《光纤通信原理》实验指导书.doc

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1、光纤通信实验指导书王玮中南大学信息科学与工程学院通信工程系二一一年四月目 录光纤通信原理实验系统简介1光纤实验箱使用注意事项3实验一 半导体激光器P-I特性测试实验4实验一 光电检测器特性实验6实验二 模拟信号光纤传输实验9实验三 数字信号光纤传输实验12附录 ZYE4301G型光纤通信实验箱各模块引脚说明14光纤通信原理实验系统简介本套实验系统（ZYE4301G）实验箱是为配合光纤通信课程的理论教学，结合目前光纤通信工程技术最新进展，为了提高学生实际操作和动手能力而研制开发的。它包含了光纤通信系统设备中的各个主要组成部分，具体由以下十二个模块组成，其印刷电路板布局图如图01所示。一、电源模块

2、二、光发送模块三、光接收模块四、预失真补偿模块五、语音信号处理模块六、模拟信号源模块七、电话接口模块八、数字信号源模块九、PCM编译码模块十、CMI编译码模块十一、HDB3编译码模块十二、CPLD下载模块可以通过实验箱上述十二个模块灵活组成各种不同光纤通信系统，如：850nm波长光纤通信系统、1310nm波长光纤通信系统、1550nm波长光纤通信系统；同时也可以组成单模光纤通信系统、多模光纤通信系统；模拟光纤通信系统、数字光纤通信系统；光时分复用传输系统和光波分复用传输系统等光纤通信工程中常用的绝大多数光纤通信系统。光纤半导体光检测器光纤活动连接器半导体光源电信号输出电信号输入光发端机光收端机

3、实验系统基本组成方框图如图02所示：图02 光纤传输实验系统方框图实验系统主要由光发模块，光收模块、光无源器件和辅助通信模块等组成。光发端机完成将电信号调制至光载波上去，采用强度调制（IM）；光接收机完成光信号的解调，采用直接检测（DD），属于非相干解调。光载波由半导体光源产生，由半导体光检测器将光信号转换成电信号从而达到传输信号的目的。电话用户接口模块模拟信号源模块CMI编译码模块1550/1310nm光发送模块模拟驱动数字信号源模块PCM编译码模块CPLD下载模块预失真补偿模块语音输入输出模块HDB3编译码模块1310nm光接收模块电源模块图01 ZYE4301G型光纤通信原理实验箱印刷电

4、路板布局图串口/视频口数字驱动1550nm光接收模块光纤输出接口光纤输入接口串口/视频口实验箱使用注意事项光纤通信原理ZYE4301G电流测定光纤实验箱使用注意事项光学器件属于昂贵易损器件，所以在实验操作过程中应加倍小心，防止光学器件的损坏，为了保证实验顺利地进行，请注意以下事项： 请仔细阅读实验指导书操作步骤后开机实验，实验各测试点、跳线及开关说明请参考附录，正确连接导线，以免造成光学器件和芯片的损坏。 实验箱使用过程中应有防静电措施，以防静电损坏光学器件。 光学器件属于昂贵器件，在安装和拆卸过程中请注意轻拿轻放，遇到问题须向老师报告。 实验过程中切不可将光纤输出端对准自己或别人的眼睛，以免

5、损伤眼睛。 实验箱使用完毕后，请立即将防尘帽盖住光纤输入、输出端口，用光纤端面防尘盖盖住光纤跳线端面，防止灰尘进入光纤端面而影响光信号的传输。 若不小心把光纤输出端的接口弄脏，需用酒精棉球进行清洗。 光纤跳线接头应妥善保管，防止磕碰，使用后及时戴上防尘帽。 不要用力拉扯光纤，光纤弯曲半径一般不小于30mm，否则可能导致光纤折断。 进行光纤传输实验时，半导体激光器驱动电流不要超过40mA，发光二极管驱动电流不要超过60mA。实验一 半导体激光器P-I特性测试实验一、实验目的 学习半导体激光器发光原理和光纤通信中激光光源工作原理 了解半导体激光器平均输出光功率与注入驱动电流的关系 掌握半导体激光器

6、P（平均发送光功率）-I（注入电流）曲线的测试方法二、实验仪器 光纤通信原理实验箱1台 光功率计1台 FC/PC-FC/PC单模光跳线1根 万用表1台 连接导线20根三、实验原理半导体激光二极管（LD）简称半导体激光器，它通过受激辐射发光，（处于高能级E2的电子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。）是一种阈值器件。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3050，水平

7、发散角为030），与单模光纤的耦合效率高（约3050），辐射光谱线窄（0.11.0nm），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Ith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。半导体激光器具有高功率密度和极高量子效率的特点，微小的电流变化

8、会导致光功率输出较大变化，是光纤通信中最重要的一种光源；它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，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，以测试半导体激光器的P-I线性关系。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。I(mA)P(mW)Ith半导体激光器作为光纤通

9、信中应用的主要光源，其性能指标直接影响到系统传输数据的质量，因此P-I特性曲线的测试了解激光器性能是非常重要的。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R110两端电压与电阻值之比。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，然后用光功率计测得一定驱动电流下半导体激光器发出激光的功率，从而完成P-I特性的测试。并可根据P-I特性得出半导体激光器的斜率效率。I(mA)P(m)W)Ith图1-1 LD半导体激光器P-I曲线示意图四、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。

10、 根据P-I特性曲线，找出半导体激光器阈值电流。五、实验步骤 将光发模块中的可调电阻W101逆时针旋转到底，使数字驱动电流达到最小值。 拨动双刀三掷开关BM1、BM2选择在中间档，即将R110与电路断开。 用万用表测得R110电阻值，找出所测电压与半导体激光器驱动电流之间的关系（VIR110）。 拨动双刀三掷开关，BM1选择到半导体激光器数字驱动，BM2选择到1310nm。 旋开光发端机光纤输出端口（1310nm T）防尘帽，用FC-FC光跳线将半导体激光器与光功率计输入端连接起来。 连接导线：将T502与T101连接，将数字信号码型拨成，（推荐码型“1”与“0”个数相等，这样做的目的是将平均

11、偏置电流调制到“0”与“1”的中间。其他码型也可，但应尽可能将“0”与“1”的个数接近）。 连接好实验箱电源，先开交流电源开关，再开直流电源开关，即按下K01，K02 (电源模块)，并打开光发模块（K10）和数字信号源（K50）的直流电源。 用万用表测量R110两端电压（红表笔插T103，黑表笔插T104）。 慢慢调节电位器W101，使所测得的电压为下表中数值，依次测量对应的光功率值，并将测得的数据填入下表。 做完实验后先关闭光发模块电源（K10），然后依次关掉各直流开关（电源模块），以及交流电开关。 拆下光跳线及光功率计，用防尘帽盖住实验箱半导体激光器光纤输出端口，将实验箱还原。 将各仪器设

12、备摆放整齐。U(mV)123456789101214I(mA)P(uW)U(mV)161820222426283032343638I(mA)P(uW)六、实验报告 根据实验记录数据，算出半导体激光器驱动电流，画出相应的光功率与注入电流的关系曲线。 根据所画的P-I特性曲线，找出半导体激光器阈值电流Ith的大小。 根据P-I特性曲线，求出半导体激光器的斜率效率。七、注意事项 半导体激光器驱动电流不可超过40mA，否则有烧毁激光器的危险。 由于光功率计，光跳线等光学器件的插头属易损件，使用时应轻拿轻放，切忌用力过大。八、思考题 试说明半导体激光器发光工作原理。 环境温度的改变对半导体激光器P-I特

13、性有何影响？ 分析以半导体激光器为光源的光纤通信系统中，半导体激光器P-I特性对系统传输性能的影响。实验一 光电检测器特性实验一、实验目的 学习光电检测器响应度及量子效率的概念； 掌握光电检测器响应度的测试方法； 了解光电检测器响应度对光纤通信系统的影响。二、实验仪器 ZYE4301G型光纤通信原理实验箱1台 光功率计1台 FC/PC-FC/PC单模光跳线1根 万用表1台 连接导线20根三、实验原理在光纤通信工程中，光检测器（ptotodetector），又称光电探测器或光检波器，其作用原理是将入射光转化为电流或电压，以光子-电子的能量转换形式完成光的检测的过程。最简单的光检测器就是p-n结，

14、但它存在许多缺点，光纤通信系统中，较多采用p-i-n光电二极管（简称PIN管）及雪崩光电二极管（APD管），都是实现光电转换的半导体器件。在给定波长的光照射下，光检测器的输出平均电流与入射的光功率平均值之比称响应率或响应度。简言之，即输入单位的光功率产生的平均输出电流，R的单位为A/W或uA/uW。其表达式为：RIP/P （1-1）响应率是器件外部电路中呈现的宏观灵敏特性，而量子效率是内部呈现的微观灵敏特性。量子效率是能量为h的每个入射光子所产生的电子-空穴载流子对的数量：（100） （1-2）上式中，e是电子电荷，为光的频率。通过测试IP与P的关系，即可计算获得检测器的量子效率，其中光电检测

15、器的量子效率与响应度的关系为： （1-3）在波长确定的情况下，通过测试得到一定光功率下检测器输出的电流，即可获得检测器的响应度及量子效率的大小，从而了解检测器的性能指标。本实验目的就是通过测试1310nm收端机检测器的响应度，了解不同检测器响应度的差异。实验箱中，使用的检测器为PIN光电二极管，用光功率计测试得到光发端机输出的平均光功率，然后再测试得到光收端机检测得到的响应电流，改变光发端机输出功率，作检测器端的I-P特性曲线，曲线斜率即为特定波长下的响应度。响应电流的测定是通过运放，将检测器的电流信号，放大成电压信号后得到的，检测电压点为T123，即此测试点与接地点之间的电压V。其放大系数为

16、10000倍，即检测电流IV/10000 （1-4）四、实验内容1. 测试1310nm检测器I-P特性； 根据I-P特性曲线，得出各检测器的响应度并计算其量子效率。五、实验步骤（1310nm光检测器I-P特性测试） PCM编译码模块T661与CPLD下载模块983连接，T980与1310nm光发模块输入端T101连接（通过CPLD模块产生一个4M的伪随机码，送入光发模块）。 用FC-FC光跳线将1310nmT光发端与1310R光收端连接。拨码开关BM1、BM2、BM3分别拨为：数字、1310nm和1310nm，并且将跳线帽K121接1,2脚（K121接到上面，检测器的响应电流就转化为电压信号，

17、通过T123表现出来；同时不可带电拔插光电器件，以免激光不小心入眼或者射到皮肤上面）。 接上交流电源线，先开交流开关，再开直流开关K01，K02，五个发光二极管全亮。 接通PCM编译码模块（K60）、CPLD模块（K90）和光发模块(K10)的直流电源。 用万用表监控R110两端电压（红表笔插T103，黑表笔插T104），调节半导体激光器驱动电流，使之为30mA，用万用表测试T123与电源模块中的地之间电压V，填入下表中，将1310nm光收端机端光纤取出，测试此时光功率并填入对应表格中。 调节W101，减小驱动电流为下表中的数值，测试T123与地之间的电压，取出光纤测试光功率，填入对应表格中。

18、驱动电流（mA）30252015105测试电压V（V）计算得到电流I（mA）输出光功率P（uW） 依次关闭各直流电源、交流电源，拆除导线，将实验箱还原。 将测得的电压，代入公式（1-4）中，计算得到检测器输出电流I，填入表格中。六、实验报告要求根据测试结果，画出1310nm光检测器I-P特性曲线七、注意事项 由于光源，光功率计等光学器件的插头属易损件，应轻拿轻放，使用时切忌用力过大。 不可带电拔插光电器件。要拔插光电器件，须先关闭电源后进行。八、思考题影响检测器响应度的指标有哪些？这些指标如何影响光纤通信系统性能？实验二 模拟信号光纤传输实验一、实验目的 了解模拟信号光纤系统的通信原理 了解完

19、整的模拟信号光纤通信系统的基本结构二、实验仪器 ZYE4301G型光纤通信原理实验箱1台 20MHz双踪模拟示波器1台 万用表1台 FC/PC-FC/PC单模光跳线1根 连接导线20根三、实验原理根据系统传输信号不同，光纤通信系统可分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。由于发光二极管和半导体激光器的输出光功率（对激光器来说，是指阈值电流以上线性部分）基本上与注入电流成正比，而且电流的变化转换为光频调制也呈线性，所以可以直接调制对于半导体激光器和发光二极管来说具有简单、经济和容易实现等优点。进行发光二极管及半导体激光器调制时采用的就是直接调制。IP从调制信号的形式来看，光调制可分为模拟信号调制

20、和数字信号调制。模拟信号调制直接用连续的模拟信号（如话音、模拟图像信号等）对光源进行调制。图21就是对发光二极管进行模拟调制的原理图。图21 发光二极管模拟调制原理图连续的模拟信号电流叠加在直流偏置电流上，适当地选择直流偏置电流的大小，可以减小光信号的非线性失真。电路实现上，LED的模拟信号调制较为简单，利用其PI的线性关系，可以直接利用电流放大电路进行调制，实验箱模拟信号调制电路如图22所示。一般来说，半导体激光器很少用于模拟信号的直接调制，半导体激光器模拟调制要求光源线性度很高。而且要求提高光接收机的信噪比比较高。与发光二极管相比，半导体激光器的VI线性区较小，直接进行模拟调制难度加大，采

21、用图22调制电路，会产生非线性失真。本实验通过完成各种不同模拟信号的LD光纤传输（如正弦波，三角波，方波信号），了解模拟信号的调制过程及调制系统组成。模拟信号光纤通信系统组成如图23所示。半导体激光器的模拟调制，直接利用图22所示电路进行调制，比较LED直接模拟调制与LD直接模拟调制的区别。测试端口模拟信号源信号处理单元光发送器件光接收器件信号处理单元光纤图22 LED模拟调制电路图23 模拟信号光纤传输系统框图四、实验内容 各种模拟信号LD模拟调制：三角波，正弦波，方波信号。五、实验步骤（LD模拟信号调制实验） 连接导线：模拟信号源模块T303与光发模块T111连接。 用FC-FC光纤跳线将

22、1310nm光发端机（1310nmT）与1310nm光收端机（1310nmR）连接起来。 将双刀三掷开关BM1、BM2和BM3分别拨到模拟、1310nm和1310nm，将K121接2，3脚。 接上交流电源线，先开交流开关，再开直流开关K01，K02，五个发光二极管全亮。 打开模拟信号源模块（K30）、光发模块（K10）的直流电源。 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R110两端电压与电阻值之比。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： 将光发模块中的可调电阻W101逆时针旋转到底，使数

23、字驱动电流达到最小值； 拨动双刀三掷开关BM1、BM2，将BM1、BM2选择在中间档，即将R110与电路断开； 用万用表测得R110电阻值，找出所测电压与半导体激光器驱动电流之间的关系（VIR110）。 用万用表监控R110两端电压（红表笔插T103，黑表笔插T104），调节W112，使半导体激光器驱动电流小于25mA。 调节模拟信号源模块电位器W306，使TP303波形幅度为2V。 调节电位器W111和W121，使得TP121处波形幅度为2V且无明显失真，用示波器观察TP111，TP112和TP121波形，观察模拟信号光纤传输调制过程。 将T303换成T302（三角波）或T301（方波）只做

24、其中一种即可，观察各测试点波形效果。 依次关闭各直流电源、交流电源，拆除导线，拆除各光学器件，将实验箱还原。六、实验报告 记录并画出各模拟信号的波形，对模拟信号光传输前后的波形进行比较。 简述模拟信号光纤传输过程。七、注意事项 正弦波TP303是用方波通过带通滤波生成的，所以TP304的频率必须在2KHz左右（可以通过调节W304来实现），此时K31应接中间两脚。 各模拟信号传输前应先将其幅值调到2V左右。 如果光纤在传输模拟信号时的波形不理想或接收不到信号，可用下面的方法调试系统： 将模拟信号源模块中的TP304与光发模块中的TP111 连接，并接通各直流电源，使各模块工作； 将模拟信号源中

25、的三角波（TP101），正弦波（TP102，TP103）的幅值调到VP-P=2V左右；（W302，W303，W304是它们对应的幅值调节电位器） 调节W111，使TP112 处波形的幅值VP-P = 0.4V左右； 调节W121，使TP121的幅值VP-P = 2V左右。八、思考题 根据电路图，分析W111，W112，W121的作用，并用实验验证。 此光纤传输系统能否传输数字信号，为什么？ 实验三 数字信号光纤传输实验一、实验目的 了解数字信号光纤传输系统的通信原理 掌握完整数字光纤通信系统的基本结构二、实验仪器 ZYE4301G型光纤通信原理实验箱1台 20MHz双踪模拟示波器1台 万用表1

26、台 FC/PC-FC/PC单模光跳线1根 连接导线20根三、实验原理IthIbImIP数字信号的光源驱动电路与模拟驱动电路原理有一定区别。半导体激光器是利用其在有源区中受激发射的器件，只有在工作电流超过阈值电流的情况下，才会输出激光（相干光），因而是有阈值的器件。图3-1为LD的P-I特性曲线及调制波形，图中的Ith为LD的阈值电流。由图可见调制LD光源器件发光必须是直流偏置电流Ib和信号电流（即调制电流Im）的共同作用。图3-1 LD的P-I特性曲线与调制波形本实验利用光纤对各种数字信号进行传输，以了解和熟悉光纤传输数字信号系统的组成。用双踪示波器观察光发模块与光接收模块各点的波形，并进行比

27、较。数字信号有脉冲信号、NRZ码，CMI码。测试端口原始信号信号处理单元光发端机光收端机信号处理单元编码译码光纤图3-2 数字信号光纤传输系统组成框图数字信号光纤传输系统组成框图如图3-2所示，对原始数字信号产生模块的信号进行各种不同方式的编码和译码，然后通过光纤传输，在测试端口观测输出端的信号波形，并且比较发光二极管的数字驱动与半导体激光器数字驱动效果的异同。在电路驱动上，数字驱动电路采用射极耦合驱动电路。所有数字信号先经过电平转换，进行直流偏置后直接幅度调制到激光器中。其驱动电路如图3-3所示。图3-3 数字信号光纤传输系统组成框图四、实验内容观察各种数字信号在LD（1310nm）光纤传输

28、系统中的波形五、实验步骤（LD数字信号调制实验） 用FC-FC光纤跳线将1310nm光发端机（1310nmT）与1310nm光收端机（1310nmR）连接起来，组成1310nm光纤传输系统。 连接导线：数字信号源T504与光发模块T101连接，将数字信号源模块K511拨到上面（拨上面，则码型速率为64KHz；拨下面，则码型速率为256KHz）。 将双刀三掷开关BM1、BM2和BM3分别拨到数字、1310nm和1310nm，将K121接2，3脚。 接上交流电源线，开交流开关，再开直流开关K01，K02，五个发光二极管全亮。 接通数字信号源模块（K50）、光发模块（K10）的直流电源。 用万用表监

29、控R110两端电压（红表笔插T103，黑表笔插T104），调节半导体激光器驱动电流（W101），使之小于25mA。（调节方法见实验二） 调节电位器W121，使得TP121处波形幅度大小适中，用示波器观察TP101，TP102和TP121波形，观察数字信号光纤传输调制过程。 将数字信号源模块K511接2，3脚（接1，2脚为64K伪随机码，2，3脚为256K伪随机码），观察各点波形变化。 改变数字信号源模块拨码开关状态，观察各测试点波形变化。 依次关闭各直流电源、交流电源，拆除导线，拆除各光学器件，将实验箱还原。六、实验报告记录并画出LD（1310nm）数字信号调制过程中各测试点波形。七、思考题

30、画出光纤传输数字信号实验框图，并简述数字信号光纤传输过程。附录 ZYE4301G型光纤通信实验箱各模块引脚说明、光发送模块和光接收模块T182T172T181T171T131T132T123T101W101T133T1341310nmR1310nmT1310nm光发送W112T121W121K121BM3T111W111BM2BM1K10 GNDT151K15T1611550nmR1550nmTGND1550nm光发送K10：1310nm光收发模块直流电源开关K121：接1、2脚，测T123用来检测电流；接2、3脚，用于光发光收实验，通过T121来测量接受信号T101：数字信号输入端口 T11

31、1：模拟信号输入端口T121：信号输出端口W101：数字信号驱动电流调节电位器，并且可调节数字信号的失真度W111：输入模拟信号的幅度调节电位器W112：模拟信号驱动电流调节电位器，并且可调节模拟信号的失真度W121：输出信号的幅值调节电位器，调节光接收端主放大器的放大倍数T131、T132：视频信号输入端口 T133、T134：视频信号输出端口T171、T181：计算机串口数据输出端口 T172、T182：计算机串口数据输入端口BM1：模拟、数字驱动电路选择开关BM2：850nm光发、1310nm光发选择开关BM3：850 nm光收、1310nm光收选择开关1310nmT：1310nm光发端

32、接口 1310nmR：1310nm光收端接口K15：1550nm光收发模块直流电源开关T151：1550nm光发送数字信号输入端 T161：1550nm光接收数字信号输出端1550nmT：1550nm光发端接口 1550nmR：1550nm光收端接口模拟信号源T301W303W302W301W304T303T304T302W306W307W305K303、模拟信号源模块K30：模拟信号源模块直流电源开关T301：方波信号输出端口T302；三角波信号输出端口T303：2K正弦波信号输出端口T304：1K正弦波信号输出端口W301、W302、W303：2K正弦波TP303失真度调节电位器W304：

33、2K正弦波T303频率调节电位器W305：三角波的幅度调节电位器W306：1K正弦波T304幅度调节电位器W307：2K正弦波T303的幅度调节电位器5、数字信号源模块K511K50K503K501K502T504数字信号源T503T502T501T501：4.096MHz时钟信号输出端口T502：NRZ码位同步信号输出端T503：NRZ码帧同步信号输出端口T504：NRZ码信号输出端口K501、K502、K503：拨码开关，可进行NRZ码型的设置K511：输出信号的频率控制开关，拨上，输出NRZ码的速率为64KB/s；拨下，输出信号的速率提高四倍，为256KB/s。光纤通信原理实验报告实验室名称：实验日期：年 月日学 院专业、班级姓 名实验名称指 导教 师教师评语教师签名： 年 月 日实验目的：实验内容：实验器材：实验原理：实验原理：实验步骤：实验过程原始记录（数据、图表、波形等）：实验结果及分析：