實(shí)驗(yàn)三十七 光纖傳輸技術(shù)實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)三十七 光纖傳輸技術(shù)實(shí)驗(yàn)光纖通信技術(shù)是現(xiàn)代通信技術(shù)的主要支柱之一，具有通信容量大、傳輸質(zhì)量高、頻帶寬、保密性能好、抗電磁干擾性強(qiáng)、重量輕、體積小的優(yōu)點(diǎn)。1966年，華裔學(xué)者高錕博士依據(jù)介質(zhì)波導(dǎo)理論，首次提出光導(dǎo)纖維可以作為光通信的理論。1976年，美國(guó)亞特蘭大的貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功世界上第一條光纖通信系統(tǒng)。此后，長(zhǎng)達(dá)8300km橫跨太平洋以及6300km橫跨大西洋的海底光纜線(xiàn)路，先后建成并投入使用。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解音頻信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及選配各主要部件的原則。2. 熟悉半導(dǎo)體電光/光電器件的基本性能及主要特性的測(cè)試方法。3. 學(xué)習(xí)分析音頻信號(hào)集成運(yùn)放電路的基本方法。4. 訓(xùn)練音頻信號(hào)光

2、纖傳輸系統(tǒng)的調(diào)試技能。實(shí)驗(yàn)儀器YOF-A型音頻信號(hào)光纖傳輸技術(shù)實(shí)驗(yàn)儀，DOP-A型光功率儀，音頻信號(hào)發(fā)生器，雙蹤示波器，數(shù)字萬(wàn)用表。實(shí)驗(yàn)原理一、系統(tǒng)的組成圖5-37-1所示為音頻信號(hào)直接光強(qiáng)調(diào)制光纖傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖，它主要包括半導(dǎo)體發(fā)光二級(jí)管LED及其調(diào)制、驅(qū)動(dòng)電路組成的光信號(hào)發(fā)送器，傳輸光纖和由光電二級(jí)管、I/V轉(zhuǎn)換電路和功放電路組成的光信號(hào)接受器三個(gè)部分。組成該系統(tǒng)時(shí)，光源LED的發(fā)光中心波長(zhǎng)必須在傳輸光纖呈現(xiàn)低損耗的0.85m、1.3m或1.6m附近，光電檢測(cè)器件的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)也應(yīng)與此接近。本實(shí)驗(yàn)采用發(fā)光中心波長(zhǎng)為0.85m的GaAs半導(dǎo)體發(fā)光二級(jí)管作光源，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為0.80.9

3、m的硅光電二級(jí)管（SPD）作光電檢測(cè)元件圖 5-37-1音頻信號(hào)直接光強(qiáng)調(diào)制光纖傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖為了避免或減少諧波失真，要求整個(gè)傳輸系統(tǒng)的頻帶寬度要能覆蓋被傳信號(hào)的頻譜范圍；對(duì)于語(yǔ)音信號(hào)，其頻譜在3003400Hz的范圍內(nèi)。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。二、半導(dǎo)體發(fā)光二級(jí)管結(jié)構(gòu)及工作原理光纖通訊系統(tǒng)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(wù)，目前在以上各個(gè)方面都能較好滿(mǎn)足要求的光源器件主要有半導(dǎo)體發(fā)光二級(jí)管（LED）和半

4、導(dǎo)體激光器（LD）。光纖傳輸系統(tǒng)中常用的半導(dǎo)體發(fā)光二級(jí)管是一個(gè)如圖5-37-2所示的N-p-P三層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，中間層通常是由直接帶隙的GaAs（砷化鎵）p型半導(dǎo)體材料組成，稱(chēng)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(chēng)為異質(zhì)結(jié)，在圖5-37-2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異質(zhì)結(jié)，故這種結(jié)構(gòu)又稱(chēng)N-p-P雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱(chēng)DH結(jié)構(gòu)。當(dāng)給這種結(jié)構(gòu)加上正向偏壓時(shí)，就能使圖5-37-2 半導(dǎo)體發(fā)光二級(jí)管的結(jié)構(gòu)及工作原理N層向有源層注入導(dǎo)電電

5、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內(nèi)與空穴復(fù)合。導(dǎo)電電子在有源層與空穴復(fù)合的過(guò)程中，其中有不少電子要釋放出能量滿(mǎn)足以下關(guān)系的光子： (5-37-1)其中h是普朗克常量，是光波的頻率，是有源層內(nèi)導(dǎo)電電子的能量，是導(dǎo)電電子與空穴復(fù)合后處于價(jià)鍵束縛狀態(tài)時(shí)的能量。兩者的差值E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)，制作LED時(shí)只要這些材料的選取和組份的控制適當(dāng)，就可使得LED的發(fā)光中心波長(zhǎng)與傳輸光纖的低損耗波長(zhǎng)一致。光纖傳輸系統(tǒng)中使用的半導(dǎo)體發(fā)光二級(jí)管的光功率是經(jīng)稱(chēng)為尾纖的光導(dǎo)纖維輸出的，出纖光功率與LED驅(qū)動(dòng)電流的

6、關(guān)系稱(chēng)為L(zhǎng)ED的電光特性，為了避免和減少非線(xiàn)性失真，使用時(shí)應(yīng)先給LED一個(gè)適當(dāng)?shù)钠秒娏鱅，其值等于這一特性曲線(xiàn)線(xiàn)性部分中點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流值。而調(diào)制信號(hào)的峰峰值應(yīng)位于電光特性的直線(xiàn)范圍內(nèi)。對(duì)于非線(xiàn)性失真要求不高的情況下，也可把偏置電流選為L(zhǎng)ED最大允許工作電流的一半，這樣可使LED獲得無(wú)截止畸變幅度最大的調(diào)制，這有利于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸。三、LED的驅(qū)動(dòng)及調(diào)制電路圖5-37-3 LED的驅(qū)動(dòng)和調(diào)制電路音頻信號(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5-37-3所示，以BG1為主構(gòu)成的電路是LED的驅(qū)動(dòng)的電路，調(diào)節(jié)這一電路中的可使LED的偏置電流在050mA的范圍變化。被傳音頻信號(hào)由以IC1為主構(gòu)

7、成的音頻放大電路放大后經(jīng)電容器耦合到BG1的基極，對(duì)LED的工作電流進(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)傳至接受端。根據(jù)運(yùn)放電路理論，圖5-37-3中音頻放大電路的閉環(huán)增益為 (5-37-2)其中、分別為放大器反饋?zhàn)杩购头聪噍斎攵说慕拥刈杩梗灰x得足夠小， 選得足夠大，則在要求帶寬的中頻范圍內(nèi)，的阻抗很大，它所在支路可視為開(kāi)路，而的阻抗很小，它可視為短路。在此情況下，放大電路的閉環(huán)增益，的大小決定了高頻端的截止頻率，而的值決定著低頻端的截止頻率。故該電路中的、和是決定音頻放大電路增益和帶寬的幾個(gè)重要參數(shù)。四、光信號(hào)接受器圖5-37-4是光信號(hào)接受器的

8、電路原理圖，其中SPD是峰值響應(yīng)波長(zhǎng)與發(fā)送端LED光源發(fā)光中心波長(zhǎng)很接近的硅光電二級(jí)管，它的波長(zhǎng)峰值響應(yīng)度為0.250.5。SPD的任務(wù)是把傳輸光纖出射端輸出的光信號(hào)的光功率轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之成正比的光電流I。然后經(jīng)IC1組成的I/V轉(zhuǎn)換電路，再把光電流轉(zhuǎn)換成電壓輸出，與之間具有以下比例關(guān)系： （5-37-3）圖5-37-4 光信號(hào)接受器的電路原理圖以IC2（LA4102）為主構(gòu)成的是一個(gè)音頻功放電路，該電路的電阻元件（包括反饋電阻在內(nèi)）均集成在芯片內(nèi)部，只要調(diào)節(jié)外接的電位器，可改變功放電路的電壓增益，功放電路的電容的大小決定著該電路的下限截止頻率。有關(guān)集成芯片LA4102的結(jié)構(gòu)及出腳功能見(jiàn)文獻(xiàn)1。實(shí)

9、驗(yàn)內(nèi)容一、光信號(hào)的調(diào)制與發(fā)送實(shí)驗(yàn)1. LED-傳輸光纖組件電光特性的測(cè)定圖5-37-5 LED傳輸光纖組件電光特性的測(cè)定測(cè)試電路如圖5-37-5所示，該電路除光功率計(jì)、LED及傳輸光纖外，其他元件均安裝在YOF-A型音頻信號(hào)光纖傳輸技術(shù)實(shí)驗(yàn)儀的光信號(hào)發(fā)送器內(nèi)，測(cè)量前應(yīng)把傳輸光纖的尾端輕輕地插入光功率計(jì)的光電探頭內(nèi)，并小心調(diào)整其位置使之與光功率計(jì)光電探頭間的光耦合最佳，然后調(diào)節(jié)（對(duì)應(yīng)著發(fā)送器前面板上的“偏流調(diào)節(jié)”旋鈕）使毫安表指示從0逐漸增加，每增加10mA讀取一次光功率計(jì)示值,直到100mA為止。根據(jù)測(cè)量結(jié)果描繪LED-傳輸光纖組件的電光特性曲線(xiàn)，并確定出其線(xiàn)性度較好的線(xiàn)段。2. LED偏置電

10、流和無(wú)截止畸變的關(guān)系的測(cè)定在圖5-37-3中，用音頻信號(hào)發(fā)生器作信號(hào)源，并把其頻率調(diào)為1kHz，把雙蹤示波器的一條輸入通道跨接在兩端，然后在LED偏置電流為0、10mA、20mA、30mA、40mA和50mA的各種情況下，調(diào)節(jié)信號(hào)源輸出幅度，用示波器觀測(cè)光訊號(hào)無(wú)截止畸變的最大調(diào)制幅度。3. 光信號(hào)發(fā)送器調(diào)制放大電路幅頻特性的測(cè)定參看圖5-37-3，在保持調(diào)制放大器輸入端信號(hào)不變（比如20mV）的情況下，在20Hz20kHz的范圍內(nèi)改變信號(hào)源頻率，用雙蹤示波器觀測(cè)放大器輸入和輸出端波形的峰-峰值。由觀測(cè)結(jié)果繪出幅頻特性曲線(xiàn)，確定出帶寬和增益并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。二、光信號(hào)的接受實(shí)驗(yàn)1. 硅光

11、電二級(jí)管光電特性及響應(yīng)度的測(cè)定圖5-37-6 硅光電二級(jí)管光電特性的測(cè)定測(cè)定電路如圖5-37-6所示，測(cè)量前先進(jìn)行LED尾纖與SPD光敏面最佳耦合狀態(tài)的調(diào)節(jié)，然后調(diào)節(jié)LED驅(qū)動(dòng)電路中的，使LED的偏置電流從0到100mA范圍內(nèi)逐漸增加，每增加10mA，讀取一次由IC1組成電流-電壓變換電路的輸出電壓（mV）。根據(jù)測(cè)量結(jié)果、I-V變換電路中的值和LED的電光特性，描繪SPD的光電特性，并計(jì)算它在LED發(fā)光波長(zhǎng)處的響應(yīng)度R值。2. 光信號(hào)的檢測(cè)在保持前項(xiàng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，LED尾纖與接受器光電檢測(cè)元件的最佳耦合狀態(tài)不變以及把發(fā)送端LED的偏置電流設(shè)置50mA的情況下，調(diào)節(jié)發(fā)送端音頻信號(hào)源的頻率和幅度，用示波

12、器觀測(cè)接收端I-V變換電路輸出電壓的波形變化情況，并記錄下某一確定頻率時(shí)（比如1kHz）這一波形無(wú)截止畸變的最大峰-峰值，根據(jù)觀測(cè)結(jié)果計(jì)算與此情況對(duì)應(yīng)的光信號(hào)光功率變化的幅值。3. 光信號(hào)的放大在前面各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)聯(lián)接的基礎(chǔ)上，把接收端功放電路的電位器調(diào)至最小。然后在保持發(fā)送端輸入信號(hào)幅度不變（其值以LED的光信號(hào)不出現(xiàn)截止失真和功放電路輸出飽和失真為宜）的情況下，改變發(fā)送端信號(hào)源頻率，用示波器觀測(cè)和記錄接收端功放電路輸出電壓隨信號(hào)頻率的變化。列表記錄測(cè)量結(jié)果。增大功放電路電位器的阻值，重復(fù)以上觀測(cè)，把結(jié)果與阻值最小時(shí)的情形比較并分析比較結(jié)果。4. 語(yǔ)音信號(hào)的傳輸把發(fā)送器的輸入端接入收音信號(hào)，接收器功放輸出端接上4的揚(yáng)聲器，試驗(yàn)整個(gè)音頻信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)的音響效果。實(shí)驗(yàn)時(shí)，可適當(dāng)調(diào)節(jié)發(fā)送器的LED偏置電流、輸入信號(hào)幅度或接收器功放電路中的電位器的阻值，考察傳輸系統(tǒng)的聽(tīng)覺(jué)效果并用示波器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的輸入和輸出信號(hào)的波形變化