光纤通信技术实验报告.docx

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光纤通信技术实验报告

光纤通信技术实验报告

电路图

光发送模块

光接收模块

编码模块

译码模块

实验一半导体激光器的P-I-V特性曲线测试

一、实验目的

通过测试LD的P（平均发送光功率）-I（注入电流）特性曲线和V（偏置电压）-I特性曲线，计算阈值电流（Ith）和斜率效率，掌握LD半导体激光器的工作特性。

二、实验仪器

1、光发送模块1只

3、编码模块1台

4、光功率计1台

5、万用表1台

6、示波器1台

7、跳线若干

三、实验原理

半导体发光二极管（LED）是用半导体材料制作的正向偏置的PN结二极管。

其发光机理是当在PN结两端注入正向电流时，注入的非平衡载流子（电子－空穴对）在扩散过程中复合发光，这种发光过程主要对应光的自发发射过程。

半导体发光二极管具有可靠性较高，室温下连续工作时间长、光功率－电流线性度好等显著优点，而且由于此项技术已经发展得比较成熟，所以其价格非常便宜。

然而LED的发光机理决定了它存在着很多的不足，如输出功率小、发射角大、谱线宽、响应速度低等。

半导体激光二极管（LD）或简称半导体激光器则是通过受激辐射发光，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El，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。

半导体激光二极管作为激光器的一种，同样也必须满足粒子数反转和光反馈两个要求。

其使用的方法是向P型和N型限制层重掺杂，使费米能级间隔在PN结正向偏置下超过带隙实现粒子数反转。

再利用与PN结平面相垂直的自然解理面构成F-P腔，进行光放大，输出激光。

半导体激光器在热平衡情况下，自发发射占绝对优势。

当外界给系统提供能量时，如采用电流注入（即电泵），打破热平衡状态，随着注入电流的增加，半导体二极管渐渐地增加自发发射，当大量粒子处于高能级，即粒子数反转后，开始受激发射开始占主导地位。

在光束发射方向上的受激发射比自发发射的强度大几个数量。

2、半导体激光器的主要特性

（1）输出电压特性

LD和LED都是半导体光电子器件，其核心部分都是P-N结。

因此其具有与普通二极管相类似的V-I特性曲线，如下图所示：

图1-1激光器输出V-I特性曲线

由V-I曲线我们可以计算出LD/LED总的串联电阻R和开门电压VT。

（2）输出光功率特性

激光器光功率特性通常用输出光功率与激励电流I的关系曲线，即P—I曲线表示。

图1-2LD/LED的P-I特性曲线

在结构上，由于LED与LD相比没有光学谐振腔。

因此，LD和LED的功率－电流的P-I关系特性曲线则有很大的差别。

LED的P-I曲线基本上是一条近似的直线。

从图4中可以看出LD的P-I曲线起始部分增益很小，达到一定条件增益变大，我们称这个出现竟增益的条件为阈值条件，也即阈值电流Ith，输入电流I>Ith部分，P-I曲线才近似成线性关系，P增大的速率即曲线的斜率，称为斜率效率，此时LD发光是由受激辐射产生的激光。

而在I

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（测试方法见实验二）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。

本实验所采用的实验板，如光发射模块电路图所示，LD的激励电流I由两部分组成，一部分是由可调电位器WBIAS控制的直流偏置电流Ibias；另一部分，是由输入端接入经过可调电位器WMOD的调制电流Imod。

两部分电流相加注入激光器。

如图1-5所示，激光器与电阻RU106串联，电阻两端分别有T104和T106两个测试点，用来测量电阻两端电压，进而计算得到注入激光器的电流值。

测试点T105与激光二极管的阴极相连，T104与激光二极管的阳极相连，这两点间电压为激光器的偏置电压。

我们实验采用的激光管型号FT-F54F3SS4激光管，阈值电流10mA左右。

图1-5LD部分电路截图

图1-6表示的是Imod和Ibias对输出光功率的影响，编码模块提供的Imod调制信号相同的前提下，当IbiasIth时，此时激光器工作在线性状态，输出的光功率幅值会较大，我们可以把光信号接到光接收模块，将光信号转化为电信号，通过示波器观察波形变化。

图1-6Ibias和Imod对输出光功率的影响

编码模块的编码开关S301控制编码模块输出不同的波形，拨盘开关控制功能介绍如下：

图1-7拨盘开关示意图

我们主要用到编码模块拨盘开关的第1、2、6、7、8位，其中2号位控制时钟信号频率，拨到上侧代表“0”，此时时钟输出2MHz的时钟信号，拨到下侧代表“1”，此时输出4MHz的时钟信号。

对于编码模块拨盘开关S301：

第1位使能开关，为1时，拨盘开关正常工作。

第2位为时钟选择开关：

置“0”，此时SMA302输出2.048MHz时钟信号，用于配合SMA301读PN码数据，上升沿触发（低电平读数）。

置“1”，SMA302输出4.096MHz时钟信号,用于配合SMA301读CMI码数据，上升沿触发（低电平读数）。

第6、7、8位依次为：

000方波输出档SMA301输出为1MHz,Vp-p=5V的方波（2MHz二元码数据）。

001PN码输出档SMA301输出16位的PN码（伪随机码）。

010CMI译码输出档SMA301输出为由001状态下的PN码变换成的CMI

码。

01116位手动CMI码输出档SMA301输出由拨盘开关（S303和S302）编

制的16位CMI码。

1008位手动码输出档SMA301输出拨盘开关S302编制的8位手动码。

1018位手动码转化成CMI码输出档将100模式下的8位码转化为CMI

码通过SMA301输出。

110高电平档SMA301输出高电平。

111低电平档SMA301输出低电平。

四、实验步骤

1、LD的P-I曲线和V-I曲线的测量：

本实验中，LD的注入电流包括两部分：

调制电流和偏置电流，偏置电流的作用是让LD工作在合适的直流偏置点；调制电流的作用是让LD的输出光信号携带调制信息。

我们进行P-I-V曲线测试时，不需要加载信息，所以我们需要先将调制电流调为0，然后调节偏置电流，并记录不同偏置电流时,LD的输出光功率和偏置电压。

（1）用电缆线连接编码模块SMA301与光发射模块SMA101。

（2）从光发送模块的LD尾纤的连接器中取出保护塑料套，插入光功率计，拧紧光纤外围的螺丝环，打开光功率计，设置光功率计测量波长为1550nm,测出的光功率就是光发送端LD的输出光功率P。

（3）编码模块上电，光发送模块上电，编码模块蓝色拨盘开关S301第1位置1，第6、7、8位拨到111——低电平输出档。

此时SMA301输出低电平，顺时针旋转光发送模块的电位器WMOD到底，使调制电流为0（可以通过测量电阻RU205左侧电压是否为0来判断调制电流是否调为0）。

（4）顺时针旋转电位器WBIAS到底，使得流过LD偏置电流为0。

（5）逆时针缓慢旋转电位器WBIAS，使偏置电阻RU106两端之间电压（红色表笔接T106，黑色表笔接触测试点T104）为表1中Vr所示大小,此时Vr的电压值除以电阻值RU106（100欧姆），即可得到注入激光二极管LD的电流I。

（6）读出此时光功率计上的数值填入表1中P（mw），将光功率计切换到dbm档，读出此时数值填入表1中P（dbm）。

（7）用数字万用表测量红色表笔接T104，黑色表笔接触测试点T105，测得的电压即为激光二极管的偏置电压U,填入表1。

（8）重复步骤（5）、（6）、（7），完成表1，并绘制LD的P-I曲线和V-I曲线。

注：

这里需说明的是这里测得的是P-I和V-I曲线的一段（功率调节范围约4个dB），为了防止烧坏光发送组件，电流I的调节范围有限（电流调节范围约为30mA），但不妨碍整个P-I曲线的测量，因为测试方法是一样的，只是多测几组值而已。

表1

I（mA）

1

2

3

4

5

6

7

8

Vr（V）

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

U（V）

0.754

0.798

0.852

0.848

0.868

0.885

0.903

0.919

P（mW）

0.00003

0.00009

0.0002

0.0003

0.0004

0.0005

0.0008

0.0016

P（dBm）

-46.58

-41.31

-38.76

-36.79

-35.07

-33.44

-31.56

-28.20

I（mA）

9

10

11

12

13

14

15

16

Vr（V）

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

U（V）

0.933

0.946

0.957

0.969

0.983

0.993

1.005

1.016

P（mW）

0.0078

0.0654

0.126

0.185

0.25

0.31

0.354

0.411

P（dBm）

-21.55

-12.64

-9.68

-8.03

-6.74

-5.93

-5.22

-4.57

I（mA）

17

18

19

20

Vr（V）

1.7

1.8

1.9

2.0

U（V）

1.029

1.041

1.052

1.06

P（mW）

0.472

0.527

0.579

0.632

P（dBm）

-3.97

-3.50

-3.09

-2.7

2、观察偏置电流为零的条件下，改变调制电流对输出光信号的影响:

（1）用电缆线连接编码模块SMA301与光发送模块SMA101，取下法兰盘上的保护套，将光发送模块LD尾纤的连接器接入法兰盘的一端，法兰盘另外一端与光接收模块PD尾纤连接器相连。

光接收模块测试点T201连接到示波器。

（2）给编码模块、光发送模块、光接收模块三个模块上电。

（3）编码模块蓝色拨盘开关S301第1位置1、第6、7、8位拨到111——低电平输出档，此时SM

（4）A301输出低电平，顺时针旋转电位器WMOD到底,使调制电流为0。

（5）顺时针旋转电位器WBIAS到底，使偏置电流为0（可通过测量电阻RU204电压值判断是否调0）。

（6）控制编码模块蓝色拨盘开关S301第1位置1,第6、7、8位拨到110——高电平输出档，此时从SMA301输出约为5V的CMOS高电平。

（7）调节光发送模块可变电阻器WMOD,使R106两端T106与T104之间电压值Vr为表2中所示值，计算可得到此时调制电流值Imod=Vr/100。

（8）将编码模块蓝色拨盘开关S301第1位置1，第6、7、8位拨到000位置——方波输出档,此时SMA301输出Vp-p=5V的方波。

调节示波器，观察输出信号波形变化，并记录此Imod条件下Vp-p的大小。

（9）重复步骤（5）、（6）、（7），改变Imod的大小，测试不同Imod情况下，波形Vp-p的大小，完成表2。

表2

Vr（V）

2.000

1.800

1.600

1.400

1.200

Imod（mA）

20

18

16

14

12

Vp-p（V）

1.12

1.0

0.84

0.7

0.56

Vr（V）

1.000

0.800

0.600

0.400

0.200

Imod（mA）

10

8

6

4

2

Vp-p（V）

0.4

0.25

0.04

0.03

0.03

注：

设置调制电流过程中我们首先采用5.0V高电平，调节电位器WMOD，使输出LD调制电流为Imod。

之后我们输入Vp-p=5.0V，占空比50%的方波作为调制电流，实际上此时用电压表测的的流入LD的调制电流平均大小应是Imod/2。

此实验主要用于观察输出波形变化，所以为方便起见，我们表2中采用的是5.0V高电平时的调制电流Imod。

3、观察调制电流一定的条件下，改变偏置电流对输出光信号的影响:

（1）保持上个实验线路的连接。

（2）编码模块蓝色拨盘开关S301第1位置1，第6、7、8位拨到111——低电平输出档。

此时SMA301输出调制电流为低电平，调节WMOD,使调制电流为0。

（3）顺时针旋转WBIAS到底使偏置电流为0。

（4）编码模块蓝色拨盘开关S301第1位置1，第6、7、8位拨到110——高电平输出档。

用数字万用表电压档检测T106与T104之间电压值,同时逆时针调节WMOD，使万用表读数为0.500V（此时调制电流调节为5mA）。

（5）编码模块蓝色拨盘开关S301第1位置1，第6、7、8位拨到111——低电平输出档，检测T106与T104之间电压值，同时逆时针调节WBIAS，使万用表读数为表3中Vr的值，此时相应的Ibias=Vr/100。

（6）编码模块蓝色拨盘开关S301第1位置1，第6、7、8位拨到000位置——方波输出档，调节示波器至显示清晰波形，观察示波器中波形，并记录Vp-p。

（7）重复步骤（5）、（6）完成表3。

表3

Vr（V）

2.000

1.800

1.600

1.400

1.200

Ibias（mA）

20

18

16

14

12

Vp-p（mV）

470

450

450

450

430

Vr（V）

1.000

0.800

0.600

0.400

0.200

Ibias（mA）

10

8

6

4

2

Vp-p（mV）

400

360

300

220

120

5、实验报告要求

1、画出LD的P-I特性曲线和V-I特性曲线。

根据所画出的P-I特性曲线，参照图1-4找出半导体激光器阈值电流Ith的大小，求出半导体激光器的斜率效率。

有P-I特性曲线图可知，半导体激光器阈值电流Ith=9Ma，

斜率K=0.63-0.08/20-10=0.057

2、观察偏置电流为零时，不同调制电流对输出光波形的影响。

如图，

存在7V的阈值电流，开启后呈线性关系

3、观察调制电流为零时，改变偏置电流对输出光波形的影响。

开始是上升比较快，最后缓慢。

6、思考题

1、为什么激光二极管的特性曲线与LED不同。

答：

激光二极管的工作原理与LED的原理不同，激光二极管存在损耗和增益，当增益大于消耗是就会形成线性关系，增加的速度比较快。

而LED的发光与半导体电流关系类似。

2、LD的偏置电流的作用是什么？

答：

费米能级间隔在PN结正向偏置下超过带隙实现粒子数反转，电流越大增益就越大，要形成激光需要一定的偏置电流，当输入电流I>Ith部分，P-I曲线才近似成线性关系，LD发光是由受激辐射产生的激光。

而在I

所以偏置电流就是可以使LD工作在产生激光的线性曲线的合适电流。

3、如何确定激光二极管的工作点？

答：

通过输入不同的电流值，测出相应的P—I曲线，通过图表可以参考相应的工作点。

或者给LD一定有小到大的电流，在加入不同的电流，查看是否实行线性放大，即可判断。

实验二平均发送光功率以及消光比测试

一、实验目的

掌握平均光功率的测试方法以及光功率的表示方法，理解不同编码方式对平均光功率的影响，掌握激光二极管的工作点与消光比、平均发送光功率的关系。

了解消光比定义，掌握消光比的测试方法，掌握调整消光比的方法。

二、实验仪器

1、光纤通信实验箱

2、20M双踪示波器一台

3、光功率计一个

4、数字万用表一个

5、光纤跳线若干

三、实验原理

光发送机的平均输出光功率被定义为当发送机送伪随机序列时（PN码），发送端输出的光功率的值。

平均发送光功率指标与实际的光纤线路有关，在长距离光纤数字通信系统中，要求有较大的平均发送光功率；在短距离的光纤数字通信系统中，要求较小的平均发送光功率。

设计人员应根据整个光纤通信系统的经济性、稳定性和可维护性全面考虑该指标，提出合适的数值要求，而不是越大越好。

图2-1模拟光发送调制度测试框图

平均发送光功率测试框图如图2-1所示。

在实验板编码模块，有两组拨盘开关，蓝色8位拨盘开关S301可以控制输出不同的编码（实验一有详细介绍）；红色16位拨盘开关（S302和S303）提供16位可控编码位，可以根据自己需要获得不同的编码。

编码后的波形通过光纤传给光发送模块（实验一用到的模块），将电信号转化为光信号，这样我们就可以通过光功率计读出不同编码，在不同Ibias和Imod情况下，输出光功率的变化，进而计算他们的平均光功率和消光比。

消光比的测试如图2-1，首先将光发送端机的输入信号断掉（即不给光发射模块送电信号），测出的光功率即为P00,即对应的输入数字信号为全“0”时的光功率。

测量P11时，编码模块通过控制拨盘开关送入伪随机码。

因为伪随机码的“0”码和“1”码等概率，所以，全“1”码时的光功率应是伪随机码时平均光功率P的两倍，即P11=2P，则消光比为：

（2－1）

测试结果可按上式计算。

某些资料中，消光比还使用以下的一种表示公式：

（2－2）

当P00=0.1P11时，EXT=10dB。

本实验提供PN码和CMI两种码用于测试，在测量平均光功率时需要说明两点：

⑴有的功率计可直接读dBm，若只能读mW（毫瓦）或μW（微瓦）应换算成dBm，

⑵光源的平均输出光功率与注入它的电流大小有关，测试应在正常工作的注入电流条件下进行。

四、实验步骤

首先我们需要调节调制电流Imod和偏置电流Ibias,分别把调制电流和偏置电流调为表5的数值，然后分别观察PN码和CMI码输入的情况下，激光的平均输出功率，最后进行消光比测试，消光比测试结束后再调整调制电流Imod和偏置电流Ibias，进行下一组的测量。

其具体步骤如下：

1、调制电流Imod与偏置电流Ibias的设置

（1）将编码模块SMA301与光发射模块SMA101连接，并给两模块上电。

（2）顺时针旋转光发送模块电位器WBIAS到底，此时偏置电流被置为零。

（3）将编码模块拨盘开关S301第1位拨到1，第6、7、8位拨到110——高电平输出档，此时SMA301输出一个约为5.0V的CMOS高电平信号。

（4）数字万用表拨到直流电压档，红表笔接光发射模块测试点T106，黑表笔接T104,实时监测电阻RU106=100欧姆两端电压。

（此电阻与激光器LD串联，流过电阻的电流即为注入激光器电流）。

（5）调节电位器WMOD，使数字万用表读数为表4中调制电流Imod*100mV=1V。

（6）编码模块拨盘开关S301第1位置1，第6、7、8位拨到111——低电平输出档。

（此时SMA301输出低电平，这样调制电流就被置零,接下来调节偏置电流）。

（7）调节电位器WBIAS，使数字万用表电压读数为表4中偏置电流Ibias*100mV。

此时偏置电流也调节完毕，接下来分别测试PN码与CMI码在此调制电流和偏置电流状态下的平均输出光功率。

2、平均输出光功率测试

（8）从光发送模块的LD尾纤的连接器中取出保护塑料套，接入光功率计，此时从光功率计读出的功率就是光端机的LD的输出光功率P。

（9）编码模块拨盘开关S301第1位置1，第6、7、8位拨到位置001——PN码输出档。

读出此时平均输出光功率PPN，填入表4。

（10）编码模块拨盘开关S301第1位置1，第6、7、8位拨到位置010——CMI码输出档，用4.096MHz的CMI码驱动LD驱动器。

读出此时平均输出光功率PCMI，填入表4。

注：

测试完一组Ibias和Imod对应的PPN和PCMI，先不着急改变电流，继续进行消光比的测试。

表4

Imod（mA）

10

10

10

10

10

10

10

10

Ibias（mA）

1

2

3

4

5

6

7

8

PPN（dBm）

-10.16

-8.98

-8.07

-7.28

-6.68

-6.06

-5.56

-5.08

PCMI（dBm）

-10.24

-9.12

-8.25

-7.48

-6.88

-6.27

-5.74

-5.25

Imod（mA）

10

10

10

10

10

10

10

10

Ibias（mA）

9

10

11

12

13

14

15

16

PPN（dBm）

-4.61

-4.01

-3.43

-2.95

-2.48

-2.08

-1.72

-1.37

PCMI（dBm）

-4.74

-4.15

-3.57

-3.09

-2.61

-2.21

-1.84

-1.49

3、消光比测试

（11）编码模块拨盘开关S301第1位置1，第6、7、8位拨到111位置——低电平输出档，此时SMA301输出低电平（此时驱动电路输出“0”码），记录光功率计读数P00。

填入表5。

（12）编码模块拨盘开关S301第1位置1，第6、7、8位拨到位置001——PN码输出档，此时光光功率计读数为PPN，将PPN*2就得到P11。

填入表5。

（13）按照式2-1计算小光比EXT。

（14）回到步骤（6），重新设置偏置电流，大小为表5中所示，按步骤进行测量。

表5

Imod（mA）

10

10

10

10

10

10

10

10

Ibias（mA）

1

2

3

4

5

6

7

8

P00（dBm）

-45.16

-40.44

-37.98

-36.03

-34.44

-32.69

-30.50

-28.16

P11（dBm）

-20.32

-17.96

-16.14

-14.56

-13.36

-12.12

-11.12

-10.16

EXT

-3.47

-3.53

-3.72

-3.94

-4.11

-4.31

-4.37

-4.43

Imod（mA）

10

10

10

10

10

10

10

10

Ibias（mA）

9

10

11

12

13

14

15

16

P00（dBm）

-22.23

-11.93

-8.86

-7.27

-6.04

-5.15

-4.42

-3.77

P11（dBm）

-9.22

-8.02

-6.86

-5.90

-4.96

-4.16

-3.44

-2.74

EXT

-3.82

-1.72

-1.11

-0.91

-0.86

-0.93

-1.09

-1.39

五、实验报告要求

1、分别用dBm和mW表示所测得的2MPN码发送机平均功率。

2、分别用dB