实验一半导体激光器及光无源器件测试.docx
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实验一半导体激光器及光无源器件测试
文件编码（008-TTIG-UTITD-GKBTT-PUUTI-WYTUI-8256）
实验一半导体激光器及光无源器件测试
实验1半导体激光器及光无源器件测试
实验半导体LD光源的P-I曲线绘制实验
一、实验目的
1．了解半导体激光器平均输出光功率与注入电流的关系；
2．掌握半导体激光器P-I曲线的测试及绘制方法。
二、实验仪器
1.光纤通信实验箱（激光/探测器性能测试模块）
2.20M双踪示波器
3.光功率计
4.电流表。
5.小平口螺丝刀
6.信号连接线1根
三、实验原理
1．半导体激光器的功率特性示意图：
半导体激光器的输出光功率P与驱动电流I的关系如图2.3.1所示，该特性有一个转折点，相应的驱动电流称为门限电流（或称阀值电流），用Ith表示。
在门限电流以下，激光器工作于自发辐射，输出荧光，功率很小，通常小于100pw；在门限电流以上，激光器工作于受激辐射，输出激光，功率随电流迅速上升，基本上成直线关系。
激光器的电流与电压的关系相似于正向二极管的特性，但由于双异质结包含两个PN结，所以在正常工作电流下激光器两极间的电压为。
P-I特性是选择半导体激光器的重要依据，在选择时，应选阀值电流Ith尽可能小，Ith对应P值小的半导体激光器，这样的激光器工作电流小，工作稳定性高，消光比大，而且不易产生光信号失真。
且要求P-I曲线的斜率适当。
斜率太小。
则要求驱动信号太大，给驱动电路带来麻烦：
斜率太大，则会出现光反射噪声及使自动光功率控制环路调整困难。
半导体激光器具有高功率密度和极高量子效率的特点，微小的电流变化会导致光功率输出变化，是光纤通信中最重要的一种光源，激光二极管可以看作为一种光学振荡器，要形成光的振荡，就必须要有光放大机制，也即激活介质处于粒子数反转分布，而且产生的增益足以抵消所有的损耗。
将开始出现净增益的条件称为阀值条件。
一般用注入电流值来标定，也即阀值电流Ith，当输入电流小于Ith时，其输出光为非相干的荧光，类似于LED发出光，当电流大于Ith时，则输出光为激光，且输入电流和输出光功率成线性关系。
该实验就是对该线性关系进行测量，以验证P-I的线性关系。
在实验中所用到半导体激光器其输出波长为1310nm,带尾纤及FC型接口。
实验中半导体激光器电流的确定通过测量串联在光端机信号输入电路中电流表的电流值。
四、实验步骤
1.关闭系统电源，按照图2.3.2将激光/探测器性能测试模块、光功率计、电流表连接好。
2．将电流表（直流档）接TP202，TP203，正表笔接TP202，负表笔接TP203，将K02跳线器拔掉。
用尾纤将光功率计与TX1310法兰输出相连。
3．用锚孔连接线将P201信号输入口接地。
4．将K01跳线器拔掉，加电后即可开始实验。
5.按照下表调整W202，达到相应的电流值（顺时针调激光管输入电流减小），测出与电流相对应的光功率。
电流I（mA）
功率P（dB）
电流I（mA）
功率P（dB）
7．以横轴为为电流I，纵轴为功率P，按照上表画出其相应的P-I曲线。
另外，如果配置了LED扩展模块（选配），可以测试LED光源的P-I曲线。
8．测试完毕后，关闭系统电源，拆除各光器件并套好防尘帽，插好K01、K02跳线器。
五、实验结果
1.整理P、I数据，绘制P-I曲线。
2.若配置的LED的850nm光传输系统模块，测试LED光源的P-I曲线，对比测试的1310nmLD的P-I曲线有什么不同，得出你的结论。
1、P、I实验数据
电流I（mA）
功率P（dBm）
电流I（mA）
功率P（dBm）
电流I（mA）
功率P（uw）
电流I（mA）
功率P（uw）
图如下所示
2、
实验光衰减器的性能指标测量
一、实验目的
1.了解光衰减器的指标要求；
2.掌握光衰减器的测试方法。
二、实验仪器
1.光纤通信实验箱
2.20M双踪示波器
3.光功率计（FC-FC单模尾纤）
4.光衰减器（1310nm/1550nm）
5.信号连接线2根
三、基本原理
（一）一般地光衰减器可分为两类，即固定光衰减器和可变光衰减器。
1.固定光衰减器
固定光衰减器是一种可根据工程需要提供不同衰减量的精密器件，可分为在线式和法兰式。
主要的用途是：
（1）调整光中继器之间的增益，以便建立适当的光输出；
（2）光传输系统设备的损耗评价及各种实验测试要求。
2.可变光衰减器
（1）可对光强进行连续可变和步进调节的衰减，主要用途和设计目标：
1评价光纤传输系统中作为误码率函数的信噪比S/N。
2光功率计制造中标志刻度。
3光纤传输设备损耗的评价。
4光端机中作为光接收机接口扩大接收机动态范围。
5用于光纤测量仪器，做光线路试验与测试用。
为此，可变光衰减器应有高的精度和宽的可调衰减范围。
（2）结构与工作原理
可变光衰减器的结构原理图如图3.2.1所示：
图3.2.1可变光衰减器的原理结构图
（二）光固定/可调衰减器测量结构示意图，如下图所示：
图3.2.2平均光功率测试结构示意图
四、实验步骤
1.关闭系统电源，按照前面实验中的图3.1.2（a）将1550nm光发射端机的TX1550法兰接口、FC-FC单模尾纤、光功率计连接好，注意收集好器件的防尘帽。
2.打开系统电源，液晶菜单选择“光纤测量实验—平均光发功率”确认，即在P103（P108）铆孔输出32KHZ的31位m序列。
3.示波器测试P103（P108）铆孔波形，确认有相应的波形输出。
4.用信号连接线连接P103（P108）、P203两铆孔，示波器A通道测试TX1550测试点，确认有相应的波形输出，调节W205即改变送入光发端机信号（TX1550）幅度最大（不超过5V），记录信号电平值。
即将32KHZ的31位m序列电信号送入1550nm光发端机，并转换成光信号从TX1550法兰接口输出。
5.调节光功率计工作波长“1550nm”、单位“mW”，读取此时光功率，即为1550nm光发射端机在正常工作情况下，对于31位m序列的平均光功率，记录光功率P1。
6.关闭系统电源，按照图3.2.2将固定（可调）衰减器串入光发射端机与光功率计之间，注意收集好器件的防尘帽。
7.重复步骤2、4，测得衰减后的光功率P2，按
公式计算即为衰减器的衰减量。
若为固定衰减器，则将测得值与其标注的衰减量进行比较，算出其衰减精度（一般±10%）。
若为可调衰减器，慢慢调节其衰减量，记下P2的变化范围，算出此可调衰减器的衰减范围。
8.关闭系统电源，拆除各光器件并套好防尘帽。
注：
本实验也可选择工作波长为1330nm的LD光发射端机。
五、实验结果
1.通过测试得出待测固定衰减器的衰减量，计算出其衰减精度，标上必要的实验说明。
2.若为可调衰减器，记录其衰减量范围。
3.查找资料,陈述固定衰减器和可变衰减器主要的用途和指标。
加光衰减器之前：
P1=uw
加光衰减器之后：
拧紧：
P2=uw未拧紧：
P2’=uw
插入损耗：
Li=10*log=dB
Li’=10*log=dB
3、作用：
消除通信线路中的过大信号
指标：
衰减量和插入损耗、光衰减器的衰减精度、回波损耗
实验2光纤传输系统及眼图观测
实验加扰、解扰原理及光传输实验
一、实验目的
1．掌握扰码规则；
2．了解扰码的性能；
3．了解光纤通信中扰码的选码原则。
二、实验仪器
1．光纤通信实验箱
2．20M双踪示波器
3．FC-FC单模光跳线
4．信号连接线2根
三、基本原理
本实验系统主要由两大部分组成：
电端机部分、光信道部分。
电端机又分为电信号发射和电信号接收两子部分，光信道又可分为光发射端机、光纤、光接收端机三个子部分。
在本实验中，涉及的电发射部分有两个功能模块：
8位的自编数据功能和扰码功能。
涉及的电接收部分就是时钟提取和再生功能、相应的解扰功能。
扰码光纤通信基本组成结构如下图所示：
图6.4.1CMI码光纤通信基本组成结构
下面对数字信号加扰码进行分析和讨论：
减少连“0”码（或连“１”码）以保证位定时恢复质量是数字基带信号传输中的一个重要问题。
将二进制数字信息先作“随机化”处理，变为伪随机序列，能限制连“0”码（或连“１”码）的长度。
这种“随机化”处理常称为“扰码”。
扰码虽然“扰乱”了数字信息的原有形式，但这种“扰乱”是有人为规律的，因而是可以解扰的。
在接收端这种解“扰乱”的过程叫“解扰”。
扰码和解扰原理
扰码原理是以线性反馈移位寄存器理论作为基础的。
在图6.4.2线性反馈移位寄存器的反馈逻辑输出与第一级寄存器输入之间引入一个模二和相加电路，以输入数据作为
图6.4.2扰码器的一般形式
模二和的另一个输入端，即可得到图6.4.2所示扰码器一般形式。
分析扰码器的工作原理时引入一个运算符号“D”表示将序列延时一位，DS表示将序列延时K位。
采用延时算符后，可得以下表达式：
这里，求和号∑也是模二和运算，C是线性反馈移位寄存器的特征多项式的系数，上式也可表达为：
以4级移位寄存器构成的扰码器为例，在图6.4.2基础上可得到图（a）结构形式的扰码器。
假设各级移位寄存器的初始状态为全0，输入序列为周期性的101010……，则输出序列及各反馈抽头处的序列如下所示；
序号S0
DS000
DS000000
输出序列G1
（a）
（b）
图6.4.3（a）四级移位寄存器构成的扰码器；（b）相应的解扰码器
由上例可知，输入周期性序列经扰码器后变为周期较长的伪随机序列。
不难验证，输入序列中有连“1”或连“0”串时，输出序列也将会呈现出伪随机性。
显然，只要移位寄存器初始状态不为全0，则当输入序列为全0时（即无数据输入），扰码器就是一个线性反馈移位寄存器序列发生器，选择合适反馈逻辑即可得到m序列伪随机码。
在接收端可以采用图6.4.3（b）所示的解扰码，这是一个前馈移位寄存器结构。
采用这种结构可以自动地将扰码后序列恢复为原始的数据序列。
我们仍采用延时算符来说明这一点。
由图（b）可得如下关系式：
或
因此解扰器输出序列与扰码器输入序列完全相同。
由于扰码器能使包括连“0”码（或连“1”码）在内的任何输入序列变为伪随机码，因而可以在基带传输系统中代替旨在限制连“0”码的各种复杂的码型变换。
采用扰码方法的主要缺点是对系统的误码性能有影响。
在传输扰码序列过程中产生的单个误码会在接收端解扰器的输出端产生多个误码，这是因为解扰时会导致误码的增殖。
对于图6.4.3那样的扰码器，相应解扰器的误码增殖系数是3，即单个误码解扰后会产生3个误码。
一般说来，误码增殖系数与线性反馈移位寄存器的特征方程式的项数相等。
扰码器的另一个缺点是，当输入序列为某些伪随机码形式时，扰码器的输出可能是全0码或全1码。
但对于实际的输入数据序列，出现这种码组的可能性很小。
在本实验系统中，扰码原理是以线性反馈移位寄存器理论作为基础的。
扰码数据是15位的伪随机序列，测试点为P106。
四、实验步骤
1．关闭系统电源，按照图6.4.1将1310nm光发射端机的TX1310法兰接口、FC-FC单模尾纤、1310nm光接收端机的RX1310法兰接口连接好。
注意收集好器件的防尘帽。
2．打开系统电源，在液晶菜单选择“码型变换实验-扰码设置”的子菜单，确认；SW101拨码器设置数据为全“0”或全“1”，P101测试点观测自编数据，P103为加扰后的数据。
3．用信号连接线连接P103、P201两铆孔，示波器A通道测试TP201测试点，确认有相应的波形输出。
连接P202、P111两铆孔，即将光电转换信号送入数据接收单元。
信号转换过程如图6.4.1。
4．对照加扰规则，观测P103测试点的加扰后序列信号，是否符合其规则。
看波形码型时可用其时钟进行同步。
P102为数据对应的时钟，P106为扰码数据。
5．示波器B通道测试P202测试点，看是否有与TP201测试点一样或类似的信号波形。
测试P115译码输出测试点，看是否跟发端设置的基带数据P101测试点一样或类似的信号波形。
6．轻轻拧下TX1310或RX1310法兰接口的光跳线，观测P202测试点的示波器B通道是否还有信号波形重新接好，此时是否出现信号波形。
7．重复步骤2，设置其它数据，完成实验，记录有关数据。
8．按返回键，液晶菜单选择“码型变换实验—扰码PN”确认，即在P101铆孔输出32KHZ的15位m序列。
9．对应P102码元同步时钟读出码序列，根据扰码编码规则，写出对应的编码序列。
10．观察P103输出编码波形，验证你的序列。
11．关闭系统电源，拆除各光器件并套好防尘帽。
注：
本实验也可选择工作波长为1550nm的LD光发射端机，也可选择扩展模块。
五、测量点说明
P101：
菜单设置的数字序列输出序列波形测试点。
P102：
P101对应的码元时钟测试点。
P103：
对应的加扰后信号。
P106：
扰码数据序列。
P111：
数据接收单元的电信号接收铆孔。
P115：
解扰输出。
P201：
光发射端机的外部电信号输入铆孔。
TP201：
输入1310nm光发射端机的电信号测试点。
P202:
1310nm光接收端机输出的数字信号。
六、实验结果
1．记录实验中得到的数据和波形，标上必要的实验说明。
P106扰码数据序列
码为与理论一致，P103为加扰信号
P103对应的加扰信号
、
P2025与P201波形一致
2．长连“0”、长连“1”的数字信号不利于接收端的位同步提取，扰码是怎样解决这个问题。
答：
伪随机序列会减少连0、1的长度，而且随着M序列的长度的增加，这种概率变得很小。
实验光纤信道眼图观察
一、实验目的
1．了解眼图产生原理；
2．用示波器观测扰码的光纤信道眼图。
二、实验仪器
1．光纤通信实验箱
2．20M双踪示波器
3．FC-FC单模光跳线
4．信号连接线3根
三、基本原理
本实验系统主要由两大部分组成：
电端机部分、光信道部分。
电端机又分为电信号发射和电信号接收两子部分，光信道又可分为光发射端机、光纤、光接收端机三个子部分。
在本实验中，涉及的电发射部分有两个功能模块：
8位的自编数据功能和扰码功能。
涉及的电接收部分就是收端均衡滤波器电路、时钟提取、再生、相应的解扰功能。
眼图观测的实验结构如下图所示：
图6.5.1CMI码光纤通信基本组成结构
在整个通信系统中，通常利用眼图方法估计和改善传输系统性能。
我们知道，在实际的通信系统中，数字信号经过非理想的传输系统必定要产生畸变，也会引入噪声和干扰，也就是说，总是在不同程度上存在码间串扰。
在码间串扰和噪声同时存在情况下，系统性能很难进行定量的分析，常常甚至得不到近似结果。
为了便于评价实际系统的性能，常用观察眼图进行分析。
眼图可以直观地估价系统的码间干扰和噪声的影响，是一种常用的测试手段。
什么是眼图
所谓“眼图”，就是由解调后经过接收滤波器输出的基带信号，以码元同步时钟作为同步信号在示波器屏幕上显示的波形。
干扰和失真所产生的传输畸变，可以在眼图上清楚地显示出来。
6.5.2无失真及有失真时的波形及眼图
（a）无码间串扰时波形；无码间串扰眼图
（b）有码间串扰时波形；有码间串扰眼图
在图6.5.2中画出两个无噪声的波形和相应的“眼图”，一个无失真，另一个有失真（码间串扰）。
图6.5.2中可以看出，眼图是由虚线分段的接收码元波形叠加组成的。
眼图中央的垂直线表示取样时刻。
当波形没有失真时，眼图是一只“完全张开”的眼睛。
在取样时刻，所有可能的取样值仅有两个：
+1或-1。
当波形有失真时，在取样时刻信号取值分布在小于+1或大于-1附近，“眼睛”部分闭合。
这样，保证正确判决所容许的噪声电平就减小了。
换言之，在随机噪声的功率给定时，将使误码率增加。
“眼睛”张开的大小就表明失真的严重程度。
为便于说明眼图和系统性能的关系，我们将它简化成图6.5.3的形状。
6.5.3眼图的重要性质
由此图可以看出：
（1）最佳取样时刻应选择在眼睛张开最大的时刻；
（2）眼睛闭合的速率，即眼图斜边的斜率，表示系统对定时误差灵敏的程度，斜边愈陡，对定位误差愈敏感；（3）在取样时刻上，阴影区的垂直宽度表示最大信号失真量；（4）在取样时刻上，上下两阴影区的间隔垂直距离之半是最小噪声容限，噪声瞬时值超过它就有可能发生错误判决；（5）阴影区与横轴相交的区间表示零点位置变动范围，它对于从信号平均零点位置提取定时信息的解调器有重要影响。
实验室理想状态下的眼图如图6.5.4所示。
衡量眼图质量的几个重要参数有：
1．眼图开启度（U-2ΔU）/U
指在最佳抽样点处眼图幅度“张开”的程度。
无畸变眼图的开启度应为100%。
其中U=U++U-
2．“眼皮”厚度2ΔU/U
指在最佳抽样点处眼图幅度的闭合部分与最大幅度之比，无畸变眼图的“眼皮”厚度应等于0。
3．交叉点发散度ΔT/T
指眼图过零点交叉线的发散程度，无畸变眼图的交叉点发散度应为0。
4．正负极性不对称度
指在最佳抽样点处眼图正、负幅度的不对称程度。
无畸变眼图的极性不对称度应为0。
最后，还需要指出的是：
由于噪声瞬时电平的影响无法在眼图中得到完整的反映，因此，即使在示波器上显示的眼图是张开的，也不能完全保证判决全部正确。
不过，原则上总是眼睛张开得越大，误判越小。
在图6.5.4中给出从示波器上观察到的比较理想状态下的眼图照片。
（a）二进制系统（b）随机数据输入后的二进制系统
图6.5.4实验室理想状态下的眼图
四、实验步骤
1．关闭系统电源，按照图6.5.1将1310nm光发射端机的TX1310法兰接口、FC-FC单模尾纤、1310nm光接收端机的RX1310法兰接口连接好。
注意收集好器件的防尘帽。
2．打开系统电源，在液晶菜单选择“码型变换实验-扰码PN”的子菜单，确认；P101测试点观测菜单选择的基带数据序列。
3．用信号连接线连接P103、P201两铆孔，示波器A通道测试TP201测试点，确认有相应的波形输出。
注意插好KO1、KO2、KO3跳线器。
连接P202、P111两铆孔，即将光电转换信号送入数据接收单元。
信号转换过程如图6.5.1
4．对照加扰规则，观测P103测试点的加扰后序列信号，是否符合其规则。
看波形码型时可用其时钟进行同步。
P102为数据对应的时钟，P106为扰码数据。
5．示波器B通道测试P202测试点，看是否有与TP201测试点一样或类似的信号波形。
注意看K05插入右侧，测试P115译码输出测试点，看是否跟发端设置的基带数据P101测试点一样或类似的信号波形。
6．连接P202、P112，即1310nm光接收端机光电转换加扰后数据自动送往均衡滤波器电路。
示波器A通道（触发TRTIGGER档）测试P102测试点（与码元同步的时钟T），示波器B通道测试TP106测试点（均衡滤波器输出波形）
7．调节调整示波器的扫描周期（=nT），使TP106的升余弦波波形的余辉反复重叠（即与码元的周期同步），则可观察到n只并排的眼图波形。
眼图上面的一根水平线由连1引起的持续正电平产生，下面的一根水平线由连0码引起的持续的负电平产生，中间部分过零点波形由1、0交替码产生。
8．调整W901直到TP106点波形出现过零点波形重合、线条细且清晰的眼图波形（即无码间串扰、无噪声时的眼图）。
在调整W901过程中，可发现眼图过零点波形重合时W901的位置不是唯一的，它正好验证了无码间串扰的传输特性不唯一。
9．关闭系统电源，拆除各光器件并套好防尘帽。
五、测量点说明
P101：
菜单设置的数字序列输出序列波形测试点。
P102：
P101对应的码元时钟测试点。
P103：
对应的加扰后信号。
P106：
扰码数据序列。
P111：
数据接收单元的电信号接收铆孔。
P112：
均衡滤波器的信号输入铆孔。
P115：
解扰输出。
P201：
光发射端机的外部电信号输入铆孔。
TP201：
输入1310nm光发射端机的电信号测试点。
P202:
1310nm光接收端机输出的数字信号。
TP106：
通过均衡滤波器输出波形，眼图观测点。
六、实验结果
1．绘出实验观察到的几种情况下的升余弦波形及眼图形状，标上必要的实验说明。
2．叙述眼图的产生原理以及它的作用。
答：
眼图是一系列数字信号在示波器上累积而显示的图形，它包含了丰富的信息，从眼图上可以观察出码间串扰和噪声的影响，体现了数字信号整体的特征，从而估计系统优劣程度，因而眼图分析是高速互连系统信号完整性分析的核心。
另外也可以用此图形对接收滤波器的特性加以调整，以减小码间串扰，改善系统的传输性能。
用一个示波器跨接在接收滤波器的输出端，然后调整示波器扫描周期，使示波器水平扫描周期与接收码元的周期同步，这时示波器屏幕上看到的图形就称为眼图。
示波器一般测量的信号是一些位或某一段时间的波形，更多的反映的是细节信息，而眼图则反映的是链路上传输的所有数字信号的整体特征，如下图所示
实验3模拟/数字电话光纤传输系统实验
一、实验目的
1．了解电话接口电路组成；
2．了解电话呼叫接续过程；
3．掌握电话呼叫时的各种可闻信号音的特征；
4．了解记发器的工作过程；
5．掌握PCM编译码原理；
6．了解双光纤全双工通信的组成结构。
二、实验仪器
1．光纤通信实验箱
2．20M双踪示波器
3．FC-FC单模光跳线2根
4．小型电话单机2部
5．铆孔连接线若干
三、基本原理
本实验系统主要由两大部分组成：
电端机部分、光信道部分。
电端机由电话用户接口电路A、PCM编译码A、记发器电路、PCM编译码B、电话用户接口电路B等组成，光信道为双光纤通信结构。
电话语音信号的光纤传输，可以有多种方式，一种是原始语音信号，经过光纤直接进行传输；另一种方式是先把话音信号数字化，然后再经过光纤传输，目前使用最多的是PCM编译码方式。
下面先介绍本实验平台上两路电话电路接口示意图。
图7.1.1电话用户A、B结构示意图
图7.1.2电话用户A、B模拟光传输结构示意图（A到B单工）
图7.1.3数字电话光纤通信基本组成结构示意图
（一）电话接口电路原理介绍
用户电路也可称为用户线接口电路（SubscriberLineInterfaceCircuit—SLIC）。
任何交换机都具有用户线接口电路。
根据用户电话机的不同类型，用户线接口电路（SLIC）分为模拟用户接口电路和数字用户接口电路两种。
模拟用户线接口电路在实现上的最大压力是应能承受馈电、铃流和外界干扰等高压大电流的冲击，过去都是采用晶体管、变压器（或混合线圈）、继电器等分立元件构成。
在实际中，基于实现和应用上的考虑，通常将BORSHCT功能中过压保护由外接元器件完成，编解码器部分另单成一体，
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