1、實驗十音頻光纖傳輸技術一、實驗目的1、了解聲光調制器基本原理。2、理解光纖通信的原理。3、掌握音頻信號光纖傳輸系統的基本結構。4、學會如何在音頻信號傳輸系統中獲得較好信號傳輸質量。二、實驗儀器設備氦氖激光器、聲光調制器、高頻信號發生器、小孔光闌、光纖(L=1.62m、收錄機(調幅、光電接收及解調功放盒、8喇叭三、實驗原理光纖傳輸信息有二種方法:模擬法和數字法。本實驗采用模擬法,如圖1所示,主要由三部分組成:光信號發送端,功能是將待傳輸的音頻電信號經光電轉換器件轉換為光信號。 用于傳送光信號的光纖,功能是將發送端光信號以盡可能小的衰減和失真傳送到光信號接收端。 光信號接收端,功能是將光信號經光電

2、轉換器件還原為相應的電信號。本實驗發送端電光轉換器件是聲光調制器,傳輸光纖系多模石英光纖。接收端光電轉換器件采用PIN 管。光信號發送端聲光調制器光電接收端PIN管 驅動源和音頻信號光信號解調器揚聲器圖1 原理方框圖1、光導纖維的工作原理當今的信息時代,人們對通信的帶寬、速度的要求不斷提高。光纖通信具有寬頻帶、高速度、不受電磁干擾影響等一系列優點,得到迅速發展。1970年,世界上第一根實用光纖研制成功。到目前,光通信速率在實驗室中已達到1012b/s, 即可將全世界可能傳輸的全部通信量于同一時刻內在一根光纖中傳送。光導纖維是用細的石英玻璃制成的,每根光纖是由一個圓柱形的內芯和包層組成。內芯的折

3、射率略大于包層的折射率。當光纖直徑遠大于光波波長時,可以用幾何光學的方法來解釋光在光纖中的傳播 圖2 光導纖維中光的傳輸特性當光線從光密物質射向光疏物質時,如入射角大于臨界角時,光線產生全反射,即光線不再離開光密介質。如圖2所示,在角度2之間的入射光,除了在玻璃中吸收和散射之外,大部分在界面上產生多次全反射,而以鋸齒型的路線在光纖中傳播。在光纖的末端以入射角相等的出射角射出光纖。如圖二所示,光被閉鎖在光纖內,只能沿著光纖傳輸。光纖的芯徑一般幾個微米至幾百微米,按照傳輸光模式可分為多模光纖和單模光纖。本實驗采用的是多模光纖。石英光導纖維的主要技術指標有:數值孔徑:數值孔徑反映纖芯接受光量的多少。

4、無論光源發射功率有多大,只有2張角之內的光功率能被光纖接收。定義光纖數值孔徑NA=sin=(n21n221/2(1一般希望有大的數值孔徑,以利于耦合效率的提高,但數值孔徑太大,光信號畸變就越嚴重,因此要適當選擇數值孔徑,一般在0.10.6之間,對應的在9°33°。光纖模式:指光波沿光纖傳播的途徑和方式。如同一信號采取很多模式傳播,就會導致信號畸變,因此希望模式數量越少越好。階躍型的圓筒波導內的模式數量克表示為 d (n21n221/2V= (2 0式中d為纖芯直徑,0為入射光波長。D一般取幾個微米,n1 n2之差不大于1%傳播損耗:光纖的損耗主要由于材料吸收引起的吸收損耗,

5、纖芯折射率不均勻引起的散射損耗,纖芯和包層之間界面不規則引起的界面散射損耗,光纖彎曲造成的損耗,纖維間對接損耗,以及輸入輸出端耦合損耗。假設纖芯輸入端光功率強度為I0,當它通過光纖時,其強度通常按指數式下降,光纖中任一點的光強度為:I(L=I0el (3式中I0為輸入端的初始光強。L為光纖縱向長度,A為強度衰減系數。2、光發送機原理 圖3光發送機原理圖光發送機的作用是將電信號轉化為光形式,并將生成的光信號注入光纖。它由光源、聲光調制器和通道耦合器組成,如圖3所示。聲光調制器是由聲光介質、電聲換能器、吸聲 (或反襯裝置及驅動源組成。調制信號(假設為正弦波通過電聲轉換器轉換為超聲波,然后加到聲光晶

6、體上,電聲轉換器是利用某些壓電晶體(例如鈮酸鋰、石英等反壓電效應,在外加電場作用下產生機械振動而形成超聲波。超聲波使聲光介質的折射率沿聲波方向隨時間交替變化,當一平行波光束通過它時,由于聲致光衍射,其出射光束就具有隨時間而周期性變化的光程差,因此形成了各級閃爍變化的衍射光。本實驗采用幅度調制的電信號驅動壓電換能器,通過電聲轉換,得到與輸入電信號相對應的幅度調制的超聲波,超聲波在介質中傳播,從而形成同樣幅度調制的超聲光柵。當光波被聲光柵所衍射時,衍射光的強度調制與輸入電信號的幅度調制相對立,因而得到調制的輸出光。3.光接收機光接收機將從光纖輸出端接收到的光信號轉換成原始的電信號。 圖 4 光接收

7、機基本結構圖它由耦合器、光電檢測器和解調器組成,如圖4所示。這里主要介紹光電檢測器的原理。本實驗使用的檢測器是PIN光電二極管,其典型結構如圖5所示,本征區SiO2層表面光 2本征區圖5 PIN管結構的透光區鍍以增透膜,其余區鍍金屬膜,形成金屬接觸器。光照射透光區,先進入p+層,再進入本征區I區,最后到N+基片。當PIN管兩端加上足夠大的反向偏壓,本征區中的載流子就完全耗盡,與這個區域中的雜質濃度相比,本征的電子和空穴載流子濃度小得可以忽略。當入射光經p+區進入到本征區時,產生電子-空穴對,因本征區較厚,光線大部分被吸收。因此光生載流子主要在本征區中產生,由于本征區存在電場,使這些載流子迅速分

8、開,并被收集在反偏壓結兩端,使得外電路產生光電流I p,如圖6所示。 圖6 PIN 管電路圖光信號接收端的工作原理主要是傳輸光纖把從發送端發出的光信號通過光纖耦合器將光信號耦合到光電轉換器件PIN 管上,PIN 管又把光信號轉變為與之成正比的電流信號,PIN 管使用時應加反偏壓,經運放電流電壓轉換,把光電流信號轉換成正比的電壓信號,電壓信號中包含的音頻信號經電容電阻耦合到音頻功率放大器驅動喇叭發聲。四、實驗步驟要求1、 首先調整He-Ne 激光器光線方向平行于導軌。2、 調節PM 聲光調制器的俯仰及方位角,使入射光以布拉格角入射到調制器上。3、 進行光纖不衍射時傳感器損耗的測量10lg out

9、 in p p L = 組數 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10入射光功率pin出射光功率pout(dB/km4、 接通調制電源24V ,射頻頻率為100MHz,觀察衍射光,仔細調節聲光調制器,使衍射光一級較強。5、 調節光纖接收端和聲光調制器,讓一級衍射光完全入射到光纖中,最佳位置時,在出射口看到很亮的光斑。6、進行一級衍射時,傳感器損耗的測量:組數 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10入射光功率pin出射光功率pout(dB/km7、進行音頻傳輸實驗,在4、5步的基礎上,在聲光調制驅動源的AM(0-5v輸入端收音機調幅波信號,光接收器直流電壓為915V,電流約0.2A左右,接上阻抗8的音響喇叭。8、輸入音頻信號,調節光纖接收端,聽輸出喇叭效果,分析音