光纤通信实验报告 1

光纤通信技术试验报告

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实验一⑴ 半导体激光器P-I特性测试实验

一、实验目的

⒈ 学习半导体激光器发光原理和光纤通信中激光光源工作原理 ⒉ 了解半导体激光器平均输出光功率与注入驱动电流的关系

⒊ 掌握半导体激光器P（平均发送光功率）-I（注入电流）曲线的测试方法

二、实验原理

半导体激光二极管通过受激辐射发光，是一种阈值器件。由于受激辐射与自发辐射的本质不同，导致了半导体激光器不仅能产生高功率（≥10mW）辐射，而且输出光发散角窄（垂直发散角为30～50°，水平发散角为0～30°），与单模光纤的耦合效率高（约30％～50％），辐射光谱线窄（Δλ＝0.1～1.0nm），适用于高比特工作，载流子复合寿命短，能进行高速信号（>20GHz）直接调制，非常适合于作高速长距离光纤通信系统的光源。

P-I特性是选择半导体激光器的重要依据。在选择时，应选阈值电流Ith尽可能小，对应P值小，而且没有扭折点的半导体激光器，这样的激光器工作电流小，工作稳定性高，消光比大，而且不易产生光信号失真。并且要求P-I曲线的斜率适当。

半导体激光器作为光纤通信中应用的主要光源，其性能指标直接影响到系统传输数据的质量，因此P-I特性曲线的测试了解激光器性能是非常重要的。半导体激光器驱动电流的确定是通过测量串联在电路中的R110上电压值。电路中的驱动电流在数值上等于R110两端电压与电阻值之比。为了测试更加精确，实验中先用万用表测出R110的精确值，计算得出半导体激光器的驱动电流，然后用光功率计测得一定驱动电流下半导体激光器发出激光的功率，从而完成P-I特性的测试。并可根据P-I特性得出半导体激光器的斜率效率。

三、实验步骤

⒈ 将光发模块中的可调电阻

⒉ ⑴ 拨动双刀三掷开关BM1、BM2选择在中间档，即将R110与电路断开。

⑵ 用万用表测得R110电阻值，找出所测电压与半导体激光器驱动电流之间的关系（V＝I×R110）。 W101逆时针旋转到底，使数字驱动电流达到最小值。

⒊ 拨动双刀三掷开关，BM1选择到半导体激光器数字驱动，BM2选择到1310nm。 ⒋ 旋开光发端机光纤输出端口（1310nm T）防尘帽，用FC-FC光纤跳线将半导体激光器与光功率计输入端连接起来。

⒌ 连接导线：将T502与T101连接，将数字信号码型拨成10101010，10101010，10101010 ⒍ 连接好实验箱电源，先开交流电源开关，再开直流电源开关，即按下K01，K02 (电源模块)，并打开光发模块（K10）和数字信号源（K50）的直流电源。 ⒎ 用万用表测量R110两端电压（红表笔插T103，黑表笔插T104）。

⒏ 慢慢调节电位器W101，使所测得的电压为下表中数值，依次测量对应的光功率值，并将测得的数据填入下表。

⒐ 做完实验后先关闭光发模块电源（K10），然后依次关掉各直流开关（电源模块），以及交流电开关。

⒑ 拆下光跳线及光功率计，用防尘帽盖住实验箱半导体激光器光纤输出端口，将实验箱还原。

四．实验数据记录：

1.根据实验记录数据，算出半导体激光器驱动电流，画出相应的光功率与注入电流的关系曲。

⒉ 根据所画的P-I特性曲线，找出半导体激光器阈值电流Ith的大小。 Ith=2mA

⒊ 根据P-I特性曲线,求出半导体激光器的斜率效率。 K=0.036W/A

五．实验结果分析：

将上表所得实验结果进行分析，绘制P-I特性曲线可得其阈值电流大概在2.5mA左右，同时也可以得到P-I特性是选择半导体激光器的重要依据。在选择时，应选阈值电流Ith尽可能小，对应P值小，而且没有扭折点的半导体激光器，这样的激光器工作电流小，工作稳定性高，消光比大，而且不易产生光信号失真。并且要求P-I曲线的斜率适当。斜率太小，则要求驱动信号太大，给驱动电路带来麻烦；斜率太大，则会出现光反射噪声及使自动光功率控制环路调整困难。

六．思考题回答

1.半导体激光器发光工作原理：半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光震荡。

2.激光器的阈值电流随温度升高而增大，外围分子量效率随温度升高而减小，温度升高时，电流增大，外围分子量效率减小，输出光功率明显下降

3.P-I特性是选择半导体激光器的重要依据。在选择时，应选阈值电流Ith尽可能小，对应P值小，而且没有扭折点的半导体激光器，这样的激光器工作电流小，工作稳定性高，消光比大，而且不易产生光信号失真。并且要求P-I曲线的斜率适当。斜率太小，则要求驱动信号太大，给驱动电路带来麻烦；斜率太大，则会出现光反射噪声及使自动光功率控制环路调整困难。

实验一⑵ 数字信号电--光、光--电转换传输实验

一、实验目的

⒈ 学习光电检测器响应度及量子效率的概念； ⒉ 掌握光电检测器响应度的测试方法；

⒊ 了解光电检测器响应度对光纤通信系统的影响。

二、实验原理

在光纤通信工程中，光检测器（ptotodetector），又称光电探测器或光检波器，其作用原理是将入射光转化为电流或电压，以光子-电子的能量转换形式完成光的检测的过程。

最简单的光检测器就是p-n结，但它存在许多缺点，光纤通信系统中，较多采用p-i-n光电二极管（简称PIN管）及雪崩光电二极管（APD管），都是实现光电转换的半导体器件。 响应率是器件外部电路中呈现的宏观灵敏特性，而量子效率是内部呈现的微观灵敏特性。量子效率是能量为hυ的每个入射光子所产生的电子-空穴载流子对的数量：

hvPeP//I＝入射到器件上的光子数对数通过结区的光生载流子=η（×100％） 在波长确定的情况下，通过测试得到一定光功率下检测器输出的电流，即可获得检测器的响应度及量子效率的大小，从而了解检测器的性能指标。本实验目的就是通过测试1310nm收端机检测器的响应度，了解不同检测器响应度的差异。

实验箱中，使用的检测器为PIN光电二极管，用光功率计测试得到光发端机输出的平均光功率，然后再测试得到光收端机检测得到的响应电流，改变光发端机输出功率，作检测器端的I-P特性曲线，曲线斜率即为特定波长下的响应度。响应电流的测定是通过运放，将检测器的电流信号，放大成电压信号后得到的，检测电压点为T123，即此测试点与接地点之间的电压V。其放大系数为10000倍，即检测电流 I＝V/10000

三、实验步骤

⒈ PCM编译码模块T661与CPLD下载模块983连接，T980与1310nm光发模块输入端T101连接。 ⒉ 用FC-FC光纤跳线将1310nmT光发端与1310R光收端连接。拨码开关BM1、BM2、BM3分别拨为：数字、1310nm和1310nm，并且将跳线帽K121接1,2脚

⒊ 接上交流电源线，先开交流开关，再开直流开关K01，K02，五个发光二极管全亮。 ⒋ 接通PCM编译码模块（K60）、CPLD模块（K90）和光发模块(K10)的直流电源。 ⒌ 用万用表监控R110两端电压（红表笔插T103，黑表笔插T104），调节半导体激光器驱动电流，使之为30mA，用万用表测试T123与电源模块中的地之间电压V，填入下表中，将1310nm光收端机端光纤取出，测试此时光功率并填入对应表格中。

⒍ 调节W101，减小驱动电流为下表中的数值，测试T123与地之间的电压，取出光纤测试光

功率，填入对应表格中。

⒎ 依次关闭各直流电源、交流电源，将K121接2，3脚，拆除导线，将实验箱还原

四、实验数据

五．思考题回答：

影响检测器响应度的指标有：量子效率和光谱特性，响应时间和频率特性，噪声；

实验二 模拟信号电--光、光--电传输实验

一、实验目的

⒈ 了解数字信号光纤传输系统的通信原理 ⒉ 掌握完整数字光纤通信系统的基本结构

二．实验原理

数字信号的光源驱动电路与模拟驱动电路原理有一定区别。半导体激光器是利用其在有源区中受激发射的器件，只有在工作电流超过阈值电流的情况下，才会输出激光（相干光），因而是有阈值的器件。图3-1为LD的P-I特性曲线及调制波形，图中的Ith为LD的阈值电流。由图可见调制LD光源器件发光必须是直本实验利用光纤对各种数字信号进行传输，以了解和熟悉光纤传输数字信号系统的组成。用双踪示波器观察光发模块与光接收模块各点的波形，并进行比较。数字信号有脉冲信号、NRZ码，CMI码。 流偏置电流Ib和信号电流（即调制电流Im）

的共同作用。

三、实验步骤

⒈ 用FC-FC光纤跳线将1310nm光发端机（1310nmT）与1310nm光收端机（1310nmR）连接起来，组成1310nm光纤传输系统。

⒉ 连接导线：数字信号源T504与光发模块T101连接，将数字信号源模块K511拨到上面。 ⒊ 将双刀三掷开关BM1、BM2和BM3分别拨到数字、1310nm和1310nm。

⒋ 接上交流电源线，开交流开关，再开直流开关K01，K02，五个发光二极管全亮。 ⒌ 接通数字信号源模块（K50）、光发模块（K10）的直流电源。 ⒍ 用万用表监控R110两端电压（红表笔插T103，黑表笔插T104），调节半导体激光器驱动电流（W101），使之小于25mA。

⒎ 调节电位器W121，使得TP121处波形幅度大于3.5V，用示波器观察TP101，TP102和TP121波形，观察数字信号光纤传输调制过程。

⒏ 将数字信号源模块K511接2，3脚（接1，2脚为64K伪随机码，2，3脚为256K伪随机码），观察各点波形变化。

⒐ 改变数字信号源模块拨码开关状态，观察各测试点波形变化。

⒑ 依次关闭各直流电源、交流电源，拆除导线，拆除各光学器件，将实验箱还原。

四．思考题回答：

对原始数字信号产生模块的信号进行各种不同方式的编码和译码，然后通过光纤传输（由发光二极管LED或注入型激光二极管ILD发出光信号沿光媒体传播，在另一端则有PIN或APD光电二极管作为检波器接收信号。对光载波的调制为移幅键控法，又称亮度调制（IntensityModulation）。典型的做法是在给定的频率下，以光的出现和消失来表示两个二进制数字。发光二极管LED和注入型激光二极管ILD的信号都可以用这种方法调制，PIN和ILD检波器直接响应亮度调制）在测试端口观测输出端的信号波形，并且比较发光二极管的数字驱动与半导体激光器数字驱动效果的异同。 在电路驱动上，数字驱动电路采用射极耦合驱动电路。所有数字信号先经过电平转换，进行直流偏置后直接幅度调制到激光器中。