實(shí)驗(yàn)一音頻信號(hào)光纖傳輸技術(shù)實(shí)驗(yàn)

1、音頻信號(hào)光纖傳輸技術(shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?.2.3.4. 熟悉半導(dǎo)體電光/光電器件的基本性能。 了解音頻信號(hào)光纖傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)。 學(xué)習(xí)分析集成運(yùn)放電路的基本方法。 了解音頻信號(hào)在光纖通信的基本結(jié)構(gòu)和原理儀器設(shè)備1.2.3.4.5.6.7. ZY120FCom13BG3型光纖通信原理實(shí)驗(yàn)箱。 20MHz 雙蹤模擬示波器。 FC/PC-FC/PC 單模光跳線 數(shù)字萬用表。 850nm 光發(fā)端機(jī)和光收端機(jī) 連接導(dǎo)線 電話機(jī)實(shí)驗(yàn)原理一 半導(dǎo)體發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)、工作原理、特性及驅(qū)動(dòng)、調(diào)制電路光纖通訊系統(tǒng)中，對(duì)光源器件在發(fā)光波長(zhǎng)、電光效率、工作壽命、光譜寬度和調(diào)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

2、勝任光纖通訊任務(wù)，目前在以上各個(gè)方面都能較好滿足要求的光源器件主要有半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED ）、半導(dǎo)體激光二極管（LD ），本實(shí)驗(yàn)采用LED 作光源器件。 圖1 半導(dǎo)體發(fā)光二極管及工作原理光纖傳輸系統(tǒng)中常用的半導(dǎo)體發(fā)光二極管是一個(gè)如圖所示的N-P-P 三層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，中間層通常是由GaAs （砷化鎵）p 型半導(dǎo)體材料組成，稱有源層，其帶隙寬度較窄，兩側(cè)分別由GaAlAs 的N 型和P 型半導(dǎo)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(dǎo)體單晶之間的結(jié)構(gòu)稱為異結(jié)。在圖（1）中，有源層與左側(cè)的N 層之間形成的是p-N 異質(zhì)結(jié)，而與右側(cè)P 層之間形成的是p-P 異

3、質(zhì)結(jié)，故這種結(jié)構(gòu)又稱N-p-P 雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)。當(dāng)給這種結(jié)構(gòu)加上正向偏壓時(shí)，就能使N 層向有源層注入導(dǎo)電電子，這些導(dǎo)電電子一旦進(jìn)入有源層后，因受到右邊p-P 異質(zhì)結(jié)的阻擋作用不能再進(jìn)入右側(cè)的P 層，它們只能被限制在有源層與空穴復(fù)合，導(dǎo)電電子在有源層與空穴復(fù)合的過程中，其中有不少電子要釋放出能量滿足以下關(guān)系的光子：h = E 1-E 2 = Eg其中h 上普朗克常數(shù)，是光波的頻率，E 1是有源層內(nèi)導(dǎo)電電子的能量，E 2是導(dǎo)電電子與空穴復(fù)合處于價(jià)健束縛狀態(tài)時(shí)的能量。兩者的差值 E g 與DH 結(jié)構(gòu)中各層材料及其組份的選取等多種因素有關(guān)，制做LED 時(shí)只要這些選取和組份的控制適當(dāng)，就可便得LED 發(fā)光中

4、心波長(zhǎng)與傳輸光纖低損耗波長(zhǎng)一致。 圖2 HFRB-1424型LED 的正向伏安特性本實(shí)驗(yàn)采用HFBR-1424型半導(dǎo)體發(fā)光二極管的正向特性如圖2所示與普通的二極管相比，在正向電壓大于1V 以后，才開始導(dǎo)通，在正常使用情況下，正向壓降為1.5V 左右。半導(dǎo)體發(fā)光二極管輸出的光功率與其驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系稱LED 的電光特性。為了使傳輸系統(tǒng)的發(fā)送端能夠產(chǎn)生一個(gè)無非線性失真、而峰-峰值又最大的光信號(hào)，使用LED 時(shí)應(yīng)先給它一個(gè)適當(dāng)?shù)钠秒娏?，其值等于這一特性曲線線性部分中點(diǎn)電流值，而調(diào)制電流的峰-峰值應(yīng)盡可能大地處于這電光特性的線性范圍內(nèi)。音頻信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)發(fā)送端LED 的驅(qū)動(dòng)和調(diào)制電路如圖3示，以BG

5、1為主構(gòu)成的電路是LED 的驅(qū)動(dòng)電路，調(diào)節(jié)這一電路中的W2可使LED 的偏置電流在0-50mA 的范圍內(nèi)變化。被傳音頻信號(hào)由IC1為主構(gòu)成的音頻放大電路放大后經(jīng)電容器C4耦合到基極，對(duì)LED 原工作電流進(jìn)行調(diào)制，從而使LED 發(fā)送出光強(qiáng)隨音頻信號(hào)變化的光信號(hào)，并經(jīng)光導(dǎo)纖維把這一信號(hào)傳至接收端。 根據(jù)理想運(yùn)放電路開環(huán)電壓增益大（可近似為無限大）、同相和反相輸入阻抗大（也可近似為無限大）和虛地等三個(gè)基本性質(zhì)，可以推導(dǎo)出圖6所示音頻廣大閉環(huán)增益為：G(j = v0/v1 = 1+Z2/Z1其中Z 1、Z 2分別為放大器反饋?zhàn)杩购头聪噍斎攵说慕拥刈杩?，只要C 3選得足夠小，C 2選得足夠大，則在要求帶

6、寬的中頻范圍內(nèi)，C 3 阻抗很大，它所在支路可視為開路，而C 2的阻抗很小，它可視為短路。在此情況下，放大電路的閉環(huán)增益G （j ）=1+ R2/R1。C 3 的大小決定了高頻端的截止頻率f 2, 而C 2的值決定著低頻端的截止頻率f 1。故該電路中的R 1、 R 2、R 3和C 2、C 3是決定音頻放大電路增益和帶寬的幾個(gè)重要參數(shù)。二 光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)及傳光原理光纖按其模式性質(zhì)通?？梢苑殖蓛纱箢悊文９饫w多模光纖。無論單?；蚨嗄９饫w，其結(jié)構(gòu)均由纖芯和包層兩部分組成。纖芯的折射率較包層折射率大，對(duì)于單模光纖，纖芯直徑只有510m ，在一定的條件下，只允許一種電磁場(chǎng)形態(tài)的光波在纖芯內(nèi)傳播，多模光纖的

7、纖芯直徑為50m 或62.5m ，允許多種電磁場(chǎng)形態(tài)的光波傳播；以上兩種光纖的包層直徑均為125m 。按其折射率沿光纖截面的徑向分布狀況又分成階躍型和漸變型兩種光纖，對(duì)于階躍型光纖，在纖芯和包層中折射率均為常數(shù)，但纖芯一包層界面處減到某一值后，在包層的范圍內(nèi)折射率保持這一值不變，根據(jù)光射線在非均勻介質(zhì)中的傳播理論分析可知：經(jīng)光源耦合到漸變型光纖中的某些光射線，在纖芯內(nèi)是沿周期性地彎向光纖軸線的曲線傳播。本實(shí)驗(yàn)采用階躍型多模光纖作為信道，現(xiàn)應(yīng)用幾何光學(xué)理論進(jìn)一步說明這種光纖的傳光原理。階躍型多模光纖結(jié)構(gòu)如圖所示，它由纖芯和包層兩部分組成，芯子的半徑為a ，折射率為n 1，包層的外徑為b ，折射率

8、為n 2, 且n 1>n 2。 圖4 階型多模光纖的結(jié)構(gòu)示意圖當(dāng)一光束投射到光纖端面時(shí)，進(jìn)入光纖內(nèi)部的光射線在光纖入射端面處的入射面包含光纖軸線的稱為子午射線，這類射線在光纖內(nèi)部了行徑，是一條與光纖軸線相交、呈“Z ”字型前進(jìn)的平面折線；若藉合到光纖內(nèi)部的光射線在光纖入射端面處的入射面不包含光纖軸線，稱為偏射線，偏射線在光纖內(nèi)部不與光纖軸線相交；其行徑是一條空間折線。三 系統(tǒng)的組成圖（5）示給出了一個(gè)音頻信號(hào)直接光強(qiáng)調(diào)制光纖傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖，它主要包括由LED 及其調(diào)制、驅(qū)動(dòng)電路組成的光信號(hào)發(fā)送器、傳輸光纖和由光電轉(zhuǎn)換、I V 變換及功放電路組成的光信號(hào)接收器的三個(gè)部分。圖5 音頻信

9、號(hào)光纖傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖本實(shí)驗(yàn)采用中心波長(zhǎng)0.85m 附近的GaAs 半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED ）作光源、峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為0.80.9m 的硅光二極管（SPD ）作光電檢測(cè)元件。由于光導(dǎo)纖維對(duì)光信號(hào)具有很寬的頻帶，故在音頻范圍內(nèi)，整個(gè)系統(tǒng)的頻帶寬度主要決定于發(fā)送端調(diào)制放大電路和接收端功放電路的幅頻特性。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一 音頻信號(hào)光纖傳輸實(shí)驗(yàn)1、連接導(dǎo)線：模擬信號(hào)源模塊T303與光發(fā)模塊T111連接。2、用FC-FC 光纖跳線1310nm 光發(fā)端機(jī)（1310nmT ）與1310nm 光收端機(jī)（1310nmR ）連接起來。3、將撥碼開關(guān)BM1,BM2和BM3分別撥至模擬，1310nm 和1310nm 。K

10、121撥下。4、接上交流電源，先開交流開關(guān)，再看直流開關(guān)K01，K02，五個(gè)發(fā)光管全亮5、打開模擬信號(hào)源模塊（K60）、光發(fā)模塊（K10）的直流電源。6、調(diào)節(jié)模擬信號(hào)源模塊的電位器W306，使TP303波形幅度為2V.7、用萬用表監(jiān)控R110兩端的電壓（紅色插T103，黑色插T104）調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電流（W112），使之小于25mA8、調(diào)節(jié)電位器W111，W112和W121，使得TP121處波形的幅度為2V 且無明顯失真，用示波器觀察TP111，TP112，TP121波形，觀察模擬信號(hào)的光纖調(diào)制過程9、將T303換成T302（三角波）或T301（方波），觀察各測(cè)試點(diǎn)的波形效果。10、拆除

11、T111連接導(dǎo)線，音頻線將電腦語音輸出端與實(shí)驗(yàn)箱的外語音輸入端（T252）連接，T252與T111連接，T121與T261連接，并使電腦播放音樂。11、打開語音信號(hào)處理模塊電源開關(guān)，調(diào)節(jié)音量（W261），判斷光纖傳輸音樂信號(hào)的效果（用示波器觀察測(cè)試點(diǎn)波形）。12、依次關(guān)閉直流電源、交流電源，拆除導(dǎo)線，拆除各光學(xué)器件，將實(shí)驗(yàn) 箱放好。二 模擬電話光纖傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)1、調(diào)節(jié)電位器，使1310nm 光纖通信系統(tǒng)能夠正常傳輸模擬信號(hào)。2、連接導(dǎo)線：電話用戶模塊T401與光發(fā)模塊T111連接，T412與T121連接，T402與T4111連接，并在電話甲、和電話已口上分別接上電話機(jī)。3、用FC-FC 光纖跳

12、線1310nm 光發(fā)端機(jī)（1310nmT ）與1310nm 光收端機(jī)（1310nmR ）連接起來。4、將撥碼開關(guān)BM1,BM2和BM3分別撥至模擬，1310nm 和1310nm 。K121撥下。5、接上交流電源，先開交流開關(guān)，再看直流開關(guān)K01，K02，五個(gè)發(fā)光管全亮6、打開電話用戶接口模塊（K40，K41）和光發(fā)模塊（K10）的直流電源。7、用萬用表監(jiān)控R110兩端的電壓（紅色插T103，黑色插T104）調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電流（W112），使之小于25mA8、摘機(jī)進(jìn)行倆個(gè)人通話實(shí)驗(yàn)，用示波器測(cè)試并比較TP401，TP402的波形（由于話音信號(hào)的波形比較復(fù)雜，所以可以選用雙音多頻信號(hào)的按鍵音來觀察