2012光纤实验指导书

光纤通信实验指导书

《光纤通信》 教学实验指导书

山东大学信息学院 光电材料与器件所

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光纤通信实验指导书

目 录

实验一 光发送模块实验 3 实验二 光接收模块实验 8 实验三 电话语音光传输系统实验 13 实验四 光纤传输特性及光纤无源器件特性测量实验 16 实验五 图像光纤传输系统实验 实验六 波分复用（WDM）光纤通信系统实验 常用光纤通信仪表简介 - - 2 - - 22 24 29

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实验一

一、 基本原理

光发送模块实验

要实现光纤通信需要将输入的电信号加载到光源的发射光束上变成光信号，送入光纤才能实现通信，这些功能由光发送机来完成。 1、 光源的调制

将电信号转变为光信号的方式通常有两种：直接调制和间接调制。直接调制方法适用于半导体光源，如半导体激光器或半导体发光二极管，它将要传送的信息转变为电流信号注入光源，获得相应的光信号输出，输出光波电场幅值的平方与调制信号成比例，是一种光强度调制（IM），如下图所示。间接调制是利用晶体的电光、磁光和声光效应等性质对光辐射进行调制，既适用于半导体光源，又适用于其他类型的光源。间接调制最常用的是外调制的方法，它的特点是光源本身不被调制，但当光源射出以后在其传输的通道上被一只调制器调制。

直接调制技术具有简单、经济和容易实现等优点，由于光源的输出光功率基本上与注入电流成正比，因此调制电流变化转化为光频调制是一种线性调制。按调制信号的形式，光调制可分为模拟信号调制和数字信号调制两种。模拟信号调制是直接用连续的模拟信号（如话音和视频信号）对光源进行调制，如图 (a)所示，连续的模拟信号电流叠加在直流偏置电流上。数字信号调制主要是指PCM编码调制，先将连续的模拟信号通过取样、量化和编码，转换成一组二进制脉冲代码。

光发送机的设计应满足系统所提出的技术要求，主要有：

(1) 稳定的合适的输出功率。输出功率通常指耦合进光纤的光功率，即入纤功率，根据不同的系统要求，通常在0.01~5mW范围内，并要求在环境温度变化或器件老化过程中，输出的光功率要保持恒定。

(2) 光源的发光波长要合适，由于目前使用的光纤有三个低损耗窗口，分别为0.85μm、1.30μm、1.55μm，因此，光发送机发出的光波波长应与这三个波长相适应。

(3) 较好的消光比，光脉冲的断通功率比或称消光比EXT=Poff／Pon，是指激光器在全“0”码时发送的功率与全“1”码时发送的功率之比，为保证接收机灵敏度不受或少受影响，消光比应尽量小，一般应小于0.1

(4) 输出光脉冲的上升时间、下降时间和延滞时间应尽量短。 (5) 应尽量抑制弛豫效应。

2、 光源的驱动电路

光源注入偏置电流和调制电流，就能发射光，光源接上驱动电路就构成了光发送机的主体部分。根据光源种类（LED和LD）和调制方式（模拟和数字）的不同，驱动电路也是不

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同的。通常所说的驱动电路实际上应提供恒定的偏置电流和调制信号，并采用伺服回路以保持平均光功率恒定不变，主要由调制电路和控制电路两部分组成。控制电路的作用是消除温度变化和光源器件老化导致的输出光信号的变化。目前主要有自动温度控制（ATC）和自动功率控制（APC）两种控制电路。 3、 光源与光纤的耦合

怎样将光源发射的光信号功率有效耦合进光纤是光发送机设计的另一个问题。实际光发送机中，光源与光纤耦合的有效程度都用耦合效率或耦合损耗来表示，其大小取决于光源和光纤的类型，LED与单模光纤的耦合效率小于1%，其耦合效率的典型值为30~50%。下图给出了面发光二极管、边发光二极管和半导体激光器与光纤耦合效率及损耗的比较。

影响光源与光纤耦合效率的主要因素是光源的发散角和光纤的数值孔径（NA）发散角大，耦合效率低；NA大，耦合效率高。此外，光源发光面、光纤端面尺寸、形状及二者间间距也都直接影响耦合效率。针对不同的因素，通常采用两类方法来实现光源与光纤的耦合，即直接耦合法和透镜耦合法。

最后要指出，在光发送机设计中必须考虑激光器的稳定性问题，因为半导体激光器对光反馈极其敏感，很容易破坏激光器稳定性，影响系统性能，因此需要采取抗反馈措施，大多数光发送机中，采取在激光器与光纤之间接入光隔离器的方法，达到提高系统性能的要求。 4、 电路组成原理及光器件特性

在光纤通信系统中，在设计光发送模块时，应尽量提高电光转换效率，减小其工作时动态阻值，提供适当的工作电流。无论是1310nm或1550nm波长的光器件，其发送电路都是一样，下面对电路组成原理及光器件特性进行分析： A、 信号切换电路

该部分的原理方框图及电路原理图分别如图1-1和图1-2所示。

控制开关 模拟 信号 切换光发 光纤 电路 模块 数字 信号 图1-1 信号切换电路原理框图

本电路完成光发送模块的输入信号的切换，即模拟信号与数字信号的切换。图1-1中各

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单元与图1-2中元器件的对应关系如下：

? 控制开关 S1：拨位开关 ? 切换开关 K5：双刀双掷继电器 ? 光发模块 D18：PHLC_XXP激光器件

图1-2 信号切换电路原理图

? 切换开关为图1-2中的K5，当K5未吸合时，传送的为模拟信号，吸合时，传送

的为数字信号。

? 控制开关为图中的S1，当S1接通时，K5吸合。

在电路中，开关K5为模块的电源开关。开关S1用来完成对模拟信号及数字信号之间的切换，主要是通过继电器K5来完成切换动作。

B、 器件特性

1310nm/1550 nm FP Receptacle Laser Diode（1310nm/1550 nm FP腔同轴激光二极管）

特点： ★ MQW结构1310nm/1550nm FP腔激光二极管 ★ -40°C 至 85°C工作温度 ★ 高工作温度，无需制冷器 ★ 内置背光检测激光二极管 应用

★SONET OC-3/OC-12或SDH STM-1/STM-4 ★ 稳定光源

★ 置入损耗测量表

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光电特性 Parameter 参数 Central Wavelength 中心波长 Spectral Width RMS 谱线宽度 Threshold Current 阈值电流 Optical power 输出功率 output Symbol 符号 λ △λ lth P。 Min 最小值 1280 1520 0.2 Typ 典型值 1310 1550 2 8 0.6 Max. 最大值 1340 1580 5 15 1.2 Unit 单位 nm nm mA mW Test condition 工作温度 CW,Po CW,Po If=Ith+20mA Forward Voltage 正向电压 Rise Time/Fall Time 上升/下降时间 Monitor Current 监视器电流 Monitor Current 暗电流 Dark Vf tr/tf Im Id 0.2 1.2 0.3 1 1.6 0.5 10 V ns mA nA CW,P。 P。，Ibias=Ith，10%-90% P。=0.2mW，Vrp=5V Vrp=5V

额定极限值（Tc=25°C） Parameter 参数 LD Forward Current LD 正向电流 LD Reverse Voltage LD 反向电压 PD Reverse Voltage PD 反向电压 PD Reverse Current PD 反向电流 OperatingTemperature 工作温度 Storage Temperature 存储温度 Lead Soldering Temp. 管脚焊接温度 Lead Soldering Time 管脚焊接时间

C、 基本测量点与信号调节

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Symbol 符号 If Vr Vrp Irp Topr Tstg Stemp Stime Min 最小值 -40 -40 Typ 典型值 100 2 15 2 260 10 Max. 最大值 +85 +100 Unit 单位 mA V V mA °C °C °C s 光纤通信实验指导书

（1）光发射电流的测量：跳线J8为光发射二极管的发射电流测量点，平时J8处于短接状态，当要测量电流时，将跳线帽取下，串入一个电流表即可。

（2）输入信号的衰减：对于模拟信号，模块对信号的要求是其幅度小于等于1Vp-p，当幅度过大时，就会造成信号失真。电阻R86为输入模拟信号的衰减调节，即调节输入模拟信号的幅度，使其在1Vp-p的范围内。

（3）光发射电流的调节：R95为光发射电流调节电阻，调节该电阻即可调节整机的光发射电流，在全范围内调节该电阻都不会对光发射二极管造成损坏。对于本实验电路，其最佳光发射电流为18mA左右(该值为参考数据)。

二、 实验目的

1、 了解光源的发光特性，掌握光发送模块所完成的电→光变换原理。 2、 了解模拟光发送和数字光发送的区别。

三、 预习要求

预习有关光发送机原理，光功率计及误码分析仪的使用。

四、 实验内容

1、 用分别示波器观察数字信号和模拟信号光传输的各点波形。 2、 通过电原理测量并计算出半导体光源的驱动电流。

3、 用光功率计测出光源的入纤光功率，多测几点并画出功率和注入电流的关系曲线。 4、 在绘出的曲线上求出光源的调制度。 5、 用示波器观察光源的非线性失真。

五、 实验步骤

1310nm光纤模块部分：

1、 熟悉光发模块工作原理及结构组成，了解半导体激光器件的性能及在操作注意事项。 2、 打开系统电源，观察电源指示灯是否正常。用示波器检测数字信号源的BS输出是否正

常；用示波器检测正弦信号的输出OUT1 和OUT2是否正常。输出波形如图1-3所示。

可调正弦信号源OUT2单元 SINE WAVE点 可调正弦信号源OUT1单元 SINE WAVE点 数字信号源单元BS点 图1-3本实验所用信号波形 3、 关闭系统电源，用导线把数字信号源的BS输出端与光发送模块的DIGITAL_IN相连接，

用示波器观测各关键测试点的波形：DIGITAL_IN端口、J8（I_measure）。检查光发送模块的切换开关S1是否拨向数字状态，同时检查模块电源开关（POWER SWITCH）是否处于打开状态，接通系统电源，用示波器观察J8波形及电压，是否处于正常状态（正常状态时，此点波形应该与输入点波形同相，且幅度变小）。其中数字输入端口为T2输入信号的波形，J8为进入激光器前的驱动信号波形。参见图1-4数字信号发送波形检测。

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检测点 波形 数字信号源单元BS点 1310nm光纤收发模块I_measure J8点 图1-4 数字信号发送波形检测 注意：在测试1310nm光纤收发模块I_measure J8点时，请勿将短路子拔出。测注入电流时，将短路子拔出，用万用表的两个表笔短路I_measure J8点的两根铜柱。

4、 用光功率计测量光纤输出光的功率：调节可调电阻R95，改变注入电流，观察光功率计

的变化。将光纤慢慢从激光器件中抽出，观察光功率计的变化。

5、 关闭系统电源，用实验导线把正弦信号源的任一输出端与光发送模块的模拟输入端T1

相连接，用示波器观测各关键测试点的波形：模拟输入端口T1、J8。其中模拟输入端口T1为输入信号的波形， J8为进入激光器前的驱动信号波形。调节R86以改变输入模拟信号的衰减，使其进入光发模块的幅度达到合适值，防止信号饱和失真，在调节的同时用示波器观察J8上的波形，直至波形不失真为止。参见图1-5模拟信号发送波形检测。

检测点 可调正弦信号源OUT1单元SINE WAVE点 电压幅值单位 2V左右 波形 1310光纤收发 200mV模块I-measure 左右 J8点 图1-5 模拟信号发送波形检测 6、 重复第四步的操作。调节R95和R86，观察光功率计的变化。总结输入信号幅度的大小

及注入电流对光功率的影响。

7、 更换输入模拟信号的波形，重复第五步的操作。

对于1550nm光纤模块部分的实验与1310nm部分相同。

五、实验报告要求

1、 整理实验记录，画出相应的信号波形。

2、 通过光功率计测出光源的光功率，多测几点，画出输入轴功率和注入电流的关系曲线，

并写出曲线说明的内容。

3、 在绘出的曲线上求出光源的调制度。

4、 用示波器观察光源的非线性失真，并对其进行解释。

六、实验仪器

数字存储示波器，光功率计

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实验二

一、 基本原理

光接收模块实验

1、光接收机的基本原理

光接收机是光纤通信系统的重要组成部分，其作用是将光信号转换回电信号，恢复光载波所携带的原信号。光接收机通常由光检测器、前置放大器、主放大器和滤波器等组成，在数字光接收机中，还要增加判决、时钟提取和自动增益控制（AGC）等电路。下图为直接强度调制（IM）的数字光信号直接检测（DD）光接收机的组成框图。

在光接收机中，首先由光电检测器（光电二极管或雪崩光电二极管），对光信号解调，将光信号转换为电信号。光电检测器的输出电流信号很小，必须由低噪声前置放大器进行放大。光电检测器和前置放大器构成光接收机的前端。主放大器与均衡滤波器构成接收机的线形通道，对信号进行高增益放大与整形。判决器和时钟恢复电路对信号进行再生。如果在发送端进行了线路编码，在接收端则应有相应的译码电路。

光接收机性能优劣的主要技术指标是接收灵敏度、误码率或信噪比、带宽和动态范围。降低输入端噪声、提高灵敏度、降低误码率是光接收机理论的中心问题。 ——误码率——

数字光波系统的性能用误码率（BER）衡量。尽管误码率可简单直观低定义为每秒产生的误码数，但这种定义使BER依赖于比特率。通常将BER定义为错误识别比特的平均几率，这样10-6的BER相当于平均每百万位出现一个误码。大多数光波系统都要求BER≤10-9，有些系统甚至要求低至BER<10-14。 ——接收机灵敏度——

确定接收机性能的一个重要参数是接收机灵敏度，它通常定义为在接收机BER≤10-9

的条件下，所要求的最小平均接收光功率。接收机灵敏度取决于信噪比，亦即取决于干扰接收信号的各种噪声源。即使对理想的接收机，光电检测过程自身也会引入一些噪声，它称为量子噪声或散粒噪声，是由电子的粒子性造成的，工作在散粒噪声限制的光接收机称为量子噪声限制接收机。实际接收机都不可能工作在量子噪声限制下，有许多其他噪声源将信噪比降低到了远低于量子噪声限制。这些噪声源包括来自接收机内部的热噪声和放大器噪声，来自光发送机的强度和相位噪声，还起源于光源的自发辐射过程，来自光信号在光纤传输过程过程中出现的由色散引起的码间干扰，模分配噪声及非线性效应引起的干扰等。接收机灵敏度取决于所有可能的噪声机制影响的累加。 ——动态范围——

接收机正常工作时，信号不能太弱，否则会造成过大的误码，但也不能太强，否则将会使接收机放大器过载而造成失真等问题。因此，光接收机正常工作时，光信号应有一个范围，这个范围就称为光接收机的动态范围。之所以要求光接收机有一个动态范围，是因为当环境温度变化时，光纤的损耗将产生变化；随着时间的增长，光源输出光功率也将变化。显然，一台质量好的接收机应有较宽的动态范围。

2、实验系统的电路

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光接收电路主要完成光电信号的转换，小信号的检测与信号的恢复放大等功能。它主要由光检测模块、滤波放大两模块组成，其结构框图如图2-1所示。

光纤 图2-1 光接收电路结构框图

1、 光检测模块

光检测模块PHPC-1S01-PFC将获得的光信号转变成微弱的模拟电信号，经内部低噪声放大后缓冲输出，输出可从DC到1GHz。

（1） 性能参数

PHPC-1S01-PFC的各种性能参数分别如表2-1、表2-2所示。

表2-1 PHPC-1S01-PFC接收器绝对参数 参数名称 贮藏温度 工作温度 焊接温度 焊接时间 信号脚电压 电源电压 输出电流

表2-2 PHPC-1S01-PFC接收器电/光、动态性能

参数名称 响应度 中心波长 暗电流 代号 RP λ Id 最小值 0.8 1100 - - - - - - - 典型值 0.85 1 - 0．1 最大值 - 1600 10 75 - 0．75 30 单位 A/W nm nA mW uM ns pF V - Vr=-5V，25℃ Vr=-5V - RL=50Ohm Vr=-5V - 条件 λp=1310nm 代号 TS TA VO VCC-VEE IO 最小值 -40 -40 -0.5 -0.5 最大值 85 85 260 10 VCC 6.0 25 单位 ℃ ℃ ℃ 秒 V V mA 光检测模块 隔离电路 主信号放大电路 输出端口 饱和光功率 P 光敏面直径 φ 响应时间 电容 反向电压

Tr/Tf C 二、 实验目的

1、 了解光检测器的光→电变换原理。 2、 了解光接收电路的功能。

3、 掌握光接收机的动态范围的概念。

三、 预习要求

1、 阅读光纤通信系统原理有关光检测器和光接收机的内容； 2、 预习光功率仪、误码分析仪的使用说明。

四、 实验内容

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1、 用示波器观察光接收电路输出点的波形。 2、 检测光接收机的灵敏度、误码率及动态范围。

五、 实验步骤

光纤模块使用1310nm单元

1、 将光跳线一端插入激光器件端口，另一端插入光功率计接口。安装光跳线时请注意光纤

接头处的突出卡片和光纤连接器上的凹槽的良好接触。

2、 熟悉光接收模块的工作原理及结构组成，了解半导体激光器件PHPC-1S01-PFC的性能

及在操作上应注意的事项。

3、 打开系统电源，观察电源指示灯是否正常。用示波器检测数字信号源的BS输出是否正

常；用示波器检测标准正弦信号的输出OUT1 和OUT2是否正常。输出波形见图2-2本实验所用输入信号波形。 OUT2 OUT1 BS 图2-2本实验所用输入信号波形 4、 系统电源，按下表接线，将信号切换开关拨向数字端(即拨动开关S1拨到数字端)。 模块 数字信号源单元 1310nm光纤收发模块下方 连接点 BS OUT 1310 nm TX 连接方式 导线 光纤 连接点 DIGITAL T2 1310 nm RX 模块 1310nm光纤收发模块光发送输入单元 1310nm光纤收发模块下方 注意：做此实验时，请将1310nm光纤收发模块的转换开关S1均拨到数字端。表中所指“1310nm光纤收发模块下方”的“1310 nm TX”和“1310 nm RX”这两个连接点位置在实验箱面板上左上区域，有两个已固定好的法兰盘，在其右边做了标注，包含以上两个标注。

5、 开启系统电源，用示波器观察接收电路数字输出端口的波形，并与光发端输入波形相比

较。波形比较见图2-3 BS码在光纤传输前后的波形。

6、 R18近字符端引脚为PHPC-1S01-PFC的输出测试点，用示波器测量电压的幅度，同时

将光纤从模块的ST接口中慢慢拔出，观察示波器的电压变化。在把光纤从模块的ST接口中拔出的过程中，1310nm光纤收发模块光接收输出单元的ANALOG的T4点波形的电压幅值渐渐变小。

7、 关闭电源，将模拟信号输入到光发模块，将信号切换开关拨向模拟端(即拨动开关S1拨

到模拟端)，接通电源，接线表如下。实验中各点的波形参见图2-4 模拟信号传输各点波形。

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模块 可调正弦信号源OUT2单元 1310nm光纤收发模块下方 检测点 连接点 SINE WAVE点 1310 nm TX 连接方式 导线 光纤 连接点 ANALOG T1点 1310 nm RX 波形 模块 1310nm光纤收发模块光接受输出单元 1310nm光纤收发模块下方 数字信号源单元BS点 1310nm光纤收发模块接收数字输出单元T4点 图2-3 BS码在光纤传输前后的波形

检测点 波形 可调正弦信号源OUT2单元SINE WAVE点 1310nm光纤收发模块光接受输出单元 模拟输出T4点 1310nm光纤收发模块光接受输出单元R97非字符端下引脚 图2-4 模拟信号传输各点波形

8、 将输出端口的波形与R28非字符端引脚的波形比较，可计算出模拟通道电路的放大倍

数。见图2-4模拟信号传输各点波形。 9、 将输出接入误码测试仪，观察误码。

10、光纤长度加长至出现误码，此时，光纤的长度为收发之间的最大距离，测量光纤输出的光功率，则为接收机的灵敏度。

对于1550nm光纤模块部分的实验与1310nm部分相同。

五、实验报告

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1、整理实验记录，画出相应信号的波形。

2、总结出动态范围的测试方法，如有条件，测出本套系统的光收器件的动态范围。 3、总结出灵敏度的测试方法，如有条件，测出本套系统的光收器件的灵敏度。

六、实验仪器

数字存储示波器，光功率计

七、讨论

1、 试说明光接收机前置放大器和主放大器功能的区别。 2、 影响光接收机所接收光信号强度变化的因素有那些？

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实验三

电话语音光传输系统实验

一、 目的

1、 掌握数字/模拟光纤系统的通信原理。 2、 掌握各种数字/模拟信号的传输机理。 3、 掌握电话光纤通信的方法。 4、 掌握电话全双工光纤通信的方法

二、 实验内容

1、 用示波器观察各传输信号的波形。 2、 原始语音信号的光纤传送。

3、 语音信号的不同编码方式的光纤传送。

三、基本原理

声音信号与我们前面所用到的模拟信号一样，也可以用光纤来直接传输或经过编码以后再进行传输，所以我们要进行光纤传输的信号是模拟信号或是数字信号，对于这些信号的传输方法我们在前面的实验中都已经进行了详细的说明，在这里我们不再细述。

在实验系统中，共有两个电话机接口，其电路原理图如图所示，其中：TX为话音信号的输出；RX为话音信号的输入；发光二极管为摘机指示；J1（PHONE）为电话机接线座。当电话摘机时，发光二极管亮，此时，电话机听筒的拾音器所得到的话音信号从TX端输出，外部的话音信号从RX端输入，最后在电话机听筒的扬音器中还原。（注：由于产品设计的目的是属于验证性的，所以在信号处理方面不再采用实际应用中的特殊处理规模，从而实验结果是与实际电话通话有一定的差别。）

? 单路话音信号的传输

单路原始话音信号的光纤传输

经PCM编译码的单路话音信号光纤传输

? 两路话音信号完成全双工光纤通信

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全双工话音信号的模拟双光纤传输

四、实验步骤

1310nm光纤模块实验： 1. 认真阅读光器件操作说明。

2. 熟悉光发送模块和光接收模块的工作原理及结构组成，了解半导体激光器件

PHLC-XXX-R和PHPC-1S01-PFC性能及在操作上应注意的事项。 3. 打开系统电源，观察电源指示灯是否正常。关闭系统电源。

全双工话音信号的模拟双光纤传输的接线表如下。 模块 电话接口模块1 1310nm光纤收发模块光接收输出单元 1310nm光纤收发模块下方 电话接口模块2 1550nm光纤收发模块光接收输出单元 1550nm光纤收发模块上方 连接点 TX 模拟输出 T3 1310 nm TX TX 模拟输出T3 1550nm TX 连接方式 导线 导线 光纤 导线 导线 光纤 连接点 模拟输入 T1 RX 1310 nm RX 模拟输入T1 RX 1550nm RX 模块 1310nm光纤收发模块光发送输入单元 电话接口模块2 1310nm光纤收发模块下方 1550nm光纤收发模块光发送输入单元 电话接口模块1 1550nm光纤收发模块上方 注意：做此实验时，请将1310nm光纤收发模块和1550nm光纤收发模块的转换开关S1均拨到A端。

以上实验在连线后，需要接2个电话。电话的接口端子在电话接口单元的左侧，有两组接线端子（标注为“电话一”、“电话二”）可接两个电话。每组接线端有两个接线端子，与配套电话的电话线的两个卡片相连，用螺丝刀拧紧。以上实验在接线表中所指“1310nm光纤收发模块下方”的“1310 nm TX”和“1310 nm RX”，“1550nm光纤收发模块上方”的“1550nm TX”和“1550nm RX”这四个连接点位置在实验箱面板上右边的中部区域，有四个已固定好的法兰盘，在其右边做了标注，即以上四个标注。

六、

实验仪器

1、 数字存储示波器 2、 光功率计

3、 波分复用器（可选）

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一、

实验四 光纤传输特性及光纤无源器件特性测量实验 基本原理

1、光纤的结构与分类

光纤有不同的结构形式，目前通信用的光纤绝大多数是用石英材料做成的横截面积很小的双层同心玻璃体，外层玻璃的折射率比内层稍低。折射率高的中心部分叫做纤芯。

按照折射率分布、传输模式多少、材料成分等的不同，光纤可分为很多种类，下面将有代表性的几种，简单介绍一下：

(1) 按照折射率分布来分：

一般分为阶跃型光纤和渐变型光纤两种。 如果纤芯折射率n1沿半径方向保持一定，包层折射率n2沿半径方向也保持一定，而且纤芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤，称为阶跃型光纤，又可称为均匀光纤，其结构如下图所示。

如果纤芯折射率n1随着半径加大而逐渐减小，而包层折射率n2是均匀的，这种光纤称为渐变型光纤，又可称为非均匀光纤，其结构如图所示。

(2) 按照传输模式的多少来分：

所谓模式，实际上是电磁场的一种场型结构分布形式，模式不同，其场型结构不同。根据光纤中传输模式的数量，可分为单模光纤和多模光纤。

光纤中只传输单一模式时，叫做单模光纤。单模光纤的纤芯直径较小，约为4~10μm，通常，纤芯中折射率的分布是均匀分布的。由于单模光纤只传输基模，从而完全避免了模式色散，使传输带宽大大加宽，因此它适用于大容量、长距离的光纤通信。

在一定的工作波长下，可以传输多种模式的介质波导，称为多模光纤，其纤芯可以采用阶跃折射率分布，也可以采用渐进折射率分布，多模光纤的纤芯直径约为50μm，由于模色散的存在使多模光纤的带宽变窄，但其制造、耦合、连接都比单模光纤容易。

(3)按光纤的材料分：一般有石英系光纤；石英芯、塑料包层光纤；多成分玻璃光纤；塑料光纤。

2、 光纤的损耗特性

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光纤的传输损耗是光纤通信系统中一个非常重要的问题，低损耗是实现远距离光纤通信的前提，形成光纤损耗的原因很多，归纳起来主要包括两大类：吸收损耗和散射损耗。

(1)吸收损耗：吸收损耗是光波通过光纤材料时，有一部分光能变成了热能，从而造成光功率的损失。造成吸收损耗的原因很多，但都与光纤材料有关，主要包括本征吸收和杂质吸收。

本征吸收是光纤基本材料固有的吸收，并不是杂质或缺陷引起的，因此本征吸收基本上确定了任何特定材料的吸收的下限。

杂质吸收是由光纤材料的不纯净而造成的附加的吸收损耗，影响最严重的是：过渡金属离子吸收和水的氢氧根离子吸收。

(3)散射损耗：由于光纤的材料、形状、折射指数分布等的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光散射而产生的损耗称为散射损耗。 3、 光纤的色散特性

光纤色散是光纤通信的另一个重要的特性，光纤的色散会使输入脉冲在传输过程中展宽，产生码间干扰，增加误码率，这样就限制了通信容量。

信号在光纤中是由不同的频率成分和不同的模式成分携带的，这些不同的频率成分和模式成分有不同的传播速度，从而引起色散。也可以从波形在时间上展宽的角度来理解，即光脉冲在通过光纤传播期间，其波形在时间上发生了展宽，这种现象就称为色散。

光纤色散包括材料色散、波导色散和模式色散。前两种色散是由于信号不是单一频率而引起的，后一种色散是由于信号不是单一模式所引起的。各种色散在不同的情况下，有不同的重要性，对于单模光纤来说，主要是材料色散和波导色散；而对于多模光纤来说，模式色散占主要地位。由于单模光纤中只有基模传输，因此不存在模式色散，只有材料色散和波导色散。而在多模光纤中，一般模式色散占主要地位。 4、 光纤测量的注入条件

当光耦合进多模光纤时，会激励起很多模式，这些模式携带的能量各不相同，传输时的损耗也不相同，而且由于光纤的弯曲及结构的不均匀性等原因，使得各模式之间发生能量转换，经过相当长的一段距离后，最终损耗较小的低阶模将携带较大光功率，而损耗较大的高阶模将携带较小的光功率，于是各个模式携带和传送的光功率达到稳定，此时称为稳态模分布，因此对于多模光纤各参数的测量，只有在它达到稳态模分布之后才有意义。

能使多模光纤达到稳态模分布的注入条件有两种方式，分别为满注入和限制注入，所谓满注入就是要均匀地激起所有的传导模式，而限制注入就是只激励起较低的低阶模，而适当的抑制损耗较大的高阶模。当测量光纤的损耗时，采用限制注入方式，因为损耗较大的高阶模的注入，会由于被测光纤长度的不同而使输出光功率不同，从而产生测量误差。当测量光纤的色散时，则采用满注入方式，因为色散的测量是由光脉冲通过光纤传输后脉冲时间的展宽来确定的。

要达到稳态分布，需要在光纤中传输很长的距离之后才行，这给测量带来很多麻烦，根据模耦合原理，采用强烈的几何扰动的方法，就能使多模光纤中各模式迅速达到稳态分布，这种器件称为扰模器。

单模光纤只传输基模一个模式，没有多模光纤中的稳态模分布的问题，所以它的注入条件只需能够激励起基模就行，所以它不需要扰模器。 5、 光纤损耗的测量方法

光纤衰减系数的测量方法以截断法为基准法，插入法和后项散射法为替代法。后向散射法具有非破坏性和可单端测试的特点。

后向散射法测量原理如下：

如果在光纤的输入端射入一个强的光窄脉冲，这个光窄脉冲在光纤内传输时，由于光纤

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内部的不均匀性将产生瑞利散射（当然，遇到光纤接头甚至断点也要产生散射），这种散射光有一部分沿光纤返回，向输入端传输，这种连续不断向输入端传输的散射光称为后向散射光，靠近输入端的光波传输损耗少，散射回来的信号就强，离输入端远的地方光波传输损耗大，散射回来的信号就弱。通常依据这种原理进行的损耗测量是由光时域反射计（OTDR）来完成。

6、 多模光纤的带宽及测量方法

假设光纤输入、输出端脉冲波形都近似为高斯分布，如下图所示，图中(a)是输入光脉冲波形，幅度为A1，A1/2对应的宽度Δτ1为此脉冲宽度。(b)是输出光脉冲波形，幅度为A2，A2/2对应的宽度Δτ2为此脉冲宽度。脉冲通过光纤后的展宽Δτ与其输入、输出波形展宽 Δτ1、Δτ2的关系为：

???(??2)2?(??1)2 系统设计经常用到的光纤的基带带宽B和脉冲展宽Δτ的关系为：

B=441/Δτ

式中，B的单位为MHz，Δτ的单位为ns，可见知道Δτ后，根据上式即可求得光纤的带宽。

对应的测量方法分别为时域法和频域法。

7、 光纤传输系统互连技术与器件

一条完整的光通信线路，除了要采用光纤光缆、光发送机、中继器和光接收机等基本设备外，还需要许多配套的功能部件以实现系统各组成间信道的互通、分路/合路、复用/解复用、光路转换、波长/频率选择、功率控制、噪声滤除、反向隔离、偏振选择控制等功能，这些功能部件统称为光无源器件，以区别于激光器与光放大器等光有源器件。

Y型分路器 星型耦合器

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波分复用器

光无源器件有很多种类，主要有光纤连接器、光纤耦合器、光滤波器、光隔离器、波分复用/解复用器、光开关、光衰减器、光环形器、偏振选择与控制器等。而这些器件的使用，总会引入一定的功率损耗，称为插入损耗，定义为无源器件输出功率与输入功率之比的分贝数，它是衡量无源器件质量的主要技术指标。

二、 实验目的

1、 了解光纤损耗和带宽的定义。

2、 学会用插入法测量光纤的损耗，及用时域法——脉冲时延法测光纤的带宽。

3、 了解光纤无源器件，如活动连接器、Y型分路器、星型耦合器等器件的工作原理及

结构，了解它们对光纤通信系统的影响。

4、 掌握光纤无源器件的正确使用方法，及其主要特性参数。

三、

预习要求

1、 熟悉光发送系统实验和数字信号电光、光电转换传输实验。 2、 预习有关光纤传输和有关无源光器件的章节。

3、 熟悉扰模器、取样示波器、窄脉冲发生器的使用说明，熟悉待测器件。

四、 实验框图

（a）

（b）

图3-1 插入损耗测试框图

DIGITAL OUT

图3-2 时域法带宽测试框图

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图3-3 光纤无源器件特性测试框图

五、 损耗测试步骤

1、 按图3-1（a）连接好光纤并测出光功率（P1）；

2、按图3-1（b）连接好待测光纤，需经扰模器测出光功率（P2）；

3、 光纤的总损耗α=（P2-P1）dBm

六、

时域法带宽测试步骤

1、 按图3-2连接好光纤带宽测试图； 2、 测出注入窄脉冲的宽度△τ1

3、 窄脉冲送到数字光发端机，测出经待测光纤后脉冲宽度△τ2 4、 光纤带宽计算公式如下：

七、 光纤无源器件特性测试步骤

1、测量光纤活动连接器的插入损耗。读者可根据图3-3光纤无源器件特性测试框图将

光纤活动连接器接入系统进行测试，图中标注“光波信号输入”，可输入任一数字信号做光纤传输。测量记录并填写下表： 次数 测试器件 输出光功率（uw） 损耗（dBm） 备注 在测试中，可通过调节发射电流来调节发射功率，也可改变输入的码元调节发射功率。 2、 测量Y型分路器的插入损耗及回波损耗。

3、测量星型耦合器的插入损耗及光串扰。

八、 实验要求

1、 对每一器件写出测试步骤。

2、将测试结果进行记录整理。

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