光纤通信实验教案

光 纤 通 信 实 验

[目的要求]

1. 熟悉半导体电光/光电器件的基本性能及基本特性曲线的测试方法

2．了解音频信号光纤传输系统的结构及主要部件的选配原则

3．学习分析集成运放电路的基本方法

4．训练音频信号光纤传输系统的调试技术

[仪器设备]

1．YOF —B 型音频信号光纤传输技术实验仪；

2．示波器。

[实验原理]

一．系统的组成

图1示出了一个音频信号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、I —V 变换及功放电路组成的光信号接收器三个部分。光源器件LED 的发光中心波长

必须在传输光纤呈现低损耗的0.85μｍ、1.3μｍ或1.5μｍ附近，本实验采用中心波长0.85μｍ附近的GaAs 半导体发光二极管作光源器件、峰值响应波长为0.8～

0.9μｍ的硅光二极管（SPD ）作光电检测元件。为了避免或减少谐波失真，要求整个传输系统的频带宽度能够覆盖被传信号的频谱范围，对于语音信号，其频谱在300～3400Hz 的范围内。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。

二、光导纤维的结构及传光原理

衡量光导纤维性能好坏有两个重要指标：一是看它传输信息的距离能有多远，二是看它携带信息的容量能有多大，前者决定于光纤的损耗特性，后者决定于基带频率特性。

经过人们对光纤材料的提纯，目前已使光纤的损耗容易做到1dB/Km以下。光纤的损耗与工作波长有关，所以在工作波长的选用上，应尽量选用低损耗的工作波长，光纤通讯最早是用短波长0.85μｍ，近来发展至用1.3～1.55μｍ范围的波长，因为在这一波长范围内光纤不仅损耗低，而且“色散”也小。

光纤的基带频率特性主要决定于光纤的模式性质、材料色散和波导色散。 光纤按其模式性质通常可以分成两大类：（1）单模光纤；（2）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5～10μｍ，在一定条件下，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50μｍ或62.5μｍ，允许多种电磁场形态的光波传播；以上两种光纤的包层直径均为125μｍ。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，但纤芯折射率n 1略大于包层折射率n 2。所以对于阶跃型多模光纤，可用几何光学的全反射理论解释它的导光原理。在渐变型光纤中，纤芯折射率随离开光纤轴线距离的增加而逐渐减小，直到在纤芯—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[1]分析可知：经光源耦合到渐变型光纤中的某些光射线，在纤芯内是沿周期性地弯向光纤轴线的曲线传播。

三、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。所以不是所有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（LED ）和半导体激光二极管（LD ）。本实验采用LED 作光源器件。

本实验采用的HFBR-1424型半导体发光二极管的正向伏安特性如图 2（a ）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1.6V 左右。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，如图 2（b ）示。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对应的电流值，而调制电流的峰—峰值应尽可能大地处于这一电光特性的线性范围内。

从图 2所示的LED 伏安特性和电光特性可知，在发送端输入同样幅度的电信号情况下，由于LED 偏置状态不同，LED 输出的光信号幅度也不同。所以，正确选择LED 偏置电流是设计音频信号光纤传输系统中必须考虑的问题。

音频信号光纤传输系统发送端LED 的驱动和调制电路如）图（6）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—40mA 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BG1基极，对LED 的工作电流进行调制，从而使LED 发送光 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 2 HFRB-1424型LED 的正向伏安特性和电光特性

图3 LED的驱动和调制电路

四．半导体光电二极管的结构、工作原理及特性

半导体光电二极管与普通的半导体二极管一样，都具体一个p-n 结, 光电二极管在外形结构方面有它自身的特点，这主要表现在光电二极管的管壳上有一个能让光线射入其光敏区的窗口、此外，与普通二极管不同，它经常工作在反向偏 置电压状态（如图4a 所示）或无偏压状态（如图4b 所示）。在反偏电压p-结的空间电荷区的势垒增高、宽度加大、结电阻增加、结电容减小，所有这些均有利于提高光电二极管的高频响应性能。无光照时，反向偏置的p-n 结只有很小的反向漏电流，称为暗电流。当有光子能量大于p-n 结材料的带隙宽度E g 的光波照射到光电二极管的管芯时，p-n 结各区域中的价电子吸收光能后将挣脱价键的束缚而成为自由电子，与此同时也产生一个自由空穴，这些由光照产生的自由电子—空穴对统称为光生载流子。在远离空间电荷区（亦称耗尽区）的p 区和n

图4 光电二极管的结构及工作方式

区内，电场强度很弱，光生载流子只有扩散运动，它们在向空间电荷区扩散的途中因复合而被消失掉，故不能形成光电流。形成光电流的主要靠空间电荷区的光

生载流子，因为在空间电荷区内电场很强，在此强电场作用下，光生电子—空穴对将以很高的速度分别向n 区和p 区运动，并很快越过这些区域到达电极沿外电路闭合形成光电流，光电流的方向是从二极管的负极流向它的正极，并且在无偏压短路的情况下与入射的光功率成正比，因此在光电二极管的p-n 结中，增加空间电荷区的宽度对提高光电转换效率有着密切关系。为此目的，若在p-n 结的p 区和n 区之间再加一层杂质浓度很低以致可近似为本征半导体（用i 表示）的i 层，就形成了具有p-i-n 三层结构的半导体光电二极管，简称PIN 光电二极管, PIN光电二极管的p-n 结除具有较宽空间电荷区外，还具有很大的结电阻和很小的结电容，这些特点使PIN 管在光电转换效率和高频响应特性方面与普通光电二极管相比均得到了很大改善。根据文献，光电二极管的伏—安特性可用下式表示：

I = I0〔1—e x p（q v / k T）〕+ IL （6）

其中I 0是无光照的反向饱和电流，V 是二极管的端电压（正向电压为正，反向电

压为负），q 为电子电荷，k 为波耳兹曼常数，T 是结温，单位为K ，I L 是无偏压

状态下光照时的短路电流，它与光照时的光功率成正比。（6）式中的I o 和I L 均是反向电流，即从光电二极管负极流向正极的电流。根据（6）式，光电二极管的伏安特性曲线如图5所示，对应图4a 所示反偏工作状态，光电二极管的工作点由负载线与第三象限的伏安特性曲线交点确定。由图5所示可以看出：

图5 光电二极管的伏安特性曲线及工作点的确定

1. 光电二极管既使在无偏压的工作状态下，也有反向电流流过，这与普通二极管只具有单向导电性相比有着本质的差别，认识和熟悉光电二极管的这一特点对于在光电转换技术中正确使用光电器件具有十分重要意义；

2. 反向偏压工作状态下，在外加电压E 和负载电阻R L 的很大变化范围内，光电流与入照的光功率均具有较好的线性关系；无偏压工作状态下，只有R L 较小时光电流才与入照光功率成正比，R L 增大时，光电流与光功率呈非线性关系；无偏压短路状态下，短路电流与入照光功率具有很好的线性关系, 这一关系称为

光电二极管的光电特性，这一特性在I —P 坐标系中的斜率：

R≡△I / △P （μA/μW） （7）

定义为光电二极管的响应度，它是表征光电二极管光电转换效率的重要参数。光电二极管的响应度R 值与入照光波的波长有关。本实验中采用的硅光电二极管，其光谱响应波长在0.4～1.1μｍ之间、峰值响应波长在0.8～0.9μｍ范围内。在峰值响应波长下，响应度R 的典型值在0.25～0.5μA /μW的范围内。

3. 在光电二极管处于开路状态情况下，光照时产生的光生载流子不能形成闭合光电流，它们只能在p-n 结空间电荷区的内电场作用下，分别堆积在p-n 结空间电荷区两侧的n 层和p 层内，产生外电场，此时光电二极管表现出有一定的开路电压。不同光照情况下的开路电压就是图5示伏安特性曲线与横坐标轴交点所对应的电压值。由图5可见, 光电二极管开路电压与入照光功率也是呈非线性关系。

4. 反向偏压状态下的光电二极管，由于在很大的动态范围内其光电流与偏压和负载电阻几乎无关，故在入照光功率一定时可视为一个恒流源；而在无偏压工作状态下光电二极管的光电流随负载电阻变化很大，此时它不具有恒流源性质，只起光电池作用。

[实验仪器]

本实验使用的仪器是为YOF-B 型音频信号光纤传输技术实验仪它由以下三部分组成：

一、YOF-B 型音频信号光纤传输技术实验仪（发送器）

二、YOF-B 型音频信号光纤传输技术实验仪（接收器）

三、含光源器件LED 和SPD 光电探头的光纤信道

各部分的布局分别由图6、图7和图8所示。

图6. YOF-B型音频信号光纤传输技术实验仪（发送器）前面板布局

图7. YOF-B型音频信号光纤传输技术实验仪（接收器）前面板布

图8 光纤信道

[实验内容]

一、LED 电光特性的测定

该项实验只需发送器、光纤信道，连接如图9示。

图9 LED 电光特性的测定

操作与测定：

把发送器面板上“调制切换”开关拨至“语音”一侧。调节“偏流调节”电位器使直流毫安表的读数为零。在此情况下光功率计的指示应为零，若不为零，记下这一读数，以后在数据处理时作为零点扣除。

然后继续调节“偏流调节”电位器使直流毫安表的指示从零开始增加，每增加4mA 读取一次光功率指示器的读数，直到直流毫安表的指示超过40mA 为止。以LED 的电流为自变数，光功率为因变数把实验测试数据记录在表1.2中，根据实验数据绘制LED 的电光特性。

表1．2 LED 电光特性测定实验数据记录

二、SPD 反向伏安特性的测定

测量方法及原理

测定光电二极管反向伏安特性的电路如图10所示。其中LED 是发光中心波长与被测光电二极管的峰值响应波长很接近的GaAs 半导体发光二极管，在这里

图10 光电二极管反向伏安特性的测定

它作光源使用，其光功率由光导纤维输出。由IC1为主构成的电路是一个电流— 电压变换电路，它的作用是把流过光电二极管的光电流I 转换成由IC1输出端C 点的输出电压V o ，它与光电流成正比。整个测试电路的工作原理依据如下：由于IC1的反相输入端具有很大的输入阻抗，光电二极管受光照时产生的光电流几乎全部流过R f 并在其上产生电压降V c b =R f I 。另外，又因IC1具有很高的开环电压增益，反相输入端具有与同相输入端相同的地电位，故IC1的输出电压 V o =I Rf （8）

已知R f 后，就可根据上式由V o 计算出相应的光电流I 。

进行这项实验时需用发送器、接收器和数字万用表。三者的连接如图11所示。

图11 SPD 反向伏安特性的测定

1、 用两端均为单声道插头的电缆连接线把光纤信道内的光源器件LED 接入

发送器前面板的“LED 插孔”中；

2、 把SPD 光电探头一端插入光纤信道出光端的插座内，另一端的两个红、黑

香蕉插头插入接收器的” SPD”香蕉插孔内，红黑对应；

3、 用具有香蕉插头的导线，把接收器面板上I-V 变换电路的输出端接至接收

器面板上直流电压表的“电压输入”插孔。

说明：图中R f 电阻的阻值为100K Ω。电压测量请勿接到功放输出。

操作与测定：

1、 调节发送器面板上的“偏流调节”使直流毫安表的读数为零。并把光纤信

道的SPD 探头先接入发送器面板上光功率指示器“SPD 插孔”内，记录光功率指示器的初始值。

2、 把光纤信道的SPD 探头改接到接收器面板上I-V 变换电路的SPD 插孔内，

调节接收器面板上“W1调节”电位器，使指示SPD 反压的电压表读数从零开始增加，每增加1V 读取和记录一次接收器面板上右侧的数字电压表的读数，直到SPD 的反压为8V 止。

3、 反复以上两项测量。每反复一次测量，都需调节发送器面板上“偏流调节”

电位器，使光功率指示器的读数在原有基础上增加8μW ，直到光功率指示器的读数为40μW 止。数据记录到表1.3中。

4、 根据测量数据在同一坐标系中，绘制不同光功率下SPD 的反向伏安特性

曲线。计算零偏压下，SPD 的响应度R 值。

表1.3 SPD 反向伏安特性测定实验数据记录

三 、音频信号光纤传输系统无非线性失真的最大光信号幅度的测定。

联 接：除需增加一台示波器连接外，其余如图11示相同。

预备工作：检查和调节发送器内的正弦信号源

把发送器面板上“调制切换”开关拨至“Sin ”一侧；

把双踪示波器的一个通道接至发送器前面板调制放大器的输出端。左右旋转发送器面板上“输入衰减”电位器，观察示波器上有无1KHz 左右的正弦信号及其幅度变化的情况出现。若示波器上有波形并在转动“输入衰减”电位器时其幅度也有变化，表示发送器内正弦信号源有输出。如果示波器上无波形出现、或者虽有波形但相对正弦波具有严重畸变，在此情况下，就需用平口小螺丝刀调节发送器后面板的半可调电位器，使示波器显示的波形为幅度稳定的正弦波。 测 定：

1、按图11接好实验系统后，把示波器接至接收器I-V 变换电路输出端插孔；

2、把发送器面板上的“输入衰减”电位器沿反时针方向转至极限位置，使调制

信号的幅度为零。

3、调节发送器面板上“偏流调节”电位器，使LED 的偏置电流最初为15mA ，

然后调节“输入衰减”电位器，使调制信号幅度从0开始慢慢增加直到光信号出现非线性失真（用示波器观测，当波形不对称时，判定为失真 ）为止。记录下示波器上与LED 这一偏置电流所对应的无非线性失真最大光信号幅度。

3、重复以上操作，测定偏置电流为30mA 时，无非线性失真最大光信号幅度。 说明：要求记录此时发射机的输入信号峰峰值，和接收机输出信号的峰峰值。

四、传输语音信号

连 接

在图11示联接的基础上，把发送器面板上“调制切换”开关拨至“语音”一侧。用另一条电缆联接线（一头为双声道插头，另一头为单声道插头）把外接语音信号源（单放机或其它音源设备）接入实验系统，电缆线双声道一头接单放机，单声道一头接发送器前面板的“语音输入”插孔，而随本实验仪配备的耳塞插入接收器前面板上标有喇叭图标下方的耳塞插孔中。

操 作：

实验时把示波器接到接收器前面板I —V 变换电路输出端的插孔处，调节发送器面板上“偏流调节”电位器，使LED 偏置电流分别为5mA 和30mA ；调节SPD 探测器反向电压为0V 和4V 。在这四种状态下，进行语音信号传输，写出实验现象并进行分析。

【思考题】

1 利用SPD 、I —V 变换电路和数字毫伏表，设计一个量程为200μW光功率计。

2．如何测定图5示SPD 第四象限的正向伏安特性曲线？

3. 在LED 偏置电流一定情况下, 当调制信号幅度较小时，指示LED 偏置电流的毫安表读数与调制信号幅度无关，当调制信号幅度增加到某一程度后，毫安表读数将随着调制信号的幅度而变化，为什么﹖

4. 若传输光纤对于本实验所采用LED 的中心波长的损耗系数（**）〆≤1dB,根据实验数据估算本实验系统的传输距离还能延伸多远？

（**）：光纤损耗系数〆的定义为：〆=10 lg（P in /Pout ）/ L（db/Km）其中 P in ——光纤输入率；P out ——光纤输出光功率；L ——光纤长度

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