《现代光纤通信系统》实验指导书(2023年)

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1、现代光纤通信系统试验指导书何 宁编信息与通信学院2023 年 12 月概述光纤通信是利用光波作为载波，以光纤作为传输媒质实现信息传输，是一种最的通信技术。通信进展过程是以不断提高载频频率来扩大通信容量，光是一种频率极高的电磁波 31014 HZ，因此用光作载波进展通信容量极大，是过去通信方式的千百倍，具有极大的吸引力，是通信进展的必定方向。光纤通信有很多优点：首先它有极宽的频带。目前我国已完成了 10Gbps 的光纤通信系统，这意味着在 125um 的光纤中可以传输大约 11 万路 。其次，光纤的传输损耗很小， 传统的同轴电缆损耗约在 5dB/Km 以上，站间距离缺乏 10Km；而工作在 1.

2、55um 的光纤最低已到达 0.2dB/Km 的损耗，站间无中继传输可达 100Km 以上。另外，光纤通信还具有抗电磁干扰、抗腐蚀、抗辐射等特点，它在地球上有取之不尽，用之不竭的光纤原材料SiO2。光纤通信可用于市话中继线，长途干线通信，高质量彩色电视传输，交通监控指挥，光纤局域网，有线电视网和共用天线CATV系统。波分复用技术WDM的消灭，使光纤传输技术向更高的领域进展，实现信息宽带、高速传输。光纤通信将会在光同步数字体系 SDH、相干光通信、光纤宽带综合业务数字网BISDN、用户光纤网、ATM 及全光通信有进一步进展。2试验一光纤及 LD 特性测量一试验目的1. 把握光纤的根本构造和传输特

3、性。2. 了解光纤通信光源的类型及发光机理。3. 把握光纤及 LD 有关特性测量。二试验内容及要求1. 光纤根本特性及连接技术测试。2. LD 伏安特性测试。3. LD 电光转换特性测试。4. LD 调制特性测试。5. LD 光谱特性测试。三试验原理2光纤的制造过程是比较简洁的过程，生产光纤的主要材料为石英SiO ，其制造流程如图 1 所示：材料提纯预制棒熔炼拉丝套塑成缆材料分析检验预制棒检验光纤测试图 1光纤光缆制造流程图光纤的制作过程一般可分为三个主要步骤：1、熔炼常用方法主要有改进的化学气相沉积法MCVD和微波等离子体法PCVD，化学反响方程式为：SiCl +O高温SiO +2Cl422

4、2GeCl +O 高温GeO +2Cl42222式中SiO为石英，GeO用于转变石英折射率的掺杂剂。22、 拉丝是将已制作好的预制棒在高温下拉成高质量的光纤，光纤的几何尺寸精度必需严格把握。3、 套塑为提高光纤的机械强度，需把经一次涂覆的光纤再套上塑料套管。光纤按制作材料不同可分为石英光纤，塑料光纤和氧化物光纤。按工作波长分为短波光纤0.85um，长波长光纤1.31um，1.55um和超长波长光纤2um 以上。按传输模式分为单模光纤和多模光纤。光纤接续有固定连接和活动连接两种，固定连接一般用于光缆工程上；活动连接一般用于机与线或机与机之间的连接，是可以拆卸的。光纤的焊接最关键的一步是端面处理，

5、它直接影响光纤的接续损耗，光纤焊接定光缆架设工程和光缆线路日常维护的一项关键技术。光纤接续损耗主要受以下几个因素的影响，被焊接光纤折射率失配，纤蕊失配，端面的平坦度和干净程度等。光纤传输特性主要有损耗特性和频带特性，光纤损耗特性通常用 dB/km 表示，引起光能量衰减的缘由有吸取损耗、散射损耗和辐射损耗。要降低光纤衰减，可承受纯度极高的石英玻璃。光纤频带特性通常用兆赫千米来表示，说明 1Km 光纤所具有的带宽力气，光纤频带特性主要受传光时色散性的影响。光纤通信系统承受的光源主要有半导体激光器LD和发光二极管LED,依据制作的材料不同， 发光二极管的峰值放射波长有 0.85um、1.3um 和

6、1.55um 三种。LED 是非相干光源，是一种直接注入电流的光放射器件，它的放射过程主要对应光的自发辐射过程，是半导体晶体内部受激电子从高能级回复 到低能级时，放射出光子的结果。在发光二极管的构造中，不存在谐振腔，当注入正向电流时，注入的 非平衡载流子在集中过程中复合发光。因此，发光二极管不是阈值器件，它的输出功率根本上与注入电 流成正比。激光器的特性主要有光谱特性、伏安特性、电光转换特性和调制特性。伏安特性是指 LD 通过正向电流时，发光二极管两端所产生的正向压降，由于正向电阻比较小，故正向压降较低。图 2 给出示意图。a伏安特性曲线b伏安特性测试电路图 2 伏安特性示意图光谱曲线上发光强

7、度最大时所对应的波长为发光峰值波长，光谱曲线上两个半光强点所对应的波长差称为 LD 的谱线宽度，其值为 3040nm 左右,光谱极易受温度的影响。与一般光 源相比，激光光源具有单色性好、亮度高、方向性强和相干性强等特点，激光的消灭使原有的光 谱技术在灵敏度和区分率方面得 到很大的改善。激光器依据谱线宽度不同可分为单纵模和多纵模激光器 ，其光谱如图 3、图 4 和图 5 所示。图 3LED 光谱特性图 4 LD 光谱特性图 5 LED 多纵模光谱电光转换特性是指 LD 的光输出功率与注入电流的关系，它是 LD 的重要参数之一，分为直流输出功率和脉冲输出功率。直流输出光功率是指在规定正向直流工作电

8、流下， LD 所发出的光功率；而脉冲输出光功率是指在规定幅度、频率和占空比的矩形脉冲电流作用下， LD 发光面所放射出的光功率。出光特性曲线如图 6 所示。图 6 PI 特性曲线LED 调制特性是指在规定的直流正向工作电流下，用数字或模拟信号对 LED 进展调制，从而转变光功率。光通信中传输速率的大小受调制频率或调制带宽的限制。图 7 给出其调制原理图。a模拟调制b数字调制图 7 调制特性曲线四试验线路图 4 给出了伏安特性、出光特性的具体测试电路，调整电位器可转变流过二极管的电流，从而转变LD 的出光功率。图 5 给出了光调制电路，a图为模拟调制电路，为了保证 LD 工作在线性范围，在无信号

9、输入时，必需给LD 加确定的直流偏置；b图为数字调制电路，三极管VT 处于零偏置，且在开关状态下工作，当输入信号为高电寻常，三极管导通， LD 有光信号输出，当输入信号为低电寻常，三极管截止通，LD 无光信号输出。图 4 伏安特性与PI 特性测试电路图 5 调制电路五试验步骤一 光纤生产及连接技术观看生产光纤流程，测量光纤物理尺寸，光纤熔接练习。二LED 伏安特性测试1. 将电流表串接入 LD 测试电路，开启稳压电源直流 5V。2. 调整电位器，使流过 LD 的电流为 100mA，测量 LD 两端对应的电压值。3. 减小电源电压，按表 1 中电流值调整，用万用表测量并记录 LD 两端对应电压值

10、。4. 依据测试数据作出 LD 的正向伏安特性曲线。表 1电 1流23456789102030405060708090100电压三LD 出光特性测试1. 电源电压为 5 伏，调整电位器转变流过 LD 的电流。2. 在 LD 的尾纤接入光功率计，读出与流过 LD 电流对应的光功率值，记入表 2 中。3. 依据测试数据作出 LD 的出光特性曲线。表 2电5102030405060708090100流功率四LD 调制特性测试模拟调制1. 将信号源频率设置为 1KHz、幅度为 100mv 的正弦信号，并参与电路输入端。2. 用示波器测试三极管的输出调制波形。3. 用光功率计测试此时 LD 的光功率值。

11、六试验设备稳压电源信号源光功率计七试验报告1 处理试验数据，并画出相关特性曲线。2 说明模拟调制和数字调制对线性的要求。3 试验体会。万用表双踪示波器试验二：数字光纤传输测试系统设计一、 试验目的1、理解利用光承载电信号的原理，设计数字光纤通信传输测试系统。2、把握光纤通信系统接收的灵敏度测量及通信距离概算。二、 试验任务和原理试验任务：按给定设备和器件，设计构建一数字光纤传输光接收灵敏度测试系统，并模拟信道衰减计算系统传输距离。试验原理：光纤通信系统主要由光发信机、光纤传输介质光信道和光收信机组成，光发信机是完成电信号与光信号的转换，即调制，光波是承载电信号的载波，目前光纤通信中常用的调制方

12、式主要是直接光强度调制。光纤是作为光信号的传输通道，完成收发两端设备的连接。光电探测器是将接收到的光功率转换成信号电流送到后级进展处理，光纤通信中最常用的光电探测器主要有 PIN 光电二极管和 APD 雪崩二极管两种。光信号经过长距离传输会产生衰减，它将影响信号的接收质量，这就需提高接收机的灵敏度。接收机的灵敏度是在保证接收机的对信号的正常接收状况下，接收机所需的最小光功率，常承受分贝毫瓦dBm表示。光纤传输系统中继距离的长短，除了放射机的放射光功率和接收机的灵敏度外，还与光纤传输介质的损耗有关，光纤传输系统传输信道衰减组成及表达式如下：TXMcMeRX活动接头固定接头光纤传输系统信道组成Lm

13、axP- P=TR- nA- MCeAA+S + MfLCf式中： PT为放射平均功率，单位 dBm;PR接收光功率，单位 dBm;A一个活动接头损耗，单位 dB;M设备充裕度，单位 dBCeA光纤每公里损耗，单位 dB/Km;fAf 每个固定接头衰减，单位 dB/个；LfM光纤线路充裕度，dB/Km.C三、 系统设计及技术要求1、光接收灵敏敏度测试用调制光源连续光CW状态测试活动接头的衰减量；调制光源工作频率在 1KHz、功率为 0.5mW 的内部脉冲调制状态；搭建测试系统，测量给定光接收机的灵敏度。要求：画出测试系统框图及测试波形，按“正切灵敏度”测试法和“替代法”测出接收的最小光功率，

14、并计算出光接收机的灵敏度dBm。2、光纤数字传输系统距离概算依据上面测试的模拟信道衰减量计算出最大的传输距离；留意活动接头的个数假设在灵敏度保持确定时，光放射机功率再增加 0.1mW，计算此时间纤信道传输距离可增加多少公里。(给定设备充裕度 M e3dB，光纤衰减为 0.2dB/Km)。四、试验仪器及使用调制光源 一台 稳压电源 一台 光纤衰减器 一台双踪示波器 一台 光功率计 一台 光接收电路 一块l 调制光源是光纤通信完成电光转换的一个重要局部，它可使用内部电信号和外部电信号调制，可输出连续光和脉冲光，输出光功率可进展调整，通过调整INT 按键可转变其工作状态，CW 为连续光输出，270Hz、1KHz 和 2KHz 为内部电脉冲调制，UR 为外加 TTL 电脉冲信号调制，可完成 dBm 和 mW、uW、nW 功率读数显示。l 光纤衰减器是完成对光信号的衰减把握，用它可实现对传输信道长度的模拟，具有 dB 功率衰减显示。l 光功率计是完成对光功率的测试，具有测试波长选择，承受 dBm 和 mW、uW、nW 功率读数显示。l 光接收电路完成经传输后光信号的接收和转换，使光信号恢复为电信号。五、设计报告1、 报告测试数据及相关信号波形。2、 计算系统接收灵敏度和传输距离,分析测量误差。3、说明光纤通信系统的传输距离主要受那些因素影响。