1、儀器使用說明 TEACHERS GUIDEBOOKFD-OFT-A音頻信號光纖傳輸實驗儀中國.上海復旦天欣科教儀器有限公司Shanghai Fudan Tianxin Scientific_Education Instruments Co.,Ltd.FD-OFT-A型音頻信號光纖傳輸實驗儀使用說明一、概述光纖俗稱玻璃纖維，是由高純度的玻璃棒經拉絲工藝制成，又稱光導纖維它以其優良的傳輸特性已經成為信息社會主要的信息傳輸手段。隨著光纖通信技術的發展，一個以微電子技術，激光技術，計算機技術和現代通信技術為基礎的高速寬帶信息網將是遠程教育，遠程醫療，電子商務，智能居住小區越來越普及。光纖通信以及諸多優

2、點將成為現代通信的主流，未來通信的一項通信技術和手段。本儀器通過實驗讓學生了解光纖通信的基本工作原理，熟悉半導體電光-光電器件的基本性能及主要特性的測試方法。我公司研制的FD-OFT-A型音頻信號光纖傳輸實驗儀具有以下優點：1. 該儀器為一體式儀器，音頻信號發生器、光功率計、LED放射器、SPD接收器全部整合在壹臺主機中，這樣用戶購買該儀器后，不用另配光功率計以及信號發生器即可以完成實驗。2. 該實驗儀是集光電子技術、光纖傳輸技術、應用電子技術于一體的綜合實驗教學儀器，對于擴大學生知識面和培養學生綜合運用已學知識解決實際問題的能力十分有益。3. 該儀器實驗內容豐富、實驗數據穩定可靠，通過該儀器

3、可以讓學生了解光波是怎樣被調制、傳輸和解調的，使學生對光纖通信有一個初步的認識。該儀器不僅可以用于基礎物理實驗以及設計性研究性實驗，也可以用于高等院校光電子、通訊、信息專業的專業實驗。二、技術指標1 電源輸入 220V 50Hz2 音頻信號發生器 頻率調節范圍 100Hz-10KHz 連續調節，10KHz-20KHz 連續調節 幅度調節范圍 0V3V（峰峰值） 連續調節3光功率計 量程 0200.0uW 分辨率 0.1uW4LED驅動電流 50mA三、儀器裝置FD-OFT-A型音頻信號光纖傳輸實驗儀主要由實驗主機（包括音頻信號發生器、光功率計、LED發射器、SPD接收器等）、多模光纖（裝于骨架

4、上），半導體收音機組成。如圖1所示.圖1 音頻信號光纖傳輸實驗儀裝置四、實驗項目1. 了解音頻信號光纖傳輸系統的結構。2. 熟悉半導體發光二極管（LED）和光電二極管（SPD）的基本性能及主要特性的測試方法。3. 學習掌握音頻信號光纖傳輸系統的調試技能。五、使用注意事項1 光纖出廠前已經固定在骨架上，學生實驗時務必小心，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 實驗開始前以及實驗結束時，應把LED發射器中的“幅度調節”和“偏流調節”電位器逆時針旋至最小。3 實驗中，光纖與發射器以及光纖與接收器接頭插拔時應該注意不要用力過猛，以免損壞。音頻信號光纖傳輸實驗【實驗目的】1.

5、了解音頻信號光纖傳輸的方法、結構及各主要部件的作用。2. 熟悉半導體發光二極管（LED）和光電檢測二極管（SPD）的基本性能及主要特性的測試方法。3學習分析集成運放電路的基本方法。3. 學習掌握音頻信號光纖傳輸系統的調試技能?！緦嶒炘怼?. 音頻信號光纖傳輸系統的原理 音頻信號光纖傳輸系統由“光信號發送器”“光信號接受器”和“傳輸光纖”三部分組成。其原理主要是：先將待傳輸的音頻信號作為源信號供給“光信號發送器”，從而產生相應的光信號，然后將此光信號經光纖傳輸后送入“光信號接受器”，最終解調出原來的音頻信號。為了保證系統的傳輸損耗低，發光器件LED的發光中心波長必須在傳輸光纖的低損耗窗口之內，

6、使得材料色散較小。低損耗的波長在850nm，1300nm或1600nm附近。本儀器LED發光中心波長為850nm，光信號接受器的光電檢測器峰值響應波長也與此接近。 為了避免或減少波形失真，要求整個傳輸系統的頻帶寬度能覆蓋被傳輸信號的頻率范圍。由于光纖對光信號具有很寬的頻帶，故在音頻范圍內，整個系統頻帶寬度主要決定于發射端的調制信號放大電路和接收端的功放電路的幅頻特性。2. 半導體發光二極管LED的結構和工作原理 光纖通訊系統中對光源器件在發光波長、電光功率、工作壽命、光譜寬度和調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，目前在以上各方面都能較好滿足要求的光源

7、器件主要有半導體發光二極管（light emitting diode，縮寫LED）和半導體激光器（Laser Diode ，縮寫LD）。以下主要介紹發光二極管。半導體發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三層結構的半導體器件，中間層通常是由直接帶隙的GaAs砷化鎵P型半導體材料組成，稱為有源層，其帶隙寬度較窄，兩側分別由AlGaAs的N型和P型半導體材料組成，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體單晶之間的結構稱為異質結，在圖2中，有源層與左側的N層之間形成的是P-N異質結，而與右側P層之間形成的是P-P異質結，所以這種結構又稱為N

8、-P-P雙異質結構，簡稱DH結構。當在N-P-P雙異質結兩端加上偏壓時，就能使N層向有源層注入導電電子，這些導電電子一旦進入有源層后，因受到P-P異質結的的阻擋作用不能再進入右側P層，它們只能被限制在有源層內與空穴復合，同時釋放能量產生光子，發出的光子滿足以下關系： 其中是普朗克常數，是光波頻率，是有源層內導電電子的激發態能級，是導電電子與空穴復合后處于價鍵狀態時的束縛態能級。兩者的差值與DH結構中各層材料及其組份的選取等多種因素有關，制作LED時只要這些材料的選取和組份的控制適當，就可以使LED的發光中心波長與傳輸光纖的低損耗波長一致。圖1 半導體發光二極管的結構及工作原理3LED的驅動及調

9、制電路本實驗采用半導體發光二極管LED作為光源器件，音頻信號光纖傳輸系統發送端LED的驅動和調制電路如圖2所示，以BG1為主構成的電路是LED的驅動電路，調節這一電路中的W2可以使LED的偏置電流發生變化。信號發生器產生的音頻信號由IC1為主構成的音頻放大電路放大后經電容器耦合到BG1基極，對LED的工作電流進行調制，從而使LED發送出光強隨音頻信號變化的光信號，并經光纖把這一信號傳至接收端。半導體發光二極管輸出的光功率與其驅動電流的關系稱為LED的電光特性。為了避免和減小非線性失真，使用時應給LED一個適當偏置電流I，其值等于這一特性曲線線性部分中點對應的電流值，而調制信號的峰-峰值也應位于

10、電光特性線性范圍內。對于非線性失真要求不高的情況下，也可把偏置電流選為LED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制，這有利于信號的遠距離傳輸。Vcc調制信號mA-W1LED+C4BG1IC1ReW2圖2 LED的驅動和調制電路4光纖的結構及其傳光原理衡量光纖性能好壞有兩個重要指標：一是看它的傳輸信息的距離有多遠；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或基帶頻率特性。經過人們對光纖的提純，目前已經使得光纖的損耗做到20Db/Km以下。光纖的損耗與工作波長有關，所以在工作波長的選用上，應該盡量選用低損耗的工作波長，光纖通訊最早是用

11、短波長850nm，近年來發展至用13001550nm范圍的波長，因為在這一波長范圍內光纖不僅損耗低，而且“色散”小。光纖的脈沖響應或它的基帶頻率特性又主要決定于光纖的模式性質。光纖按照其模式性質通常可以分為兩大類：1）單模光纖；2）多模光纖。無論單模或者多模光纖，其結構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，只允許一種電磁場形態度光波在纖芯內傳播，多模光纖的纖芯直徑為202000，包層厚度為35，允許多種電磁場形態的光波傳播。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，對于階躍型光纖，在纖芯和

12、包層中折射率均為常數，但纖芯折射率略大于包層折射率，所以對階躍型多模光纖，可以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，直到在纖芯和包層界面處減到某一值后，在包層的范圍內折射率保持這一值不變，根據光線在非均勻介質中的傳播理論分析可知：經光源耦合到漸變型光纖中的某些射線，在纖芯內是沿周期性的彎向光纖軸線的曲線傳播。5半導體光電二極管的工作原理及特性 本儀器的光信號接收采用硅光電二極管（Silicon Photo Dioxide縮寫SPD），與普通的半導體二極管一樣，SPD也是一個P-N結，但SPD的管殼上有一個能讓光射入其光敏區的窗口。

13、此外，與普通半導體二極管不同，它經常工作在反向偏置電壓狀態或無偏壓狀態，因此時SPD的光電特性線性度好。本儀器SPD的峰值響應波長在850nm左右，工作時SPD把經光纖出射端輸出的光信號轉化為與之光功率成正比的光電流，經過I-V轉換電路，再把光電流轉換成與之成正比例的電壓信號?！緦嶒瀮x器】音頻信號光纖傳輸實驗儀器裝置主要由FD-OFT-A型音頻信號光纖傳輸實驗儀實驗主機（包括音頻信號發生器、光功率計、LED放射器、SPD接收器等）、多模光纖（裝于骨架上），半導體收音機，示波器（實驗室自配）組成，如圖3所示。圖3 音頻信號光纖傳輸實驗儀器裝置【實驗內容】1LED傳輸光纖組件電光特性的測定 本實驗

14、內容是要在不加音頻信號的情況下，研究通過LED的直流偏置電流與LED輸出光功率之間的關系，即LED的電光特性。實驗時先打開主機電源，將光纖一端接至“LED發射器”中“信號輸出”端，一端接至“SPD接收器”中的“信號輸入”端，將光功率計波段開關打至“測量”檔。調節“偏流調節”旋鈕，使面板上電流表讀數為零，此時將光功率表也調零，然后分別把偏流大小調至5mA、10mA、15mA、20mA、25mA、30mA、35mA、40mA 、45mA、50mA，記錄對應的光功率值。根據測量結果描繪LED傳輸光纖組件的電光特性曲線，即描繪關系圖，分析其線性范圍。2LED直流偏流與最大不失真調制幅度的關系測定本實驗

15、要找出在不同的直流偏流下電路能加載的不失真調制幅度的大小，同時找到LED發光電路最佳工作點和在此工作點下能加載的最大不失真信號幅度。實驗時先接好音頻信號通道、光通道，把光功率計打至“實驗”檔。然后將音頻發生器產生信號和LED調制信號輸入雙綜示波器觀察。調節音頻信號發生器，使其輸出信號峰-峰值為1V，頻率為10KHz。接著把偏流加至20mA，調節“LED發射器”中的幅度調節旋鈕，使加在電路上的音頻信號由小變大，觀察調制信號的波形及失真情況。記錄偏流為20mA時最大不失真調制幅度的峰-峰值。分析觀察到的現象，然后決定增大或減小偏流以找到最佳靜態工作點。實驗時可調節音頻信號幅度來檢驗新的工作點是否為

16、，若在示波器上能觀察到調制信號同時出現截至和飽和失真，則此時正處于最佳工作點。記錄剛要同時出現兩種失真現象時的偏流值和調制信號峰-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音頻信號光纖傳輸系統幅頻特性的測定本實驗內容是要在光信號發送器處于正常工作狀態下，研究音頻信號光纖傳輸系統的幅頻特性。實驗前應先確定光信號發送器的正常工作范圍。從實驗原理和前兩個實驗內容可知：光信號發送器的正常工作是由LED的電光特性和LED發光電路工作特性決定。若LED電光線性轉化，發光電路信號傳輸無非線性失真，則光信號發送器已處于正常工作狀態。利用前兩個實驗測得的實驗結果，

17、便可知道在不同直流偏流下，要使光信號發送器正常工作，加載在電路中的調制幅度可取范圍。實驗按照內容2接線。實驗時先將音頻發生器輸出信號峰-峰值調為1V，偏流和調制信號幅度調節適當，以確保光信號發送器正常工作。然后將音頻發生器輸出信號頻率依次調為100Hz、500Hz、1KHz、5KHz、10KHz、15KHz、20KHz，用示波器觀測由光纖傳輸的光信號轉化成的音頻電信號的波形和峰-峰值。由觀測結果繪出音頻信號光纖傳輸系統幅頻特性曲線。4語音信號的傳送將半導體收音機的信號接入發送器的輸入端，在接收功放輸出端接上揚聲器，實驗整個音頻信號光纖傳輸系統的音響效果。實驗時可適當調節發送器LED的偏置電流，

18、考察傳輸系統的聽覺效果。五、實驗數據例(注：以下實驗數據不作為儀器驗收標準，僅供實驗時參考)1LED-傳輸光纖組件電光特性的測定表1 偏置電流與光功率數據記錄/mA0.05.010.015.020.025.030.035.040.045.050.0/uW0.01.14.28.312.617.021.125.229.032.635.9根據以上數據作圖，得關系圖圖5 測量關系圖從上圖中可知，直流偏流在10mA-50mA的范圍內電光轉換基本上是線性的。2. LED偏置電流與無截止畸變最大調制幅度關系的測定表2 LED直流偏流與最大不失真調制幅度的關系直流偏流(mA)2025303540=49.6最大不失真調制信號峰值（V）1.001.101.221.321.421.56不失真電流范圍（mA）1030143617.842.221.848.225.854.23465.23. 音頻信號光纖傳輸系統幅頻特性的測定利用前兩個實驗結果，實驗時取偏流，調制信號峰值為0.8V，此時通過