6-1 音频信号在光纤中传输 实验报告

近代物理实验报告

指导教师：得分：

实验时间：2010 年06 月09 日，第十五周，周三，第5-8 节

实验者：班级材料0705 学号200767025 姓名童凌炜

同组者：班级材料0705 学号200767007 姓名车宏龙

实验地点：综合楼

实验条件：室内温度℃，相对湿度%，室内气压

实验题目：音频信号在光纤中传输

实验仪器：（注明规格和型号）

本实验所用主要仪器包括发送器；接收器；光纤；示波器；函数

信号发生器等

实验装置的示意图如右图所示：

实验目的：

1.了解音频信号光纤传输系统的结构

2.熟悉半导体电光/电器件的基本性能及主要的测试方法

3.学习低温温度控制的简便方法训练音频信号

实验原理简述：

光纤传输系统一般由三部分组成：光信号发送端、光纤信道、光信号接收端。

1.光信号发送端

光信号发送端的功能是将待传输的电信号经光电转换器件转换

为合适在光纤中传输的光信号。一般来说，光信号发送端包括信

号处理单元、光源驱动电路和调制电路等。

1.1. 光源器件

光纤传输系统常用的半导体发光二极管如下页图所示，n-p-p三层结构的半导体器件。

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，而不能在进入右侧的p 层，它们只能被限制在有源层内与空穴复合，导电电子在有源层内与空穴复合的过程中，其中有不少点子要释放出能量满足以下关系的光子：

g E E E h =-=21υ 。

其中h 为普朗克常量，v 是光波频率，E1是有源层内导电电子能量，

E2shi 导电电子与空穴复合后处于价键束缚时的能量。

两者差值Eg 与DH 结构中各层材料及其组份的选取等因素有关，制作LED 时只要这些材料的选取和组份控制得当，就可使LED 发光中心薄惩与传输光纤低损耗波长一致

1.2.LED 的驱动电路和调制电路

根据运放电路理论，如左图中音频放大电路的闭环增益为

()12

1Z Z j G +=ω式中，Z2,Z1分别为放大器反馈阻抗的

反向宿儒段的接地阻抗，只要C3选的足够小，C2选的足够大，则在要求带宽的中频范围内，C3的阻抗很大，它所在的之路课视为开路，C2的阻抗很小，可视为短路。在此情况下，放大电路的闭环增益()12

1R R j G +

=ω。C3的

大小决定了高频段的截止频率f2，而C2的大小决定了低频段的截止频率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。光调制原理如左图所示，音频信号被耦合到发光二极管的驱动电路后，使注入到发光二极管的电流发生改变，从而使发光二极管的发光强度随着注入电流改变，这样发光二极管所发出的光信号就包含了我们要传输的音频信号。

2.

光纤信道

光纤的功能是将发送端光信号尽可能小的衰减和失真传输到光信号接收端。本实验采用阶跃型多模光纤作为信道，光纤半径为a ，折射率为n1，薄层的外径为b ，折射率为n2，且n1>n2。

2.1 数值孔径

如图所示，假设光纤端面与其轴线垂直，根据Snell 定律，有：

z i n n θθsin sin 10= (1)

式中απ

θ-=2

z 有

αθcos sin 10n n i = (2)

其中0n 是光纤入射端面左侧介质的折射率。

通常，光纤端面处于空气介质中，故0n ＝1。由（2）式知：如果光线在光纤端面处的入射角i θ较小，则

它折射到光纤内部后投射到芯子--包层界面处的入射角α有可能大于由芯子和包层材料的折射率1n 和2n 按下式决定的临界角c α：

()12sin n n arc c =α (3)

在此情形下，光射线在芯子—包层界面处发生全内反射。该射线所携带的光能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1中入射角i θ的增加，α角就会逐渐减小，直到c αα=时，光线均可被局限在纤芯内。在此之后，若继续增加i θ，则角α就会变得小于c α,这时射线在芯子—包层界面处发生全内反射的条件受到破坏，致使光射线在芯子—包层界面的每次反射均有部分能量溢出纤芯外。于是，光导纤维再也不能把光能有效地约束在纤芯内部，这类射线称为漏射线。

设与c αα=对应的i θ为max i θ，由上所述，凡是以max i θ为张角的锥体内的光线，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：c i n n αθcos sin 1max 0=

因其中0n 表示光纤入射端面空气一侧的折射率，其值为1，故：

(

)

()

2

12

2212

121max sin 1sin n n n c i -=-=αθ

通常把(

)

212

221max sin n n i -=θ定义为光纤的理论数值孔径（Numerical Aperture ），即NA ：

(

)

()2112

12221max 2sin ?=-==n n n NA i θ （4）

它是一个表征光纤对射线俘获能力的参数，其值只与纤芯和包层的折射率1n 和2n 有关，与光纤的半径无关。

在（4）式中：

()

()121212

2

212n n n n n n -≈-=? （5）

称为纤芯—包层之间的相对折射率，?越大，光纤的理论数值孔径NA 越大，表明光纤对光线的收集能力越强，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，数值孔径越大，模式色散也相应增加，这不利于传输容量的提高。

对于通信用的多模光纤，?一般限制在1%左右，由于常用石英多模光纤的纤芯折射率n1的值处于1.50左右，故理论数值孔径在0.21左右。

2.2 光纤的损耗

光纤损耗主要有吸收损耗、散射损耗、光线弯曲的损耗、纤维间对接的损耗、输入输出的耦合损耗

3. 光信号接收端的工作原理

工作原理如图

3.1. 半导体光电二极管的结构及工作原理

本实验选用峰值相应波长为0.8-0.9μm 的硅光电二极管作为光检测元件。

3.2. 光电二极管的伏安特性

()[]L I KT qV I I +-=exp 10

光电二极管在无偏压作用下也有反向电流流过；反向偏压工作状态下，光电流与入照光的光功率有很好的线性关系。 3.3.

光电二极管反向伏安特性的测量

如图，由于IC1的反向输入端具有很大的阻抗，光电二极管受光照时产生的光电流几乎全部流过Rf ，兵在其上产生电压降V=IR

f

实验步骤简述：

实验内容与步骤

A. 半导体发光二极管光电特性的测定

a) 连线，将1号线的两端分别插入电流插孔

和‘LED ’插孔；2号线光电探头插入光纤输出的同轴插孔；SPD 的两条输出线接到光发送器前面板光功率指示器的相应插孔内

b) 调节光发送器的W2使毫安表指示20mA ，观察度数保持LED 偏流不变，将光探头同轴插孔方向

适当转动，知道光功率计的读数较大位置，以后的实验保持光电探头位置不变 c) 光功率计调零

d) 记录数据，调节W2，逐渐增加LED 的驱动电流，读取对应的光功率值（0-10mA 每隔2mA 测一

组，以后每隔5mA 测一个值，知道50mA ）

B. 测定光电二极管的反向伏安特性曲线

a) 2号线接到接收器SPD 相应插孔中

b) 把数字毫伏表接到接收器前面板I-V 变换电路输出端和地端所对应的两个插孔内

c) 根据LED 的光电特性曲线，从0-50mA 的变化范围内查处输出光功率均分的4个工作点对应的驱

动电流值，记作I1 I2 I3 I4

d) 在接收器电源开关关闭的前提下旋转接收器W2，用万用表测W2阻值，阻值调节为4k Ω

e) 记录数据，测量LED 的工作电流为0，I1-I4时所对应的物种光照情况下，光电二极管的伏安特性

曲线。

C. LED 偏置电流与无畸变最大调制信号幅度关系的测定

a) 函数信号发生器的输出信号接入调制输入端，调节函数信号发生器，输出频率1kHz 的正弦波 b) SPD 接到接收器前面板的对应插孔 c) 18、19孔短接

d) 选择示波器的显示方式为双踪，示波器的CH1接到20孔&21孔，CH2接到发送器的7孔&9孔 e) 用函数信号发生器做信号源

f) 调节W1，使输出信号为0，调节W2使LED 的偏置电流为10mA g) 调节W1，使示波器上波形不失真，记下调制信号最大幅值

h) 调节W1，使输入信号为0，将LED 最大偏置电流增大2mA ，重复上步；Led 偏置电流到40mA 停

止测量

i)找到无截止畸变最大调制幅度所对应的偏置电流值

j)记录数据

D.信号传输系统的幅频特性测定

a)函数信号发生器的输出信号接入调制输入端

b)1号线接入LED插孔

c)SPD接到接收器对应插孔

d)18.、19短接

e)示波器任意通道接到20&21

f)调节发送器上W2，使发送器工作在最佳偏置状态

g)逐渐改变函数信号发生器的频率，观察示波器上信号幅度的变化情况

h)记录数据

E.音频信号的传输实验

a)接线

b)试验整个音频信号光纤传输系统的音响效果

c)适当调节发送器的LED偏置电流、调节输入信号、考察传输系统的视听感觉，用示波器检测接收

器功放电路输出端的信号波形变化

F.光功率放大器的设计

原始数据、数据处理及误差计算：

1，LED光电特性测试数据

3，LED偏置电流与无畸变幅值关系测定

4，传输系统的幅频特性测试

1，LED光电特性曲线

作图并进行一次线性拟合, 如下所示:

由于拟合使用的是一次函数，因而容易从图中看出符合较好的线性区是电流I=3.835~49.94mA一段

2，光电二极管的反向伏安特性曲线

首先是选定的驱动电流和它们对应的光功率：

然后是将IC1输出电压转换为光电流I以后的数据：

根据上面的反片电压Up和光电流I的关系，可以得到光电二极管在不同驱动电流下的UI特性曲线，共有五条，如下所示：

4, 光功率值和SPD光电流值的关系曲线

用上表中的数据作出SPD的光电特性曲线如下所示：

利用Matlab的CFtool工具箱，进行MSL线性拟合，得到如下的返回结果：

Linear model Poly1:

f(x) = p1*x + p2

Coefficients (with 95% confidence bounds):

p1 = 0.325 (0.3216, 0.3284)

p2 = -0.41 (-0.5149, -0.3051)

可以看到斜率，也就是SPD对于LED发光中心波长的响应度R=ΔI/ΔP=0.325μA/μW

5，分析LED偏置电流与无截止畸变最大调制幅度的关系

由实验所得的数据可见，在相当长一段范围内，随着偏置电流Ip的增大，无截止畸变最大调制幅度也随之增大，等到一定程度后，调制幅度开始下降，这之间存在一个最大值。

说明偏置电流Ip不是越大越好，有一个能使不是真范围最大的最优值

实验中可以看到这个最优值大约在Ip=36mA附近

6，传输系统的幅频特性及带宽计算

根据实验所测得的数据，作出系统的幅频特性曲线，如下页图所示：

/1，即0.459V作为特性坪区的起止点，如图中所示，可如图，幅值最高时A=0.65V左右，取其2

以看到有效区从log(f)=1.303~4.181，即f=20.09~15170.5Hz，带宽为Δf=15150.41Hz

思考题，实验感想，疑问与建议：

1，在LED确定的情况下，为了实现光信号的远距离传输，应如何设定它的偏置电流和调制幅度

首先根据偏置电流和无截止畸变最大调制幅度的关系可以知道，为了使信号不失真，需要调节最优的偏置电流使得无畸变幅度最大，使得最大范围的信号不发生传输失真；比如本实验所用的系统中，偏置电流设置为36mA

/1作为调制幅度，这样能够保证各其次要看幅频特性曲线，调制幅度应选取有效坪区的最大幅值的2

个频率上的调制信号的放大幅度基本都相同，从而避免失真的现象

2，LED偏置电流一定的情况下，但调制信号幅度较小时，指示LED偏置电流的毫安表读数与调制信号的幅度无关，当调制信号幅度增加到一定程度后，毫安表读数将随着调值信号的幅度增加而增加，这是为什么？

当调制信号幅度太小时,经IC1放大后的信号与C4耦合后到BG1时信号幅度太小与原来经过mA的信号比起来太小以至于不能够引起它读数的改变，相反当调制信号幅度加到某一程度后，经IC1放大后的信号与C4耦合后到BG1时信号幅度与原来经过mA的信号可以相比了，这样就能够使其读数改变了，并且毫安表读数将随调制信号的幅度增大。

3，在图6-1-3的电路中，若R1=1kΩ，R2=R3=301kΩ，为了使调制放大电路的带宽为20~20kHz，在1kHz时的闭环电压放大倍数约为30，应如何选取C2和C3值？

为了使要求的带宽合适，要求在中频范围内，C3的阻抗很大而C2的阻抗很小；根据阻抗公式Z=1/WC，可知，C3的电容值应当较小，而C2选的较大；比如可以选定C2=4.7μf，C3=2000pf。

原始记录及图表粘贴处：（见附页）