通信工程综合实验前三次实验报告Word文件下载.docx
《通信工程综合实验前三次实验报告Word文件下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《通信工程综合实验前三次实验报告Word文件下载.docx（38页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
实验中半导体激光器工作于模拟信号方式，电流的确定通过串联在电路中的电流表测量。
4.实验内容
测量半导体激光器功率和输入电流的关系，并画出P—I关系曲线。
以下步骤可以选择1310nm或1550nm光端机发送模块上各自独立进行。
我们选择了1310nm光端机发送模块。
1）电路部分操作（略）
2）光路部分操作
（1）
（2）（3）略
（4）将“模拟偏置”电位器顺时针方向缓慢调节，使送入激光器的直流偏置电流逐渐增大，在可调范围内观察电流表的电流变化和光功率计读数的变化过程。
随着偏置电流的增大，电流表的电流值和光功率计的读数均缓慢增大
（5）缓慢细致地从头调节电位器WS05，使所测得的电流从最小值开始，以1mA为间隔取整数值填入下表，依次测量对应的光功率值，并将测得的数据填入表中。
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
I/mA
9
10
11
12
13
P/uW
0.26
0.40
0.69
2.18
24.72
57.68
90.16
113.50
P/dBm
-35.85
-33.94
-31.60
-26.61
--16.07
-12.39
-10.45
-9.45
14
15
16
17
18
19
20
21
151.36
174.98
204.64
234.96
267.30
298.54
323.59
354.81
-8.20
-7.57
-6.89
-6.29
-5.73
-5.25
-4.90
-4.50
（6）（略）
5.课后问题
（1）分别画出1310nm激光器或1550nm激光器的PI曲线，并加以分析
（2）整理所有的实验数据，并参考图画出PI曲线
（3）说明所测试的激光器的阈值电流的大约数值
（4）激光器的阈值电流Ith对光信号传输有何影响
解答：
整理数据后利用Excel表格整理数据：
通过观察可明显发现，Ith在8mA和9mA之间。
分别对Ith前3个点和Ith后13个点添加线性趋势线并显示公式，可得两公式分别为：
联立解得Ith点为（9.073，0.896），即阈值电流Ith的大约数值为9.073mA。
分析：
当注入p-n结的电流较低时，只有自发辐射产生。
随电流值的增大增益也增大，达阈值电流时p-n结产生激光。
激光器V-I特性曲线之所以左侧斜率大于右侧是因为：
当电压高于一定值时，比禁带宽度大，将会有大量的电子从价带跃迁到导带，从而使载流子数量大大增加电阻率降低，半导体的电阻降低所以左侧斜率大于右侧。
阈值电流对光信号传输的影响：
阈值是所有激光器的属性，它标志着激光器的增益与损耗的平衡点，即阈值以后机关器才开始净增益。
只有谐振腔内的增益达到能够克服损耗，才能建立起稳定的光震荡，输出谱线尖锐，方向性好的激光，而增大增益的方法就是加大半导体激光器的注入电流，因此阈值的大小决定着器件的功耗，也就决定着器件的连续工作时间和使用寿命：
阈值电流低，功耗低，连续工作时间长，使用寿命长，工作稳定性高。
如果阈值高，则同时要提高信号中的直流分量，才能减少信号的失真，提高调制性能，而且从功耗的角度来讲，直流成分高的系统其功耗一定高，这样对系统运行的稳定性是一个影响。
6.总结
（1）为何一直强调电源开关的顺序：
当开关机时，由于电磁感应作用将产生较大的阶跃电压，容易将半导体激光器击穿。
（2）影响半导体激光器阈值特性的因素
半导体激光器的阈值特性除受器件结构和半导体材料影响外，温度对他的影响最为明显，温度升高，半导体激光器的阈值电流随之增大
（3）激光器V-I特性曲线为何在阈值电流两侧斜率不同
之所以左侧斜率大于右侧是因为，当电压高于一定值时（比禁带宽度大），将会有大量的电子从价带跃迁到导带，从而使载流子数量大大增加，电阻率降低。
半导体的电阻降低所以左侧斜率大于右侧。
7.心得体会
本次实验测量了激光器功率电流特性关系，了解了半导体激光器的发光原理，在实验过程中分析了阈值电流的作用，最重要的是要时时注意对试验箱的保护，而且理解了试验箱可能损坏的原理。
实验二光发信机接口指标测试
（1）了解数字光发端机平均发送光功率的指标要求，并掌握测试方法。
（2）了解数字光发端机消光比的指标要求，并掌握测试方法。
JH5002A+型光纤通信实验系统、光功率计、FC-FC光跳线、万用表。
平均发送光功率是指在外加伪随机二进制序列作为测试信号的情况下，用光功率计在数字光发信机输出光接口处直接测试得到光功率，此数值即为数字光发信机的平均发送光功率。
采用伪随机码型可使发送数码具有“1”、“0”等概率的特点。
平均发送光功率与输入的码型有关，NRZ码与RZ码相比，其占空比分别为100％、50％，因而NRZ码的平均光功率比RZ码大一倍，即3dB。
另外，平均发送光功率是在额定偏置电流和调制电流条件之下测得的，否则结果会有偏差。
消光比是指数字驱动电路输入为全“1”码时光发信机的平均发送光功率P1，与数字驱动电路输入为全“0”码时光发信机的平均发送光功率P0之比的对数表达值，将测得的光功率P1、P0代入下式即得到光发送机的消光比：
光通信系统消光比太大，说明此时预偏置电流太小或没有，调制电流的增大要先经过低于LD阈值的一段区域才能进入激射区，这时会出现较大的时延，影响光通信系统的传输速率；
消光比太小，则调制深度浅，这时会出现平均发送光功率很大而“1”、“0”码对应的光功率差值却不大的情况，使接收端有用的光功率摆幅减小，因而影响系统的接收灵敏度。
1）光发信机平均发送光功率测试
（1）
（2）（略）
（3）将光跳线的另一端与光功率计的法兰盘端口对接，操作方法同
（2）。
并将光功率计根据实际测试的波长调到1310nm或1550nm挡。
（4）连接测试线，即取实验测试线一根，一端连接数字电路模块（数字传输系统一）板上“加扰模块”中的“加扰输出”，或“CMI编码模块”中的“输出数据”，另一端连接1310nm或1550nm光发信机的“数字输入”接口，向光发信机送入“1”、“0”等概率的数字信号。
我们将光功率计调到1310nm挡。
（5）（略）
（6）用光功率计测量此时光发信机的光功率，即为光发信机的平均发送光功率，注意记录光发信机的平均光功率3次，取平均值。
测得三次光功率为：
4.70,4.71,4.69.
平均值为：
4.70
（7）（略）
2）数字光发信机的消光比测试
（1）（略）
（2）将光发信机“数字输入”旋钮上方的输入选择跳线开关置于“ALL0”位置，此时将直流低电平送入光发信机，激光器所得到的码型为全“0”码，测得此时光发信机输出的光功率为P0。
经过测试P0=4.69
（3）将光发信机“数字输入”旋钮上方的输入选择跳线开关置于“ALL1”位置，此时将直流高电平送入光发信机，激光器所得到的码型为全“1”码，此时测得光发信机输出的光功率为P1。
经过测试P1=4.66
（4）将上面测试得到的P0和P1代入式（8-1）即得光发送机的消光比。
通过计算得到消光比EXT=-0.028
（1）记录光发信机的平均光功率3次，取平均值并填入表中。
（2）通过实验数据计算光发信机的消光比。
（3）光纤通信系统中的消光比的大小对系统传输特性有何影响？
为什么？
4.70,4.71,4.69；
数字驱动电路输入全“0”时光发信机的平均发送光功率P0=4.69
数字驱动电路输入全“1”时光发信机的平均发送光功率P1=4.66
消光比直接影响光接收机的灵敏度,从提高接收机灵敏度的角度希望消光比绝对值尽可能大，有利于减少功率代价，但也不是越大越好。
消光比大会使激光器的图案相关抖动增加。
消光比的值与光源工作电流有一定的关系，一般当发送“0”时，工作电流应在阀值附近，实验时可调节相应的驱动电流值。
光通信系统一般要求消光比越大越好，但是不可过大或过小，消光比太大，即预偏置电流太小或没有，影响通信系统传输速率；
消光比太小，则调制深度浅，有用光功率比例减小，影响系统灵敏度。
通过本次实验，了解数字光发射机平均输出光功率和消光比的指标要求，通过动手操作，掌握了数字光发射机平均输出光功率和消光比的测试方法，为以后的学习奠定了基础。
实验三光纤传输系统测试
（1）了解模拟信号光纤传输系统的通信原理。
（2）了解模拟信号光纤通信系统的基本结构。
（3）掌握各种模拟信号的传输机理。
20MHz及以上双踪示波器、JH5002A+型光纤通信实验系统。
通过本实验，可以了解和熟悉光纤模拟信号传输系统的组成，用示波器观察光发送模块和光接收模块的模拟信号波形，通过调整模拟信号的幅度和频率，改变激光器偏置电流的大小，深入理解激光器的偏置电流对信号传输的影响。
模拟信号光纤传输方式如下图所示。
模拟信号的传输方式，是用模拟信号直接控制光源的发光强度，然后经过光纤进行传输；
光纤传输系统的另一种方式是把模拟信号数字化后，对光源进行数字调制，然后再将调制好的数字信号进行光纤传输，对方经过光电转换后，再经过数字信号的译码将模拟信号还原成原始的模拟信号，其光纤传输方式如下图所示，这种方式实际就是光纤数字传输系统。
本实验采用模拟信号直接控制光源发光强度的方式。
本实验对不同频率、不同幅度的正弦信号（或方波信号、三角波信号）通过光纤进行传输，观察信号幅度和激光器偏置电流的调整对信号传输产生的影响。
以下实验步骤以实验箱左上方的1310nm光发信机模块为例进行讲述，1550nm光发信机模块的测试方法与其相同。
（1）
（2）（3）（略）
（4）用示波器在光接收模块的模拟信号输出端口观察输出信号，通过调节光发信模块中的电位器WS04（模拟幅度）和WS05（模拟偏流），以及光接收模块中的电位器WR01（增益调节），得到最佳传输的模拟信号，利用示波器的两个通道进行波形对比。
（5）分别调整模拟信号源的信号频率和幅度，重复进行上述观测并对输入输出波形进行比较。
恢复输入正弦波频率为1khz，幅度为1v的峰峰值反时针调节光发信模块中的电位器（模拟电流），减小模拟偏流，观察接收波形的失真情况
仅调节幅度：
明显可以看出，当增益过大时，会使正弦波出现形状上的失真
仅调节频率：
可以发现，会出现相位的偏移
当恢复输入正弦波频率为1khz，幅度为1v的峰峰值减小模拟偏流后观测结果如下：
，
出现非对称失真。
（1）记录整理并列表描述实验所用的波形、频率和幅度，画出所观察到的发端和收端波形，并进行比较。
（2）当送到光发送机输入端的模拟信号幅度过大时会出现什么现象？
当发送模拟信号的激光器偏流过小时会出现什么现象？
试根据P—I特性曲线进行分析说明。
（3）如何确定传输系统的频率和幅度范围？
具体波形与比较分析见上述实验过程
如果是模拟信号，应该偏置到线性区，否则易失真，就像三极管的饱和、截止会失真一样。
如果是数字信号，关系不大。
连续的模拟信号电流叠加在直流偏置电流上，适当地选择直流偏置电流的大小，可以减小光信号的非线性失真。
一般来说，半导体激光器很少用于模拟信号的直接调制，半导体激光器模拟调制要求光源线性度很高。
而且要求提高光接收机的信噪比比较高。
与发光二极管相比，半导体激光器的V-I线性区较小，直接进行模拟调制难度更大。
光纤传输系统的另一种方式是把模拟信号数字化后，对光源进行数字调制，然后再将调制好的数字信号进行光纤传输，对方经过光电转换后，再经过数字信号的译码将模拟信号还原成原始的模拟信号这种方式实际就是光纤数字传输系统。
通过本次实验了解了光纤传输系统测试，在实验过程中，通过调整输入模拟信号的幅度和频率发现输出波形的变化，总结得出了结论。
并结合了前两个实验对本实验进行了解释，受益匪浅。
第二次实验
第7章光无源器件特性测试
实验三无源光耦合器特性测试
（1）了解光耦合器的工作原理及其结构。
（2）掌握光耦合器的正确使用方法。
（3）掌握光耦合器的主要特性参数的测试方法。
JH5002A+型光纤通信原理实验箱1台
光功率计1台
FC/PC光纤活动连接器2个
FC/PCY型光分路/合路器（分光比10:
90）1个
光耦合器又称为光定向耦合器（DirectionalCoupler），用于对光信号实现分路、合路、插入和分配，其工作机理是光波导间电磁场的相互耦合。
1）光耦合器的分类
光耦合器的种类很多，最基本的耦合器可以实现两波耦合。
从结构上看，两个入口的光耦合器有如下几种类型。
第1类光耦合器件为微光元件型，这种类型多数采用自聚焦透镜为主要的光学构件，利用λ/4的自聚焦透镜可以把汇聚或发散的光线变成平行光线，也可以把平行光线变成汇聚或发散的光线，这一特点可以用来实现两束光线的耦合。
第2类光耦合器件是利用光纤熔锥成形，用两根以上的光纤经局部加热融合而成，首先去掉光纤的覆层，再在熔融拉伸设备上平行安装两根光纤，局部加热融合，并渐渐将融合部分的直径从200μm左右拉细到20～40μm左右。
由于这种细芯中的光场渗透到包层中，两个纤芯之间就会产生光的耦合，控制拉伸的程度即可以控制耦合比，附加损耗和分光比由光纤选型和熔融拉伸工艺所决定，借助计算机的精密控制，自动熔融拉伸设备可不间断地监测分光比和拉伸量，使制得的光纤耦合器平均插入损耗达0.1dB以下，分光比精度达1％以下。
星形耦合器是这种结构最典型的一种形式，如图7-15所示。
第3类光耦合器件采用光纤磨抛技术，将两根光纤磨抛后的楔形斜面对接胶黏，再与另一根光纤的端面黏结。
其附加损耗可以低于1dB，隔离度大于50dB，分光比可由1:
1至1:
100。
第4类光耦合器件用平面波导技术实现，运用先进的平面薄膜光刻、扩散工艺，可得到一致性好、分光比精度也高的光耦合器，但耦合到光纤的插入损耗较大。
在上述各类光耦合器中，熔锥型光纤耦合器制作方便，容易与外部光纤连接，能耐受较高的机械振动和温度变化，且价格便宜，因此这种类型的光耦合器件应用最多。
2）2×
2单模光纤耦合器的结构
2×
2单模光纤耦合器方框图如图7-16所示。
2单模光纤耦合器按应用目的可分别制成性能不同的两类器件，一类是光分路器/合路器，另一类是波分复用器（又称光分波器/合波器）。
光分路器/合路器工作于一个波长，对光信号实现分路、合路；
而波分复用器则工作于两个或两个以上不同的波长，实现不同波长光信号的合路或根据波长进行光信号的分路。
3）光分路器/合路器的性能指标
当光分路器/合路器工作于一个波长时，假设光源接于端口1，则光功率耦合到端口3和2，几乎没有光功率折返过来耦合到端口4；
而当光源接于端口4时，也几乎没有光功率折返过来耦合到端口1。
另外，根据器件的光路可互易性，端口1、4可以与端口2、3对调。
这种耦合器的技术指标如下。
（1）工作波长λ，通常取1310nm或1550nm。
（2）附加损耗Lf：
式中，——注入端口1的光功率；
——分别为端口2、3输出的光功率。
良好的2×
2单模光纤耦合器的附加损耗可小于0.2dB。
（3）分光比（或分束比）
分光比值的大小可以根据应用要求而定。
（4）分路损耗：
（5）反向隔离度：
通常要求>
55dB。
（测量反向隔离度时，须将端口2、3浸润于光纤的匹配液中，以防止光的反射。
）
除上述指标外，还有偏振灵敏度ΔR、光谱响应范围Δλ、机械性能和温度性能等项指标。
该实验可在实验箱左边上方的1310nm光端机发送模块或右边上方的1550nm光端机发送模块上各自独立进行。
主要是对光分路/合路器性能指标进行测试，做实验前做好准备工作，按图7-17连接好测试设备，连接尾纤、连接器和光无源器件时要注意定位槽方向。
2）光路部分操作（略）
3）打开实验箱操作电源开关
4）输入端至各支路输出端分路损耗的测量
用光功率计测量1310nm光源经尾纤输出在“a”点的光功率Pa，然后将信号接入光分路器的输入端口；
用光功率计测量支路一（“b”点）光功率Pb及支路二（“c”点）光功率Pc，记录测量结果并将测试数据分别填入以下两表，计算光分路器各支路分路损耗值。
50％光分路器分路衰耗
输入功率/dBm
输出功耗/dBm
插入损耗/dB
-2.75
-12.50
-9.75
-16.95
-14.20
10％光分路器分路衰耗（b支路为10％，c支路为90％）
插入损耗/dB
-9.06
-3.44
-2.63
6.43
5）分光比测量
在上述测量条件下，用光功率计再次测量光功率Pb及Pc。
记录测量结果，填入以下两表，计算光分路器分光比。
90％光分路器分路衰耗（b支路为10％，c支路为90％）
输出功率/dBm
总输出功率/dBm
计算分光比/％
-9.51
39.04%
60.94%
50％光分路器分路衰耗（b支路为10％，c支路为90％）
-6.80
72.86%
27.14%
6）波长特性测量
分析1310nm（或1550nm）波长分路器使用1550nm（1310nm）波长时对分路损耗和分光比的影响，根据测试数据填写下表，计算分路损耗和分光比，分析波长的变化对分路及分光比的影响。
波长特性测量
输入功耗/dBm
7）合波定向特性测量
按下图连接好测试设备。
连接尾纤、连接器和光无源器件时注意定位销的方向。
用光功率计测量1310nm光源经尾纤输出在支路一（“a”点）的光功率Pa，然后用光功率计测量光合路输出（“b”点）的光功率Pb，用光功率计在支路二（“c”点）测量返回的光功率Pc，根据上述测量数据，将测量结果填入表下表，计算光合路器回波损耗。
合波定向特性测试
支路—输入功耗/dBm
计算损耗/dB
-2.19
定向输出-11.01
-8.82
返回输出-26.85
-24.66
（1）将测量结果填入相关表格，计算光分路器各分路损耗、分光比、光合路器的回波损耗。
并对计算结果进行分析。
（2）合波定向特性测试说明了什么问题？
（3）波长的变化对光分路损耗和分光比有何影响？
实验数据参见上述实验过程
合成波定向特性测试说明一路损耗中的插入损耗几乎等于附加损耗与分光比损耗的和，但是这并不意味着插入损耗包含这两者。
插入损耗定义为输出端口的光功率相对全部输入光功率的减少值，附加损耗定义为所有输出端口的光功率总和相对于全部输入光功率的减小值，体现器件制造工艺质量的指标，分光比为耦合器各输出端口的输出功率的比值，弄清这三者关系之后，就会发现这三者不是包含关系。
对于本实验，由于两路输出的光纤弯曲程度不一样、输出端面清洁度不一样、在两路输出功率的读取时人为的读数误差等都会导致分光比与理论值产生差异。
本次实验比较复杂，计算量庞大，但我们最终完成了任务。
由于没有学完光纤通信，很多理论上的东西我们没有很好的理解。
第9章光波分复用传输系统
实验一光波分复用器特性测试
（1）了解光波分复用器的工作原理及其结构。
（2）掌握光波分复用器的特性参数测试和正确使用方法。
JH5002A+型光纤通信原理实验箱1个
光功率计1台
1310/1550光波分复用器2只
FC/PC光纤跳线4根
1）光纤传输系统的构成
在做实验前，需要对波分复用器的基本原理及其性能有初步的了解，波分复用光纤传输系统
升级会员 