光纖信號傳輸實驗【教學目的】1．學習光纖信號傳輸系統的基本結構及各部件選配原則；2．熟悉光纖傳輸系統中電光/光電轉換器件的基本性能；3．訓練如何在光纖傳輸系統中獲得較好信號傳輸質量。【教學重點】1.光纖信號的發射、傳輸、接收原理2.光纖信號傳輸系統幅度的調制【教學難點】1.光纖信號傳輸系統的基本結構2.光電轉換器件的基本性能【課程講授】提問1.光信號是如何獲得的？2.光信號在光纖中是如何進行傳輸的？一、實驗原理光纖傳輸系統如圖一所示一般由三部分組成：光信號發送端；用于傳送光信號的光纖；光信號接收端。光信號發送端的功能是將待傳輸的電信號經電光轉換器件轉換為光信號，光纖的功能是將發送端光信號以盡可能小的衰減和失真傳送到光信號接收端，目前光纖一般采用在近紅外波段0.84μm、1.31μm、1.55μm有良好透過率的多模或單模石英光纖。光信號接收端的功能是將光信號經光電轉換器件還原為相應的電信號，光電轉換器件一般采用半導體光電二極管或雪崩光電二極管。組成光纖傳輸系統光源的發光波長必須與傳輸光纖呈現低損耗窗口的波段、光電檢測器件的峰值響應波段匹配。2．光信號發送端的工作原理系統采用的發光二極管的驅動和調制電路如圖二所示，信號調制采用光強度調制的方法，發送光強度調節電位器用以調節流過LED的靜態驅動電流，從而相應改變發光二極管的發射光功率。圖（二）3．光信號接收端的工作原理圖四是光信號接收端的工作原理圖，傳輸光纖把從發送端發出的光信號通過光纖藕合器將光信號藕合到光電轉換器件光電二極管，光電二極管把光信號轉變為與之成正比的電流信號，光電二極管使用時應反偏壓，經運放的電流電壓轉換把光電流信號轉換成與之成正比的電壓信號。光電二極管的頻響一般較高，系統的高頻響應主要取決于運放等的響應頻率。圖（三）4．傳輸光纖的工作原理目前用于光通訊的光纖一般采用石英光纖，它是在折射率n2較大的纖芯內部，覆上一層折射率n1較小的包層，光在纖芯與包層的界面上發生全發射而被限制在纖芯內傳播，如圖五所示。石英光纖的主要技術指標有衰減特性，數值孔經和色散等。圖（四）二、實驗儀器雙蹤示波器、光纖信號傳輸實驗儀三、實驗步驟1．光纖傳輸系統靜態電光/光電傳輸特性測定分別打開光發送端電源和光接收端電源，面板上兩個三位半數字表頭分別顯示發送光驅動強度和接收光強度。調節發送光強度電位器，每隔100單位（相當于改變發光管驅動電流1ma）分別記錄發送光驅動強度數據與接收光強度數據，在坐標紙上繪制靜態電光/光電傳輸特性曲線。2．光纖傳輸系統頻響的測定將在調制信號輸入接口上從信號發生器輸入正弦波，將雙蹤示波器的通道1和通道2分別接到輸入正弦信號和信號接收端，保持輸入信號的幅度不變，調節信號發生器頻率，記錄信號變化時輸出端信號幅度的變化，分別測定系統的底頻和高頻截止頻率。3．LED偏置電流與無失真最大信號調制幅度關系測定將從信號發生器輸入的正弦波頻率設定在1kHz，輸入信號幅度調節電位器置于最大位置，然后在LED偏置電流為5、10ma兩種情況下，調節信號源輸出幅度，使其從零開始增加，同時在接收端信號輸出處觀察波型變化，直到波型出現截止現象時，記錄下電壓波型的峰-峰值，由此確定LED在不同偏置電流下光功率的最大調制幅度。4．多種波型光纖傳輸實驗將輸入選擇開關打到“外”，在音頻信號輸入接口上分別從函數信號發生器輸入方波信號和三角波信號，將雙蹤示波器的通道1和通道2分別接到發送端示波器接口和接收端音頻信號輸出接口，保持輸入信號的幅度不變，調節函數信號發生器輸出頻率，從接收端通過示波器觀察輸出波形變化情況，記錄輸入信號頻率變化時輸出信號幅度的變化，分別測定系統的低頻和高頻截止頻率。在數字光纖傳輸系統中往往采用方波來傳輸數字信號。5．音頻信號光纖傳輸實驗將輸入選擇打到“內”，按下內音頻信號觸發按鈕，通過調節發送光強度電位器改變發送端LED的靜態偏置電流，收聽在接收端發出的語音片音樂聲，考察當LED的靜態偏置電流小于多少時，音頻傳輸信號產生明顯失真，分析原因，并同時通過示波器觀察分析語音信號波形變化情況。四、數據記錄光纖傳輸系統靜態電光/光電傳輸特性測定驅動電流（mA）024681012141618發送光強度接受光強度2.光纖傳輸系統頻響的測定(1)低頻截止頻率：f1(2)高頻截止頻率：f23.LED偏置電流與無失真最大信號調制幅度關系測定(1)LED偏置電流為5MA信號源輸出電壓波型的峰-峰值:VP-P(2)LED偏置電流為10MA信號源輸出電壓波型的峰-峰值:VP-P4．多種波型光纖傳輸實驗(1)函數信號發生器輸入方波信號低頻截止頻率：f1高頻截止頻率：f2(2)函數信號發生器輸入方波信號低頻截止頻率：f1高頻截止頻率：f25．音頻信號光纖傳輸實驗音頻傳輸信號產生明顯失真時，LED的靜態偏置電流：I=MA六、數據處理在坐標紙上繪制靜態電光/光電傳輸特性曲線。當LED的靜態偏置電流小于I時，音頻傳輸信號產生明顯失真，分析原因，并同時通過示波器觀察分析語音信號波形變化情況。五．思考題1．本實驗中LED偏置電流是如何影響信號傳輸質量？提示：當驅動電流較小時發光二極管的發射光功率與驅動電流基本上呈線性關系,因此驅動電流在0－20ma內，光信號越強，傳輸質量越高。2．本實驗中光傳輸系統那幾個環節引起光信號的衰減？提示：光信號的傳輸環節由于光纖的傳輸損耗會引起光信號的衰減，在光信號的發射端和接收端，光電二極管進行光電轉換時也會引起光信號的衰減。3．光傳輸系統中如何合理選擇光源與探測器？提示：組成光纖傳輸系統光源的發光波長必須與傳輸光纖呈現低損耗窗口的波段、光電檢測器件的峰值響應波段匹配。本實驗發送端電光轉換器件采用中心發光波長為0.84μm的高亮度近紅外半導體發光二極管，傳輸光纖采用多模石英光纖，接收端光電轉換器件采用峰值響應波長為0.8～0.9μm的硅光電二極管。4．光電二極管在工作時應正偏壓還是負偏壓，為什么？