光信息传输技术实验指导书.docx
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光信息传输技术实验指导书
《光信息传输技术》
实验指导书
何宁编
信息与通信学院
2011年7月
实验一光纤及LD特性测量
一．实验目的
1．掌握光纤的基本结构和传输特性。
2．了解光纤通信光源的类型及发光机理。
3．掌握光纤及LD有关特性测量。
二．实验内容及要求
1.光纤损耗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。
三．实验原理
光纤制造过程是比较复杂的过程，生产光纤的主要材料为石英（SiO2），其制造流程如图1所示：
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：
熔炼、拉丝、套塑。
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，端面的平整度和干净程度等。
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，引起光能量衰减的原因有吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。
要降低光纤衰减，可采用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光纤所具有的带宽能力，光纤频带特性主要受传光时色散性的影响。
光纤的损耗是决定光纤通信系统传输距离的一个很重要的参数，光纤内的吸收、散射和弯曲、微弯以及护套等因素均可引起光纤传输中光功率的衰减，由于精确地计算光纤损耗极为困难，光纤的损耗通常用实验确定，因此，掌握测量光纤损耗的方法十分重要。
光纤中光信号的传输可用下式表示：
（1）
式中
是光纤输入功率，
是光纤长处的光功率，是功率损耗系数，单位是1/米。
在光纤传输系统中，常用分贝/公里（
）表示损耗，即损耗系数为：
（
）
（2）
与的关系为：
（3）
光纤的弯曲损耗都是由于光不满足全反射条件而造成的，现代光纤最大的优点之一就是它的易弯曲性，如果光纤的弯曲曲率半径太小，将引起光传播途径的改变，使光从纤芯渗透到包层，甚至可能穿过包层向外渗漏。
在正常情况下，光在纤芯内沿轴向传播的常数应满足
，光强分布为中心轴线最强，随着半径的增大而逐渐减弱，到达纤芯的边缘光强等于零，呈高斯分布。
光在弯曲部分中传输，要想保持同相位的电场和磁场在一个平面里，则越靠近外侧，其速度就会越大（即越小）。
当传到某一位置时，其相速度就会超过光速，即当
时，这意味着传导模要变成辐射模，所以，光信号的一部分会损失掉，传输损耗将会增加。
图2和图3是光纤特性图。
图2光纤损耗特性图3光纤弯曲振荡特性
光纤通信系统采用的光源主要有半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）,根据制作的材料不同，发光二极管的峰值发射波长有0.85um、1.3um和1.55um三种。
LED是非相干光源，是一种直接注入电流的光发射器件，它的发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，发射出光子的结果。
在发光二极管的结构中，不存在谐振腔，当注入正向电流时，注入的非平衡载流子在扩散过程中复合发光。
因此，发光二极管不是阈值器件，它的输出功率基本上与注入电流成正比。
发光二极管的结构可分为表面发光型LED和边发光型LED，光纤通信中多采用边发光型LED。
发光二极管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。
光谱曲线上发光强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LED的谱线宽度，其值为30～40nm左右,光谱极易受温度的影响。
伏安特性是指LED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4给出示意图。
（a）伏安特性曲线（b）伏安特性测试电路
图4伏安特性示意图
光谱曲线上发光强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30～40nm左右,光谱极易受温度的影响。
与普通光源相比，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，激光的出现使原有的光谱技术在灵敏度和分辨率方面得到很大的改善。
激光器根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5、图6和图7所示。
图5LED光谱特性
图6LD光谱特性图7LED多纵模光谱
电光转换特性是指LED的光输出功率与注入电流的关系，它是LED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流下，LED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，LED发光面所发射出的光功率。
出光特性曲线如图8所示。
图8P－I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进行调制，从而改变光功率。
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9给出其调制原理图。
（a）模拟调制（b）数字调制
图9调制特性曲线
四．实验线路
图10和图11给出光纤弯曲损耗和弯曲振荡的测试图，测试中使光纤在不同直径大小的圆柱上弯曲，在光功率计和光谱仪上进行测量。
图12给出了伏安特性、出光特性的具体测试电路，调节电位器可改变流过二极管的电流，从而改变LED的出光功率。
图13给出了光调制电路，a）图为模拟调制电路，为了保证LED工作在线性范围，在无信号输入时，必须给LED加一定的直流偏置；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，当输入信号为高电平时，三极管导通，LED有光信号输出，当输入信号为低电平时，三极管截止通，LED无光信号输出。
图10光纤损耗测试图图11光纤弯曲振荡测试图
图12伏安特性与P－I特性测试电路图13调制电路
五．实验步骤
（一）光纤特性测量及连接技术
测量光纤衰减特性、光谱特性，
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LED测试电路，开启稳压电源（直流5V）。
2．调整电位器，使流过LED的电流为100mA，测量LED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LED两端对应电压值。
4．根据测试数据作出LED的正向伏安特性曲线。
表1
电流
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
电压
（三）LED出光特性测试
1．电源电压为5伏，调整电位器改变流过LED的电流。
2．在LED的尾纤接入光功率计，读出与流过LED电流对应的光功率值，记入表2中。
3．根据测试数据作出LED的出光特性曲线。
表2
电流
5
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
功率
（四）LED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，并加入电路输入端。
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LED的光功率值。
六．实验设备
稳压电源信号源光功率计光谱仪万用表双踪示波器
七．实验报告
1处理实验数据，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实验体会。
实验二光通信系统模拟仿真
OptiSystem
一、实验目的
1.熟悉OptiSystem仿真软件的功能及应用。
2.掌握基本光纤通信系统的构成与参数仿真。
二、实验内容
1.OptiSystem软件菜单元件库操作
2.基本光纤传输系统仿真
三、软件功能介绍
OptiSystem能在时域和频域上对光通信系统中物理层进行模拟仿真。
用途：
光发射机、信道、放大器、接收机设计
WDM、DWDM、CATV、PON/FTTx、ROF网络设计、
SONET/SDH设计
功能：
图形化界面
可导入其它设计软件和Matlab文件。
四、元件库介绍
发送器件库（TransmittersLibrary）
波分复用器件库（WDMMultiplexersLibrary）
光纤介质库（OpticalFibersLibrary）
放大器件库（AmplifiersLibrary）
滤波器元件库（FiltersLibrary）
无源元件库（PassivesLibrary）
网络元件库（NetworkLibrary）
接收元件库（ReceiversLibrary）
信号逻辑元件库（SignalProcessingLibrary）
接插件元件库（ToolsLibrary）
信道处理库（CableAccessLibrary）
MATLAB元件库（MATLABLibrary）
测量仪器库（VisualizerLibrary）
信道调制解调元件库（CableAccessLibrary）
EDA仿真库（EDACosimulationLibrary））
五、实验仿真报告及要求
1、光源光谱测试系统
改变光源谱宽（1KHz~200MHz），观察光谱、光功率、光信噪比，作出光信噪比随光源谱宽变化曲线。
2、建立一模拟光纤传输系统
系统包括光源（功率为-20dBm）、模拟调制器、光纤介质、光电探测器（PIN）、滤波器，信号源（频率为200MHz、幅度为100mV），要求光接收灵敏度为-53dBm左右时（接收系统输出信噪比约等于1时），模拟系统传输的最大距离。
实验三：
数字光纤传输测试系统设计
一、实验目的
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、掌握光纤通信系统接收的灵敏度测量及通信距离概算。
二、实验任务和原理
实验任务：
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。
实验原理：
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电光转换器件有LD和LED，调制方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行处理，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情况下，接收机所需的最小光功率，常采用分贝毫瓦（dBm）表示。
光纤传输系统中继距离的长短，除了发射机的发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：
光纤传输系统信道组成
式中：
为发射平均功率，单位dBm;接收光功率，单位dBm;
一个活动接头损耗，单位dB;设备富余度，单位dB
光纤每公里损耗，单位dB/Km;
每个固定接头衰减，单位dB/个；
光纤线路富余度，dB/Km.
三、系统设计及技术要求
1、光接收机灵敏度测试
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，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
根据上面测试的模拟信道衰减量计算出最大的传输距离；（注意活动接头的个数）
如果在灵敏度保持一定时，光发射机功率再增加0.1mW，计算此时光纤信道传输距离可增加多少公里。
（给定设备富余度＝3dB，光纤衰减为0.2dB/Km）。
四、实验仪器及使用
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
●调制光源是光纤通信完成电光转换的一个重要部分，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，输出光功率可进行调整，通过调整INT按键可改变其工作状态，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。
●光纤衰减器是完成对光信号的衰减控制，用它可实现对传输信道长度的模拟，具有dB功率衰减显示。
●光功率计是完成对光功率的测试，具有测试波长选择，采用dBm和mW、uW、nW功率读数显示。
●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、设计报告要求
1、画出每个参数的测试框图，注明所用设备和器件（包括活动接头位置和个数）。
2、写出每个参数的测试步骤（操作过程）。
3、报告测试数据及相关信号波形。
4、计算系统接收灵敏度和传输距离,分析测量误差。
5、说明光纤通信系统的传输距离主要受那些因素影响。
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