北交大通信工程綜合實驗光纖

1、通信工程綜合實驗實 驗 報 告l 光纖傳輸系統(tǒng)實驗學院： 班級：姓名： 學號：組員： 日期：2016/4第7章 光無源器件特性測試實驗三 無源光耦合器特性測試1、實驗目的（1）了解光耦合器的工作原理及其結構（2）掌握光耦合器的正確使用方法（3）掌握光耦合器的主要特性參數(shù)的測試方法2、實驗環(huán)境及相關設備（1）JH5002A+型光纖通信原理實驗箱 1臺（2）光功率計 1臺（3）FC/PC光纖活動連接器 2個（4）FC/PC Y型光分路/合路器（分光比10：90） 1個3、實驗基本原理光耦合器又稱為光定向耦合器，用于對光信號實現(xiàn)分路、合路、插入和分配，其工作機理是光波導間電磁場的相互耦合1）光耦合器

2、的分類光耦合器的種類很多，最基本的耦合器可以實現(xiàn)兩波耦合。從結構上看，兩個入口的光耦合器有如下幾種類型。第1類光耦合器件為微光元件型，這種類型多數(shù)采用自聚焦透鏡為主要的光學構件，利用/4的自聚焦透鏡可以把匯聚或發(fā)散的光線變成平行光線，也可以把平行光線變成匯聚或發(fā)散的光線，這一特點可以用來實現(xiàn)兩束光線的耦合。第2類光耦合器件是利用光纖熔錐成形，用兩根以上的光纖經(jīng)局部加熱融合而成，首先去掉光纖的覆層，再在熔融拉伸設備上平行安裝兩根光纖，局部加熱融合，并漸漸將融合部分直徑從200m左右拉伸到2040m左右。由于這種細芯中的光場滲透到包層中，兩個纖芯之間就會產(chǎn)生光的耦合，控制拉伸的程度即可以控制耦合比

3、，附加損耗和分光比由光纖選型和熔融拉伸工藝所決定，借助計算機的精密控制，自動熔融拉伸設備可不間斷地監(jiān)測分光比和拉伸量，使制得的光纖耦合器平均插入損耗達0.1dB一下，分光比精度達1%一下。星型耦合器是這種結構最典型的一種形式，如圖7-15所示。第3類光耦合器件采用光纖磨拋技術，將兩根光纖磨拋后的楔形斜面對接膠黏，再與另一根光纖的端面黏結。其附加損耗可以低于1dB，隔離度大于50dB，分光比可由1：1至1：100。第4類光耦合器件用平面波導技術實現(xiàn)，運用先進的平面薄膜光刻、擴散工藝，可得到一致性好、分光比精度也高的光耦合器，但耦合到光纖的插入損耗較大。在上述各類光耦合器中，熔錐型光纖耦合器制作方

4、便，容易與外部光纖連接，能耐受較高的機械振動和溫度變化，且價格便宜，因此這種類型的光耦合器件應用最多。2）2×2單模光纖耦合器的結構2×2單模光纖耦合器方框圖如圖7-16所示2×2單模光纖耦合器按應用目的可分別制成性能不同的兩類器件，一類是光分路器/合路器，另一類是波分復用器（又稱光分波器/合波器）。光分路器/合路器工作于一個波長，對光信號實現(xiàn)分路、合路；而波分復用器則工作于兩個或兩個以上不同的波長，實現(xiàn)不同波長光信號的合路或根據(jù)波長進行光信號的分路。3）光分路器/合路器的性能指標當光分路器/合路器工作于一個波長時，假設光源接于端口1，則光功率耦合到端口3和2，幾

5、乎沒有光功率折返過來耦合到端口4；而當光源接于端口4時，也幾乎沒有光功率折返過來耦合到端口1。另外，根據(jù)器件的光路可互異性，端口1、4可以與端口2、3對調(diào)。這種耦合器的技術指標如下。（1）工作波長，通常取1310nm或1550nm（2）附加損耗LfLf=10lgP2+P3P1（dB）式中，P1注入端口1的光功率P2，P3分別為端口2、3輸出的光功率。良好的2×2單模光纖耦合器的附加損耗可小于0.2dB。（3）分光比（或分束比）RiRi=PiP2+P3，i=2，3分光比的比值大小可以根據(jù)應用要求而定。（4）分路損耗LiLi=-10lgPiP1=-10lgRi+Lf，i=2，3（5）反向

6、隔離度LrLr=-10lgP4P1通常要求Lf>55dB。4、實驗內(nèi)容及步驟該實驗可在試驗箱左邊上方的1310nm光端機發(fā)送模塊或右邊上方的1550nm光端機發(fā)送模塊上各自獨立進行。主要是對光分路/合路器性能指標進行測試，做實驗前做好準備工作，按圖7-17連接好測試設備，連接尾纖、連接器和光無源器件時要注意定位槽方向。（選用的是1550nmLD，與示意圖略有不符）1）電路部分操作2）光路部分操作3）打開實驗箱操作電源開關4）輸入端至各支路輸出端分路損耗的測量用光功率計測量1550nm光源經(jīng)尾纖輸出在“a”點的光功率Pa，然后將信號接入光分路器的輸入端口；用光功率計測量支路一（“b”點）光

7、功率Pb及支路二（“c”點）光功率Pc，記錄測量結果并將測試數(shù)據(jù)分別填入以下兩表，計算光分路器各支路分路損耗值。50%光分路器分路損耗輸入功率/dBm輸出功率/dBm插入損耗/dBPa：-0.68Pb：-3.683Pa：-0.68Pc：-3.7735）分光比測量在上述測量條件下，用光功率計再次測量光功率Pb及Pc。記錄測量結果，填入表，計算光分路器的分光比。50%光分路器分光比輸出功率/dBm總輸出功率/dBm計算分光比/%Pb：-3.58-0.7150.52Pc：-3.77-0.7149.486）波長特性測量分析1310nm波長分路器使用1550nm波長時對分路損耗和分光比的影響，根據(jù)測試數(shù)

8、據(jù)填寫下表，計算分路損耗和分光比，分析波長的變化對分路及分光比的影響。表波長特性測量輸入功耗/dBm輸出功率/dBm分路損耗/dBPa：-0.68Pb：-1.691Pa：-0.68Pc：-7.767輸出功率/dBm總輸出功率/dBm計算分光比/%Pb：-1.69-0.7380.2Pc：-7.76-0.7319.87）合波定向特性測量按下圖連接好測試設備。連接尾纖、連接器和光無源器件時注意定位銷的方向。用光功率計測量1550nm光源經(jīng)尾纖輸出在支路一（“a”點）的光功率Pa，然后用光功率計測量光合路輸出（“b”點）的光功率Pb，用光功率計在支路二（“c”點）測量返回的光功率Pc，根據(jù)上述測量數(shù)據(jù)

9、，將測量結果填入下表，計算光合路回波損耗。合波定向特性測試支路輸入功率/dBm輸出功率/dBm計算損耗/dBPa：-0.68定向輸出Pb：-3.502.82Pa：-0.68返回輸出Pc：-22.74225、思考題（1）合波定向特性測試說明了什么問題？答：合成波定向特性測試說明一路損耗中的插入損耗幾乎等于附加損耗與分光比損耗的和，但是這并不意味著插入損耗包含這兩者。（2）波長的變化對光分路損耗和分光比有何影響？答：光分路器的分光比與傳輸光的波長有關，例如一個光分路在傳輸1.31 微米的光時兩個輸出端的分光比為50：50；在傳輸1.5m的光時，則變?yōu)?0：30（之所以出現(xiàn)這種情況，是因為光分路器都

10、有一定的帶寬，即分光比基本不變時所傳輸光信號的頻帶寬度）。所以在訂做光分路器時一定要注明波長。第八章 光纖傳輸系統(tǒng)實驗一 激光器P-I特性測試1、實驗目的（1）學習半導體激光器發(fā)光原理（2）了解半導體激光器平均輸出光功率與注入電流的關系（3）掌握半導體激光器P-I曲線的測試及繪制方法2、實驗環(huán)境及相關設備JH5002A+型光纖通信實驗系統(tǒng)1臺，光功率計1個，萬用表1個3、實驗基本原理半導體激光器的輸出光功率與驅(qū)動電流的關系（激光器的功率特性）如下圖所示，該特性有一個轉折點，相應的驅(qū)動電流稱為門限電流（或閾值電流），用Ith表示。在門限電流以下，激光器工作于自發(fā)發(fā)射，輸出熒光功率很小，通常小于1

11、nW；在門限電流以上，激光器工作于受激發(fā)射，輸出激光，功率隨電流迅速上升，基本上成直線關系。激光器的電流與電壓的關系相似于正向二極管的特性，如下圖所示，但由于雙異質(zhì)結包含兩個PN結，所以在正常工作電流下激光器兩級間的電壓約為1.2V。 P-I特性是選擇半導體激光器的重要參數(shù)。在選擇半導體激光器時，應選閾值電流Ith盡可能小，Ith對應功率P值小，而且沒有扭折點的半導體激光器，這樣的激光器工作電流小，工作穩(wěn)定性高，消光比大，而且不易產(chǎn)生光信號失真。且要求P-I曲線的斜率適當。斜率太小，則要求驅(qū)動信號太大，給驅(qū)動電路帶來麻煩；斜率太大，則會出現(xiàn)光反射噪聲及使自動光功率控制環(huán)路調(diào)整困難。一般用注入電

12、流值來標定閾值條件，也就是閾值電流Ith標定閾值條件，當輸入電流小于Ith時，其輸出為非相干的熒光，類似于LED發(fā)出的光，當電流大于Ith時，則輸出光為激光，并且輸入電流和輸出光功率近似線性的關系，本實驗就是對該近似的線性關系曲線進行測量，以驗證P-I的線性關系。在實驗中所用到的半導體激光器，其輸出波長分別為1310nm和1550nm，帶有尾纖及FC型接口活動性連接器，通過FC-FC法蘭盤與外部光跳線相連。實驗中半導體激光器工作于模擬信號方式，電流的確定通過電路中串聯(lián)的電流表測量。4、實驗內(nèi)容及步驟測量半導體激光器功率和注入電流的關系，并畫出P-I關系曲線。以下實驗步驟可在實驗箱左上方的131

13、0nm光端機發(fā)送模塊和右上方的1550nm光端機發(fā)送上各自獨立進行。選擇1550nm光端機發(fā)送模塊1）電路部分操作 測得電流5.69mA2）光路部分操作（1）（2）（3）略（4）將“模擬偏置”電位器順時針方向緩慢調(diào)節(jié)，使送入激光器的直流偏置電流逐漸增大，在可調(diào)范圍內(nèi)觀察電流表的電流變化和光功率計讀數(shù)的變化過程。（5）緩慢細致地從頭調(diào)節(jié)電位器WS05，使所測得的電流從最小值開始，以1mA為間隔取整數(shù)值填入下表，依次測量對應的光功率值，并將測得的數(shù)據(jù)填入表中。光功率測試值序號12345678I/mA5.826.827.828.829.8210.8211.8212.82P/uW0.220.310.4

14、70.836.5029.7261.2487.50P/dBm-36.64-35.10-33.28-30.83-21.87-15.27-12.13-10.58序號9101112131415I/mA13.8214.8215.8216.8217.8218.8219.82P/uW117.76148.94184.50207.01235.50266.07298.54P/dBm-9.29-8.27-7.34-6.84-6.28-5.75-5.25（6）略5、思考題（1）分別畫出1310nm激光器或1550nm激光器的P-I曲線，并加以分析（2）整理所有實驗數(shù)據(jù)，參考圖畫出P-I曲線（3）說明所測試的激光器的閾

15、值電流大約數(shù)值答：通過觀察發(fā)現(xiàn)Ith在9mA到10mA之間。分別對其前四個點和后十個點添加線性趨勢線并顯示公式，聯(lián)立求解得y=0.199x-0.9992y=29.676x-290.95（9.8365,0.9582）即閾值電流約為9.8365mA。（4）激光器的閾值電流對光信號傳輸有何影響？答：閾值是所有激光器的屬性，它標志著激光器的增益與損耗的平衡點，即閾值以后機關器才開始凈增益。只有諧振腔內(nèi)的增益達到能夠克服損耗，才能建立起穩(wěn)定的光振蕩，輸出譜線尖銳，方向性好的激光，而增大增益的方法就是加大半導體激光器的注入電流，因此閾值的大小決定著器件的功耗，也就決定著器件的連續(xù)工作時間和使用壽命：閾值電

16、流低，功耗低，連續(xù)工作時間長，使用壽命長，工作穩(wěn)定性高。如果閾值高，則同時要提高信號中的直流分量，才能減少信號的失真，提高調(diào)制性能，而且從功耗的角度來講，直流成分高的系統(tǒng)其功耗一定高，這樣對系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性是一個影響。實驗二 光發(fā)信機接口指標測試1、實驗目的（1）了解數(shù)字光發(fā)端機平均發(fā)送光功率的指標要求，并掌握測試方法（2）了解數(shù)字光發(fā)端機消光比的指標要求，并掌握測試方法2、實驗環(huán)境及相關設備JH5002A+型光纖通信實驗系統(tǒng)、光功率計、FC-FC光跳線、萬用表3、實驗基本原理平均發(fā)送光功率是指在外加偽隨機二進制序列作為測試信號的情況下，用光功率計在數(shù)字光發(fā)信機輸出光接口處直接測試得到光功率，

17、此數(shù)值即為數(shù)字光發(fā)信機的平均發(fā)送光功率。采用偽隨機碼型可使發(fā)送數(shù)碼具有“1”，“0”等概率的特點。平均發(fā)送光功率與輸入碼型有關，NRZ碼與RZ碼相比，其占空比分別為100%、50%，因而NRZ碼的平均光功率比RZ碼大一倍，即3dB。另外，平均發(fā)送光功率是在額定偏置電流和調(diào)制電流條件之下測得的，否則結果會有偏差。消光比是指數(shù)字驅(qū)動電路輸入為全“1”碼時光發(fā)信機的平均發(fā)送光功率P1，與數(shù)字驅(qū)動電路輸入為全“0”碼時光發(fā)信機的平均發(fā)送光功率P0之比的對數(shù)表達值，將測得的光功率P1、P0代入下式即得到光發(fā)送機的消光比：ETX=10lgP1P0光通信系統(tǒng)消光比太大，說明此時預偏置電流太小或沒有，調(diào)制電流

18、的增大要先經(jīng)過低于LD閾值的一段區(qū)域才能進入激射區(qū)，這時會出現(xiàn)較大的時延，影響光通信系統(tǒng)的傳輸速率；消光比太小，則調(diào)制深度淺，這時會出現(xiàn)平均發(fā)送光功率很大而“1”“0”碼對應的光功率值卻不大的情況，使接收端有用的光功率擺幅減小，因而影響系統(tǒng)的接收靈敏度。4、實驗內(nèi)容及步驟1）光發(fā)信機平均發(fā)送光功率測試（1）（2）實驗箱配置連線（略）（3）將光功率計根據(jù)實際測試的波長調(diào)到1310nm或1550nm檔（采用1550nm）（4）連接測試線，即取實驗測試線一根，一端連接數(shù)字電路模塊，另一端連接1550nm光發(fā)信機的“數(shù)字輸入”接口，向光發(fā)信機送入“1”“0”等概率的數(shù)字信號。（5）打開電源。用光功率計

19、測量此時光發(fā)信機的光功率，即為光發(fā)信機的平均發(fā)送光功率，注意記錄光發(fā)信機的平均光功率3次，取平均值。123平均P/dBm-2.25-2.22-2.18-2.217P/mW0.59570.59980.60530.6003（6）關閉電源2）數(shù)字光發(fā)信機的消光比測試（1）保持實驗內(nèi)容1）部分必要的實驗測試狀態(tài)（2）將光發(fā)信機“數(shù)字輸入”旋鈕上方的輸入選擇跳線開關置于“ALL0位置”，此時將直流低電平送入光發(fā)信機，激光器所得到的碼型為全“0”碼。測得此時光發(fā)信機輸出的光功率為P0（3）將光發(fā)信機“數(shù)字輸入”旋鈕上放的輸入選擇跳線開關置于“ALL1”位置，此時將直流高電平送入光發(fā)信機，激光器多得到的碼形

20、為全“1”碼。測得此時光發(fā)信機輸出的光功率為P1（4）計算消光比P0=-2.23dBm=0.5984mWP1=-0.31dBm=0.9311mWETX=1.92（5）關閉電源5、思考題光纖通信系統(tǒng)中的消光比的大小對系統(tǒng)傳輸特性有何影響？為什么？答：光通信系統(tǒng)消光比太大，說明此時預偏置電流太小或沒有，調(diào)制電流的增大要先經(jīng)過低于LD閾值的一段區(qū)域才能進入激射區(qū)，這時會出現(xiàn)較大的時延，影響光通信系統(tǒng)的傳輸速率；消光比太小，則調(diào)制深度淺，這時會出現(xiàn)平均發(fā)送光功率很大而“1”“0”碼對應的光功率值卻不大的情況，使接收端有用的光功率擺幅減小，因而影響系統(tǒng)的接收靈敏度。第9章 光波分復用傳輸系統(tǒng)實驗一 光波

21、分復用器特性測試1、實驗目的（1）了解光波分復用器的工作原理及其結構（2）掌握光波分復用器的特性參數(shù)測試和正確使用方法2、實驗環(huán)境及相關設備JH5002A+型光纖通信原理實驗箱 1個光功率計 1臺1310/1550光波分復用器 2只FC/PC光纖跳線 4根3、實驗基本原理1）光纖傳輸系統(tǒng)的構成在做實驗前，需要對波分復用器的基本原理及其性能有初步的了解，波分復用光纖傳輸系統(tǒng)如下圖所示。當該傳輸系統(tǒng)工作于兩個不同的波長時，假設端口1注入的光波是由波長1、2兩個光波合成的，則光波經(jīng)波分復用器內(nèi)部傳輸后，1只能從端口2、3中一個待定的端口輸出，而光波2只能從另一個特定的端口輸出。作為波分復用器的單模光

22、纖耦合器可單向運用，也可雙向運用。 在單向運用時，兩個不同波長的光波分別從端口2、3注入，則端口1有兩個波長的合成光波輸出，這是合波器；反之，兩個不同波長的合成光波從端口1注入，端口2、3分別有一個波長的光波輸出，這是分波器。合波器和分波器分別應用在波分復用光纖傳輸系統(tǒng)的發(fā)送端和接收端。在雙向運用時，正方向和反方向傳輸?shù)墓獠ǖ牟ㄩL不同，兩個波分復用器分別置于雙向光纖傳輸系統(tǒng)的兩端，在這種情況下，波分復用器起的作用是波長隔離作用。雙向光纖傳輸系統(tǒng)如下圖。 波分復用器的合波狀態(tài)應用較多，例如，在摻餌光纖放大器中將980nm或1480nm波長的泵浦光與1550nm波長的信號光合成起來注入摻餌光纖。2

23、）波分復用器主要技術指標（1）工作波長1、2。本實驗系統(tǒng)的工作波長1、2分別為1310nm和1550nm。（2）插入損耗Li。根據(jù)圖9-1，發(fā)端波分復用器插入損耗的定義為：Li=10lgP2P1或Li=10lgP3P1 （9-1）從式（9-1）可知，當工作波長為1時，插入損耗就是波長為1的輸入光功率P1與輸出光功率P2之比的分貝數(shù)，當工作波長為2時，插入損耗就是波長為2的輸入光功率P1與輸出光功率P3之比的分貝數(shù)。良好的波分復用器的插入損耗可小于0.5dB。（3）波長隔離度L：是指一個波長的光功率串擾另一個工作波長的輸出串擾程度，一般用分貝數(shù)來描述。L值一般應達到20dB以上。波長隔離度的定義

24、為：L=-10lgP3P21或-10lgP2P32（4）光譜響應范圍：通常指插入損耗小于某一容許值的波長范圍，要根據(jù)應用要求而定。除此以外還有機械性能和溫度性能指標。一個典型的1.31um/1.55um熔錐型單模光纖波分復用器的譜損耗曲線如圖9-3所示。（5）波分復用器的光串擾：波分復用器的光串擾測量原理框圖如圖9-4所示。 在圖9-4中，波長分別為1310nm和1550nm的光信號經(jīng)波分復用器合波復用后輸出的光功率分別為P1、P2，經(jīng)解復用后，將各輸出端口不同波長的光功率記為Pmn。其中，m表示端口特定的理論輸出波長，m=1表示1310nm，m=2表示1550nm；而n表示實際輸出的波長與端

25、口理論波長的匹配狀況，n=1表示匹配，n=2表示不匹配。因此匹配情況是從1310nm窗口輸出1310nm的光功率，記為P11，或從1550nm窗口輸出1550nm的光功率，記為P21，而不匹配情況是從1310nm窗口輸出1550nm的光功率，記為P12或從1550nm窗口輸出1310nm的光功率，記為P22。顯然，P12和P22就是串擾光功率。因此，光串擾可以用下式計算：L12=10lgP1P22L12=10lgP2P12由于便攜式光功率計不可能在測量波長1550nm的光功率時完全濾除波長1310nm的光功率，也不可能在測量波長1310nm的光功率時完全濾除波長1550nm的光功率，所以改用下面的方法進行光串擾的測量可以提高測量精度。測量1310nm的光串擾的方框圖如圖9-5（a）所示，測量1550nm的光串擾的方框圖如圖9-5（b）所示。 波分復用器實際測量得到的光串擾為：L12=10lgP1P22L12=10lgP2P124、實驗內(nèi)容