音频信号光纤传输技术实验

音频信号光纤传输技术实验

[目的要求]

1. 熟悉半导体电光/光电器件的基本性能及主要特性的测试方法。 2. 了解音频信号光纤传输的结构及选配各主要部件的原则。 3. 学习分析集成运放电路的基本方法。

[仪器设备]

1. YOF—B型音频信号光纤传输技术实验仪。 2. 数字万用表。

[实验原理]

一． 系统的组成

图（1）示给出了一个音频信号直接光强调制光纤传输系统的结构原理图，它主要包括由LED及其调制、驱动电路组成的光信号发送器、传输光纤和由光电转换、I—V变换及功放电路组成的光信号接收器的三个部分。

E I/V变换

光纤

LED

Rb Rf

功 放

∽ SPD Re W 2信号源

图1 音频信号光纤传输实验系统原理图

本实验采用中心波长0.85μm附近的GaAs半导体发光二极管（LED）作光源、峰值响应波长为0.8~0.9μm的硅光二极管（SPD）作光电检测元件。由于光导纤维对光信号具有很宽的频带，故在音频范围内，整个系统的频带宽度主要决定于发送端调制放大电路和接收端功放电路的幅频特性。

二． 光导纤维的结构及传光原理

光纤按其模式性质通常可以分成两大类①单模光纤②多模光纤。无论单模或多模光纤，其结构均由纤芯和包层两部分组成。纤芯的折射率较包层折射率大，对于单模光纤，纤芯直径只有5~10μm，在一定的条件下，只允许一种电磁场形态的光波在纤芯内传播，多模光纤的纤芯直径为50μm或62.5

1

μm，允许多种电磁场形态的光波传播；以上两种光纤的包层直径均为125μm。按其折射率沿光纤截面的径向分布状况又分成阶跃型和渐变型两种光纤，对于阶跃型光纤，在纤芯和包层中折射率均为常数，但纤芯一包层界面处减到某一值后，在包层的范围内折射率保持这一值不变，根据光射线在非均匀介质中的传播理论分析可知：经光源耦合到渐变型光纤中的某些光射线，在纤芯内是沿周期性地弯向光纤轴线的曲线传播。

本实验采用阶跃型多模光纤作为信道，现应用几何光学理论进一步说明这种光纤的传光原理。阶跃型多模光纤结构如图所示，它由纤芯和包层两部分组成，芯子的半径为a，折射率为n1，包层的外径为b，折射率为n2,且n1>n2。

图2 阶型多模光纤的结构示意图

当一光束投射到光纤端面时，进入光纤内部的光射线在光纤入射端面处的入射面包含光纤轴线的称为子午射线，这类射线在光纤内部了行径，是一条与光纤轴线相交、呈“Z”字型前进的平面折线；若藉合到光纤内部的光射线在光纤入射端面处的入射面不包含光纤轴线，称为偏射线，偏射线在光纤内部不与光纤轴线相交；其行径是一条空间折线。 参看图8-1-2，假设光纤端面与其轴线垂直。对于子午光射线，根据smell定律及图8-1-2所示的几何关系有：

2

n0

2 1

?z?1

n1

2 ?i

21

1

子午传导射线

2 漏射线2

n2

图3 子午传导射线与漏射线

n0sin?i?n1sin?z （1）

其中??z?2??，所以有

n0sin?i?n1cos? （2）

其中n0是光纤入射端面左侧介质的折射率。通常，光纤端面处 在空气介质中，故n0 =1。由（2）式可知：如果光线在光纤端面处的入射角?i较小,则它进入光纤内部后投射到纤芯-包

2

层界面处的入射角? 就会大于按下式决定的临界角?c：

?c?arcs?inn2n1? （3）

在此情形下光射线在纤芯-包层界面处发生全内反射。该射线所携带的光功率就被局限在纤芯内部而不外溢。满足这一条件的射线称为传导射线。 随着图3中入射角?i的增加，?角就会逐渐减小，直到???c时，子午射线携带的光功率均可被局限在纤芯内。在此之后，若继续增加?i，则?角就会变得小于?c， 这时子午射线在纤芯-包层界面处的全反射条件受到破坏，致使光射线在纤芯-包层界面处的每次反射均有部分光功率溢出纤芯外，光导纤

维再也不能把光功率有效地约束在纤芯内部。这类射线称为漏射线。

设与???c对应的?i为?imax，凡是以?imax 为张角的锥体内入射的子午光线，投射到光纤端面上时，均能被光纤有效地接收而约束在纤芯内。根据（2）式有： n0sin?imax?n1cos?c

其中no 表示光纤入射端面空气一侧的折射率，其值为1，故：

2 sin?imax?n11?sin?c??122?n12?n2??12

通常把此式定义为光纤的理论数值孔径（Numerical Aperture）, 用英文字符NA表示，即

22 NA =sin?imax?n1?n2??12?n1?2?? （4）

12它是一个表征光纤对子午射线捕获能力的参数，其值只与纤芯和包层的折射率 n1 和 n2 有关，与光纤的半径a无关。 在（4）式中：

△ =n1?n2/2n1??n1?n2?/n1

222??称为纤芯和包层之间的相对折射率差，△ 愈大，光纤的理论数值孔径NA愈大，表明光纤对子午线捕获的能力愈强，即由光源发出的光功率更易于耦合到光纤的纤芯内。这对于作传光用途的光纤来说是有利的。但对于通讯用的光纤，数值孔径愈大，模式色散也相应增加，这不利于传输容量的提高。对于通讯用的多模光纤△ 值一般限制在1%左右。由于通信用多模光纤的纤芯折射率n1 是在1.50附近，故理论数值孔径的值在0.21左右。

三． 半导体发光二极管结构、工作原理、特性及驱动、调制电路

光纤通讯系统中，对光源器件在发光波长、电光效率、工作寿命、光谱宽度和调制性能等许多方面均有特殊要求。所以不是随便哪种光源器件都能胜任光纤通讯任务，目前在以上各个方面都能较好满足要求的光源器件主要有半导体发光二极管（LED）、半导体激光二极管（LD），本实验采用LED作光源器件。

3

图4 半导体发光二极管及工作原理

光纤传输系统中常用的半导体发光二极管是一个如图所示的N-P-P三层结构的半导体器件，中间层通常是由GaAs（砷化镓）p型半导体材料组成，称有源层，其带隙宽度较窄，两侧分别由GaAlAs的N型和P型半导体材料组成，与有源层相比，它们都具有较宽的带隙。具有不同带隙宽度的两种半导体单晶之间的结构称为异结。在图（4）中，有源层与左侧的N层之间形成的是p-N异质结，而与右侧P层之间形成的是p-P异质结，故这种结构又称N-p-P双异质结构。当给这种结构加上正向偏压时，就能使N层向有源层注入导电电子，这些导电电子一旦进入有源层后，因受到右边p-P异质结的阻挡作用不能再进入右侧的P层，它们只能被限制在有源层与空穴复合，导电电子在有源层与空穴复合的过程中，其中有不少电子要释放出能量满足以下关系的光子：

hυ = E1-E2 = Eg

其中h上普朗克常数，υ是光波的频率，E1是有源层内导电电子的能量，E2是导电电子与空穴复合处于价健束缚状态时的能量。两者的差值 Eg与DH结构中各层材料及其组份的选取等多种因素有关，制做LED时只要这些选取和组份的控制适当，就可便得LED发光中心波长与传输光纤低损耗波长一致。

图4 HFRB-1424型LED的正向伏安特性

本实验采用HFBR-1424型半导体发光二极管的正向特性如图5所示与普通的二极管相比，在正向电压大于1V以后，才开始导通，在正常使用情况下，正向压降为1.5V左右。半导体发光二极管输出的光功率与其驱动电流的关系称LED的电光特性。为了使传输系统的发送端能够产生一个无非线性失真、

4

而峰-峰值又最大的光信号，使用LED时应先给它一个适当的偏置电流，其值等于这一特性曲线线性部分中点电流值，而调制电流的峰-峰值应尽可能大地处于这电光特性的线性范围内。

音频信号光纤传输系统发送端LED的驱动和调制电路如图5示，以BG1为主构成的电路是LED的驱动电路，调节这一电路中的W2可使LED的偏置电流在0-50mA的范围内变化。被传音频信号由IC1为主构成的音频放大电路放大后经电容器C4耦合到基极，对LED原工作电流进行调制，从而使LED发送出光强随音频信号变化的光信号，并经光导纤维把这一信号传至接收端。 R2 C3

光纤

LED R bR

根据理想运放电路开环电压增益大（可近似为无限大）、同相和反相输入阻抗大（也可近似为无限大）和虚地等三个基本性质，可以推导出图6所示音频广大闭环增益为：

G(jω) = v0/v1 = 1+Z2/Z1

其中Z1、Z2分别为放大器反馈阻抗和反相输入端的接地阻抗，只要C3选得足够小，C2选得足够大，则在要求带宽的中频范围内，C3 阻抗很大，它所在支路可视为开路，而C2的阻抗很小，它可视为短路。在此情况下，放大电路的闭环增益G（jω）=1+ R2/R1。C3 的大小决定了高频端的截止频率f2,而C2的值决定着低频端的截止频率f1。故该电路中的R1、 R2、R3和C2、C3是决定音频放大电路增益和带宽的几个重要参数。

3w1 ∽ C1 C2 R1 IC1 C4 mA BG1 R4 W2 Re 图5 LED的驱动和调制电路

四． 半导体光电二极管的结构、工作原理及特性

半导体光电二极管与普通的半导体二极管一样，都具有一个p-n结，但光电二极管在外形结构方面有它自身的特点，这主要表现在光电二极管的管壳上有一个能让光射入其光敏区的窗口，此外，与普通二极管不周，它经常工作在反向偏置电压状态（如图6a所示）或无偏压状态（如图6b所示）。在反偏电压下，p-n结的空间电荷区的垫垒增高、宽度加大、结电阻减小,所有这些均有利于提高光电二极管的高频响应性能。

5

图6 光电二极管的结构及工作方式

无光照时，反向偏置的p-n结只有很小的反向漏电流，称为暗电流。当有光子能量大于p-n结半导体材料的带隙宽度Eg的光波照射到光电二极管的管芯时，p-n结各区域中的价电子吸收光能后将挣脱价键的束缚而成为自由电子，与此同时也产生一个自由空穴，这些由光照产生的自由电子空穴对统称为光生载流子。在远离空间电荷区（亦称耗尽区）的p区和n区内，电场强度很弱，光生载流子只有扩散运动,它们在向空间电荷区扩散的途中因复合而被消失掉，故不能形成光电流。形成光电流的主要靠空间电荷区的光生载流子，因为在空间电荷区内电场很强，在此强电场作用下，光生自由电子空穴对将以很高的速度分别向n区和p区运动，并很快越过这些区域到达电极沿外电路闭合形成光电流，光电流的方向是从二极管的负极流向它的正极，并且在无偏压短路的情况下与入射的光功率成正比，因此在光电二极管的p-n结中，增加空间电荷区的宽度对提高光电转换效率有着密切的关系。为此目的，若在p-n结的p区和n区之间再加一层杂质浓度很低以致可近似为本征半导体的I层，就形成了具有p-i-n三层结构的半导体光电二极管，简称PIN光电二极管，PIN光电二极管的p-n结除具有较宽的空间电荷区外，还具有很大的结电阻和很小的结电容，这些特点使PIN管在光电转换效率和高频响应方面与普通光电二极管相比均得到了很大改善。 光电二极管的伏-安特性可用下式表示：

I = I0 [1 - exp(qv/kt)] + IL （6）

其中I0是无照的反向饱和电流，V是二极管的端电压（正向电压为正，反向电压为负），q为电子电荷，k为波耳兹曼常数，T是结温，单位为K，IL是无偏压状态下光照时的短路电流，它与光照时的光功率成正比。（6）式中的I0 和IL均是反向电流，即从光电二极管负极流向正极的电流。根据（6）式，光电二极管的伏安特性曲线如图（8）所示，对应7a所示的反偏工作状态，光电二极管的工作点由负载线与第三象限的伏安特性曲线交点确定，由图（8）所示可以看出：

1. 光电二极管既使在无偏压的工作状态下，也有反向电流流过，这与普通二极管只具有单向导电性相比有本质的差别，认识和熟悉光电二极管的这一特点对于在光电转换技术中正确使用光电器件具有十分重要意义。

6

2. 反向偏压工作状态下，在外加电压E和负载电阻RL的很大变化范围内，光电流与入照的光功率均具有很好的线性关系，无偏压工作状态下，只有RL较小时，光电流才与入照的光功率成正比，RL增大时，光电流与光功率呈非线性关系。无偏压状态下，短路电流与入照光功率的关系称为光电二极管的光电特性，这一特性在I-P坐标中的斜率

R=ΔI/ΔP（μA/μW）

定义为光电二极管的响应度，这是宏观上表征光电二极管光电转换效率的一个重要参数。

图7 光电二极管的伏安特性曲线及工作点的确定

3. 在光电二极管处于开路状态情况下，光照时产生的光生载流子不能形成闭合光电流，它们只能在p-n结空间电荷区的内电场作用下，分别堆积在p-n结空间电荷区两侧的n层和p层内，产生外电场，此时光电二极管表现出具有一定的开路电压。不同光照情况下的开路电压就是伏安特性曲线与横坐标交点所对应的电压值。由图（7）可见，光电二极管开路电压与入照光功率也是呈非线性关系。

4. 反向偏压状态下的光电二极管，由于在很大的动态范围内其光电流与偏压的负载电阻几乎无关，故在入照光功率一定时可视为一个恒流源；而在无偏压工作状态下光电二极管的光电流随负载变化很大，此时它不具有恒流源性质，只起光电池作用。

光电二极管的响应度R值与入照光波的波长有关。本实验中采用的硅光二极管，其光谱响应波长在0.4μm-1.1μm之间、峰值响应波长在0.8μm-0.9μm范围内。在峰值响应波长下，响应度R的典型值在0.25-0.5μA/μW的范围内。

7

[实验内容]

一． LED-传输光纤组件伏安特性的测定

连接电路测量前首先将两端带电流插头的电缆一头插入光纤绕线盘上的电流插孔，另一端插入发送器前面板上的“LED”插孔，并将光电探头插入光纤绕线盘上引出传输光纤输出端的同轴插孔中，SPD的同条出线接至仪器前面板光功率批示器的相应插孔内，在以后实验过程中注意保持光电探头的这一位置。

操作与测量：把发送器面板上“调制切换”开关拨至“语音”一侧。调节“偏流调节”电位器（W2），使指示LED工作电流的“直流毫安表”从零开始慢慢增加，当有不为零的指示出现时表示LED开始导通，此时数字万用表对应的读数大约在1.1V左右。在此基础上，再次调节“偏流调节”电位器，使数字万用表在小数点后的第一位读数取整（比如为1.2V）。记下直流毫安表相应的读数。然后，继续调节“偏流调节”电位器，使数字万用表读数增加，每增加50mV读取一次直流毫安表读数，直到直流毫安表的读数超过40mA时为止。

以数字万用表的读数为自变数，直流毫安表的读数为因变数，把实验数据记录在表1中。根据实验数据绘制LED的伏安特性曲线。

表1 LED伏安特性测定实验数据

电压(V) 电流(mA) 1.20 1.25 1.30 1.35 1.40 1.45 1.50 1.55 1.60 1.65 二．LED电光特性的测定

保持图12连接不变，调节“偏流调节”电位器使直流毫安表的读数为零。在此情况下光功率计的指示应为零，若不为零，记下这一读数，以后再数据处理时作为零点扣除。

然后继续调节“偏流调节”电位器使直流毫安表的指示从零开始增加，每增加4mA读取一次光功率指示器的读数，直到直流毫安表的指示超过40mA为止。以LED的电流为自变数，光功率为因变数，把实验数据记录在表2中。根据实验数据绘制LED的电光特性曲线。

表2 LED电光特性测定实验数据

电流(mA) 光功率(?W ) 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 二． 光电二极管反向伏安特性曲线的测定

测定光电二极管反向伏安特性的电路如图（8）所示。其中LED是发光中心波长与被测

R管光电二极管的峰R值响应波长很接近的GaAs半导体发光二极f ，在这里它作光源使用， c

w1 mA mBG1 光纤 SPD v IC1 V0

Rb -12V GND 图8 光电二极管反向伏安特性的测定成由IC1输出端C点的输出电压V0，IC1其光功率由光导纤维输出。由IC1为主构成的电路是一个电流-电压变换电路，它的作用是

8

把流过光电二极管的光电流I转换成由

输出端C点的输出电压VO，它与光电流成正比。整个测试电路的工作原理依据如下：由于IC1的反相输入端具有很大的输入阻抗，光电二极管受光照时产生的光电流几乎全部渡过R

f并在其上产生电压降V

cb= R

fI。另外，又因IC1具有很高的开环电压

增益，反相输入端具有与同相输入端相同的地电位，故IC1的输出电压

V0=I R

已知R

ff

后，就可根据上式由V0计算出相应的光电流I。

联接：进行这项实验时需用发送器、传输光纤、接收器和数字万用表。

1. 用两端均为单声道插头的电缆连接线把光纤信道内的光源器件LED接入发送器前面

板的“LED插孔”中；

2. 把SPD光电探头一端插入光纤信道出光端的插座内，另一端的两个红、黑香蕉插头

插入接收器的“SPD”香蕉插孔内，红黑对应；

3. 在不通电的状态下，用数字万用表电阻档测量接收器面板上电路图中标有“W2”符

号的电路元件两端的电阻值，调节接收器面板上“W2调节”电位器，使W2的阻值为100千欧；

4. 用具有香蕉插头的导线，把接收器面板上I-V变换电路的输出端接至接收器面板上

直流电压表的“电压输入”插孔 操作与测定： 1、

调节发送器面板上的“偏流调节”使直流毫安表的读数为零。并把光纤信道的SPD探头先接入发送器面板上光功率指示器“SPD插孔”内，并记录下光功率指示器的初始值。

2、

把光纤信道的SPD探头改接到接收器面板上I-V变换电路的SPD插孔内，调节接收器面板上“W1调节”电位器，使指示SPD反压的电压表读数从零开始增加，每增加1V读取和记录一次接收器面板上右侧的数字电压表的读数，直到SPD的反压为8V止。

3、

反复以上两项测量。每反复一次测量，都需调节发送器面板上“偏流调节”电位器，使光功率指示器的读数在原有基础上增加5 μW，直到光功率指示器的读数为25μW止。

4、

以光功率指示器的读数（包括P=0）位参数，SPD的反压为自变数，SPD光电流IO为因变数把实验测试数据记录在表3中并根据这些实验数据绘制不同光照下SPD的反向伏安特性曲线。

表3 SPD反向伏安特性测定实验数据记录

光功率 0μW 5μW 10μW 15μW 20μW 25μW 5、

根据以上实验数据，绘制SPD的光电特性（即SPD在零偏压下光电流随光功率的变化特性），并求出表征SPD光电转换效率的参数-响应度R的值。

9

[思考题] 1. 2.

如何测定SPD反向向伏安特性曲线？

在LED偏置电流一定情况下，当调制信号幅度较小时，批示LED偏置电流的毫安表读数与调制信号幅度无关，当调制信号幅度增加到某一程度后，毫安表读数将随着调制信号的幅度而变化，为什么？ 3.

简述音频信号光纤传输系统的基本结构和各部分的功能。

10

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/sekr.html