1、光通信實驗系統的應用理學院物理實驗教學中心關春穎 副教授實驗目的了解光通信系統的基本構成和相關知識學習LED光源的結構及其特性掌握基帶直接強度調制（DIM）的基本原理學習模擬信號的脈沖頻率調制（PFM）基本原理了解數字光纖通信的編解碼原理了解視頻信號的傳輸過程光纖通信發展簡史1966年 華裔科學家高錕博士等人提出從玻璃材料中去除雜質可以制成衰減為20dB/km的光導纖維。1970年 美國康寧玻璃公司根據高氏理論首先制造出衰減為20dB/km的光導纖維，使光導纖維的發展得到突破。1973年 美國貝爾研究所生產出衰減為1dB/km的低損耗光纖1976年 日本電報電話公司（NTT）制造出0.5dB/

2、km 的低損耗光纖1979 年是0.20 dB/km，1984年是0.157 dB/km，1986 年是0.154 dB/km， 接近了光纖最低損耗的理論極限。1976年 在美國亞特蘭大成功進行了碼速率為44.7Mb/s的光通信系統性能試驗,從此光通信技術進入實用化階段。一、光纖通信基本知識光纖結構及導光原理光纖由纖芯、包層和涂敷層三部分組成。纖芯位于光纖的中心部位。它的主要成分是高純度的二氧化硅。其余成分為摻入的極少量摻雜劑，如五氧化二磷和二氧化鍺。摻雜劑的作用是提高纖芯的折射率。纖芯的直徑2a一般為5-50m。包層也是含有少量摻雜劑的高純度的二氧化硅。摻雜劑有氟或硼。這些摻雜劑的作用是降低

3、包層的折射率。包層的直徑2b為125m。包層的外面涂敷一層很薄的 涂敷層。目前涂敷層的材料 一般為環氧樹脂或硅橡膠。一、光纖通信基本知識光纖基本類型突變折射率型多模光纖（SIF）：纖芯直徑5060m，光線以折射形狀沿纖芯軸線方向傳播，存在多條路徑，并有較大的時延差，因而信號畸變大。漸變折射率型多模光纖（GIF）：纖芯直徑50m，光線以曲線形狀沿纖芯軸線方向傳播，各條路徑時延差較小，因而信號畸變較小。單模光纖（SMF）：纖芯很細，直徑約10m，只有一種傳播模式，信號畸變很小。光纖傳輸特性傳輸損耗色散光纖通信優點頻帶寬,通信容量大 理論上講一根單模光纖可利用的帶寬達20THz(1THz=1012H

4、z)以上,現在最先進的光纖通信系統達400GHz,而一路電話帶寬約占4KHz頻帶,一路彩色電視約占6MHz頻帶。損耗低,中繼距離長 銅纜的損耗特性與纜的結構尺寸及所傳輸信號的頻率有關,光纜的損耗特性僅與玻璃的純度(或者說透明度)有關,高質量望遠鏡的鏡頭其損耗超過500dB/km,目前通信用光纖的最低損耗達0.2 dB/km。光纖通信優點具有抗電磁干擾能力光導纖維是絕緣體材料,不受輸電線,電氣化鐵路及高壓設備等電器干擾,可以與高壓電線平行架設,還可制成復合光纜無串話,保密性好通信質量高線徑細,重量輕,柔軟可制成大芯數高密度光纜單芯光纜可安裝在飛機,火箭,潛艇及航天飛機上節約有色金屬,原材料資源豐

5、富可節約大量銅金屬光纖通信用途 傳輸網 接入網 有線電視系統CATV 大樓綜合布線系統 校院網(局域網)光發射機光源： 發光二極管（LED）：自發輻射，輸出光功率小，譜寬，穩定，長壽命（107），價低，適用于小容量、短距離傳輸系統。 激光二極管（LD）：受激輻射，輸出光功率大，譜窄，波長穩定，長壽命（105至106），價高，適用于大容量、長距離傳輸系統。光調制器：目前采用強度調制（由于光源頻譜不純，尚未實現相干光通信）；分內調制和外調制，對于數字調制，用光脈沖的有無代表數字信息（0和1）。光接收機光檢測器的功能：光信號的解調（O/E）光檢測器的類型：PIN光電二極管、雪崩光電二極管（APD）光

6、接收機的靈敏度取決于噪聲特性（包括光檢測器的噪聲和電放大器的噪聲）和誤碼率指標APD是有增益的光電二極管適用于靈敏度要求較高的場合，但需采用復雜的溫度補償電路，故成本高；在靈敏度要求不高的場合，宜采用PIN管。光接收機中還有電的放大器、自動增益控制電路、均衡再生電路等。實驗儀器 主機、顯示器、攝像頭、麥克風、信用多模光纖和數字示波器組成。光發射機光發射機前面板光發射機后面板光接收機光接收機前面板光接收機后面板數字示波器實驗內容及操作步驟實驗一 LED光源I-P特性研究實驗二 模擬信號的直接強度調制傳輸實驗三 模擬信號的脈沖頻率調制(PFM)傳輸實驗四 數字編碼傳輸實驗實驗五 視頻信號的光纖傳輸

7、實驗實驗一 LED光源I-P特性研究在實驗過程中，我們能否看到光源LED發出的光？LED即發光二極管是靠PN 結附近的電子和空穴對的復合而進行自發輻射發光。LED的發光機理：本實驗儀采用的LED光源，其中心波長為850nm。偏置電流mA0123456789光功率當量偏置電流mA10111213141516171819光功率當量偏置電流mA20212223242526272829光功率當量偏置電流mA30313233343536373839光功率當量偏置電流mA40414243444546474849光功率當量偏置電流mA50515253545556575859光功率當量偏置電流mA606162

8、63646566676869光功率當量1. LED光源I-P特性曲線數據表格實驗一 LED光源I-P特性研究思考題：為什么要獲得光源的I-P特性曲線？1. LED光源I-P特性曲線數據表格實驗二 模擬信號的直接強度調制什么是直接強度調制？ 直接強度調制方式就是用基帶信號直接對光源進行強度調制，也就是使光源的光強度直接隨傳輸的信號變化。此時光纖通信系統的傳輸帶寬只要滿足信號帶寬就夠了，其缺點是對光源的線性度要求高如用普通LD作光源則由于光源的非線性和模式噪聲和模分配噪聲的限制，難以實現達到較好的性能指標。在這種調制方式中，通常使用驅動電流光輸出特性線性較好的LED作光源。 實驗二 模擬信號的直接強度調制思考題：如果靜態工作點沒有在光源的線性區，會對傳輸結果產生怎樣的影響？偏置電流的變化實驗三 模擬信號的脈沖頻率調制(PFM)傳輸脈沖頻率調制（PFM）方式是目前模擬信號傳輸中傳輸質量較高的一種方式，是信號進行光強度調制之前的一種預處理過程。信號經過脈沖頻率調制以后，可以有效避免光源非線性帶來的影響，并以此換取傳輸質量的提高。脈沖頻率調制示意圖 實驗三 模擬信號的脈沖頻率調制(PFM)傳輸實驗數據記錄 記錄PFM調制的中心頻率思考題 如果工作在靜態工作點沒有在光源的線性區，會對傳輸結果產生怎樣的影響？在光纖數字傳輸中，一般不直接傳輸由電端機送來的數字信號，