音頻信號光纖傳輸技術(shù)實驗講義20150918

1、音 頻 信 號 光 纖 傳 輸 技 術(shù) 實 驗請愛惜實驗講義，便于其他同學使用目的要求 1. 熟悉半導體電光/光電器件的基本性能及基本特性曲線的測試方法2了解音頻信號光纖傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及主要部件的選配原則3學習分析集成運放電路的基本方法4訓練音頻信號光纖傳輸系統(tǒng)的調(diào)試技術(shù)儀器設(shè)備1 YOFB型音頻信號光纖傳輸技術(shù)實驗儀；2 示波器；實驗原理 一系統(tǒng)的組成圖1示出了一個音頻信號光強調(diào)制光纖傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖，它主要包括由LED及其調(diào)制、驅(qū)動電路組成的光信號發(fā)送器、傳輸光纖和由光電轉(zhuǎn)換、IV變換及功放電路組成的光信號接收器三個部分。光源器件LED的發(fā)光中心波長必須在傳輸光纖呈現(xiàn)低損耗的0.85、

2、1.3或1.5附近，本實驗采用中心波長0.85附近的GaAs半導體發(fā)光二極管作光源器件、峰值響應(yīng)波長為0.80.9的硅光二極管（SPD）作光電檢測元件。為了避免或減少諧波失真，要求整個傳輸系統(tǒng)的頻帶寬度能夠覆蓋被傳信號的頻譜范圍，對于語音信號，其頻譜在3003400Hz的范圍內(nèi)。由于光導纖維對光信號具有很寬的頻帶，故在音頻范圍內(nèi)，整個系統(tǒng)的頻帶寬度主要決定于發(fā)送端調(diào)制放大電路和接收端功放電路的幅頻特性。二、光導纖維的結(jié)構(gòu)及傳光原理衡量光導纖維性能好壞有兩個重要指標：一是看它傳輸信息的距離能有多遠，二是看它攜帶信息的容量能有多大，前者決定于光纖的損耗特性，后者決定于基帶頻率特性。經(jīng)過人們對光纖材

3、料的提純，目前已使光纖的損耗容易做到1dB/Km以下。光纖的損耗與工作波長有關(guān)，所以在工作波長的選用上，應(yīng)盡量選用低損耗的工作波長，光纖通訊最早是用短波長0.85，近來發(fā)展至用1.31.55范圍的波長，因為在這一波長范圍內(nèi)光纖不僅損耗低，而且“色散”也小。光纖的基帶頻率特性主要決定于光纖的模式性質(zhì)、材料色散和波導色散。光纖按其模式性質(zhì)通?？梢苑殖蓛纱箢悾海?）單模光纖；（2）多模光纖。無論單?；蚨嗄９饫w，其結(jié)構(gòu)均由纖芯和包層兩部分組成。纖芯的折射率較包層折射率大，對于單模光纖，纖芯直徑只有510，在一定條件下，只允許一種電磁場形態(tài)的光波在纖芯內(nèi)傳播，多模光纖的纖芯直徑為50或62.5，允許多種

4、電磁場形態(tài)的光波傳播；以上兩種光纖的包層直徑均為125。按其折射率沿光纖截面的徑向分布狀況又分成階躍型和漸變型兩種光纖，對于階躍型光纖，在纖芯和包層中折射率均為常數(shù)，但纖芯折射率n1略大于包層折射率n2。所以對于階躍型多模光纖，可用幾何光學的全反射理論解釋它的導光原理。在漸變型光纖中，纖芯折射率隨離開光纖軸線距離的增加而逐漸減小，直到在纖芯包層界面處減到某一值后在包層的范圍內(nèi)折射率保持這一值不變，根據(jù)光射線在非均勻介質(zhì)中的傳播理論1分析可知：經(jīng)光源耦合到漸變型光纖中的某些光射線，在纖芯內(nèi)是沿周期性地彎向光纖軸線的曲線傳播。三、半導體發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)、工作原理、特性及驅(qū)動、調(diào)制電路光纖通訊系統(tǒng)中對

5、光源器件在發(fā)光波長、電光效率、工作壽命、光譜寬度和調(diào)制性能等許多方面均有特殊要求。所以不是所有光源器件都能勝任光纖通訊任務(wù)，目前在以上各個方面都能較好滿足要求的光源器件主要有半導體發(fā)光二極管（LED）和半導體激光二極管（LD）。本實驗采用LED作光源器件。本實驗采用的HFBR-1424型半導體發(fā)光二極管的正向伏安特性如圖 2（a）所示，與普通的二極管相比，在正向電壓大于1V以后，才開始導通，在正常使用情況下，正向壓降為1.6V左右。半導體發(fā)光二極管輸出的光功率與其驅(qū)動電流的關(guān)系稱LED的電光特性，如圖 2（b）示。為了使傳輸系統(tǒng)的發(fā)送端能夠產(chǎn)生一個無非線性失真、而峰峰值又最大的光信號，使用LE

6、D時應(yīng)先給它一個適當?shù)钠秒娏?，其值等于這一特性曲線線性部分中點對應(yīng)的電流值，而調(diào)制電流的峰峰值應(yīng)盡可能大地處于這一電光特性的線性范圍內(nèi)。從圖 2所示的LED伏安特性和電光特性可知，在發(fā)送端輸入同樣幅度的電信號情況下，由于LED偏置狀態(tài)不同，LED輸出的光信號幅度也不同。所以，正確選擇LED偏置電流是設(shè)計音頻信號光纖傳輸系統(tǒng)中必須考慮的問題。音頻信號光纖傳輸系統(tǒng)發(fā)送端LED的驅(qū)動和調(diào)制電路如）圖（6）示，以BG1為主構(gòu)成的電路是LED的驅(qū)動電路，調(diào)節(jié)這一電路中的W2可使LED的偏置電流在040mA的范圍內(nèi)變化。被傳音頻信號由IC1為主構(gòu)成的音頻放大電路放大后經(jīng)電容器C4耦合到BG1基極，對L

7、ED的工作電流進行調(diào)制，從而使LED發(fā)送光 強隨音頻信號變化的光信號，并經(jīng)光導纖維把這一信號傳至接收端。圖 2 HFRB-1424型LED的正向伏安特性和電光特性圖3 LED的驅(qū)動和調(diào)制電路四半導體光電二極管的結(jié)構(gòu)、工作原理及特性半導體光電二極管與普通的半導體二極管一樣，都具體一個p-n結(jié)，光電二極管在外形結(jié)構(gòu)方面有它自身的特點，這主要表現(xiàn)在光電二極管的管殼上有一個能讓光線射入其光敏區(qū)的窗口。此外，與普通二極管不同，它經(jīng)常工作在反向偏置電壓狀態(tài)（如圖4a所示）或無偏壓狀態(tài)（如圖4b所示）。在反偏電壓p-結(jié)的空間電荷區(qū)的勢壘增高、寬度加大、結(jié)電阻增加、結(jié)電容減小，所有這些均有利于提高光電二極管的

8、高頻響應(yīng)性能。無光照時，反向偏置的p-n結(jié)只有很小的反向漏電流，稱為暗電流。當有光子能量大于p-n結(jié)材料的帶隙寬度Eg的光波照射到光電二極管的管芯時，p-n結(jié)各區(qū)域中的價電子吸收光能后將掙脫價鍵的束縛而成為自由電子，與此同時也產(chǎn)生一個自由空穴，這些由光照產(chǎn)生的自由電子空穴對統(tǒng)稱為光生載流子。在遠離空間電荷區(qū)（亦稱耗盡區(qū)）的p區(qū)和n 圖4 光電二極管的結(jié)構(gòu)及工作方式區(qū)內(nèi)，電場強度很弱，光生載流子只有擴散運動，它們在向空間電荷區(qū)擴散的途中因復合而被消失掉，故不能形成光電流。形成光電流的主要靠空間電荷區(qū)的光生載流子，因為在空間電荷區(qū)內(nèi)電場很強，在此強電場作用下，光生電子空穴對將以很高的速度分別向n區(qū)

9、和p區(qū)運動，并很快越過這些區(qū)域到達電極沿外電路閉合形成光電流，光電流的方向是從二極管的負極流向它的正極，并且在無偏壓短路的情況下與入射的光功率成正比，因此在光電二極管的p-n結(jié)中，增加空間電荷區(qū)的寬度對提高光電轉(zhuǎn)換效率有著密切關(guān)系。為此目的，若在p-n結(jié)的p區(qū)和n區(qū)之間再加一層雜質(zhì)濃度很低以致可近似為本征半導體（用i表示）的i層，就形成了具有p-i-n三層結(jié)構(gòu)的半導體光電二極管，簡稱PIN光電二極管, PIN光電二極管的p-n結(jié)除具有較寬空間電荷區(qū)外，還具有很大的結(jié)電阻和很小的結(jié)電容，這些特點使PIN管在光電轉(zhuǎn)換效率和高頻響應(yīng)特性方面與普通光電二極管相比均得到了很大改善。根據(jù)文獻，光電二極管的

10、伏安特性可用下式表示： I = I01e x p（q v / k T）+ IL （6）其中I0是無光照的反向飽和電流，V是二極管的端電壓（正向電壓為正，反向電壓為負），q為電子電荷，k為波耳茲曼常數(shù)，T是結(jié)溫，單位為K，IL是無偏壓狀態(tài)下光照時的短路電流，它與光照時的光功率成正比。（6）式中的Io和IL均是反向電流，即從光電二極管負極流向正極的電流。根據(jù)（6）式，光電二極管的伏安特性曲線如圖5所示，對應(yīng)圖4a所示反偏工作狀態(tài)，光電二極管的工作點由負載線與第三象限的伏安特性曲線交點確定。由圖5可以看出： 圖5 光電二極管的伏安特性曲線及工作點的確定1.光電二極管既使在無偏壓的工作狀態(tài)下，也有反向

11、電流流過，這與普通二極管只具有單向?qū)щ娦韵啾扔兄举|(zhì)的差別，認識和熟悉光電二極管的這一特點對于在光電轉(zhuǎn)換技術(shù)中正確使用光電器件具有十分重要意義；2.反向偏壓工作狀態(tài)下，在外加電壓E和負載電阻RL的很大變化范圍內(nèi)，光電流與入照的光功率均具有較好的線性關(guān)系；無偏壓工作狀態(tài)下，只有RL較小時光電流才與入照光功率成正比，RL增大時，光電流與光功率呈非線性關(guān)系；無偏壓短路狀態(tài)下，短路電流與入照光功率具有很好的線性關(guān)系, 這一關(guān)系稱為光電二極管的光電特性，這一特性在IP坐標系中的斜率： RI / P（A/W） （7）定義為光電二極管的響應(yīng)度，它是表征光電二極管光電轉(zhuǎn)換效率的重要參數(shù)。光電二極管的響應(yīng)度R值

12、與入照光波的波長有關(guān)。本實驗中采用的硅光電二極管，其光譜響應(yīng)波長在0.41.1之間、峰值響應(yīng)波長在0.80.9范圍內(nèi)。在峰值響應(yīng)波長下，響應(yīng)度R的典型值在0.250.5A /W的范圍內(nèi)。3.在光電二極管處于開路狀態(tài)情況下，光照時產(chǎn)生的光生載流子不能形成閉合光電流，它們只能在p-n結(jié)空間電荷區(qū)的內(nèi)電場作用下，分別堆積在p-n結(jié)空間電荷區(qū)兩側(cè)的n層和p層內(nèi)，產(chǎn)生外電場，此時光電二極管表現(xiàn)出有一定的開路電壓。不同光照情況下的開路電壓就是圖5示伏安特性曲線與橫坐標軸交點所對應(yīng)的電壓值。由圖5可見,光電二極管開路電壓與入照光功率也是呈非線性關(guān)系。4.反向偏壓狀態(tài)下的光電二極管，由于在很大的動態(tài)范圍內(nèi)其光

13、電流與偏壓和負載電阻幾乎無關(guān)，故在入照光功率一定時可視為一個恒流源；而在無偏壓工作狀態(tài)下光電二極管的光電流隨負載電阻變化很大，此時它不具有恒流源性質(zhì)，只起光電池作用。 實驗儀器本實驗使用的儀器是為YOF-B型音頻信號光纖傳輸技術(shù)實驗儀它由以下三部分組成：一、YOF-B型音頻信號光纖傳輸技術(shù)實驗儀（發(fā)送器）二、YOF-B型音頻信號光纖傳輸技術(shù)實驗儀（接收器）三、含光源器件LED和SPD光電探頭的光纖信道各部分的布局分別由圖6、圖7和圖8所示。圖6. YOF-B型音頻信號光纖傳輸技術(shù)實驗儀（發(fā)送器）前面板布局圖7. YOF-B型音頻信號光纖傳輸技術(shù)實驗儀（接收器）前面板布圖8 光纖信道實驗內(nèi)容一、

14、LED電光特性的測定 該項實驗只需發(fā)送器、光纖信道，連接如圖9所示。 圖9 LED電光特性的測定 操作與測定：1 用兩端均為單聲道插頭的電纜連接線把光纖信道內(nèi)的光源器件LED接入發(fā)送器前面板的“LED插孔”中；2 把SPD光電探頭一端插入光纖信道出光端的插座內(nèi)，另一端的兩個紅、黑香蕉插頭插入光功率計的“SPD”插孔內(nèi)，紅黑對應(yīng)。3逆時針調(diào)節(jié)“輸入衰減”旋鈕使信號源的幅值為零。調(diào)節(jié)“偏流調(diào)節(jié)”電位器使直流毫安表的讀數(shù)為零。在此情況下光功率計的指示應(yīng)為零，若不為零，記下這一讀數(shù)，在數(shù)據(jù)處理時作為零點扣除。4 調(diào)節(jié)“偏流調(diào)節(jié)”電位器使直流毫安表的指示從零開始增加，每增加4mA讀取一次光功率數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)

15、表格見表1.2。以LED的電流為自變數(shù)，光功率為因變數(shù)，繪制LED的電光特性曲線。表1.2 LED電光特性測定實驗數(shù)據(jù)記錄電流（mA）04812162024283236光功率（W）二、SPD反向伏安特性的測定測量方法及原理測定光電二極管反向伏安特性的電路如圖10所示。其中LED是發(fā)光中心波長與被測光電二極管的峰值響應(yīng)波長很接近的GaAs半導體發(fā)光二極管。其光功 圖10 光電二極管反向伏安特性的測定率由光導纖維輸出。由IC1為主構(gòu)成的電路是一個電流電壓變換電路，它的作用是把流過光電二極管的光電流I轉(zhuǎn)換成由IC1輸出端C點的輸出電壓Vo，它與光電流成正比。整個測試電路的工作原理如下：由于IC1的反

16、相輸入端具有很大的輸入阻抗，光電二極管受光照時產(chǎn)生的光電流幾乎全部流過Rf并在其上產(chǎn)生電壓降V c b =R f I 。另外，又因IC1具有很高的開環(huán)電壓增益，反相輸入端具有與同相輸入端相同的地電位，故IC1的輸出電壓 Vo=I Rf （8）已知R f后，就可根據(jù)上式由V o計算出相應(yīng)的光電流I。進行這項實驗時需用發(fā)送器、接收器和數(shù)字萬用表。三者的連接如圖11所示。圖11 SPD反向伏安特性的測定3 用兩端均為單聲道插頭的電纜連接線把光纖信道內(nèi)的光源器件LED接入發(fā)送器前面板的“LED插孔”中；4 把SPD光電探頭一端插入光纖信道出光端的插座內(nèi)，另一端的兩個紅、黑香蕉插頭插入接收器的“SPD”

17、插孔內(nèi)，紅與紅對應(yīng)，黑與綠對應(yīng)；5 用具有香蕉插頭的導線，把接收器面板上I-V變換電路的輸出端接至接收器面板上直流電壓表的“電壓輸入”插孔。說明：圖中Rf電阻的阻值為100K。電壓測量請勿接到功放輸出。操作與測定： 1、 調(diào)節(jié)發(fā)送器面板上的“偏流調(diào)節(jié)”使直流毫安表的讀數(shù)為零。并把光纖信道的SPD探頭先接入發(fā)送器面板上光功率指示器“SPD插孔”內(nèi)，記錄光功率指示器的初始值。2、 把光纖信道的SPD探頭改接到接收器面板上I-V變換電路的SPD插孔內(nèi)， 調(diào)節(jié)接收器面板上“W1調(diào)節(jié)”電位器，使指示SPD反壓的電壓表讀數(shù)從零開始增加，每增加1V讀取和記錄一次接收器面板上右側(cè)的數(shù)字電壓表的讀數(shù)，直到SPD

18、的反壓為8V止。3、 反復以上兩項測量。每反復一次測量，都需調(diào)節(jié)發(fā)送器面板上“偏流調(diào)節(jié)”電位器，使光功率指示器的讀數(shù)在原有基礎(chǔ)上增加8W。數(shù)據(jù)記錄到表1.3中。表1.3 SPD反向伏安特性測定實驗數(shù)據(jù)記錄數(shù)據(jù)處理要求：1計算光電流。2計算零偏壓下，SPD的響應(yīng)度R值。3在同一坐標系中，繪制不同光功率下SPD的反向伏安特性曲線。三 、音頻信號光纖傳輸系統(tǒng)無非線性失真的最大光信號幅度的測定。聯(lián) 接：除需增加一臺示波器連接外，其余如圖11示相同。預(yù)備工作：用示波器觀察信號源信號 把發(fā)送器面板上“調(diào)制切換”開關(guān)撥至“Sin”一側(cè)；把示波器的通道CH1接至發(fā)送器前面板的信號源兩端。左右旋轉(zhuǎn)發(fā)送器面板上“

19、輸入衰減”電位器，觀察示波器上正弦信號及其幅度變化的情況出現(xiàn)（示波器需要適當調(diào)節(jié)“幅值”調(diào)節(jié)旋鈕和“時間”掃描旋鈕）。測 定：1、按圖11接好實驗系統(tǒng)后，把示波器通道 CH1接至接收器I-V變換電路輸出端插孔；2、把發(fā)送器面板上的“輸入衰減”電位器沿反時針方向轉(zhuǎn)至極限位置，使調(diào)制信號的幅度為零。3、調(diào)節(jié)發(fā)送器面板上“偏流調(diào)節(jié)”電位器，使LED的偏置電流最初為5mA，然后調(diào)節(jié)“輸入衰減”電位器，使調(diào)制信號幅度從0開始慢慢增加直到光信號出現(xiàn)非線性失真（用示波器觀測，當波形不對稱時，判定為非線性失真 ）為止。3、LED偏置電流調(diào)為30mA時，重復以上操作。說明：描述LED偏置電流對信號光纖傳輸?shù)挠绊?，采用LED光電特性曲線進行分析。本實驗只需要觀察現(xiàn)象，不需要記錄實驗數(shù)據(jù)。四、傳輸語音信號準備工作 將耳機查到收音機，調(diào)節(jié)收音機，能夠聽到清晰的聲音。連 接在圖11示聯(lián)接