音頻信號光纖傳輸技術實驗五邑大學物理實驗中心2010.9什么是光纖通信光纖即為光導纖維的簡稱。光纖通信是以光波為載波，以光導纖維為傳輸媒質的一種通信方式。由發送電端機將待傳送的模擬信號轉換成數字信號，再由發送光端機將電信號轉換成相應的光信號，并將它送入光纖中傳輸至接收端。接收光端機將傳來的光信號轉換成相應的電信號并進行放大，然后通過接收電端機恢復成原來的模擬信號。本實驗就是讓學生熟悉了解音頻信號光纖傳輸的基本原理。一、實驗目的1、學習音頻信號光纖傳輸系統的基本結構及各部件選配原則。2、熟悉光纖傳輸系統中電光/光電轉換器件的基本性能。3、訓練如何在音頻光纖傳輸系統中獲得較好信號傳輸質量。二、實驗原理1、光纖通信原理2、光信號發送端的工作原理3、光信號接收端的工作原理4、光纖傳輸特性指標5、光纖通信的特點1、光纖通信原理由發送電端機將待傳送的模擬信號轉換成數字信號，再由發送光端機將電信號轉換成相應的光信號，并將它送入光纖中傳輸至接收端。接收光端機將傳來的光信號轉換成相應的電信號并進行放大，然后通過接收電端機恢復成原來的模擬信號。光波如何在光纖中傳播分析光纖的導光原理，一般可采用兩種方法：方法一、波動理論法：波動理論法是根據電磁場理論，用麥氏方程求解光纖的場方程、特征方程，根據解答式分析其傳輸特性；方法二、射線法：射線法是將光波看成是一條條幾何射線，用光射線理論分析光纖的傳輸特性。后者比較簡單、直觀。光波在兩介質交界面的反射和折射光波屬于電磁波的范疇，在均勻介質中傳輸時，其軌跡是一條直線，當光射線射到兩種介質交界面時，將發生反射和折射。反射定律與全反射由電磁場理論知道，反射和折射的基本規律是由斯涅爾定律和菲涅爾公式來表示的。下面我們以斯涅爾定律說明其物理概念。斯涅爾定律主要包括以下兩個關系式：

θ１＝θ１′n１sinθ１＝n２sinθ２產生全反射的條件是：

n2＞n1；９０°＞θ１＞θc

階躍型光纖就是利用光波的全反射原理，將光波限制在纖芯中向前傳播。光纖的數值孔徑圖（5）光線1在孔徑范圍內，可以通過全反射進行傳播，而光線2則超出了孔徑范圍，沒有發生全反射，而是發生了折射，能量衰減很快。2光信號發送端的工作原理音頻信號調制二極管的發光強度系統低頻響應不小于20赫茲，取決電阻、電容網絡。系統高頻響應不大于20千赫茲，取決于運放電路的響應頻率。光纖通信的三個窗口波段：0.841.311.55微米（μm），窗口波段與光纖傳輸呈現低損耗，與發光器件，光電檢測器件的峰值響應波段相匹配（本系統在0.8-0.9微米）。在光纖應用中，常用的光源有：發光二極管(LED)和激光二極管(LD)。半導體激光器實質上是一個光波振蕩器，它具有振蕩、反饋與放大作用。根據光纖的特性通常選用長波長激光器，一般為1310nm。它通常是由P型限制層與有源層和N型限制層與有源層所組成的兩個異質結。3光信號接收端的工作原理圖3常用的光探測器是半導體光電二極管PIN和雪崩二極管。半導體光電二極管PIN具有體積小，材料合適、靈敏度高、響應速度快等特點，在光纖通信系統中有著十分廣泛的應用。其伏安特性為。其中I0為無光照時的反向飽和電流，U為二極管的端電壓（正向電壓為正，反向電壓為負），q為電子電荷，k為波爾茲曼常數，T為溫度（單位為K），IL為無偏壓狀態下光照時的短路電流，與光照時的光功率成正比。4光纖傳輸特性指標光纖損耗：光纖的損耗是指光在光纖中傳播時，由于介質的吸收、散射和輻射等原因，光強不可避免地要隨著傳播距離的增加而減少。

光纖色散：光波信號在光纖中傳輸，或多或少都會使光波信號波形展寬，發生失真，這種現象說明光纖中存在色散。數值孔徑：它決定了能夠在光纖中傳播的光束半孔徑角的最大值，記作N.A.（numericalaperture）,定義為5光纖通信的特點頻帶寬、通信容量大用電磁波傳輸信號，其容量大小與所用載波的頻率有關。光波的頻率很高1014赫茲，比微波頻率108-1010要高幾個數量級。同樣取其頻率的1%作帶寬，容量相差十萬倍。損耗低同軸電纜線路內信號迅速衰減，每隔幾公里就需要設一個中繼站；而光纖通信的中繼站可增大到幾十公里或幾百公里。目前，單模光纖傳輸損耗在1.31μm和1.55μm分別為0.35dB/km和0.2dB/km質量小，原材料資源豐富其材料密度只有銅的四分之一，節約稀有金屬。抗干擾性強、保密性好不受高壓電、雷電、電車線等電磁感應的影響和外界光頻段的干擾，也易于屏蔽。另外光纖材料化學穩定性高，適合在惡劣環境下和危險情況下使用。三、實驗內容1、光纖傳輸系統靜態電光/光電傳輸特性測定在沒有音頻信號輸入的情況下，人為地改變發送光強度（每次改變可以認為加入一個直流信號），測量接收光的強度，記錄并作出U-I曲線，檢查曲線的線性度，并說明此通信系統的最佳工作點（發光二極管的靜態工作電流）應選在什么位置。2、LED偏置電流與無失真最大信號調制幅度關系測定以頻率1kHz的正弦波為輸入信號，分別選擇發光二極管的偏置電流（即靜態工作點）為5mA和10mA兩種情況下，調節輸入信號的幅度，使其從零開始增加，同時在接收端信號輸出處觀察波形變化，直到波形出現截止現象時，記錄下電壓波形的峰-峰值，由此確定LED在不同偏置電流下光功率的最大調制幅度。無失真截止失真飽和失真3、光纖傳輸系統頻率響應特性的測定相同工作點下，如果輸入信號的頻率不同，輸出信號的幅度也可能不同，這就是系統的頻率響應特性。一般定義當固定輸入信號的幅度不變，而改變其頻率時，輸出信號的幅度相對于最大值Um下降到0.707Um所對應的頻率范