光纤通信实验.docx

资源描述

光纤通信实验.docx

《光纤通信实验.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光纤通信实验.docx（27页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

光纤通信实验.docx

光纤通信实验

实验一半导体激光器P-I特性测试验

一、实验目的

1.学习半导体激光器发光原理和光纤通信中激光光源工作原理

2.了解半导体激光器平均输出光功率与注入驱动电流的关系

3.掌握半导体激光器P（平均发送光功率）-I（注入电流）曲线的测试方法

二、实验仪器

1.ZY12OFCom13BG型光纤通信原理实验箱台

2.光功率计1台

3.FC/PC-FC/PC单模光跳线根

4.万用表1台

5.连接导线20根

三、实验原理

半导体激光二极管（LD）或简称半导体激光器，它通过受激辐射发光，（处于高能级E2的电子在光场的感应下发射一个和感应光子一模一样的光子，而跃迁到低能级E1，这个过程称为光的受激辐射。

所谓一模一样，是指发射光子和感应光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，它和感应光子是相干的。

）是一种阈值器件。

由于受激辐射与自发辐射的本质不同，导致了半导体激光器不仅能产生高功率（≥10mW）辐射，而且输出光发散角窄（垂直发散角为30～50°，水平发散角为0～30°），与单模光纤的耦合效率高（约30％～50％），辐射光谱线窄（Δλ＝0.1～1.0nm），适用于高比特工作，载流子复合寿命短，能进行高速信号（>20GHz）直接调制，非常适合于作高速长距离光纤通信系统的光源。

P-I特性是选择半导体激光器的重要依据。

在选择时，应选阈值电流Ith尽可能小，Ith对应P值小，而且没有扭折点的半导体激光器，这样的激光器工作电流小，工作稳定性高，消光比（测试方法见实验四）大，而且不易产生光信号失真。

并且要求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，半导体激光器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阈值条件。

一般用注入电流值来标定阈值条件，也即阈值电流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发出的光，当电流大于Ith时，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，以测试半导体激光器的P-I线性关系。

在实验中所用到半导体激光器输出波长为1310nm，带尾纤及FC型接口。

半导体激光器作为光纤通信中应用的主要光源，其性能指标直接影响到系统传的质量，因此P-I特性曲线的测试了解激光器性能是非常重要的。

半导体激光器驱动电流的确定是通过测量串联在电路中的R110上电压值。

电路中的驱动电流在数值上等于R110两端电压与电阻值之比。

为了测试更加精确，实验中先用万用表测出R110的精确值（将BM1、BM2都拨到中档，用万用表的欧姆档测T103、T104之间的电阻），计算得出半导体激光器的驱动电流，然后用光功率计测得一定驱动电流下半导体激光器发出激光的功率，从而完成P-I特性的测试。

并可根据P-I特性得出半导体激光器的斜率效率。

四、实验内容

1.测量半导体激光器输出功率和注入电流，并画出P-I关系曲线。

2.根据P－I特性曲线，找出半导体激光器阈值电流，计算半导体激光器斜率效率。

五、实验步骤及结果

1.将光发模块中的可调电阻W101逆时针旋转到底，使数字驱动电流达到最小值。

2.用万用表测得R110电阻值，找出所测电压与半导体激光器驱动电流之间的关系（V＝IR110）。

经实验测得R110=1.8Ω

3.拨动双刀三掷开关，BM1选择到半导体激光器数字驱动，BM2选择到1310。

4.旋开光发端机光纤输出端口（1310nmT）防尘帽，用FC-FC光纤跳线将半导体激光器与光功率计输入端连接起来，并将光功率计测量波长调整到1310nm档。

5.连接导线：

将T502与T101连接。

6.连接好实验箱电源，先开交流电源开关，再开直流电源开关，即按下K01，K02（电源模块），并打开光发模块（K10）和数字信号源（K50）的直流电源。

7.用万用表测量R110两端电压（红表笔插T103，黑表笔插T104）。

8.慢慢调节电位器W101，使所测得的电压为下表中数值，依次测量对应的光功率值，并将测得的数据填入下表。

9.做完实验后先关闭光发模块电源（K10），然后依次关掉各直流开关（电源模块），以及交流电开关。

10.拆下光跳线及光功率计，用防尘帽盖住实验箱半导体激光器光纤输出端口，将实验箱还原。

11.将各仪器设备摆放整齐。

六、实验报告

1.根据实验记录数据，算出半导体激光器驱动电流，画出相应的光功率与注入电流的关系曲线。

（测得电阻为1.0Ω）

U（mV）

I（mA）

P（uW）

0.0819

7.35

41.30

69.0

101.7

130.1

163.06

P（dBm）

-41.04

-21.49

-13.89

-11.57

-9.98

-8.84

-7.89

U（mV）

I（mA）

P（uW）

191.6

219.4

248.9

313.8

377.3

438.9

490.6

P（dBm）

-7.18

-6.58

-6.01

-5.01

-4.23

-3.58

-3.11

U（mV）

I（mA）

P（uW）

531.7

574

619

677

732

802

858

P（dBm）

-2.68

-2.41

-2.09

-1.71

-1.35

-0.96

-0.64

2.根据所画的P-I特性曲线，找出半导体激光器阈值电流Ith的大小。

3.根据P-I特性曲线，求出半导体激光器的斜率效率。

七、注意事项

1.半导体激光器驱动电流不可超过40mA，否则有烧毁激光器的危险。

2.由于光功率计，光跳线等光学器件的插头属易损件，使用时应轻拿轻放，切忌

用力过大。

八、思考题

1.试说明半导体激光器发光工作原理。

半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质（既利用电子）在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。

半导体激光二极管（LD）或简称半导体激光器，它通过受激辐射发光，（处于高能级E2的电子在光场的感应下发射一个和感应光子一模一样的光子，而跃迁到低能级E1，这个过程称为光的受激辐射

2.环境温度的改变对半导体激光器P-I特性有何影响？

随着温度的上升，阈值电流越来越大，功率随电流变化越来越缓慢。

3.分析以半导体激光器为光源的光纤通信系统中，半导体激光器P-I特性对系统传输性能的影响。

当注入电流较小时，激活区不能实现粒子束反转，自发发射占主导地位。

，激光器发射普通的荧光。

随着注入电流的增加，激活器里实现了粒子束反转，受激辐射占主导地位。

但当注入电流小于阈值电流时，谐振腔内的增益还不足以克服如介质的吸收、镜面反射不完全等引起的谐振腔的损耗时，不能在腔内建立起振荡，激光器只发射较强荧光。

只有当注入电流大于阈值电流时，才能产生功率很强的激光。

九、实验感想

在这次实验中，我学到很多东西，加强了我的动手能力，并且培养了我的独立思考能力。

在实验的过程中我们要培养自己的独立分析问题，和解决问题的能力。

本次得到的数据还需要一些实际情况的修正，还有需提到的是本次设计未涉及到具体的施工以及天线部分具体的架设，网络传输系统的具体结构以及线路的铺设上。

最后再次我深深体会到科研的艰苦，理论上虽然成功，但实践不一定能成功，心中不由自主的对我国广大的科研人员生出无限的敬佩之情。

实验二数字光纤通信系统线路编译码实验

一、实验目的

1、了解线路码型在光纤传输系统中的作用

2、掌握线路码型CMI码的编译码过程以及电路实现原理

二、实验仪器

1、ZY12OFCom23BH1型光纤通信原理实验箱1台

2、20MHz双踪模拟示波器1台

3、FC-FC单模光跳线1根

4、连接导线20根

三、实验原理

接口码型HDB3码虽然有很多优点，如功率谱中无直流分量，高低频成分少，定时信息丰富，有利于定时提取等，但它不能在光纤中传输，当通过接口码型变换电路将其变换为PCM码后，虽然能在数字光纤通信系统中传输，但在实际的数字光纤通信系统中并不采用这种码型。

本实验阐述了适合数字光纤通信系统所采用的三种线路码型：

①伪双极性码；②mBnB码；③附加奇偶位码。

还说明了线路码相对于接口码型的优点，并将一基带信号NRZ码变换为有利于数字光纤通信系统传输的线路码型：

伪双极性码、mBnB码。

由于CMI码有很多优点，它既为我国数字通信标准制式所规定的两种接口码型之一，又是数字光纤通信系统中所采用的线路码型，它既属于伪双极性码又属于mBnB码（1B2B码）。

所以，本实验中的线路码型就采用CMI码。

CMI码为信号反转码（CodeMarkInversion），是一种二电平不归零码，是PCM四次群的线路传输码型，也就是四次群数字光纤通信设备与四次群PCM设备之间的接口码型。

1、CMI码的特点

A.CMI码编译电路简单，便于设计与调试。

B.CMI码的最大连“0”和连“1”都是3个

C.具有误码监测能力，当其编码规则被破坏，就表示有误码产生，便于线路传输中的误码监测。

D.CMI码功率谱中的直流分量恒定，低频分量小，fr（变换前的码速率）频率处有限谱，频带较宽，便于定时提取。

E.CMI码的速率是编码前信号速率的两倍。

2、CMI码的编码规则

A.对于二进制“0”被编码成为前后得A1和A2（A1为“0”电平，A2为“1”电平）两种幅值的电平，每种幅值占单位时间间隔的一半（T/2），即在CMI码中为“01”码。

B.对于二进制“1”用幅值电平A1和A2来编码。

A1或A2都占满了一个单位时间间隔（T），即在CMI码流中为“00”或“11”码；对于相继的二进制“1”，这两个电平相互交替。

这也就是前一个二进制“1”编为A1，（即“00”）则后一个二进制“1”就编A2，反之，前一个二进制“1”编为A2，（即“11”）则后一个二进制“1”就编A1，即在CMI码流中以“00”和“11”信号相互交替。

3、CMI码编码电路的方式。

CMI编码电路比较简单，CMI码的编码规则是将二值码NRZ序列中的“1”和“0”状

态进行分离，然后按各自的编码规则进行编码，最后由这两种状态的编码合成输出就成为CMI码。

4、CMI译码电路

CMI译码不采用CMI编码逆变换，而是采用延时CMI码T/2（即半比特时间）然后相加，时钟读出的方法。

5、mBnB码和伪双极性码

mBnB码是将输入的m比特（Bit）一组码作为一个码字，按变换表，在同样长的时间间隔内，变换成n比特一组的输出码字，因此又称为字变换码。

这里m，n均为正整数，且n>m。

伪双极性码（CMI和DMI）也是一种字变换码，也可以认为它们是1B2B码，这种码保留了电缆数字传输中常用的双极性码（常称AMI码）的优点，如表16.2所示。

用两个比特数字脉冲表示AMI码中的一个码字，“1”码时以“00”和“11”相互交替（对应于AMI码中“1”码以“＋”和“—”电平相互交替），从而使码流中“0”和“1”均等，消除直流基线的影响，连“0”整数和连“1”整数被限制在2或3，同时也可以自检误码。

但这种码型的缺点是冗余度大，仅在基群和二次群系统中使用。

表2.1AMI码和伪双极性码的变换规则

AMICMIDMI

+1111

00101在“＋”之后，10在“—”之后

﹣0000

表2.2二电平码变为CMI和DMI码的规则

实验中线路编码将数字基带信号NRZ码变换为适合数字光纤通信系统传输的线路码型CMI码，CMI码经光纤传输后，再经线路译码变换为基带信号NRZ码。

实验方框图如图2-1所示。

观察各点波形以理解CMI编译码规则

图2-1CMI编译码实验框图

四、实验内容

1、验证符合光纤传输系统的线路码型

2、观察线路码型的编译码过程

五、实验步骤

1、连接导线：

数字基带信号产生模块T504与CMI编译码模块T701连接，T502与T702连接，T703与T151连接，T751与T161连接，T752与T502连接

2、用FC-FC广信跳线将1550nmT与1550nmR连接，组成1550nm光纤传输系统

3、连接好实验箱电源，先开交流电源开关，再开直流电源开关，即按下K01，K02（电源模块）

4、接通数字信号源（K50）、CMI编译码模块（K70）和发光模块（K15）的直流电源。

5用示波器观察TP502、TP504、TP703、TP161、TP753波形

TP502

TP504/703

TP703/161

TP161/753

TP504/753

6、依次关闭各直流电源、交流电源，拆除导线光学器件，将实验箱还原

六、实验报告

1、记录实验中各点的波形

2、分析各点的波形，比较实验所观察到的波形与理论波形是否一致，若不一致分析其原因

七、注意事项

1.CMI编码输出波形与原NRZ码相位相差1个码元。

2.CMI译码输出波形与原NRZ码相位相差2个码元。

3.T504的波形由拔码开关K501，K502，K503控制，波形不一定与示意图中相同。

八、思考题

1、为什么实际的数字光纤通信系统一般不直接采用PCM码型？

PCM码型，是最初的由模拟信号调制过去的一种数字信号。

但是现在的数据量来说，不像以前数据量很小的单纯的点到点传输，单单一个PCM信号是解决不了这么大的数据和传输问题的，所以就必须采用各种机制来复用PCM码型，例如E1信号再到PDH信号，再到现在的SDH信号，这些都是传输网上的机制，只有这样，才能携带更多PCM信号和把信号传到传的更远和更快，而且在PCM信息上加上一些管理的字段的话，方便对信息的管理。

2、CMI作为数字光纤通信系统的线路码型有哪些优点？

1、CMI码编译电路简单，便以设计与调试。

2、具有误码检测能力，当期编码规则被破坏，就表示有误码产生，便于线路传输中的误码监测。

3、CMI码功率谱中直流分量恒定，低频分量小，频带较宽，便于定时提取。

4、编码速率是前信号的两倍。

九、实验感想

实验中，本着坚持不懈的决心认真完成实验，尽管遇到一些问题，例如一个虚拟的平台，它能够对各种测试结果进行准确的分析实在是太神奇了；而测量技术则是测试技术的一个必不可少的前提，所以我觉得虚拟仪器对测试技术的起到非常重要的作用。

最后再次我深深体会到科研的艰苦，理论上虽然成功，但实践不一定能成功，心中不由自主的对我国广大的科研人员生出无限的敬佩之情。

实验五光纤通信网中的光时分复用技术实验

一、实验目的

1、了解光纤接入网时分复用原理

2、掌握时分复用技术

二、实验仪器

1、ZY12OFCom13BG3型光纤通信原理实验箱1台

2、20MHz双踪模拟示波器1台

3、FC/PC-FC/PC单模光跳线1根

4、连接导线20根

三、实验原理

光时分复用（OTDM）是以光领域的超高速信号处理技术为基础，避免了高速电子器件和半导体激光器直接调制能力的限制，可实现数十Gbit/s乃至数百Gbit/s的高速传输。

所谓光时分复用是指将多个通道的数字信息（低速率）以时间分割的方式插入到同一个物理信道——光纤中。

复用之后的数字信息成为高速率的数字流，数字流由帧组成。

帧定义了信道上的时间区域，在这个区域内信号以一定的格式传送。

时分复用必须采取同步技术来使远距离的接收端能够识别和恢复这种帧结构。

例如发送端在每帧开始的时候发送一个特殊的码组，而接收端利用检测这个特征码组来进行帧定位。

特征码组（或称帧定位码组）按一定的周期重复出现。

每一帧又包含若干个时间区域，叫做时隙TS，每个时隙在通信时严格地分配给一个信道，即每个信道的数字信息是严格相等且时间上保持严格的同步关系。

光时分复用（OTDM）可分为比特间插和分组间插。

比特间插OTDM帧中每个时隙对应一个待复用的支路信息（一个比特），同时有一个帧脉冲信息，形成高速OTDM信号，主要用于电路交换业务。

分组间插OTDM帧中每个时隙对应一个待复用支路的分组信息（若干个比特区），帧脉冲作为不同分组的界限，主要用于分组交换业务。

本实验将两路不同的模拟信号分别经两个独立的PCM编码电路进行PCM编码，在编码的过程中使这两个编码电路采用不同的编码时隙，然后将这两路PCM信号进行同步复接，即时分复用，再将此信号接入到光发机数字驱动电路的输入端，经光纤传输后送到PCM译码电路，用各自相应的编码时隙将它们分别恢复为原模拟信号。

实验框图如图4-1所示。

图4.-1时分复用实验框图

光纤通信网中的时分复用技术从电路上来说就是电路的时分复用。

时分复用技术是光纤通信系统中重要组成部分。

四、实验内容

1、将两路模拟信号进行时分复用

2、观察PCM编译码过程及各测试点波形

五、实验步骤

1、用FC-FC光纤跳线将1550nm光发端机（1550nmT）与1550nm光收端机（1550nmR）连接起来，组成1550nm数字光纤传输系统。

2、连接导线：

模拟信号源模块T303（1K正弦波）与PCM编译码模块T601连接，T304（2K正弦波）与T611连接，T621与光发模块T151连接，T161与T631连接。

3、将K601，K602，K603接1，2脚。

4、接上交流电源线，先开交流开关，再开直流开关K01，K02，五个发光二极管全亮。

5、分别接通光发模块（K150）、模拟信号源模块（K30）、PCM编译码模块（K60）的直流电源。

6、调节两正弦波波形，使得T303波形为1K正弦波，幅度为2V，T304波形为2K正弦波，幅度为2V。

7、用示波器观察时隙0（TP650）、时隙1（TP651）、时隙2（TP652）和PCM编译码中帧同步码（TP653）的波形。

8、观察TP602（模拟信号1模数转换后波形），TP612（模拟信号2模数转换后波形）T621（两路模拟信号经模数转换和时分复用后的波形）。

9、观察和比较TP603与TP601，TP613与TP611。

10、依次关闭各直流电源、交流电源，拆除导线，拆除各光学器件，将实验箱还原。

六、实验报告

正弦波1K2k

TP650/TP651/TP652

TP653

TP653/TP602

TP602/TP612

TP612/TP621

TP603/601

Tp613/611

七、思考题

1、如果要实现三路模拟信号的时分复用，则实验箱以及实验方案如何改进？

将两路信号改为三路。

2、改变输入模拟信号的频率和幅值，PCM编码信号将如何改变？

用实验进行验证。

改变输入模拟信号的幅值，PCM编码的量化间隔会变大；改变输入模拟信号的频率，采样频率将发生变化，PCM编码数量将增加。

八、实验感想

这次的实验跟我们以前做的实验不同，因为我觉得这次我是真真正正的自己亲自去完成。

所以是我觉得这次实验最宝贵，最深刻的。

就是实验的过程全是我们学生自己动手来完成的，这样，我们就必须要弄懂实验的原理。

在这里我深深体会到哲学上理论对实践的指导作用：

弄懂实验原理，而且体会到了实验的操作能力是靠自己亲自动手，亲自开动脑筋，亲自去请教别人才能得到提高的。

实验四电话光纤传输系统实验

一、实验目的

1、了解电话及语音信号通过光纤传输的全过程

2、掌握模拟电话、数字电话光纤传输的工作原理

二、实验内容

1、模拟电话光纤传输系统实验

2、数字电话光纤传输系统实验

三、预备知识

1、了解模拟电话、数字电话的特点，区别

四、实验仪器

1、ZY12OFCom13BG3型光纤通信原理实验箱1台

2、20MHz双踪模拟示波器1台

3、FC/PC-FC/PC单模光跳线1根

4、电话机2部

5、万用表1台

6、850nm光发端机和光收端机（可选）1套

7、ST/PC-ST/PC多模光跳线（可选）1根

8、连接导线20根

五、实验原理

对于局间通信来说，电话语音通信具有举足轻重的作用。

以电话通信网络为载体，各种模拟（或数字）信号的传输系统已经商业化。

如电话、传真、拨号网络通信等业务都是在局间电话网上实现的。

图13-1电话模拟光纤传输

电话语音信号的光纤传输分为两种方式：

一种方式为模拟电话光纤传输，即电话用户接口输出的模拟信号直接送入光纤模拟信号传输信道，从而实现两部电话的通话（由于模拟信号无法直接进行时分复用，因此模拟电话光纤传输只能传输一路电话语音信号，另一路电话语音信号直接用连接导线代替光纤），实验方框图如图13-1所示。

图13-2电话数字光纤传输

图13-3PCM编码帧结构示意图

另一种方式为数字电话光纤传输。

在数字传输系统中，几乎所有业务均以一定的格式出现，因而在信道上对各种业务传输之前要对业务的数据进行包装。

信道上对业务数据包装的过程称之为帧组装。

不同的系统、信道设备帧组装的格式、过程不一样。

时分复用制的数字通信系统，在国际上已逐渐建立起标准并广泛使用。

时分复用（TDM）的主要特点是在一个信道上利用不同的时隙来传递各路（语音、数据或图像）不同信号。

各路信号独立、互不干扰。

实际的电话业务共有32个时隙，其中30个时隙用于话音业务。

第一个时隙为定位时隙，用于做帧同步提取用。

第二到第十六个时隙传输话音业务，第十七个时隙用于信令信号传输，以实现信令的接续。

第十八到三十二时隙用于话音业务。

在我们的实验箱中，电话用户接口输出的两路模拟信号经过PCM编码以后，利用时分复用的方式，将两路信号数字调制成一路信号，然后送入光发端机中进行光纤传输，光收端机接收的信号通过时分解复用，实现信号的分离，分别送入两个电话用户接口电路中，实现两部电话的全双工通话，其方框图如图13-2所示。

在PCM编译码中，帧同步信号为8KHz，一帧信号分为四个时隙，分别为时隙0、时隙1、时隙2和时隙3；时隙0为帧同步信号，其同步码为固定的码流“01110010”，时隙1和时隙2分别为两路电话语音调制数据，时隙

展开阅读全文