光纖傳輸實驗報告

音頻信號光纖傳輸實驗?zāi)康模?、 學(xué)習(xí)音頻信號光纖傳輸系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和各部件的選配原則。2、 熟悉光纖傳輸系統(tǒng)中電光/光電轉(zhuǎn)換器件的基本性能。3、訓(xùn)練如何在音頻信號光纖傳輸系統(tǒng)中獲得較好的信號傳輸質(zhì)量。實驗儀器TKGT-1型音頻信號光纖傳輸實驗儀信號發(fā)生器雙蹤示波器實驗原理光纖，又名光導(dǎo)纖維，是20世紀70年代為光通信而發(fā)展起來的一種新型材料，具有損耗低、頻帶寬、耐高溫、絕緣性好、抗電磁干擾、光學(xué)特性好等優(yōu)點。1970年，美國康寧公司率先研制出了世界上第一根傳輸衰減損耗小于20dB/km的石英光纖。目前，普通單模光纖的傳輸損耗在工作波長為1550納米窗口損耗小于0.2dB/km，在1310納米窗口小于0.3dB/km。目前商用光纖制作工藝多為漸變折射率芯層光纖。從傳輸模式來說，光纖分為單模和多模兩種；從結(jié)構(gòu)上來說，分為普通光纖和特殊光纖，普通光纖包括單模和多模光纖，特殊光纖包括保偏光纖、單偏振光纖和塑料光纖等。普通光纖的外徑為125微米，單模光纖芯徑為5-10微米，多模光纖芯徑為50、62.5、80、100微米，加護套總直徑約為1毫米。目前通信干線用光纖一般為單模光纖，光纖工作波長為1550納米。一般光纖的結(jié)構(gòu)是由導(dǎo)光的纖芯和周圍包覆的涂層組成。光纖的工作基礎(chǔ)是光的全反射。由于纖芯的折射率大于涂層的折射率，當(dāng)光從纖芯射向涂層，且入射角大于臨界角，則射入的光在界面上產(chǎn)生全反射，成“之”字形前進，傳播到圓柱形光纖的另一端而發(fā)射出去，這就是光纖的傳光原理。附：光的全反射原理根據(jù)光的反射和折射定律，即二tigsin址若nl>n2，橫線上為2，下為1介質(zhì)，即光由光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，且入射角大于臨界角，即時，就發(fā)生光的全反射現(xiàn)象。由于在臨界狀態(tài)下,，代入上式，則，稱為全反射臨界角。光波在光纖中傳輸，可以用兩種不同的理論來解釋。一種是電磁理論，或稱模式理論；另一種是幾何光學(xué)理論，或稱為射線理論。€I門-4JISWt1€I門-4JISWt1、光信號的發(fā)送（示意圖）淸扎赳a系統(tǒng)低頻響應(yīng)不大于20赫茲，取決電阻、電容網(wǎng)絡(luò)。淸扎赳a系統(tǒng)低頻響應(yīng)不大于20赫茲，取決電阻、電容網(wǎng)絡(luò)。調(diào)制話朮信號系統(tǒng)高頻響應(yīng)不大于20千赫茲，取決于運放電路的響應(yīng)頻率。光纖通信的三個窗口波段：0.84 1.31 1.55微米(口m)，窗口波段與光纖傳輸呈現(xiàn)低損耗，與光電檢測器件的峰值響應(yīng)波段相匹配(本系統(tǒng)在0.8-0.9微米)。在光纖應(yīng)用中，常用的光源有：發(fā)光二極管(LED)和激光二極管(LD)。半導(dǎo)體激光器實質(zhì)上是一個光波振蕩器，它具有振蕩、反饋與放大作用。根據(jù)光纖的特性通常選用長波長激光器，一般為1310nm。它通常是由P型限制層與有源層和N型限制層與有源層所組成的兩個異質(zhì)結(jié)。2、光信號的接收（示意圖）常用的光探測器是半導(dǎo)體光電二極管PIN和雪崩二極管。半導(dǎo)體光電二極管PIN具有體積小，材料合適、靈敏度高、響應(yīng)速度快等特點，在光纖通信系統(tǒng)中有著十分廣泛的應(yīng)用。其伏安特性為川7i=i4-屮「）認。其中10為無光照時的反向飽和電流，U為二極管的端電壓（正向電壓為正，反向電壓為負），q為電子電荷，k為波爾茲曼常數(shù)，T為溫度（單位為K），IL為無偏壓狀態(tài)下光照時的短路電流，與光照時的光功率成正比。3、光纖傳輸三個技術(shù)指標：光纖損耗：光纖的損耗是指光在光纖中傳播時，由于介質(zhì)的吸收、散射和輻射等原因，光強不可避免地要隨著傳播距離的增加而減少。光纖的損耗反映了光波在光纖中傳輸時所引起的能量損失情況。設(shè)輸入光纖的光波功率為P0，輸出功率為P,則光纖損耗定義為兩者比值的對數(shù)，用表示，即=lgP0/P單位是貝爾，這個單位太大，實際應(yīng)用中常用分貝，則=10lgP0/P。吸收損耗是由于光纖物質(zhì)對光的吸收造成。光照射到光纖材料的原子、分子上，若光子能量恰好等于電子兩能級之間的能量差，則光子便將能量轉(zhuǎn)移給電子，使之產(chǎn)生能級躍遷，這就是光纖吸收損耗的定性解釋。散射損耗，是指光在光纖中傳播時，遇到材料本身和制造工藝的限制所引起的不均勻性或不連續(xù)性造成的損耗。光纖損耗和光纖色散就是通常主要所指的光纖傳輸特性。光纖色散：光波信號在光纖中傳輸，或多或少都會使光波信號波形展寬，發(fā)生失真，這種現(xiàn)象說明光纖中存在色散。光纖色散分為兩類：模間色散和模內(nèi)色散，通常模間色散要比模內(nèi)色散大得多。模間色散，是多模光纖中存在的一種彌散現(xiàn)象，是由于光纖中不同模式的光波的傳播速度不同造成的。模間色散與通常的色散概念不同（后者指光波的頻率不同引起折射率不同，導(dǎo)致傳播速度不同），但由于其效果也是引起脈沖展寬，故?；\統(tǒng)稱為色散。顯然，單模光纖只允許一個模式的光傳播，故不存在明顯的模間色散；遠距離通信多用單模光纖。自聚焦光纖不產(chǎn)生延時失真，故模間色散也可降低到最低限度。模間色散即延時失真，嚴重時可能使前后脈沖因展寬而互相重疊。模內(nèi)色散又稱多色色散，是由于光波頻率的不同引起光纖折射率不同而產(chǎn)生的色散效應(yīng)。光纖中任一光波都可能包含多種頻率成分，不同波長的光在光纖中傳播的速度不同。因此，同一模式的光波到達終端時，也會產(chǎn)生信號的時延差，造成脈沖展寬。數(shù)值孔徑：它決定了能夠在光纖中傳播的光束半孔徑角的最大值，記作N.A.(numericalaperture)，定義為NA^nOsil1^=<ni-n2(2陰c稱為光纖的受光角)。可以看出，光纖的數(shù)值孔徑只取決于光纖纖芯和包層的折射率，與光纖的幾何尺寸無關(guān)，因此可制成數(shù)值孔徑很大而截面積又很小的光纖。其值在0.1---0.6之間，角度值在9度---33度之間。圖⑸耳4圖⑸耳4、光纖通信的優(yōu)點頻帶寬、通信容量大用電磁波傳輸信號，其容量大小與所用載波的頻率有關(guān)。光波的頻率很高1014赫茲，比微波頻率108-1010要高幾個數(shù)量級。同樣取其頻率的1%作帶寬，容量相差十萬倍。損耗低同軸電纜線路內(nèi)信號迅速衰減，每隔幾公里就需要設(shè)一個中繼站；而光纖通信的中繼站可增大到幾十公里或幾百公里。質(zhì)量小，原材料資源豐富其材料密度只有銅的四分之一，節(jié)約稀有金屬?？垢蓴_性強、保密性好一般情況下，外界電磁干擾頻率都比較低，不在光波頻段；同時光纖本身又是電中性，不受高壓電、雷電、電車線等電磁感應(yīng)的影響。外界光頻段的干擾，也易于屏蔽，不至于進入光纖。而且光纖也很少有光泄露出來，泄密可能性基本消除。另外，光纖材料化學(xué)穩(wěn)定性高，防腐蝕、防火、防水能力強，適合在惡劣環(huán)境下和危險情況下使用。實驗內(nèi)容與步驟1．光纖傳輸系統(tǒng)靜態(tài)電光/光電傳輸特性測定打開儀器電源，連接光纖，分別觀測面板上兩個三位半數(shù)字表頭分別顯示發(fā)送光驅(qū)動強度和接收光強度。調(diào)節(jié)發(fā)送光強度電位器，每隔200單位（相當(dāng)于改變發(fā)光管驅(qū)動電流2mA）分別記錄發(fā)送光驅(qū)動強度數(shù)據(jù)與接收光強度數(shù)據(jù)，填寫表格并在方格紙上繪制靜態(tài)電光/光電傳輸特性曲線。發(fā)送光強度接收光強度VJt輸出渡＞吃壓幅冷2．光纖傳輸系統(tǒng)頻響的測定分別接到發(fā)送端示波器接口和接收端音頻信號輸出口，保持輸入信號的幅度不變，連續(xù)調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出頻率（可以從lk赫茲開始，使頻率連續(xù)調(diào)小或連續(xù)調(diào)大），記錄輸出端信號電壓幅度的變化情況，分別測定系統(tǒng)的低頻和高頻截止頻率（可以信號衰減為正常信號發(fā)送光V+低頻和高頻截止頻率（可以信號衰減為正常信號發(fā)送光V+最夫不襄宣綸jmu.k（如頻率1k赫茲）響應(yīng)電壓幅度的五分之一左右視為截止）。作關(guān)系曲線如右圖并要求給出具體數(shù)據(jù)即最低和最高截止頻率。3．LED偏置電流與無失真最大信號調(diào)制幅度關(guān)系測定將從信號發(fā)生器輸入的正弦波頻率設(shè)定在1kHz，保持不變。輸入信號幅度調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)信號發(fā)生器的信號源輸出幅度，使其從零伏開始增加，同時在信號接收端觀察波輸出波形電壓變化，直到波形出現(xiàn)失真現(xiàn)象時，記錄下此時電壓波形的峰-峰值，由此確定LED在不同偏置電流下信號輸出的最大幅度。作關(guān)系曲線如右圖并要求給出具體數(shù)據(jù)。4．多種波形光纖傳輸實驗通過信號發(fā)生器的上檔鍵切換方波與正弦波，將方波信號和三角波信號先后輸入音頻接口，分別改變輸入頻率和輸入電壓，從接收端觀察輸出波形變化情況。（結(jié)論：在數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)中往往采用方波來傳輸數(shù)字信號，但我們本套系統(tǒng)，不太適合方波傳播）。5．音頻信號光纖傳輸實驗將輸入選擇打向內(nèi)，調(diào)節(jié)發(fā)送光強度電位器改