通信原理實(shí)驗(yàn)箱 1個(gè) 光功率計(jì) 1臺(tái) 1310/1550 光波分復(fù)用器 2只 FC/PC 光纖跳線 4根 4.實(shí)驗(yàn)基本原理 在做實(shí)驗(yàn)前，需要對(duì)波分復(fù)用器的基本原理及其性能有初步的了解，波分復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)如圖9-1 所示。當(dāng)該傳輸系統(tǒng)工作于兩個(gè)不同的波長(zhǎng)時(shí)，假設(shè)端口 l注入的光波是由波長(zhǎng)1、2兩個(gè)光波合成的，則光波經(jīng)波分復(fù)用器內(nèi)部傳輸后，1只能從端口2、3中一個(gè)特定的端口輸出，而光波2 只能從另一個(gè)特定的端口輸出。作為波分復(fù)用器的單模光纖耦合器可單向運(yùn)用，也可雙向運(yùn)用。 在單向運(yùn)用時(shí)，兩個(gè)不同波長(zhǎng)

34、的光波分別從端口2、3注入，則端口1有兩個(gè)波長(zhǎng)的合成光波輸出，這是合波器；反之，兩個(gè)不同波長(zhǎng)的合成光波從端口1注入，端口2、3分別有一個(gè)波長(zhǎng)的光波輸出，這是分波器。合波器和分波器分別應(yīng)用在波分復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)的發(fā)送端和接收端。 在雙向運(yùn)用時(shí)，正方向和反方向傳輸?shù)墓獠ǖ牟ㄩL(zhǎng)不同，兩個(gè)波分復(fù)用器分別置于雙向光纖傳輸系統(tǒng)的兩端，在這種情況下，波分復(fù)用器起的作用是波長(zhǎng)隔離作用。雙向光纖傳輸系統(tǒng)如圖9-2 所示。 波分復(fù)用器的合波狀態(tài)應(yīng)用較多，例如，在摻餌光纖放大器中將 980 nm 或 1 480 nm波長(zhǎng)的泵浦（Pump）光與1 550 nm波長(zhǎng)的信號(hào)光合成起來注入摻餌光纖。 2）波分復(fù)用器主要技術(shù)

35、指標(biāo) （1）工作波長(zhǎng)1、2。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)1、2分別為 1 310 nm 和 1 550 nm。 （2）插入損耗Li。根據(jù)圖9-1，發(fā)端波分復(fù)用器插入損耗的定義為： 從式（9-1）可知，當(dāng)工作波長(zhǎng)為1 時(shí)，插入損耗就是波長(zhǎng)為1的輸入光功率 P1與輸出光功率 P2之比的分貝數(shù)，當(dāng)工作波長(zhǎng)為2時(shí)，插入損耗就是波長(zhǎng)為2的輸入光功率 P1與輸出光功率P2之比的分貝數(shù)。良好的波分復(fù)用器的插入損耗可小于 0.5 dB。 （3）波長(zhǎng)隔離度 L；是指一個(gè)波長(zhǎng)的光功率串?dāng)_另一工作波長(zhǎng)的輸出串?dāng)_程度，一般用分貝數(shù)來描述。L值一般應(yīng)達(dá)到20 dB 以上。波長(zhǎng)隔離度的定義為： （4）光譜響應(yīng)范圍：通常指插入損耗

36、小于某一容許值的波長(zhǎng)范圍。要根據(jù)應(yīng)用要求而定。除此以外還有機(jī)械性能和溫度性能指標(biāo)。一個(gè)典型的 1.31 m/1.55 m熔錐型單模光纖波分復(fù)用器的譜損曲線如圖9-3所示。（5）波分復(fù)用器的光串?dāng)_：波分復(fù)用器的光串?dāng)_測(cè)量原理框圖如圖 9-4 所示。 在圖9-4 中，波長(zhǎng)為1 310 nm、1 550 nm的光信號(hào)經(jīng)波分復(fù)用器合波復(fù)用以后輸出的光功率分別為 P1、P2，經(jīng)解復(fù)用后，將各輸出端口不同波長(zhǎng)的光功率記為 Pmn。其中，m 表示端口特定的理論輸出波長(zhǎng)，m=1表示 1 310 nm，m=2表示 1 550 nm；而n表示實(shí)際輸出的波長(zhǎng)與端口理論波長(zhǎng)的匹配狀況，n=1表示匹配，n=2表示不匹配

37、。因此，匹配情況是從1310窗口輸出 1 310 nm的光功率，記為P11，或從 1550窗口輸出1 550 nm的光功率，記為P21，而不匹配情況是從1310窗口輸出1 550 nm的光功率，記為P12或從 1 550窗口輸出 1 310 nm的光功率，記為P22。顯然，P12和P22就是串?dāng)_光功率。因此，光串?dāng)_可以用式（9-3）和式（9-4）計(jì)算： 由于便攜式光功率計(jì)不可能在測(cè)量波長(zhǎng)1 550 nm的光功率時(shí)完全濾除波長(zhǎng)1 310 nm的光功率，也不可能在測(cè)量波長(zhǎng) 1 310 nm的光功率時(shí)完全濾除波長(zhǎng) 1 550 nm的光功率，所以改用下面的方法進(jìn)行光串?dāng)_的測(cè)量可以提高測(cè)量精度。 測(cè)量

38、1 310 nm的光串?dāng)_的方框圖如圖 9-5(a)所示，測(cè)量 1 550 nm的光串?dāng)_的方框圖如圖 9-5(b)所示。 波分復(fù)用器實(shí)際測(cè)量得到的光串?dāng)_為： 5實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟 以下實(shí)驗(yàn)步驟可在實(shí)驗(yàn)箱左上方1 310 nm光發(fā)信模塊或右上方的1 550 nm光發(fā)信模塊上各自獨(dú)立進(jìn)行。 1）波分復(fù)用器的插入損耗測(cè)量 （1）關(guān)閉系統(tǒng)電源，按圖9-1將光跳線接入光發(fā)信模塊的光輸出端法蘭盤。 （2）連接導(dǎo)線：將光發(fā)信機(jī)工作方式選擇跳線 SS01插在“數(shù)字”端（上邊）。用實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線將數(shù)字電路模塊（數(shù)字傳輸系統(tǒng)一）板上的任意數(shù)字輸出信號(hào)（如“復(fù)接模塊”中的“復(fù)接數(shù)據(jù)”、“加擾模塊”中的“加擾輸出”、“CMI編碼模塊”中的“輸出數(shù)據(jù)”、“5B6B編碼模塊”中的“輸出數(shù)據(jù)”等）與光發(fā)送模塊的“數(shù)字輸入”端口相連。 （3） 開啟系統(tǒng)電源，用光功率計(jì)測(cè)量此時(shí)的輸出光功率P2。1310nm1550nm-14.21dBm-25.06dBm（4） 將發(fā)端波分復(fù)用器接入（圖 9-1），測(cè)得此時(shí)的光功率P1。（5）將P1代入式（9-1）計(jì)算傳輸系統(tǒng)發(fā)端波分復(fù)用器的插入損耗。 2）波長(zhǎng)隔離度測(cè)量 （1）關(guān)閉系統(tǒng)電源，按圖 9-1 將光發(fā)信機(jī)模塊