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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:
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
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
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。
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。
四路输入数据的速率:
0~64Kbps
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
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。
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)。
2.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。
⑤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。
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。
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:
(2-1)
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(0<
<
1、0<
<
1)。
从式(2-1)解得门限状态下的增益系数为
(2-2)
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
。
式中b为有源区宽度,ζ>
1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。
(2-3)式表明,激光输出功率决定于内量子效率和光腔损耗,并随着电流而增大,当驱动电流I>
Ith时,输出功率与I成线性关系。
其增大的速率即P-I曲线的斜率,称为斜率效率。
P-I特性是选择半导体激光器的重要依据。
在选择时,应选阀值电流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,消光比大,而且不易产生光信号失真。
且要求P-I曲线的斜率适当。
斜率太小,则要求驱动信号小,给驱动电路带来麻烦:
斜率太大,则会出现光反向噪声和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,是光纤通信中重要的一种光源,激光二极管可以看作为一种光学振荡器,要形成光的振荡,就必须要有光放入机制,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阀值条件。
一般用驱动电流值来标定阀值条件,也即阀值电流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,则输出光为激光,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,以验证P-I的线性关系。
在实验中所用到的半导体激光器输出波长分别为1310nm、1550nm,FC接口。
图2-3半导体激光器P-I曲线示意图
五、实验步骤
以1310nm光发端机(1550nm光发端机与其相同)为例,即实验箱左边的模块。
1)电气实验导线的连接:
①关闭系统电源,将光发送模块中的可调电位器W73逆时针旋转到底,将输入模拟信号幅度调节电位器W71逆时针旋转到底,使模拟驱动电流和输入信号幅度达到最小值。
②将开关S71拨向右边(传输模拟信号)。
③将短路帽J71拨出,使其处于断开状态,在测量点TP71和TP72之间串接一外置的直流电流表。
2)光路部分的连接:
用一段短光纤(光跳线)将光功率计的输入端连接到“1310nmTX”端,同时打开光功率计电源开关。
3)打开实验箱电源。
4)缓慢调节电位器W73,依次测量电流和对应的光功率值。
并将测得的数据填入下表。
5)参照上述步骤,测量1550nm光端机的P-I曲线。
6)实验完毕,关闭实验箱电源。
7)拆下光跳线、电流表、实验导线,整理实验器件与导线。
六、实验报告要求
整理实验数据。
分别画出1310nm激光器和1550激光器的P-I曲线,找出规律并比较其异同点。
实验三自动功率控制(APC)原理
1.了解光发送的电路原理。
2.了解光发送各模块的功能。
3.掌握自动功率控制电路的工作原理。
1.学习自动功率控制电路的工作原理。
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。
1.电路方框图
LD数字光发送电路方框图如图3-1所示。
它由B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7组成。
B1是接口及电平移动电路,由集成电路U72等组成。
B2是驱动电路,由三极管Q74、Q75等组成。
B3是LD激光器(LD71),它把码型速率为0~4096kb/s的信息码流变为光信号后射入光纤。
B4为监测电路,采用PIN二极管对激光器的工作情况进行监测。
B5为自动功率控制电路(APC),设置APC的目的是为了得到稳定的光功率输出。
APC由U71中的三只运算放大器及相关电路组成。
无光告警电路由U71D、Q73及红色发光二极管组成。
损坏告警电路由U74、Q77和红色发光二极管组成。
图3-1LD数字光发电路原理框图
2.电路原理(见图3-6)
1)接口及电平移动电路
由相应电路送来的NRZ信码由数字信号输入端口加入本模块。
接口及电平移动电路由U72等组成。
U72是电平转换电路,它的作用是将TTL电平转换成ECL。
电阻R77和R710、R75和R79既是U72的负载电阻,又起电平的移动作用。
将U72输出的ECL向负方向移动,以保证驱动电路工作在开关状态。
设置TTL/ECL电平转换电路是由于LD的正极接外壳(接地),所以驱动电路必须采用负电源,而输入信码是TTL电平,不适宜直接驱动,必须转换成ECL电平,即转换成以-0.8V为逻辑“1”,-1.6V为逻辑“0”的电平,再经过电阻R77和R710、R75和R79进行电平移动,将“1”移到-2.56V,将“0”移到-3.04V,作为Q74、Q75基极电平,其射极电平-3.25V。
这样就可以保证Q74、Q75在非饱和态与非深截止状态之间的转换。
2)LD驱动电路
LD驱动电路由晶体管Q74、Q75组成的耦合电流开关电路构成。
激光器LD的正极接地,负极经电阻R723接到Q75的集电极。
R724、R725为LD提供偏流。
U72输入端的信码流设为Vin,U72的反相端
(2)经电阻R75连接到Q75的基极,电压设为Vsc,同相端
(1)经电阻R77连接到Q74基极,电压设为VSC,当输入Vin为高电平“1”时,Vsc为低电平“0”,而VSC为高电平“1”,这样Q74基极电位高于Q75的基极电位,Q74导通,Q75截止,集电极无电流输出,LD不发出激光。
反之,当输入Vin为低电平“0”时,VSC为高电平“1”;
而VSC为低电平“0”,这样Q75基极电位高于Q74的基极电位,Q75导通,Q74截止,Q75集电极输出的数字脉冲电流驱动LD,直接驱动LD发出激光。
3)偏置电路
因为LD是阀值元件,阀值为Ith,如图3-2所示。
通常设置预偏置电流Ib(Ib略小于Ith)。
设置Ib的理由是:
如果不设置Ib,而直接用调制信号Id来进行调制的话,则需要提供幅度变化较大的电流;
有了Ib后,相当于减小了Id的变化范围,这样有利于提高调制速度。
当驱动电流较低时,只有自发幅射存在,这时半导体激光器发射的是荧光,相当于发光二极管的情况。
当驱动电流达到Ith时,输出功率急增,这时LD发射的是激光。
图3-2LD的调制示意图
由于这些理由,就在LD上加一个预偏置电流Ib,再叠加上Id。
即用I=Id+Ib进行调制,LD的预偏置电路如图3-3所示。
由R725、C77、Q76、Q78、R743组成。
R725用于限制Ib的最大值,C77为滤波电容,用来进一步滤除交流分量。
Q76用来构成APC电路,Q76的基极受APC电路控制。
图3-3LD的预偏置电路
4)自动光功率控制电路(APC)
APC是AutomaticPowerControl的缩写。
设置自动功率控制APC的因素有两个:
一是因为LD的阀值电流随温度的影响变化很大,如图3-4所示,由图看出,当温度由20℃升高到50℃时,由于Ith增大得过多,LD根本不能工作,此时无激光发出;
二是因为P-I曲线的斜率随使用时间的增长而减小,即电光转换效率降低。
如图3-5所示是一典型的LD损坏试验的P-I曲线,每隔100~200h测一条曲线,当使用时间达1700h时,LD不能连续使用。
为了稳定输出光功率必须设置APC电路。
本机有自动功率控制电路,采用背向光反馈自动偏置控制方式,即用半导体激光器组件中的PIN光二极管监测激光器背向输出光功率。
因为背向输出光功率与前向输出光功率是跟踪变化的,所以通过闭环控制系统,就可自动调节激光器的电流,达到稳定输出光功率的目的。
图3-4LD阀值和P-I特性随温度图3-5LDP-I特性使用时间
变化的典型曲线变化的典型曲线
自动功率控制电路原理图如图3-6所示。
由运算放大器U71和Q76等组成控制环路。
反馈取自LD的背向光,由PIN检出并转换成相应的电流,经E73滤波后加到U71C运算放大器,U71C实际上是并联反馈放大器,电位器W74用来调节增益,以适应灵敏度不同的PIN管,使得在相同光功率时输出电压(U2)基本不变,并加于U71B的反相端,U71B是比较积分放大器,在理想情况下积分器的输出电压为:
这里R734、E75的乘积称为积分器的时间常数。
U3经二极管D73和电阻R712加于Q76的基极,以控制基极电流,进而控制预置电流Ib。
从而构成反馈控制回路。
控制过程如下:
当某种原因使LD输出光功率降低时,背向光减弱,PIN输出电流减小,U1是运算放大器U71C的输入电压,由于运算放大器U71C的输出电压U2与输入电压U1成比例,所以运算放大器输出电压U2也减小。
U2加于比较积分放大器U71B的反相输入端,所以U71B的输出电压U3增加,预置电流Ib增大,使LD的输出光功率增大,从而维持输出光功率不变。
U71A用来引入参考信号。
U71A的同相输入端引入直流参考电压。
直流参考电压由-5V电源经R727和W75取得。
引入直流参考电压的目的是为了实现用人工的办法来调节偏流,调节电位器W75,即可实现人工调节偏流。
在U71A的反相输入端引入数字信号作参考。
引入数字参考信号的作用是防止控制电路在无信号输入或输入长连“0”时,偏流自动增大并使激光器工作,毫无意义的消耗光能量并造成误码,甚至因发出过高的直流光而烧毁LD。
由图中看出,加于驱动电路Q74基极的是来自U72同相端的Uin,加于Q75基极的信号是来自U72反相端的/Uin,加于U71A反相端的数字参考信号来自U72的反相端/Uin。
当输入信号消失或送入长连“0”时,如果没有引入数字信号,因Uin为“0”,Id减小并实施负反馈调节的结果,使Ib上升。
当引入数字参考信号后,因Uin为低电平,使得/Um为高电平。
Uin的低电平,U3、Ib增大;
/Uin的高电平,使U71A的输出为低电平,使U71B同相端的电位下降,并使U3下降,Ib减小,结果保持Ib不增大。
R738、C79是Ib慢启动电路,开机后,Ib缓慢增大,以避免LD受到大电流的冲击而损坏,Q78为偏流的限流保护。
当Ib达到一定值时,R743上的电压加大,Q78的基极电位升高,Q78导通;
使Q76的基流被分流,限制了Ib的增加。
Q78与R724、R725均起到对Ib的限流作用。
①关闭系统电源,将L_FY_OUT(L_FY_OUT码型为10101010、10101010、10101010)数字信号作为光发送端的数字输入信号。
将开关S71拨向左边(数传输字信号)。
①取下光发端口上的红色橡胶保护套。
②取一根FC-ST的光跳线,取下其两端的保护套。
③将光跳线的A端1310nm光发送端口(1310nmTX)的连接器对接。
④将光跳线的B端与光功率计端口的连接器对接。
3)调节电位器W75(APC控制器人工偏流调节),使光功率为-2.5dBm。
4)将J72短路帽拿掉
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