FD-OFT-A型音頻信號(hào)光纖傳輸實(shí)驗(yàn)使用說明(070903)

1、儀器使用說明 TEACHERS GUIDEBOOKFD-OFT-A音頻信號(hào)光纖傳輸實(shí)驗(yàn)儀中國(guó).上海復(fù)旦天欣科教儀器有限公司Shanghai Fudan Tianxin Scientific_Education Instruments Co.,Ltd.FD-OFT-A型音頻信號(hào)光纖傳輸實(shí)驗(yàn)儀使用說明一、概述光纖俗稱玻璃纖維，是由高純度的玻璃棒經(jīng)拉絲工藝制成，又稱光導(dǎo)纖維它以其優(yōu)良的傳輸特性已經(jīng)成為信息社會(huì)主要的信息傳輸手段。隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，一個(gè)以微電子技術(shù)，激光技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)為基礎(chǔ)的高速寬帶信息網(wǎng)將是遠(yuǎn)程教育，遠(yuǎn)程醫(yī)療，電子商務(wù)，智能居住小區(qū)越來越普及。光纖通信以及諸多優(yōu)

2、點(diǎn)將成為現(xiàn)代通信的主流，未來通信的一項(xiàng)通信技術(shù)和手段。本儀器通過實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生了解光纖通信的基本工作原理，熟悉半導(dǎo)體電光-光電器件的基本性能及主要特性的測(cè)試方法。我公司研制的FD-OFT-A型音頻信號(hào)光纖傳輸實(shí)驗(yàn)儀具有以下優(yōu)點(diǎn)：1. 該儀器為一體式儀器，音頻信號(hào)發(fā)生器、光功率計(jì)、LED放射器、SPD接收器全部整合在壹臺(tái)主機(jī)中，這樣用戶購買該儀器后，不用另配光功率計(jì)以及信號(hào)發(fā)生器即可以完成實(shí)驗(yàn)。2. 該實(shí)驗(yàn)儀是集光電子技術(shù)、光纖傳輸技術(shù)、應(yīng)用電子技術(shù)于一體的綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器，對(duì)于擴(kuò)大學(xué)生知識(shí)面和培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用已學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力十分有益。3. 該儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，通過該儀器

3、可以讓學(xué)生了解光波是怎樣被調(diào)制、傳輸和解調(diào)的，使學(xué)生對(duì)光纖通信有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)。該儀器不僅可以用于基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)以及設(shè)計(jì)性研究性實(shí)驗(yàn)，也可以用于高等院校光電子、通訊、信息專業(yè)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)。二、技術(shù)指標(biāo)1 電源輸入 220V 50Hz2 音頻信號(hào)發(fā)生器 頻率調(diào)節(jié)范圍 100Hz-10KHz 連續(xù)調(diào)節(jié)，10KHz-20KHz 連續(xù)調(diào)節(jié) 幅度調(diào)節(jié)范圍 0V3V（峰峰值） 連續(xù)調(diào)節(jié)3光功率計(jì) 量程 0200.0uW 分辨率 0.1uW4LED驅(qū)動(dòng)電流 50mA三、儀器裝置FD-OFT-A型音頻信號(hào)光纖傳輸實(shí)驗(yàn)儀主要由實(shí)驗(yàn)主機(jī)（包括音頻信號(hào)發(fā)生器、光功率計(jì)、LED發(fā)射器、SPD接收器等）、多模光纖（裝于骨架

4、上），半導(dǎo)體收音機(jī)組成。如圖1所示.圖1 音頻信號(hào)光纖傳輸實(shí)驗(yàn)儀裝置四、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目1. 了解音頻信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。2. 熟悉半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）和光電二極管（SPD）的基本性能及主要特性的測(cè)試方法。3. 學(xué)習(xí)掌握音頻信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)的調(diào)試技能。五、使用注意事項(xiàng)1 光纖出廠前已經(jīng)固定在骨架上，學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)務(wù)必小心，不要隨意彎曲，以免光纖折斷，更不要將光纖全部從骨架上取下來。2 實(shí)驗(yàn)開始前以及實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，應(yīng)把LED發(fā)射器中的“幅度調(diào)節(jié)”和“偏流調(diào)節(jié)”電位器逆時(shí)針旋至最小。3 實(shí)驗(yàn)中，光纖與發(fā)射器以及光纖與接收器接頭插拔時(shí)應(yīng)該注意不要用力過猛，以免損壞。音頻信號(hào)光纖傳輸實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?.

5、了解音頻信號(hào)光纖傳輸?shù)姆椒ā⒔Y(jié)構(gòu)及各主要部件的作用。2. 熟悉半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）和光電檢測(cè)二極管（SPD）的基本性能及主要特性的測(cè)試方法。3學(xué)習(xí)分析集成運(yùn)放電路的基本方法。3. 學(xué)習(xí)掌握音頻信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)的調(diào)試技能。【實(shí)驗(yàn)原理】1. 音頻信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)的原理 音頻信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)由“光信號(hào)發(fā)送器”“光信號(hào)接受器”和“傳輸光纖”三部分組成。其原理主要是：先將待傳輸?shù)囊纛l信號(hào)作為源信號(hào)供給“光信號(hào)發(fā)送器”，從而產(chǎn)生相應(yīng)的光信號(hào)，然后將此光信號(hào)經(jīng)光纖傳輸后送入“光信號(hào)接受器”，最終解調(diào)出原來的音頻信號(hào)。為了保證系統(tǒng)的傳輸損耗低，發(fā)光器件LED的發(fā)光中心波長(zhǎng)必須在傳輸光纖的低損耗窗口之內(nèi)，

6、使得材料色散較小。低損耗的波長(zhǎng)在850nm，1300nm或1600nm附近。本儀器LED發(fā)光中心波長(zhǎng)為850nm，光信號(hào)接受器的光電檢測(cè)器峰值響應(yīng)波長(zhǎng)也與此接近。 為了避免或減少波形失真，要求整個(gè)傳輸系統(tǒng)的頻帶寬度能覆蓋被傳輸信號(hào)的頻率范圍。由于光纖對(duì)光信號(hào)具有很寬的頻帶，故在音頻范圍內(nèi)，整個(gè)系統(tǒng)頻帶寬度主要決定于發(fā)射端的調(diào)制信號(hào)放大電路和接收端的功放電路的幅頻特性。2. 半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED的結(jié)構(gòu)和工作原理 光纖通訊系統(tǒng)中對(duì)光源器件在發(fā)光波長(zhǎng)、電光功率、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，所以不是隨便哪種光源器件都能勝任光纖通訊的任務(wù)，目前在以上各方面都能較好滿足要求的光源

7、器件主要有半導(dǎo)體發(fā)光二極管（light emitting diode，縮寫LED）和半導(dǎo)體激光器（Laser Diode ，縮寫LD）。以下主要介紹發(fā)光二極管。半導(dǎo)體發(fā)光二極管是低速短距離光通信中常用的非相干光源，它是如圖2所示的N-P-P三層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，中間層通常是由直接帶隙的GaAs砷化鎵P型半導(dǎo)體材料組成，稱為有源層，其帶隙寬度較窄，兩側(cè)分別由AlGaAs的N型和P型半導(dǎo)體材料組成，與有源層相比，它們都具有較寬的帶隙。具有不同帶隙寬度的兩種半導(dǎo)體單晶之間的結(jié)構(gòu)稱為異質(zhì)結(jié)，在圖2中，有源層與左側(cè)的N層之間形成的是P-N異質(zhì)結(jié)，而與右側(cè)P層之間形成的是P-P異質(zhì)結(jié)，所以這種結(jié)構(gòu)又稱為N

8、-P-P雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱DH結(jié)構(gòu)。當(dāng)在N-P-P雙異質(zhì)結(jié)兩端加上偏壓時(shí)，就能使N層向有源層注入導(dǎo)電電子，這些導(dǎo)電電子一旦進(jìn)入有源層后，因受到P-P異質(zhì)結(jié)的的阻擋作用不能再進(jìn)入右側(cè)P層，它們只能被限制在有源層內(nèi)與空穴復(fù)合，同時(shí)釋放能量產(chǎn)生光子，發(fā)出的光子滿足以下關(guān)系： 其中是普朗克常數(shù)，是光波頻率，是有源層內(nèi)導(dǎo)電電子的激發(fā)態(tài)能級(jí)，是導(dǎo)電電子與空穴復(fù)合后處于價(jià)鍵狀態(tài)時(shí)的束縛態(tài)能級(jí)。兩者的差值與DH結(jié)構(gòu)中各層材料及其組份的選取等多種因素有關(guān)，制作LED時(shí)只要這些材料的選取和組份的控制適當(dāng)，就可以使LED的發(fā)光中心波長(zhǎng)與傳輸光纖的低損耗波長(zhǎng)一致。圖1 半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)及工作原理3LED的驅(qū)動(dòng)及調(diào)

9、制電路本實(shí)驗(yàn)采用半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED作為光源器件，音頻信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)發(fā)送端LED的驅(qū)動(dòng)和調(diào)制電路如圖2所示，以BG1為主構(gòu)成的電路是LED的驅(qū)動(dòng)電路，調(diào)節(jié)這一電路中的W2可以使LED的偏置電流發(fā)生變化。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的音頻信號(hào)由IC1為主構(gòu)成的音頻放大電路放大后經(jīng)電容器耦合到BG1基極，對(duì)LED的工作電流進(jìn)行調(diào)制，從而使LED發(fā)送出光強(qiáng)隨音頻信號(hào)變化的光信號(hào)，并經(jīng)光纖把這一信號(hào)傳至接收端。半導(dǎo)體發(fā)光二極管輸出的光功率與其驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系稱為L(zhǎng)ED的電光特性。為了避免和減小非線性失真，使用時(shí)應(yīng)給LED一個(gè)適當(dāng)偏置電流I，其值等于這一特性曲線線性部分中點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流值，而調(diào)制信號(hào)的峰-峰值也應(yīng)位于

10、電光特性線性范圍內(nèi)。對(duì)于非線性失真要求不高的情況下，也可把偏置電流選為L(zhǎng)ED最大允許工作電流的一半，這樣可使LED獲得無截至畸變幅度最大的調(diào)制，這有利于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸。Vcc調(diào)制信號(hào)mA-W1LED+C4BG1IC1ReW2圖2 LED的驅(qū)動(dòng)和調(diào)制電路4光纖的結(jié)構(gòu)及其傳光原理衡量光纖性能好壞有兩個(gè)重要指標(biāo)：一是看它的傳輸信息的距離有多遠(yuǎn)；二是看它攜帶的信息量有多大，前者決定于光纖的損耗特性，后者決定于光纖的脈沖響應(yīng)或基帶頻率特性。經(jīng)過人們對(duì)光纖的提純，目前已經(jīng)使得光纖的損耗做到20Db/Km以下。光纖的損耗與工作波長(zhǎng)有關(guān)，所以在工作波長(zhǎng)的選用上，應(yīng)該盡量選用低損耗的工作波長(zhǎng)，光纖通訊最早是用

11、短波長(zhǎng)850nm，近年來發(fā)展至用13001550nm范圍的波長(zhǎng)，因?yàn)樵谶@一波長(zhǎng)范圍內(nèi)光纖不僅損耗低，而且“色散”小。光纖的脈沖響應(yīng)或它的基帶頻率特性又主要決定于光纖的模式性質(zhì)。光纖按照其模式性質(zhì)通?？梢苑譃閮纱箢悾?）單模光纖；2）多模光纖。無論單模或者多模光纖，其結(jié)構(gòu)均由纖芯和包層兩部分組成。纖芯的折射率比包層的折射率大，對(duì)于單模光纖，纖芯直徑只有510，包層直徑為125，在一定條件下，只允許一種電磁場(chǎng)形態(tài)度光波在纖芯內(nèi)傳播，多模光纖的纖芯直徑為202000，包層厚度為35，允許多種電磁場(chǎng)形態(tài)的光波傳播。按照折射率沿光纖截面的徑向分布又可以分成階躍型和漸變型兩種光纖，對(duì)于階躍型光纖，在纖芯和

12、包層中折射率均為常數(shù)，但纖芯折射率略大于包層折射率，所以對(duì)階躍型多模光纖，可以用幾何光學(xué)的全反射理論解釋它的導(dǎo)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，直到在纖芯和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)光線在非均勻介質(zhì)中的傳播理論分析可知：經(jīng)光源耦合到漸變型光纖中的某些射線，在纖芯內(nèi)是沿周期性的彎向光纖軸線的曲線傳播。5半導(dǎo)體光電二極管的工作原理及特性 本儀器的光信號(hào)接收采用硅光電二極管（Silicon Photo Dioxide縮寫SPD），與普通的半導(dǎo)體二極管一樣，SPD也是一個(gè)P-N結(jié)，但SPD的管殼上有一個(gè)能讓光射入其光敏區(qū)的窗口。

13、此外，與普通半導(dǎo)體二極管不同，它經(jīng)常工作在反向偏置電壓狀態(tài)或無偏壓狀態(tài)，因此時(shí)SPD的光電特性線性度好。本儀器SPD的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)在850nm左右，工作時(shí)SPD把經(jīng)光纖出射端輸出的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為與之光功率成正比的光電流，經(jīng)過I-V轉(zhuǎn)換電路，再把光電流轉(zhuǎn)換成與之成正比例的電壓信號(hào)?！緦?shí)驗(yàn)儀器】音頻信號(hào)光纖傳輸實(shí)驗(yàn)儀器裝置主要由FD-OFT-A型音頻信號(hào)光纖傳輸實(shí)驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)主機(jī)（包括音頻信號(hào)發(fā)生器、光功率計(jì)、LED放射器、SPD接收器等）、多模光纖（裝于骨架上），半導(dǎo)體收音機(jī)，示波器（實(shí)驗(yàn)室自配）組成，如圖3所示。圖3 音頻信號(hào)光纖傳輸實(shí)驗(yàn)儀器裝置【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】1LED傳輸光纖組件電光特性的測(cè)定 本實(shí)驗(yàn)

14、內(nèi)容是要在不加音頻信號(hào)的情況下，研究通過LED的直流偏置電流與LED輸出光功率之間的關(guān)系，即LED的電光特性。實(shí)驗(yàn)時(shí)先打開主機(jī)電源，將光纖一端接至“LED發(fā)射器”中“信號(hào)輸出”端，一端接至“SPD接收器”中的“信號(hào)輸入”端，將光功率計(jì)波段開關(guān)打至“測(cè)量”檔。調(diào)節(jié)“偏流調(diào)節(jié)”旋鈕，使面板上電流表讀數(shù)為零，此時(shí)將光功率表也調(diào)零，然后分別把偏流大小調(diào)至5mA、10mA、15mA、20mA、25mA、30mA、35mA、40mA 、45mA、50mA，記錄對(duì)應(yīng)的光功率值。根據(jù)測(cè)量結(jié)果描繪LED傳輸光纖組件的電光特性曲線，即描繪關(guān)系圖，分析其線性范圍。2LED直流偏流與最大不失真調(diào)制幅度的關(guān)系測(cè)定本實(shí)驗(yàn)

15、要找出在不同的直流偏流下電路能加載的不失真調(diào)制幅度的大小，同時(shí)找到LED發(fā)光電路最佳工作點(diǎn)和在此工作點(diǎn)下能加載的最大不失真信號(hào)幅度。實(shí)驗(yàn)時(shí)先接好音頻信號(hào)通道、光通道，把光功率計(jì)打至“實(shí)驗(yàn)”檔。然后將音頻發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)和LED調(diào)制信號(hào)輸入雙綜示波器觀察。調(diào)節(jié)音頻信號(hào)發(fā)生器，使其輸出信號(hào)峰-峰值為1V，頻率為10KHz。接著把偏流加至20mA，調(diào)節(jié)“LED發(fā)射器”中的幅度調(diào)節(jié)旋鈕，使加在電路上的音頻信號(hào)由小變大，觀察調(diào)制信號(hào)的波形及失真情況。記錄偏流為20mA時(shí)最大不失真調(diào)制幅度的峰-峰值。分析觀察到的現(xiàn)象，然后決定增大或減小偏流以找到最佳靜態(tài)工作點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)可調(diào)節(jié)音頻信號(hào)幅度來檢驗(yàn)新的工作點(diǎn)是否為

16、，若在示波器上能觀察到調(diào)制信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)截至和飽和失真，則此時(shí)正處于最佳工作點(diǎn)。記錄剛要同時(shí)出現(xiàn)兩種失真現(xiàn)象時(shí)的偏流值和調(diào)制信號(hào)峰-峰值，則從電路方面考慮，通過LED的最佳工作電流和最大不失真交流幅度分別為和（本儀器）。3音頻信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)幅頻特性的測(cè)定本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是要在光信號(hào)發(fā)送器處于正常工作狀態(tài)下，研究音頻信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)的幅頻特性。實(shí)驗(yàn)前應(yīng)先確定光信號(hào)發(fā)送器的正常工作范圍。從實(shí)驗(yàn)原理和前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可知：光信號(hào)發(fā)送器的正常工作是由LED的電光特性和LED發(fā)光電路工作特性決定。若LED電光線性轉(zhuǎn)化，發(fā)光電路信號(hào)傳輸無非線性失真，則光信號(hào)發(fā)送器已處于正常工作狀態(tài)。利用前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，

17、便可知道在不同直流偏流下，要使光信號(hào)發(fā)送器正常工作，加載在電路中的調(diào)制幅度可取范圍。實(shí)驗(yàn)按照內(nèi)容2接線。實(shí)驗(yàn)時(shí)先將音頻發(fā)生器輸出信號(hào)峰-峰值調(diào)為1V，偏流和調(diào)制信號(hào)幅度調(diào)節(jié)適當(dāng)，以確保光信號(hào)發(fā)送器正常工作。然后將音頻發(fā)生器輸出信號(hào)頻率依次調(diào)為100Hz、500Hz、1KHz、5KHz、10KHz、15KHz、20KHz，用示波器觀測(cè)由光纖傳輸?shù)墓庑盘?hào)轉(zhuǎn)化成的音頻電信號(hào)的波形和峰-峰值。由觀測(cè)結(jié)果繪出音頻信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)幅頻特性曲線。4語音信號(hào)的傳送將半導(dǎo)體收音機(jī)的信號(hào)接入發(fā)送器的輸入端，在接收功放輸出端接上揚(yáng)聲器，實(shí)驗(yàn)整個(gè)音頻信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)的音響效果。實(shí)驗(yàn)時(shí)可適當(dāng)調(diào)節(jié)發(fā)送器LED的偏置電流，

18、考察傳輸系統(tǒng)的聽覺效果。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)例(注：以下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不作為儀器驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，僅供實(shí)驗(yàn)時(shí)參考)1LED-傳輸光纖組件電光特性的測(cè)定表1 偏置電流與光功率數(shù)據(jù)記錄/mA0.05.010.015.020.025.030.035.040.045.050.0/uW0.01.14.28.312.617.021.125.229.032.635.9根據(jù)以上數(shù)據(jù)作圖，得關(guān)系圖圖5 測(cè)量關(guān)系圖從上圖中可知，直流偏流在10mA-50mA的范圍內(nèi)電光轉(zhuǎn)換基本上是線性的。2. LED偏置電流與無截止畸變最大調(diào)制幅度關(guān)系的測(cè)定表2 LED直流偏流與最大不失真調(diào)制幅度的關(guān)系直流偏流(mA)2025303540=49.6最大不失真調(diào)制信號(hào)峰值（V）1.001.101.221.321.421.56不失真電流范圍（mA）1030143617.842.221.848.225.854.23465.23. 音頻信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)幅頻特性的測(cè)定利用前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)時(shí)取偏流，調(diào)制信號(hào)峰值為0.8V，此時(shí)通過