鲁东大学物理与电子工程学院
近代物理实验
光纤即为光导纤维的简称。光纤通信是以光 波为载波，以光导纤维为传输媒质的一种通信 方式。 由发送电端机将待传送的模拟信号转换成数 字信号，再由发送光端机将电信号转换成相应 的光信号，并将它送入光纤中传输至接收端。 接收光端机将传来的光信号转换成相应的电信 号并进行放大，然后通过接收电端机恢复成原 来的模拟信号。本实验就是让学生熟悉了解音 频信号光纤传输的基本原理。
• 1．学习音频信号光纤传输系统的基本结 构及各部件选配原则。 • 2．熟悉光纤传输系统中电光/光电转换 器件的基本性能。 • 3．训练如何在音频光纤传输系统中获得 较好信号传输质量。
• TKGT－1型音频信号光纤传输实验仪 • 信号发生器 • 双踪示波器
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1 光纤通信原理 2 光信号发送端的工作原理 3 光信号接收端的工作原理 4 光纤传输特性指标 5 光纤通信的特点
• 常用的光探测器是半导体光电二极管PIN和 雪崩二极管。 • 半导体光电二极管PIN具有体积小，材料合 适、灵敏度高、响应速度快等特点，在光 纤通信系统中有着十分广泛的应用。其伏 安特性为 。其中I0为无光照时的反 向饱和电流，U为二极管的端电压（正向电 压为正，反向电压为负），q为电子电荷， k为波尔兹曼常数，T为温度（单位为K）， IL为无偏压状态下光照时的短路电流，与光 照时的光功率成正比。
• 光纤损耗：光纤的损耗是指光在光纤中传 播时，由于介质的吸收、散射和辐射等原 因，光强不可避免地要随着传播距离的增 加而减少。 • 光纤色散：光波信号在光纤中传输，或多 或少都会使光波信号波形展宽，发生失真， 这种现象说明光纤中存在色散。 • 数值孔径：它决定了能够在光纤中传播的 光束半孔径角的最大值，记作N.A.（numerical aperture）,定义为
LED偏置电流与无失真最大信号调 制幅度关系测定
• 将从信号发生器输入的正弦波频率设定在 1kHz，输入信号幅度调节电位器置于最大 位置，然后在LED偏置电流为5、10mA两 种情况下，调节信号源输出幅度，使其从 零开始增加，同时在接收端信号输出处观 察波形变化，直到波形出现截止现象时， 记录下电压波形的峰-峰值，由此确定LED 在不同偏置电流下光功率的最大调制幅度。
• 分别将方波信号和正弦波信号输入音频接 口，改变输入频率，从接收端观察输出波 形变化情况,在数字光纤传输系统中往往采 用方波来传输数字信号。
• 质量小，原材料资源丰富
• 其材料度只有铜的四分之一，节约稀有金属。
• 抗干扰性强、保密性好
• 不受高压电、雷电、电车线等电磁感应的影响和外界光频段的干扰，也易 于屏蔽。另外光纤材料化学稳定性高，适合在恶劣环境下和危险情况下使 用。
四、实验内容与步骤
1. 光纤传输系统静态电光/光电传输特性测定. 2. 光纤传输系统频响的测定 3. LED偏置电流与无失真最大信号调制幅度 关系的测定 4. 多种波形光纤传输实验 5. 音频信号光纤传输实验
光波属于电磁波的范畴，在均匀介质中传输时，其轨迹是 一条直线，当光射线射到两种介质交界面时，将发生反射和折 射。
• 由电磁场理论知道，反射和折射的基本规 律是由斯涅尔定律和菲涅尔公式来表示的。 • 下面我们以斯涅尔定律说明其物理概念。 • 斯涅尔定律主要包括以下两个关系式： • θ１＝θ１′ n１sinθ１＝n２sinθ２ • 产生全反射的条件是： • n2＞n1； ９０°＞θ１＞θc • 阶跃型光纤就是利用光波的全反射原理， 将光波限制在纤芯中向前传播。
• 频带宽、通信容量大
• 用电磁波传输信号，其容量大小与所用载波的频率有关。光波的频率很高 14 8 10 10 赫兹，比微波频率10 -10 要高几个数量级。同样取其频率的1%作带 宽，容量相差十万倍。
• 损耗低
• 同轴电缆线路内信号迅速衰减，每隔几公里就需要设一个中继站；而光纤 通信的中继站可增大到几十公里或几百公里。目前，单模光纤传输损耗在 1.31μm和1.55μm分别为0.35dB/km和0.2dB/km
• 在光纤应用中，常用的光源有：发光二极 管(LED)和激光二极管(LD)。 • 半导体激光器实质上是一个光波振荡器， 它具有振荡、反馈与放大作用。根据光纤 的特性通常选用长波长激光器，一般为 1310nm。它通常是由P型限制层与有源层 和N型限制层与有源层所组成的两个异质结。
图3
qU
I I 0 (1 e kT ) I L
图（5）
2 光信号发送端的工作原理
图（2）
发光强度
调制后的光信号强度 时间 时间 音频调制信号 静态驱动电流
图2 音频信号调制二极管的发光强度
静态驱动电流 静态驱动电流
• 系统低频响应不小于20赫兹，取决电阻、 电容网络。 • 系统高频响应不大于20千赫兹，取决于运 放电路的响应频率。 • 光纤通信的三个窗口波段：0.84 1.31 1.55微米（μm），窗口波段与光纤传输呈 现低损耗，与发光器件，光电检测器件的 峰值响应波段相匹配（本系统在0.8-0.9微 米）。
光纤传输系统静态电光/光电传输特 性测定
• 打开电源，面板上两个三位半数字表头分 别显示发送光驱动强度和接收光强度。调 节发送光强度电位器，每隔200单位（相当 于改变发光管驱动电流2mA）分别记录发 送光驱动强度数据与接收光强度数据，在 方格纸上绘制静态电光/光电传输特性曲线。
• 将输入选择开关打向外，在音频输入接口 上从信号发生器输入正弦波，将双踪示波 器的通道 1 和通道 2 分别接到输入正弦信 号和发送端音频信号输出端. 保持输入信号 的幅度不变，调节信号发生器频率，记录 信号变化时输出端信号幅度的变化，分别 测定系统的低频和高频截止频率。
图（1）
分析光纤的导光原理，一般可采用两种 方法：一是波动理论法，一是射线法。波 动理论法是根据电磁场理论，用麦氏方程 求解光纤的场方程、特征方程，根据解答 式分析其传输特性；射线法是将光波看成 是一条条几何射线，用光射线理论分析光 纤的传输特性。后者比较简单、直观。
光波在两介质交界面的反射和折射