光纤通信实验

1、提提 纲纲1880年贝尔发明了第一个光电话系统，通话距离213米弧光灯的恒定光束投射在话筒的音膜上，随声音的振动而得到强弱变化的反射光束，这个过程就是调制。但是，普通光源强度和纯度都成为制约光通信发展的因素。工作地点：英国标准电信研究所研究对象：光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题损耗原因：1) 玻璃纤维中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属 离子和其他杂质；2) 拉制光纤工艺造成芯、包层 分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀新的发现：一些玻璃纤维在红外光区的损耗较小1966年，高锟和霍克哈姆发表的用于光频的光纤表面波导奠定了现代光通信的基础。高锟被尊为光纤之父。当今世界范围的光纤通信系统公用电信网：核

2、心网、城域网光纤接入网海底光缆及洲际通信网无线通信网激光手术中，有时需要手术的部位在人体腔道内，这就要求激光能拐弯。目前大多数医疗激光可以通过石英光纤来实现拐弯，因此激光手术刀又叫光纤手术刀。 BJJJgPP BJJJgPP 光纤通信系统可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。 用户要传输的信息多种多样，一般有话音、图像、数据或多媒体信息。 为叙述方便，这里仅以数字电话和模拟电视为例。 图1.1示出单向传输的光纤通信系统，包括发射、接收和作为广义信道的基本光纤传输系统。 信息源电发射机光发射机光接收机电接收机信息宿基本光纤传输系统光纤线路接 收发 射电信号输入光信号输出光信号输入电信号输出图 1

3、.1 光纤通信系统的基本组成(单向传输) 1、发射和接收、发射和接收 如图1.1所示，信息源把用户信息转换为原始电信号，这种信号称为基带信号。电发射机把基带信号转换为适合信道传输的信号，这个转换如果需要调制， 则其输出信号称为已调信号。 对于数字电话传输，电话机把话音转换为频率范围为0.33.4 kHz的模拟基带信号，电发射机把这种模拟信号转换为数字信号，并把多路数字信号组合在一起。模/数转换目前普遍采用脉冲编码调制(PCM)方式，这种方式是通过对模拟信号进行抽样、量化和编码而实现的。一路话音转换成传输速率为64 kb/s的数字信号，然后用数字复接器把24路或30路PCM信号组合成1.544

4、Mb/s或2.048 Mb/s的一次群甚至高次群的数字系列，后输入光发射机。对于模拟电视传输，则用摄像机把图像转换为6 MHz的模拟基带信号，直接输入光发射机。 为提高传输质量，通常把这种模拟基带信号转换为频率调制(FM)、脉冲频率调制(PFM)或脉冲宽度调制(PWM)信号，最后把这种已调信号输入光发射机。 还可以采用频分复用(FDM)技术，用来自不同信息源的视频模拟基带信号(或数字基带信号)分别调制指定的不同频率的射频(RF)电波，然后把多个这种带有信息的RF信号组合成多路宽带信号，最后输入光发射机， 由光载波进行传输。 在这个过程中，受调制的RF电波称为副载波，这种采用频分复用的多路电视传

5、输技术， 称为副载波复用(SCM)。 不管是数字系统，还是模拟系统，输入到光发射机带有信息的电信号，都通过调制转换为光信号。光载波经过光纤线路传输到接收端，再由光接收机把光信号转换为电信号。 电接收机的功能和电发射机的功能相反，它把接收的电信号转换为基带信号，最后由信息宿恢复用户信息。 在整个通信系统中，在光发射机之前和光接收机之后的电信号段，光纤通信所用的技术和设备与电缆通信相同，不同的只是由光发射机、光纤线路和光接收机所组成的基本光纤传输系统代替了电缆传输。 2、基本光纤传输系统、基本光纤传输系统 基本光纤传输系统作为独立的“光信道”单元，若配置适当的接口设备，则可以插入现有的数字通信系统

6、或模拟通信系统， 或者有线通信系统或无线通信系统的发射与接收之间光发射机、光纤线路和光接收机，若配置适当的光器件， 可以组成传输能力更强、功能更完善的光纤通信系统。例如， 在光纤线路中插入光纤放大器组成光中继长途系统，配置波分复用器和解复用器，组成大容量波分复用系统，使用耦合器或光开关组成无源光网络，等等。 下面简要介绍基本光纤传输系统的三个组成部分。2.1、光发射机、光发射机 光发射机的功能是把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。光发射机由光源、 驱动器和调制器组成，光源是光发射机的核心。光发射机的性能基本上取决于光源的特性，对光源的要求是输出光功率足够大，

7、调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定， 器件寿命长。目前广泛使用的光源有半导体发光二极管(LED)和半导体激光二极管(或称激光器)(LD)， 以及谱线宽度很小的动态单纵模分布反馈(DFB)激光器。有些场合也使用固体激光器，例如大功率的掺钕钇铝石榴石(Nd: YAG)激光器。2.2、光纤线路、光纤线路 光纤线路的功能是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接收机。 光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。光纤是光纤线路的主体，接头和连接器是不可缺少的器件。实际工程中使用的是容纳许多根光纤的光缆。 光纤线路的性能主要由缆内光纤的传输特性决定。对

8、光纤的基本要求是损耗和色散这两个传输特性参数都尽可能地小， 而且有足够好的机械特性和环境特性，例如，在不可避免的应力作用下和环境温度改变时，保持传输特性稳定。 光纤光纤（Optical Fiber）是由中心的纤芯和外）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝围的包层同轴组成的圆柱形细丝。 纤芯纤芯的折射率折射率比包层包层稍高，损耗损耗比包层包层更低，光能量主要在纤芯纤芯内传输。 包层包层为光的传输提供反射面反射面和光隔离光隔离，并起一定的机械机械保护作用。 设纤芯纤芯和包层包层的折射率折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1n2。包层n2纤芯n1图1.2 光纤的结构光纤

9、类型光纤类型 光纤种类很多，这里只讨论作为信息传输波导用的由高纯高纯度石英度石英（SiO2）制成的光纤。实用光纤主要有三种基本类型， 突变型多模光纤突变型多模光纤（Step-Index Fiber, SIF） 渐变型多模光纤渐变型多模光纤（Graded-Index Fiber, GIF） 单模光纤单模光纤（Single-Mode Fiber, SMF） 相对于而言，和的纤芯直径都很大，可以容纳数百个模式，所以称为多模光纤多模光纤横截面2a2brn折射率分布纤芯包层AitAot(a)输入脉冲光线传播路径输出脉冲50 m125mrnAitAot(b)10 m125mrnAitAot(c) 图 2.

10、2三种基本类型的光纤(a) 突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤； （c） 单模光纤 特种单模光纤特种单模光纤 最有用的若干典型特种单模光纤的横截面结构和折射率分布示于图2.3，这些光纤的特征如下。 色散平坦光纤色散平坦光纤（DispersionFlattened Fiber, DFF） 色散移位光纤色散移位光纤（DispersionShifted Fiber, DSF） 双折射光纤双折射光纤或偏振保持光纤偏振保持光纤。 图 2.3典型特种单模光纤 (a) 双包层； (b) 三角芯； (c) 椭圆芯 2a 2an1n2n3(a)(b)(b)主要用途：主要用途： 突变型多模光纤突变型多模光纤

11、只能用于小容量短距离系统。 渐变型多模光纤渐变型多模光纤适用于中等容量中等距离系统。 单模光纤单模光纤用在大容量长距离的系统。 特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平 1.55m色散移位光纤色散移位光纤实现了10 Gb/s容量的100 km的超大容量超长距离系统。 色散平坦光纤色散平坦光纤适用于波分复用系统，这种系统可以把传输容量提高几倍到几十倍。 三角芯光纤三角芯光纤有效面积较大，有利于提高输入光纤的光功率，增加传输距离。 偏振保持光纤偏振保持光纤用在外差接收方式的相干光系统， 这种系统最大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离。 继续图1 系统图片1550nm光发送模块固定速率数字信号源模块

12、固定速率数字信号源模块固定速率数字终端模块固定速率数字终端模块电源模块1310nm光发送模块电话接口模块电话接口模块计算机通信模块模拟信号源模块模拟信号源模块计算机通信模块光接收模块光接收模块光纤及保护罩光纤及保护罩GND图2 系统结构框图5.1 观察模拟信号在光纤中的传输效果观察模拟信号在光纤中的传输效果u按实验手册对应说明连接电路；按实验手册对应说明连接电路；u打开系统电源，用示波器在光接收模块的模拟信号输打开系统电源，用示波器在光接收模块的模拟信号输出端口观察输出信号；出端口观察输出信号；u通过调节电位器通过调节电位器R257(R257(判决直流电平判决直流电平) )、R242(R242

13、(增益调增益调节节) )、R277(R277(光传输信号大小调节光传输信号大小调节) )和和R258(R258(输入信号大小输入信号大小调节调节) )得到最佳的模拟信号得到最佳的模拟信号。5.2 观察数字信号在光纤中的传输效果观察数字信号在光纤中的传输效果u按实验手册对应说明连接电路；按实验手册对应说明连接电路；u打开系统电源，用示波器在光接收模块的数字打开系统电源，用示波器在光接收模块的数字信号输出端口观察输出信号；信号输出端口观察输出信号；u通过调节电位器通过调节电位器R257(R257(判决直流电平判决直流电平) )、R242(R242(增益调节增益调节) )及及R266(R266(人工偏流调节人工偏流调节) )得到最佳得到最佳数字信号。数字信号。5.3 语音信号光传输的双工通讯实验语音信号光传输的双工通讯实验u按实验手册对应说明连接电路；按实验手册对应说明连接电路；u开系统电源，左右电话摘机，双方进行通话。开系统电源，左右电话摘机，双方进行通话。通过调节电位器通过调节电位器R257(R257(判决直流电平判决直流电平) )、R242(R242(增增益调节益调节) )及及R266(R266(人工偏流调节人工偏流调节) )使语音信号清晰；使语音信号清晰；5.4 固定速率时分复用实验固定速率时分复用实验u按实验手册对应说明连接电路；按实验手册