光纖通信原理實驗講義

1、 光纖通信原理學(xué)生指導(dǎo)資料實驗七 波分復(fù)用技術(shù)實驗一、實驗?zāi)康?、了解光纖接入網(wǎng)中波分復(fù)用原理2、掌握波分復(fù)用技術(shù)及實現(xiàn)方法二、實驗內(nèi)容1、實現(xiàn)用兩種連接方式組成1310nm與1550nm光纖通信的波分復(fù)用系統(tǒng)三、實驗儀器1、ZY1804I型光纖通信原理實驗系統(tǒng) 1臺2、20MHz雙蹤數(shù)字示波器 1臺3、萬用表 1臺4、波分復(fù)用器 2個5、FC-FC適配器 1個6、連接導(dǎo)線 20根四、實驗原理隨著人類社會信息時代的到來，對通信的需求呈現(xiàn)加速增長的趨勢。發(fā)展迅速的各種新型業(yè)務(wù)（特別是高速數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù)）對通信網(wǎng)的帶寬（或容量）提出了更高的要求。為了適應(yīng)通信網(wǎng)傳輸容量的不斷增長和滿足網(wǎng)絡(luò)交互性、靈

2、活性的要求，產(chǎn)生了各種復(fù)用技術(shù)。本實驗重點是光的波分復(fù)用WDM（Wavelength Division Multiplexing）。光波分復(fù)用技術(shù)是在一根光纖中同時傳輸多個波長光信號的一項技術(shù)。WDM 就是為了充分利用單模光纖低損耗區(qū)帶來的巨大帶寬資源，根據(jù)每一信道光波的頻率（或波長）不同可以將光纖的低損耗窗口劃分成若干個信道，把光波作為信號的載波，在發(fā)送端采用波分復(fù)用器（合波器）將不同規(guī)定波長的信號光載波合并起來送入一根光纖進(jìn)行傳輸；在接收端，再由一波分復(fù)用器（分波器）將這些不同波長承載不同信號的光載波分開的復(fù)用方式。由于不同波長的光載波信號可以看作互相獨立的（不考慮光纖非線性時），從而在一

3、根光纖中可實現(xiàn)多路光信號的復(fù)用傳輸。波分復(fù)用系統(tǒng)原理圖如圖27-1所示。圖27-1 波分復(fù)用系統(tǒng)原理圖MuxDeMux是WDM系統(tǒng)使用中不可或缺的兩種元件。也就是我們常說的復(fù)用，解復(fù)用器。DWDM使光導(dǎo)纖維網(wǎng)絡(luò)能同時傳送數(shù)個波長的信號，而Mux則是負(fù)責(zé)將數(shù)個波長匯集至一起的元件；DeMux則是負(fù)責(zé)將匯集至一起的波長分開的元件。從原理上講，這種器件是互易的（雙向可逆），即只要將解復(fù)用器的輸出端和輸入端反過來使用，就是復(fù)用器。光分插復(fù)用器(OADM)是WDM系統(tǒng)中一個重要的應(yīng)用元件，其作用是在一個光導(dǎo)纖維傳送網(wǎng)絡(luò)中塞入取出（Add-Drop）多個波長信道；置OADM于網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點處，以控制不同波長信

4、道的光信號傳至適當(dāng)?shù)奈恢?。光纖通信系統(tǒng)中通常實用的石英光纖有三個低衰減區(qū)，即0.60.9um為第一個低衰減區(qū)，通常稱為短波長低衰減區(qū)。1.01.35um和1.451.8um為第二、第三個低衰減區(qū)。后兩者稱為長波長低衰減區(qū)。本實驗利用光纖通信工程應(yīng)用最廣泛的長波長衰減區(qū)中1310nm與1550nm光纖通信波長進(jìn)行波分復(fù)用，傳輸兩路信號（一路模擬信號，一路數(shù)字信號）。實驗原理框圖如圖38-2。波分復(fù)用還有另一種連接方式，其實驗框圖如圖27-2所示。這種波分復(fù)用連接方式中，同一根光纖中光信號的傳輸方向相反，由于光波傳輸?shù)莫毩⑿?，兩個方向的光波傳輸不會有干擾。通過實驗可以驗證這一理論。波分復(fù)用器波分復(fù)

5、用器信號甲圖27-2 波分復(fù)用系統(tǒng)實驗框圖信號乙1310nm1550nm信號甲信號乙1310nm1550nm五、實驗步驟1、連接數(shù)字信號源模塊和中央控制器的A1和A2，B1和B2，C1和C2；連接中央控制器和數(shù)字終端模塊的A3和A4，B3和B4，C3和C4；連接模擬信號源模塊2的T602和T907(13_AIN)。連接中央控制器的D_OUT和T901(15_DIN)，D_IN和T902(15_DOUT)。2、將開關(guān)K706的值撥為“01000000”。將數(shù)字信號源撥碼開關(guān)K501，K502和K503的值撥為任意值。將中央控制器的開關(guān)K1撥為“主”。3、將開關(guān)BM901撥為1310nm，將開關(guān)K

6、902撥為“模擬”，將開關(guān)BM902撥為1310nm，將開關(guān)K901撥為“通信。4、旋開光發(fā)端和光收端1550和1310保護(hù)帽，將1550光發(fā)端機(jī)和波分復(fù)用器A中標(biāo)有“1550”光纖接頭連接，將1310光發(fā)端機(jī)和波分復(fù)用器A中標(biāo)有“1310”光纖接頭連接。將1550光接收機(jī)和波分復(fù)用器B中標(biāo)有“1550”光纖接頭連接，將1310光接收機(jī)和波分復(fù)用器B中標(biāo)有“1310”光纖接頭連接。用FC-FC適配器將波分復(fù)用器連接起來。5、打開交流電源。中央控制器指示燈NS、FS亮，表明環(huán)路同步。按動開關(guān)KB，使燈LED729由滅變亮，此時將來自數(shù)字信號源的數(shù)字信號送出。6、用雙蹤示波器的兩個探頭同時測量T9

7、07和TP902(13OUT)處的波形，調(diào)節(jié)電位器W905（模擬驅(qū)動調(diào)節(jié)）和W909（幅值調(diào)節(jié)），直到波形相同為止，信號的幅度可以不同。7、用示波器測量T901(15_DIN)和T902(15_DOUT)的波形，觀察經(jīng)波分復(fù)用和解復(fù)用后的信號是否相同。8、觀測數(shù)字信號源模塊和數(shù)字終端的二極管發(fā)光的個數(shù)與順序，驗證數(shù)據(jù)光纖傳輸后的正確性。9、根據(jù)以上實驗設(shè)計兩路數(shù)字信號波分復(fù)用后光纖傳輸實驗。10、實驗完成后，關(guān)閉交流電源，拆除各個連線，將所有的開關(guān)撥向下，將實驗箱還原。六、實驗結(jié)果七、思考題答案1、說明時分復(fù)用與光波分復(fù)用的異同點。2、如果采用多個波長進(jìn)行波分復(fù)用，對實驗箱和波分復(fù)用器有何要求

8、？- 12 -實驗八 光纖活動連接器損耗測試實驗一、實驗?zāi)康?、了解光纖活動連接器插入損耗測試方法2、了解光纖活動連接器回波損耗測試方法 3、掌握它們的正確使用方法二、實驗要求1、測量活動連接器的插入損耗2、測量活動連接器的回波損耗三、實驗儀器1、ZY1804I型光纖通信原理實驗系統(tǒng) 1臺2、FC接口光功率計1臺3、萬用表1臺4、FC-FC單模光跳線 2根5、FC-FC適配器 1個6、Y 型分路器1個7、連接導(dǎo)線 20根四、實驗原理一個完整的光纖通信系統(tǒng)，除光纖、光源和光檢測器外，還需要許多其他光器件，特別是無源器件。這些器件對光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成、功能的擴(kuò)展或性能的提高，都是不可缺少的。雖然對

9、各種器件的特性有不同的要求，但是普遍要求插入損耗小，反射損耗打、工作溫度范圍寬、性能穩(wěn)定、價格便宜等。光纖活動連接器也稱為適配器或是FC-適配器，是連接兩根光纖或光纜形成連接光通路且可以重復(fù)裝拆的無源器件。其外形與普通電纜連接器有點相似，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)械加工精度要求高。主要技術(shù)要求是插入損耗小，拆卸方便，互換性好，重復(fù)插拔的壽命長。它還具有將光纖與有源器件、光纖與其它無源器件、光纖與系統(tǒng)和儀表進(jìn)行活動連接的功能。評價一個活動連接器的性能指標(biāo)有很多，其中最重要的指標(biāo)有4個，即插入損耗、回波損耗、重復(fù)性和互換性。光纖活動連接器插入損耗是指光纖中的光信號通過活動連接器之后，其輸出光功率相對輸入

10、光功率的分貝數(shù)，計算公式為： （32-1） 其中P0為輸入端的光功率，P1為輸出端的光功率。對于多模光纖連接器來講，注入的光功率應(yīng)當(dāng)經(jīng)過擾模器，濾去高次模，使光纖中的模式為穩(wěn)態(tài)分布，這樣才能準(zhǔn)確地衡量連接器的插入損耗。光纖活動連接器的插入損耗越小越好。光纖活動連接器插入損耗測試方法為：向光發(fā)端機(jī)的數(shù)字驅(qū)動電路送入一偽隨機(jī)信號（長度為24位），保持注入電流恒定。將活動連接器連接在光發(fā)端機(jī)與光功率計之間，記下此時的光功率P1；取下活動連接器，再測此時的光功率，記為P0，將P0、P1代入32-1式即可計算出其插入損耗。其實驗原理框圖如圖32-1所示?；顒舆B接器的回波損耗：向光發(fā)端機(jī)的數(shù)字驅(qū)動電路送入

11、一偽隨機(jī)信號（長度為24位），保持注入電流恒定。按照圖32-2（a）組成光功率測試系統(tǒng)，測得此時的光功率為P1。將活動連接器按圖32-2（b）接入。測得此時的光功率為P2，將P1、P2代入公式（32-2）即可計算出其回波損耗R。 （32-2） 1310nm光發(fā)端機(jī)1310nm光發(fā)端機(jī)圖32-1 活動連接器插入損耗的測量原理圖Y型分路 器光功率P21310nm光發(fā)端機(jī)轉(zhuǎn)接器待測活動連接器(b)圖32-2 活動連接器回波損耗的測量Y 型 分路 器光功率P11310nm光發(fā)端機(jī)(a)五、實驗步驟a、活動連接器插入損耗測量1、用連接線連接中央控制器M和T903 (13_DIN)。2、將開關(guān)BM901撥

12、為1310nm，將開關(guān)K902撥為“數(shù)字”，將電位器W901、W907逆時針旋轉(zhuǎn)到最小。3、旋開1310nm光發(fā)端機(jī)保護(hù)帽，利用FC-FC單模光跳線將其和光功率計連接起來。并將光功率計的波長設(shè)置為1310nm。4、打開交流電源。5、慢慢調(diào)節(jié)電位器W901（數(shù)字驅(qū)動調(diào)節(jié)），用萬用表測量T904（TV+）和T905(TV-)兩端電壓（紅表筆插T904，黑表筆插T905），使之為17mV左右。6、讀出此時光功率計的數(shù)值，此數(shù)據(jù)即為活動連接器的輸入功P0。7、拆除1310nm光發(fā)端機(jī)和光功率計的連接，用FC適配器將1310nm光發(fā)端和光功率計連接起來。8、讀出此時光功率計的數(shù)值，此數(shù)據(jù)即為插入活動連接

13、器的輸出功率P1。9、將所測得的數(shù)值P0和P1代入式（32-1）計算所得的結(jié)果即為活動連接器的插入損耗。b、活動連接器回波損耗測量10、保持a中連線不變，拆除活動連接器和1310nm光發(fā)端機(jī)的連接，按照圖32-2（a）將Y型分路器OUT1和1310nm光發(fā)端機(jī)連接，Y型分路器IN和光功率計的連接，測量此時的光功率數(shù)值P1。11、按照32-2（b）中的連接在方式在線路中接入活動連接器，利用光功率計測量此時的光功率值P2。12、將所測的光功率值P1和P2代入式（32-2）計算可得回波損耗R。13、實驗完成后，關(guān)閉交流電源，拆除各個連線，將所有的開關(guān)撥向下，將實驗箱還原。六、實驗結(jié)果七、思考題答案1

14、、分析活動連接器插入損耗產(chǎn)生原因。2、當(dāng)Y型分路器的分光比為1：4時，設(shè)計測試活動連接器的回波損耗實驗，并推導(dǎo)出計算公式。3、分析Y型分路器對光纖活動連接器回波損耗測試的影響。實驗九 分路器損耗和分光比測試實驗一、實驗?zāi)康?、了解光無源器件，Y型分路器的工作原理及其結(jié)構(gòu)2、掌握它們的正確使用方法3、掌握它們主要特性參數(shù)的測試方法二、實驗內(nèi)容1、測量Y型分路器的插入損耗2、測量Y型分路器的附加損耗3、測量Y型分路器的分光比三、實驗儀器1、ZY1804I型光纖通信原理實驗系統(tǒng) 1臺2、FC接口光功率計1臺3、萬用表1臺4、FC-FC適配器1個5、Y 型分路器1個6、連接導(dǎo)線 20根四、實驗原理光通

15、信系統(tǒng)的構(gòu)成，除需要光源器件和光檢測器件之外，還需要一些不用電源的光通路元、部件，我們把它們統(tǒng)稱為無源器件。它們是光纖傳輸系統(tǒng)的重要組成部分。光無源器件包括光纖活動連接器（平面對接FC型、直接接觸PC型、矩形SC型）、光衰減器、光波分復(fù)用器、光波分去復(fù)用器、光方向耦合器（例如：Y型分路器、星型耦合器）、光隔離器、光開關(guān)、光調(diào)制器等。本實驗重點介紹Y型分路器，下一實驗重點講光波分復(fù)用器。在應(yīng)用這些無源器件時必須考慮無源器件的各項指標(biāo)，如Y型分路器（1分2的光耦合器）的插入損耗，分光比，波分復(fù)用器的光串?dāng)_等。下面對Y型分路器損耗及特性分別進(jìn)行測試。Y型分路器的技術(shù)指標(biāo)一般有插入損耗（Inserti

16、on Loss）、附加損耗（Excess Loss）、分光比和方向性、均勻性等，在實驗中主要測試Y型分路器的插入損耗，附加損耗及分光比。就Y型分路器而言，插入損耗定義為指定輸出端口的光功率相對全部輸入光功率的減少值。插入損耗計算公式為33-1式。 (33-1) 其中，I.Li為第i個輸出端口的插入損耗，Pouti是第i個輸出端口測到的光功率值，PIN是輸入端的光功率值。附加損耗是由散射、吸收和器件缺陷產(chǎn)生的損耗。Y型分路器的附加損耗定義為所有輸出端口的光功率總和相對于全部輸入光功率的減小值。附加損耗計算公式為33-2式。 （33-2） 對于Y型分路器，附加損耗是體現(xiàn)器件制造工藝質(zhì)量的指標(biāo)，反映

17、的是器件制作過程帶來的固有損耗；而插入損耗則表示的是各個輸出端口的輸出光功率狀況，不僅有固有損耗的因素，更考慮了分光比的影響。因此不同類型的光纖耦合器，插入損耗的差異，并不能反映器件制作質(zhì)量的優(yōu)劣，這是與其他無源器件不同的地方。分光比是光耦合器件所特有的技術(shù)術(shù)語，它定義為耦合器各輸出端口的光功率和全部輸出光功率的比值，在具體應(yīng)用中通常用相對輸出總功率的百分比來表示。 （33-3） 例如對于Y型分路器，1：1或50：50代表了輸出端相同的分光比。即輸出為均分的器件。在實際工程應(yīng)用中，往往需要各種不同分光比的器件，可以通過控制制作方法來改變光耦合器件的分光比。測試Y型分路器的插入損耗、附加損耗和分

18、光比時，其測試實驗框圖如圖33-1所示。測試方法為：先測試出光源輸出的光功率P0，將Y型分路器接入其中組成圖33-1所示圖33-1 Y型分路器性能測試實驗框圖測試系統(tǒng)后，分別測出Y型分路器輸出端的光功率P1和P2，代入33-1，33-2，33-3式即可得到待測Y型分路器的性能指標(biāo)。五、實驗步驟a、Y型分路器插入損耗測量1、用連接線連接中央控制器M和T903 (13_DIN)。2、將開關(guān)BM901撥為1310nm，將開關(guān)K902撥為“數(shù)字”，將電位器W901、W907逆時針旋轉(zhuǎn)到最小。3、旋開1310nm光發(fā)端機(jī)保護(hù)帽，利用FC-FC單模光跳線將其和光功率計連接起來。并將光功率計的波長設(shè)置為13

19、10nm。4、打開交流電源。5、慢慢調(diào)節(jié)電位器W901（數(shù)字驅(qū)動調(diào)節(jié)），用萬用表測量T904（TV+）和T905(TV-)兩端電壓（紅表筆插T904，黑表筆插T905），使之為17mV左右。6、讀出此時光功率計的數(shù)值，此數(shù)據(jù)即為Y型分路器的輸入功PIN。7、拆除1310nm光發(fā)端機(jī)和光功率計的連接，將Y型分路器光纖接頭插入1310nm光發(fā)端機(jī)。 同時將Y型分路器光纖輸出接頭OUT1（兩個任何一個都可以，這里記為OUT1）和光功率計連接起來。8、讀出此時光功率計的數(shù)值，此數(shù)據(jù)即為插入Y型分路器后的輸出功率Pout1。9、將所測得的數(shù)值Pi和Pout1代入式（33-1）計算所得的結(jié)果即為Y型分路器

20、的插入損耗。b、Y型分路器附加損耗測量10、保持a中連線不變，拆除Y型分路器OUT1和光功率計的連接，將功率計和Y型分路器OUT2連接起來，測量此時的光功率數(shù)值Pout2。11、將兩次所測的值Pout1 ，Pout2和PIN代入式（33-2）計算所得的結(jié)果即為波分復(fù)用器的附加損耗。c、Y型分路器分光比測量12、將提上所測量的值Pout1 ，Pout2和PIN代入式（33-3），分別計算兩個輸出端口的分光比。13、實驗完成后，關(guān)閉交流電源，拆除各個連線，將所有的開關(guān)撥向下，將實驗箱還原。六、實驗結(jié)果七、思考題答案1、Y型分路器的分光比和實際所測得值有差異，為什么？實驗十 波分復(fù)用器插入損耗和光串

21、擾測試實驗一、實驗?zāi)康?、了解波分復(fù)用器的工作原理及其結(jié)構(gòu)2、掌握它們的正確使用方法3、掌握它們主要特性參數(shù)的測試方法二、實驗內(nèi)容1、測量波分復(fù)用器的插入損耗2、測量波分復(fù)用器的光串?dāng)_三、實驗儀器1、ZY1804I型光纖通信原理實驗系統(tǒng) 1臺2、FC接口光功率計1臺3、萬用表1臺4、FC-FC適配器1個5、波分復(fù)用器2個6、連接導(dǎo)線 20根四、實驗原理波分復(fù)用器/解復(fù)用器是一種與波長有關(guān)的耦合器。波分復(fù)用器的功能是把多個不同波長的發(fā)射機(jī)輸出的光信號組合在一起，輸出到一根光纖；解復(fù)用器是把一根光纖輸出的多個不同波長的光信號，分配給不同的接收機(jī)。波分復(fù)用器是波分復(fù)用系統(tǒng)中的重要組成部分，為了確保波

22、分復(fù)用系統(tǒng)的性能，對波分復(fù)用器的一般要求是：插入損耗小、光串?dāng)_小、隔離度大、帶內(nèi)平坦，帶外插入損耗變化陡峭、溫度穩(wěn)定性好，復(fù)用路數(shù)多等。本實驗主要用來測試波分復(fù)用器的插入損耗和光串?dāng)_。1、插入損耗插入損耗是指由于增加光波分復(fù)用器/解復(fù)用器而產(chǎn)生的附加損耗，定義為該無源器件的輸入和輸出端口之間的光功率之比，即 (34-1)其中Pi是發(fā)送進(jìn)入輸入端口的光功率；Po是從輸出端口接收到的光功率。在具體的測試時，我們先用光功率計測量未加入波分復(fù)用器時的光功率Pi，再測量加入波分復(fù)用器后輸出端口的光功率Po，然后帶入式34-1 后計算可得出波分復(fù)用器的插入損耗。2、光串?dāng)_的定義及其測試方法波分復(fù)用器的光串

23、擾（隔離度），為波分復(fù)用器輸出端口的光進(jìn)入非指定輸出端口光能量的大小。其測試原理圖如圖34-1所示。圖34-1 波分復(fù)用器光串?dāng)_測試原理圖上圖中波長為1310nm、1550nm的光信號經(jīng)波分復(fù)用器復(fù)用以后輸出的光功率分別為P01、P02，解復(fù)用后分別輸出的光信號，此時從1310窗口輸出1310nm的光功率為P11，輸出1550nm的光功率為P12；從1550窗口輸出1550nm的光功率為P22，輸出1310nm的光功率為P21。將各數(shù)字代入下列公式： （34-2） （34-3）上式中L12 、L21即為相應(yīng)的光串?dāng)_。1， P111310窗口1550窗口1310窗口1550窗口光波分復(fù)用器光波分復(fù)用器P11P12無光圖34-2(a) 1310nm光串?dāng)_測試框圖AB由于便攜式光功率計不能濾除波長1310nm只測1550nm的光功率，同時也不能濾除1550nm只測1310nm的光功率。所以改用下面的方法進(jìn)行光串?dāng)_的測量。測量1310nm的光串?dāng)_的方框圖如34-2（a）所示。2， P21550窗口1550窗口1310窗口1310窗口光波分復(fù)用器光波分復(fù)用器P21P222無光圖34-2(b) 1550nm光串?dāng)_測試框圖BA測量155