光纤部分实验报告通信工程专业综合实验讲解Word文档格式.docx
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1、ZY12OFCom13BG3型光纤通信原理实验箱1台
2、FC接口光功率计1台
3、FC/PC-FC/PC单模光跳线1根
4、万用表1台
5、连接导线20根
3.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,是一种阈值器件。
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。
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
尽可能小,
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
。
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输质量,因此PI特性曲线的测试了解激光器的性能是非常重要的,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上的电压值。
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,计算得出半导体激光器的驱动电流,然后用光功率计测的一定驱动电流下半导体激光器发出激光的功率,从而完成PI特性的测试,并可根据PI特性得出半导体激光器的斜率效率。
图1LD半导体激光器P-I曲线示意图
4.实验内容
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。
5.实验步骤
测量半导体激光器功率和注入电流的关系,并画出P—I关系曲线。
以下实验步骤可在实验箱左上方的1310nm光端机发送模块或右上方的1550nm光端机发送模块上各自独立进行。
1)电路部分的操作
(1)关闭系统电源,将激光器工作模式选择开关(跳线SS01)置于“模拟”位置,使光发模块中LD连接处于模拟信号传输工作状态。
(2)将光发送模块中模拟发送部分的电位器WS04“幅度”旋钮和WS05“偏流”旋钮分别反时针旋至最左端,从而使无模拟驱动信号输入,直流偏置电流达到最小值。
(3)将跳线开关(KS02)的跳线帽拨出,使其处于断开状态,在“模拟电流”测量插孔(TPS07、TPS08)上串接一只电流表。
2)光路部分操作
(1)在光发送模块LD尾纤法兰盘处,小心插入一根光跳线的活动连接器。
(2)光跳线另一端的活动连接器连接到光功率计(注意操作过程动作要轻,旋紧过程要适度),同时打开光功率计申源开关.井将波长选择到与所测试的激光器的工作波长一致。
(3)检查各部分正确无误后,打开实验箱交流电源开关。
(4)将“模拟偏置”电位器WSOS从最左端位置开始,顺时针方向缓慢调节,使送人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值变化和光功率计的读数变化过程。
(5)缓慢细致地从头调节电位器WSOS,使所测得的电流从最小值开始,以1mA为间隔取整数填入表格中,依次测量对应的光功率值。
(6)完成实验后关闭交流电开关。
将跳线开关(KS02)的跳线帽还原。
拆下光跳线及光功率计,将尾纤法兰盘套帽盖好,实验箱还原并将各仪器摆放整齐。
6.实验结果(1310nm)
I/mA
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
34
P/dBm
-38.59
-37.03
-35.35
-33.34
-30.36
-19.12
-14.48
-12.31
-10.84
-9.80
-8.82
-2.48
P/mW
0.02109
0.02465
0.02916
0.03565
0.04803
0.14778
0.23504
0.29200
0.33824
0.37531
0.41395
1.2816
(1)分别画出1310nm激光器或1550激光器的P—I曲线,并加以分析。
(2)整理所有实验数据,参考图8-3画出P—I曲线。
(3)说明所测试的激光器的阈值电流大约数值。
答:
Ith=10mA
(4)回答以下思考题。
激光器的阈值电流Ith对光信号传输有何影响?
答:
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。
实验二光发信机接口指标测试
1.实验准备工作
(1)预习光发信机接口指标。
(2)了解发送光功率和消光比的含义。
2.实验目的
(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。
3.实验环境及相关设备
JH5002A+型光纤通信实验系统、光功率计、FC-FC光跳线、万用表。
4.实验基本原理
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代入式(8-1)即得到光发送机的消光比:
EXT=10lgP1/P2(8-1)
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。
5.实验内容及步骤
1)光发信机平均发送光功率的测试
(1)确保实验箱交流开关处于关闭状态,将跳线开关SS01插向“数字”端,使光发送模块处于数字传输状态。
(2)将光跳线的一端的金属活动连接器与光发送端口的法兰盘对接,注意双手操作,一手保持器件间的同轴性,一手小心地推动活动连接器插入法兰盘,并保证活动连接器的凸起部分与法兰盘凹槽完全吻合,然后微微拧紧固定帽。
(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。
(5)打开实验箱交流开关,使实验系统正常工作。
(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。
(7)完成实验后关闭交流电源开关。
2)数字光发信机的消光比测试
(1)保持实验内容1)部分必要的实验测试状态。
(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。
(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。
(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。
(5)做完实验后关闭交流电源开关,拆除实验导线,拆下光功率计,将实验箱还原,将各实验仪器摆放整齐。
6.实验报告要求
(1)记录光发信机的平均光功率3次,取平均值并填入表中。
1550nm:
第一次
第二次
第三次
平均值
-2.85
-2.86
-2.853
(2)通过实验数据计算光发信机的消光比。
测得P0=-8.60,P1=-4.50
EXT=10lg(p1/p0)=10lg(-8.60/-4.50)=2.81
(3)回答以下思考题。
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?
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。
实验三光纤传输系统测试
预习实验系统的模拟信号光纤传输系统原理。
(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图8-4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
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