06级光纤通信实验讲义

1光纤通信原理与应用实验讲义南阳师范学院物理与电子工程学院编订人：海涛23目录实验一双光纤通信传输认识............................1实验二激光器P—N特性曲线测量.......................11实验三自动功率控制(APC)原理.........................15实验四光接收机电路原理.............................23实验五数字信号电—光、光—电传输.....................27实验六模拟信号电—光、光—电传输.....................29实验七光纤通信线路码...............................32实验八波分复分(WDM)光纤通信.........................38实验九电话语音光传输...............................45实验十二—八台计算机单/双光纤全双工通信传输............494实验一双光纤通信传输认识光纤通信是近代通信发展的一个重要部分，初步了解光纤通信的基本组成，建立光纤通信的基本概念。一、实验目的1．了解双光纤通信传输实验箱的结构。2．了解各模块的功能和作用。3．了解双光纤通信传输实验的特点。二、实验内容1．熟悉双光纤通信传输实验箱各模块的功能和作用。2．熟悉双光纤通信传输实验箱的使用与操作。3．了解双光纤通信的波分复用传输方法。三、实验仪器THKEGC-2型实验箱一台、FC/PC连接器一只、1310nm/1550nm波分复用器两只(接头类型：FC/PC)、示波器一台。四、实验箱结构、特点(一)结构简介实验系统结构见图1-1所示。光纤通信传输实验系统采用模块化结构设计，分为左右两大模块(两套光纤发送接收系统)，每一个模块中又由许多子模块组成：5图1-1双光纤通信传输实验箱模块结构图1．1310nm光发送接收系统1）固定速率时分复用/解复用模块复接模块：三路串行数据输入接口，一路串行数据输出接口。完成将三路串行数据打包成一路串行数据，结合解复用模块及光纤收发模块即可完成三路串行数据的单光纤传输。解复用模块：一路串行数据输入接口，二路并行数据(三路数据中的一路是帧信号)直接输出到LED灯显示。完成将一路串行数据还原成二路并行数据，结合复接模块及光纤收发模块即可完成三路串行数据的单光纤传输。接口参数：三路输出数据的速率：64Kbps接口类型：NRZ。①固定速率数据信号源模块6此模块产生三路速率为64K的单极性不归零码(NRZ)，数据信号帧长为8位，其中两路可作为数据信息，每路8位，另外8位中的7位可作为集中插入帧同步码。通过拔动开关，可以很方便地改变码信息，并由发光二极管指示。②固定速率时分复用复接模块此模块将固定速率数据信号源模块产生的三路NRZ码复接成一路速率为128K的信号，该信号由24位信息组成，其中16位为数据信息，另外8位作为帧同步码。③固定速率时分复用分接模块此模块将固定速率时分复用复接模块产生的信号分接，还原成与固定速率数据信号源模块拔动开关相对应的并行数据信息，并通过发光二极管指示。2）变速率时分复用/解复用模块复接模块：四路串行数据输入接口，一路串行数据输出接口。完成将四路串行数据打包成一路串行数据，配合解复用模块及光纤收发模块即可完成四路串行数据的单光纤传输。解复用模块：一路串行数据输入接口，四路串行数据输出接口。完成将一路串行数据还原成四路串行数据，配合复接模块及光纤收发模块即可完成四路串行数据的单光纤传输。接口参数：四路输入数据的速率：0~64Kbps接口类型：RS232、NRZ等。3）CMI编译码模块编码模块：将输入的数字信号进行CMI编码。译码模块：将输入的CMI码进行译码。由CPLD(EPM3256)完成。4）电话接口模块此模块为独立的电话输入、输出接口，通过专用电话接口芯片实现。5）PCM编译码模块7此模块通过专用芯片来实现PCM编译码电路，可同时完成两路信号的编译码。PCM模块可以实现传输两路语音信号的功能，采用TP3067编译码芯片。6）可调信号源模块此模块能输出三种模拟信号：方波、正弦波、三角波。频率(0.5~10KHz)可调。正弦波幅度可调。7）四个串行通信接口模块此模块配有RS232接口和信号端口TXD(发送)和RXD(接收)。与变速率时分复用/解复用模块及光纤收发模块结合，可实现自发自收通信实验、两台计算机、四台计算机之间的全双工数据光纤通信实验。若再与两种波长的光纤收发模块结合可完成二∽八台计算机之间的全双工数据通信实验。8）1310nm波长光发送模块主要完成电光信号的转换，即可传输模拟信号(包括视频、音频信号)，又可传输数字信号，同时具有无光告警及光器件损坏告警指示。它主要有模拟调制模块和数字调制模块(包括：自动功率控制电路(APC)、无光检测电路、光器件损坏检测电路等)组成。配有视频专用接口。9）1310nm波长光接收模块主要完成光电信号的转换，小信号的检测与信号的恢复放大等功能。它主要有光检测电路、滤波电路、第一放大电路、第二放大电路、判决电平调节电路、整形电路等组成。配有视频专用接口。2．1550nm光发送接收系统1550nm光发送接收系统中的模块与1310nm光发送接收系统的功能一样。主要是波长不一样。(二)系统特点1．采用对称模块化双光端机设计，体现了现代性(如新型器件CPLD)和系统性(各模块既可单独做实验又可灵活组合做系统实验)。82．光器件全外置设计。3．每个光端机自带数字信号源和终端显示模块，无示波器也可观测实验现象与结果。4．包含双三路固定速率时分复用模块。5．包含双四路固定速率时分复用模块。6．采用高可靠性的接插件，灵活搭线，性能稳定。7．系统自带两片CPLD芯片，并有下载接口和下载线，可进行二次开发。3．双光纤通信的波分复用传输以模拟信号、数字信号双向通信的波分复用传输为例，介绍双光纤通信传输实验箱的特点。由实验老师进行演示。系统结构如图1-2所示。图1-2模拟信号、数字信号的波分复用传输模拟信号源（可以是实验箱自带的信号源；也可以采用模拟摄像头，对应的示波器改为监视器。）接入1310nm光端机部分的模拟信号输入端口，通过光发送器件转换为光信号发送，经光纤和波分复用器传输后，由1550nm光端机部分光接收器件转换为电信号，经模拟信号输出端口输出，由示波器（监视器）显示。数字信号源（R_D1、R_D2等）接入1550nm光端机部分的数字信号输入端口，通过光发9送器件转换为光信号发送，经光纤和波分复用器传输后，由1310nm光端机部分光接收器件转换为电信号，经数字信号输出端口输出，由示波器或终端显示模块显示。五、实验注意事项1．波分复用器属易损器件，应轻拿轻放。2．光器件连接时，注意要用力均匀。六、演示实验步骤1．了解双光纤通信传输实验箱的结构对照图1-1了解双光纤通信传输实验箱的结构及各功能模块所在区域。了解各信号输入/输出端口的位置和意义。2．模拟信号、数字信号的波分复用传输（由实验老师演示）1)电气实验导线的连接：关闭系统电源，将1310nm光端机的模拟信号源正弦波输出端L_SINE（或模拟摄像头）与1310nm光发送模块的模拟信号输入端口L_AIN相连，将开关S71拨向右边(传输模拟信号)；将1550nm光端机的固定速率数据信号源输出端R_D1与1550nm光发送模块的数字信号输入端口R_DIN相连，将开关S91拨向左边(传输数字信号)。2)光路部分的连接：①取下1310nm光发/光收端口上的红色橡胶保护套。②取一只波分复用器，取下其双光纤端的两根光纤的橡胶保护套。③将波分复用器的1310nm端与1310nm光发送端口(1310nmTX)的连接器对接，即：将光纤小心地插入连接器，在插入的同时保证光纤的凸起部分与连接器的凹槽完全吻合，然后拧紧固定帽即可。④同样将波分复用器的1550nm端与1310nm光接收端口(1310nmRX)的连接器对接。10⑤用同样的方法将另一只波分复用器的1550nm端与1550nm光发送端口(1550nmTX)的连接器对接；同样将波分复用器的1310nm端与1550nm光接收端口(1550nmRX)的连接器对接。⑥取一只连接器，取下其两端的保护套；取下两只波分复用器单光纤端的保护套，分别将它们与连接器连接好。3)模拟信号的观测：开启系统电源，分别用示波器（或监视器）观察1310nm光发端机的模拟信号输入端L_AIN与1550nm光收端机模拟信号输出端R_AOUT的波形。可调节电位器改变模拟信号源的频率和幅度。调节电位器W73顺时针旋转到底，使偏置电流最大。分别调节电位器W71(输入模拟信号衰减)和WA1(增益调节)使示波器上看到不失真的波形。改变模拟信号源的频率，观察波形。4)数字信号的观测：开启系统电源，分别用示波器观察1310nm光收端机的数字信号输出端L_DOUT与1550nm光发端机数字信号输入端R_DIN的波形。调节电位器W81(增益调节)，使输出波形与信码一致。通过拔动开关改变数字信号源的码型，观察波形。七、实验报告要求1．画出双光纤通信传输实验箱模块结构图。2．对光纤传输系统的认识和体会。11实验二激光器P—I特性曲线测量一、实验目的1．了解半导体激光器的发光原理。2．了解半导体激光器平均输出光功率与驱动电流的关系。3．掌握半导体激光器P-I曲线的测试及绘制方法。二、实验内容测量半导体激光器的功率和驱动电流，并画出P-I关系曲线。三、实验仪器示波器一台、THKEGC-2型实验箱一台、光功率计一只、万用表一只、FC-ST光跳线一根。四、基本原理1．半导体激光器的功率特性及伏安特性。半导体激光器的输出光功率与驱动电流的关系如图2-1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，激光器工作于自发发射，输出荧光功率很小，通常小于100puW；在门限电流以上，激光器工作于受激发射，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特性，如图2-2所示，由于包含两个PN结，所以在正常工作电流下激光器两极间的电压约为1.2V。图2-1激光器的功率特性图2-2激光器的伏安特性阈值条件就是光谐振腔中维持光振荡的条件。设受激发射所产生的光介质的平均增益系数(单位长度上的增益)为g，光介质的平均损耗系数为a，则光谐振腔产生和维持光振荡的条件为光子在光谐振腔中来回反射一次所产生的光能增益大于或等于光能的损耗，用公式表示为：12212LaLgerre（2-1）12式中L为光谐振腔的长度，r1、r2分别为光谐振腔两端镜面的反射系数(01r1、02r1)。从式(2-1)解得门限状态下的增益系数为thgththJrrLag)1ln(2121（2-2）thJ为门限状态下驱动有源区的电流密度。为平均增益因子，其值取决于激光器的材料与结构。电流密度Jth按下式可决定门限电流thI。ththbLJI式中b为有源区宽度，ζ1为电流侧向扩展因子。采用BH，DC-PBH和RWG激光器结构，可使ζ接近于1，故能获得小的门限电流。激光器功率特性的线性程度对模拟光纤传输系数的非线性失真指标影响很大。半导体激光二极管(LD)或简称半导体激光器与发光二极管LED不同，它通过受激辐射发光，是一种阀值器件。由于受激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30~50º，水平发散角为0~30º)，与单模光纤的耦合效率高(约30%~50%)，辐射光谱线窄(A入=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(20GHz)直接调制，非常适合于作高速远距离光纤通信系统的光源。对于线性度良好的半导体激光器，输出功率可以表示为：其中这里的量子效率ηint(表征驱动电子通过受激辐射转化为光子的比例)。在高于阀值区域，大多数半导体激光器的ηint近于1。13