音頻信號(hào)光纖傳輸技術(shù)實(shí)驗(yàn)五邑大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心2010.9什么是光纖通信光纖即為光導(dǎo)纖維的簡稱。光纖通信是以光波為載波，以光導(dǎo)纖維為傳輸媒質(zhì)的一種通信方式。由發(fā)送電端機(jī)將待傳送的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再由發(fā)送光端機(jī)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的光信號(hào)，并將它送入光纖中傳輸至接收端。接收光端機(jī)將傳來的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)并進(jìn)行放大，然后通過接收電端機(jī)恢復(fù)成原來的模擬信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)就是讓學(xué)生熟悉了解音頻信號(hào)光纖傳輸?shù)幕驹?。一、?shí)驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)習(xí)音頻信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及各部件選配原則。2、熟悉光纖傳輸系統(tǒng)中電光/光電轉(zhuǎn)換器件的基本性能。3、訓(xùn)練如何在音頻光纖傳輸系統(tǒng)中獲得較好信號(hào)傳輸質(zhì)量。二、實(shí)驗(yàn)原理1、光纖通信原理2、光信號(hào)發(fā)送端的工作原理3、光信號(hào)接收端的工作原理4、光纖傳輸特性指標(biāo)5、光纖通信的特點(diǎn)1、光纖通信原理由發(fā)送電端機(jī)將待傳送的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再由發(fā)送光端機(jī)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的光信號(hào)，并將它送入光纖中傳輸至接收端。接收光端機(jī)將傳來的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)并進(jìn)行放大，然后通過接收電端機(jī)恢復(fù)成原來的模擬信號(hào)。光波如何在光纖中傳播分析光纖的導(dǎo)光原理，一般可采用兩種方法：方法一、波動(dòng)理論法：波動(dòng)理論法是根據(jù)電磁場(chǎng)理論，用麥?zhǔn)戏匠糖蠼夤饫w的場(chǎng)方程、特征方程，根據(jù)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(zhì)交界面的反射和折射光波屬于電磁波的范疇，在均勻介質(zhì)中傳輸時(shí)，其軌跡是一條直線，當(dāng)光射線射到兩種介質(zhì)交界面時(shí)，將發(fā)生反射和折射。反射定律與全反射由電磁場(chǎng)理論知道，反射和折射的基本規(guī)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(gè)關(guān)系式：

θ１＝θ１′n１sinθ１＝n２sinθ２產(chǎn)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(shù)值孔徑圖（5）光線1在孔徑范圍內(nèi)，可以通過全反射進(jìn)行傳播，而光線2則超出了孔徑范圍，沒有發(fā)生全反射，而是發(fā)生了折射，能量衰減很快。2光信號(hào)發(fā)送端的工作原理音頻信號(hào)調(diào)制二極管的發(fā)光強(qiáng)度系統(tǒng)低頻響應(yīng)不小于20赫茲，取決電阻、電容網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)高頻響應(yīng)不大于20千赫茲，取決于運(yùn)放電路的響應(yīng)頻率。光纖通信的三個(gè)窗口波段：0.841.311.55微米（μm），窗口波段與光纖傳輸呈現(xiàn)低損耗，與發(fā)光器件，光電檢測(cè)器件的峰值響應(yīng)波段相匹配（本系統(tǒng)在0.8-0.9微米）。在光纖應(yīng)用中，常用的光源有：發(fā)光二極管(LED)和激光二極管(LD)。半導(dǎo)體激光器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)光波振蕩器，它具有振蕩、反饋與放大作用。根據(jù)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(gè)異質(zhì)結(jié)。3光信號(hào)接收端的工作原理圖3常用的光探測(cè)器是半導(dǎo)體光電二極管PIN和雪崩二極管。半導(dǎo)體光電二極管PIN具有體積小，材料合適、靈敏度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，在光纖通信系統(tǒng)中有著十分廣泛的應(yīng)用。其伏安特性為。其中I0為無光照時(shí)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(fù)），q為電子電荷，k為波爾茲曼常數(shù)，T為溫度（單位為K），IL為無偏壓狀態(tài)下光照時(shí)的短路電流，與光照時(shí)的光功率成正比。4光纖傳輸特性指標(biāo)光纖損耗：光纖的損耗是指光在光纖中傳播時(shí)，由于介質(zhì)的吸收、散射和輻射等原因，光強(qiáng)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(hào)在光纖中傳輸，或多或少都會(huì)使光波信號(hào)波形展寬，發(fā)生失真，這種現(xiàn)象說明光纖中存在色散。數(shù)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(diǎn)頻帶寬、通信容量大用電磁波傳輸信號(hào)，其容量大小與所用載波的頻率有關(guān)。光波的頻率很高1014赫茲，比微波頻率108-1010要高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。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(nèi)信號(hào)迅速衰減，每隔幾公里就需要設(shè)一個(gè)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(zhì)量小，原材料資源豐富其材料密度只有銅的四分之一，節(jié)約稀有金屬。抗干擾性強(qiáng)、保密性好不受高壓電、雷電、電車線等電磁感應(yīng)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(xué)穩(wěn)定性高，適合在惡劣環(huán)境下和危險(xiǎn)情況下使用。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、光纖傳輸系統(tǒng)靜態(tài)電光/光電傳輸特性測(cè)定在沒有音頻信號(hào)輸入的情況下，人為地改變發(fā)送光強(qiáng)度（每次改變可以認(rèn)為加入一個(gè)直流信號(hào)），測(cè)量接收光的強(qiáng)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(tǒng)的最佳工作點(diǎn)（發(fā)光二極管的靜態(tài)工作電流）應(yīng)選在什么位置。2、LED偏置電流與無失真最大信號(hào)調(diào)制幅度關(guān)系測(cè)定以頻率1kHz的正弦波為輸入信號(hào)，分別選擇發(fā)光二極管的偏置電流（即靜態(tài)工作點(diǎn)）為5mA和10mA兩種情況下，調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的幅度，使其從零開始增加，同時(shí)在接收端信號(hào)輸出處觀察波形變化，直到波形出現(xiàn)截止現(xiàn)象時(shí)，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(diào)制幅度。無失真截止失真飽和失真3、光纖傳輸系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性的測(cè)定相同工作點(diǎn)下，如果輸入信號(hào)的頻率不同，輸出信號(hào)的幅度也可能不同，這就是系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性。一般定義當(dāng)固定輸入信號(hào)的幅度不變，而改變其頻率時(shí)，輸出信號(hào)的幅度相對(duì)于最大值Um下降到0.707Um所對(duì)應(yīng)的頻率范