1、北京郵電大學音頻信號光纖傳輸試驗（北京郵電大學，北京市，100876）照片尺寸為20mm*30mm照片尺寸為20mm*30mm；關鍵詞：光纖通信;光電二極管SPD;信號放大中圖分類號：TN913.7 文獻標識碼：AOptical fiber transmission of audio signal (Beijing University of Post&Telecommunication, Beijing, 100876, China) Abstract：With the development of optical fiber communication technology, a micr

2、oelectronic technology, laser technology, computer technology and modern communication technology-based ultra-high-speed broadband information network is changing peoples lives. Optical fiber communication with its many advantages will become the mainstream of modern communication, the future of the

3、 information society and the main means of an underlying technology. This article aims to enable readers to understand the basic working principle of optical fiber communication, familiar with semiconductor electro-optic - Optoelectronics basic properties and main characteristics of the test methods

4、.Keywords: Optical Fiber Communication; Photodiode; Signal amplification光導纖維是近40年發展起來的一項新興技術，是現代光信息技術的重要組成部分。光纖的用途多種多樣，最重要的便是光纖通信實驗日期：2013.5.30實驗日期：2013.5.30作者簡介：實驗目的1.了解音頻信號光纖傳輸系統的結構2.熟悉半導體電光/光電器件的基本性能及主要特性的測試方法3.了解音頻信號光纖傳輸系統的調試技能實驗原理1.音頻信號光纖傳輸系統功 放RW功 放RWLEDSPDRI/V變換RE信號源光纖本實驗采用中心波長0.85m附近的GaAs半導體

5、發光二極管（LED）作光源、峰值響應波長為0.80.9m的硅光二極管（SPD）作光電檢測元件。由于光導纖維對光信號具有很寬的頻帶，故在音頻范圍內，整個系統的頻帶寬度主要決定于發送端調制放大電路和接收端功放電路的幅頻特性。2.半導體發光二極管工作原理光纖通訊系統中，對光源器件在發光波長、電光效率、工作壽命、光譜寬度和調制性能等許多方面均有特殊要求。所以不是隨便哪種光源器件都能勝任光纖通訊任務，目前在以上各個方面都能較好滿足要求的光源器件主要有半導體發光二極管（LED）、半導體激光二極管（LD），本實驗采用LED作光源器件。光纖傳輸系統中常用的半導體發光二極管是一個如圖所示的N-P-P三層結構的半

6、導體器件，中間層通常是由GaAs（砷化鎵）p型半導體材料組成，稱有源層，其帶隙寬度較窄，兩側分別由GaAlAs的N型和P型半導體材料組成，與有源層相比，它們都具有較寬的帶隙。具有不同帶隙寬度的兩種半導體單晶之間的結構稱為異結。在圖（4）中，有源層與左側的N層之間形成的是p-N異質結，而與右側P層之間形成的是p-P異質結，故這種結構又稱N-p-P雙異質結構。當給這種結構加上正向偏壓時，就能使N層向有源層注入導電電子，這些導電電子一旦進入有源層后，因受到右邊p-P異質結的阻擋作用不能再進入右側的P層，它們只能被限制在有源層與空穴復合，導電電子在有源層與空穴復合的過程中，其中有不少電子要釋放出能量滿

7、足以下關系的光子：h = E-E = E其中h上普朗克常數，是光波的頻率，E是有源層內導電電子的能量，E是導電電子與空穴復合處于價健束縛狀態時的能量。兩者的差值 E與DH結構中各層材料及其組份的選取等多種因素有關，制做LED時只要這些選取和組份的控制適當，就可便得LED發光中心波長與傳輸光纖低損耗波長一致。3.調制電路光信號發送電路被傳音頻信號由以IC1為主要元件構成的音頻放大電路放大后經電容器 藕合到BG1基極，對LED的工作電流進行調制，從而使LED發送出光強隨音頻信號變化的光信號，并經光導纖維把這一信號傳至接收端。對于高頻信號，電容可看作短路；對于低頻信號，電容可看作開路，且電容越大，允

8、許通過的最低頻率就越低。只要 選得足夠小（只允許高頻信號通過）， 選得足夠大（較低頻率的信號也可通過，但仍有截止頻率），則在要求帶寬的中頻范圍內， 的阻抗很大，它所在支路可視為開路，而 的阻抗很小，它可視為短路。 在此情況下，根據運放電路的特性計算出：放大電路的閉環增益為光信號接收電路響應度：描述光電檢測器光電轉換能力的一種物理量。定義為：其中：I為光電檢測器的平均輸出電流； P為光電檢測器的平均輸入功率。光信號的接收主要是利用 硅光電二極管 (SPD)把傳輸光纖出射端輸出的光信號的光功率轉變為與之成正比的光電流I0 ，然后經I / V 轉換電路再把光電流轉換成電壓V0輸出 。V0和I0之間有

9、以下關系：以IC3 為主要元件構成的是一個集成音頻功放電路，只要調節外接的電位器Wnf，就可改變功放電路的電壓增益，功放電路中電容Cnf的大小決定著該電路的下限截止頻率。實驗內容LED-傳輸光纖組件電光特性的測定測量前首先將兩端帶電流插頭的電纜一頭插入光纖繞線盤上的電流插孔，另一端插入發送器前面板上的“LED”插孔，并將光電探頭插入光纖繞線盤上引出傳輸光纖輸出端的同軸插孔中，SPD的同條出線接至儀器前面板光功率批示器的相應插孔內，在以后實驗過程中注意保持光電探頭的這一位置。測量時調節W2使毫安表指示從零開始（此時光功率計的讀數為零，若不為零記下讀數，并在以后的以此為零點扣除），逐漸增加LED的

10、驅動電流，每增加4mA讀取一次光功率計示值，直到48mA為止。根據測量結晶描繪LED-傳輸光纖組件的電光特性曲線，并確定出其線性度較好的線段。光電二極管反向伏安特性曲線的測定測定光電二極管反向伏安特性的電路如圖（8）所示。其中LED是發光中心波長與被測光電二極管的峰值響應波長很接近的GaAs半導體發光二極管，在這里它作光源使用，其光功率由光導紛紛輸出。由IC1為主構成的電路是一個電流-電壓變換電路，它的作用是把流過光電二極管的光電流I轉換成由IC1輸出端C點的輸出電壓V，它與光電流成正比。整個測試電路的工作原理依據如下：由于IC1的反相輸入端具有很大的輸入阻抗，光電二極管受光照時產生的光電流幾

11、乎全部渡過R并在其上產生電壓降V= RI。另外，又因IC1具有很高的開環電壓增益，反相輸入端具有與同相輸入端相同的地電位，故IC1的輸出電壓V=I R已知R后，就可根據上式由V計算出相應的光電流I。LED偏置電流與無非線性畸變最大光訊號幅度關系的測定由于LED的伏安特性及電光特性曲線均存在著非線性區域，所以在圖（6）所示的驅動和調制電路中，對于LED工作電流的不同偏置狀態，能夠獲得的無非線性畸變的最大光信號（即LED-傳輸光纖組件輸出光功率的交變部分）的幅值（或峰-峰值）也是具有不同值，在設計音頻信號光纖傳輸系統時，應把LED的偏置電流選定在其電-光特性曲線線性范圍最寬的線段中點電流值。在對音

12、頻信號光纖傳輸進行調試時，可通過實驗的方法，測定LED偏置電流與無非線性畸變最大光信號幅度的關系，然后在LED允許的最大工作電流范圍內，選擇一個最佳偏置狀態。實驗方法的具體操作如下：用音頻信號發生器作信號源（頻率為1kHZ左右），SPD接到接收器前面板上的相應插孔并把示波器的輸入電纜和接收器前面板的數字mv表接至接收器I-V變換電路的輸出端，在LED偏置電流為5mA、10mA、15mA、20mA和25mA的各種情況下，從零開始，逐漸增加調制信號源的輸出幅度，直到接至I-V變換電路輸出端的直流mV表的讀數有明顯變化為止，記錄下示波器上顯示的I-V變換電路輸出電壓交變成份的峰-峰值（mV），然后根

13、據I-V變換電路中的R值和SPD的響應度R值，便可算出以上不同偏置下最大光信號的峰-峰值（W）。接收器允許的最小信號幅值的測定把發送器的調制輸入插孔接入收音機信號，接收器功放輸出端接入小音箱，在保持實驗系統以上連接不變的情況下，首先把LED的偏置電流調為5mA,然后從零開始逐漸加大收音機的輸出幅度，直到mV表批示有變化為止，考察接收器上的音響效果是否能清晰辨別出所接收的音頻信號，若能，繼續減小LED的偏置電流重復以上實驗，直至不能清晰辨別出接收信號為止，記下在這一狀態之前對應的LED的偏置電流I值，并由LED電光特性的曲線確定出0-2 I對應的光變化量P，則接收器允許的最小光信號的峰-峰值，不

14、會大于P，故P可以作為實驗系統接收器允許的最小光信號幅值。實驗數據處理1.LED傳輸光纖組件電光特性I偏（mA）048121620P（uW）7.510.213.12.硅光電二極管特性及響應度光功率P（uw）7.510.213.1Io(uA)-0.020.291.011.762.53.193.LED偏置電流與最大調制幅度I偏（mA）48121620最大調制幅度22.537.042.143.945.1Io過大，輸出信號會出現上部畸變飽和失真；I偏過小則會出現下部畸變4.幅頻特性f(Khz)0.10.511.522.533.5Vi(mv)303031.632.132.2323232.2接Vo(mv)

15、904917944968969968968953發Vo(mV)100100100.5102103102.5103101f(Khz)44.5579121620Vi(mv)32.131.731.731.731.731.731.731.7接Vo(mv)947930930905865790700655發Vo(mV)10098989485796657實驗結論實驗通過對LED-傳輸光纖組件的電光特性的測量，得出了在合適的偏置電流下，其具有線性。驗證了硅光電二極管可以把傳輸光纖出射端輸出的信號轉變成與之成正比的光電流。常見問題1. LED上的直流偏置電流要小于20mA，否則會燒壞LED；2. 實驗過程中如果出現截止或飽和削波失真，說明調制信號幅度過大，要適當減小調制信號幅度，保證不失真；3. 當調制幅度過強時，毫安表指示會在原來設定的偏置電流的附近左右擺動，要減小調制信號幅度。心得體會及建議在學習大學物理實驗的過程中，我學會了很多東西。老師認真講解實驗所用到的基礎理論知識，并嚴格按照數據測量、誤差分析、數據處理、實驗結果分析的步驟要求我們。使得我們練就了一套系統的、扎實的實驗方法的基本功。實驗與知識的結合能更加讓我們了解