ZH7002光纤通信多功能综合实验系统指导书 (1)课件

1、ZH7002型光纤通信多功能综合实验系统前 言近年来通信与计算机技术的发展,呈现出相互渗透、相互促进的显著特点。基于这种特点，通信技术特别是光纤通信、移动通信、卫星通信、程控交换等技术的发展日新月异。为了跟踪不断发展的新技术，培养市场经济急需的高质量人才，高等院校通信专业的课程设置在不断更新，实验手段也在与时俱进。“ZH7002型光纤通信多功能综合实验系统”是解放军理工大学通信工程学院的中青年专家，根据目前光纤通信技术的发展和各高校对光纤通信实验课程的不同需求，在原“ZH5002型光纤通信综合实验系统”基础上改进后，新近推出的一款更适用于高等院校现代实验教学需求的实验设备。该实验系统综合了现有

2、光纤通信的主要技术、系统工作过程和典型电路功能，将光纤通信系统按功能模块划分和组合，为学生建立一个较为完善的光纤通信框架体系，它包含有：电终端设备（PCM编译码、E1帧同步、E1接口技术等）、光终端设备（5B6B线路编译码、1310nm/1550nmLD光纤信号发送和接收、波分复用、接收时钟同步技术等）和光链路设备（波分复用器、光耦合器、光纤变衰器等光无源器件），以及光纤图像传输系统、计算机数据传输系统和误码测试仪等实验模块。以上教学内容，本实验指导书都提供有完善的系列实验和测试方法。“ZH7002型光纤通信多功能综合实验系统”是对当前实际光纤通信系统的一个较好仿真，完整的反映了光纤通信设备的

3、新技术，使学生能在较短时间内掌握当今光纤通信技术的实现方法，更好地结合实践来加强他们在课程中所学到的理论知识，适应新技术发展的要求。该实验系统采用了最先进的技术，提供有完善的技术资料和操作使用保护措施，为学校建立开放型实验室创造了必要的条件。我们相信这一综合了当今最新通信技术的多功能光纤通信实验系统一定能使现有的光纤通信实验更上一个新台阶，对推进高校通信实验室的建设和实验教学内容的更新与改革，发挥重要作用！目 录前 言1第一章 实验系统概述11.1 概 述11.2 实验系统组成21.3 光器件基础知识9第二章 光器件18实验一 单模光纤特性测量18实验二 多模光纤特性测量21实验三 光连接器和

4、跳线特性测量24实验四 光分路器性能测试实验26实验五 光波分复用器28实验六 光可变衰减器性能测试实验33实验七 回波返损的测量35实验八 光波长区分38实验九 激光器的PI特性测量40实验十 光源稳定性测量实验42实验十一 OTDR原理及运用44第三章 模拟传输设备47实验一 模拟信号光调制47实验二 模拟信号光接收51实验三 视频（图像）信号光纤传输实验53第四章 数字传输设备55实验一 加扰码实验55实验二 CMI码型变换实验62实验三 5B6B码型变换实验70实验四 接收定时恢复电路实验87实验五 消光比的测量93实验六 OCDMA直接序列扩频技术95第五章 电终端实验102实验一

5、用户环路接口实验102实验二 双音多频检测实验109实验三 PCM编译码器系统114实验五 E1帧同步提取系统实验128第六章 设备接口实验132实验一 AMI/HDB3终端接口实验132实验二 同步数据接口实验139实验三 异步数据接口实验144第七章 光纤通信系统及综合测试147实验一 PDH终端呼叫处理通信系统综合实验147实验二 WDM光纤系统链路连接和调整实验154实验三 光纤通信链路在线光信号监测实验156实验四 远距离双向光纤通信系统误码率对测实验158实验五 5B6B线路编码通信系统综合测试161实验六 光纤通信网络同步系统综合实验163实验七 计算机数据光纤传输通信系统综合测

6、试168第八章 二次开发实验174第 10 页第一章 实验系统概述 1.1 概 述南京哲华科技有限公司研制的“ZH7002型光纤通信多功能综合实验系统”，由光无源器件实验平台、模拟图像传输系统、计算机数据传输系统、光终端机、电终端机以及误码测试模块等几大部分组成。“ZH7002型光纤通信多功能综合实验系统”为各高校通信专业光纤通信课程的教学提供了先进的实验手段。在实验系统中，系统的组成、功能电路、信息流程与实际光纤通信系统在技术上保持一致，并在此基础上增设特殊的测试环境。学生通过实验能够较全面的掌握光纤通信的系统组成、基本原理、关键技术以及主要技术指标的测量方法。这对学生理解与掌握光纤通信理论

7、和技术，提高实验教学质量具有重要意义。“ZH7002型光纤通信多功能综合实验系统”所涉及的技术在光无源器件实验平台有波分复用、扰模器、回波损耗、插入损耗等技术；模拟图像传输系统与计算机数据传输系统有模拟图像传输和计算机数据传输与接口等技术；在光终端机部分有：HDB3编译码、同步数据接口、数据扰码与解扰码、CMI编译码、5B6B编译码、误码检测、光终端定时和单芯双向光路传输等技术；在电终端机部分有：24线用户接口、DTMF检测、PCM编码、数字复接解复接（E1传输技术）和电终端定时技术等。该实验系统将当今通信领域的核心技术和新器件融入光纤通信实验教学，具有以下特点：1、 光路功能强大：本实验箱以

8、光收发模块和光无源器件为重点，开设了光路测量方面的几十种相关实验。如：激光发送器的PI特性、光链路连接、光接收器的眼图观测等等2、 多功能：本实验箱集成了光纤线路设备（光无源器件）、数字光纤通信系统、模拟 图像光纤传输系统、计算机数据光纤传输系统、误码在线测试以及二次开发等多种技术。给学生揭示了当今光纤通信的最先进技术，是一种高科技含量、高性价比的通信专业实验设备。3、 基础性：实验内容与当今光纤通信原理课程和教学大纲结合紧密，具有完善的实验指导书。实验教材中各实验项目内容详细，电路详实，实验步骤、操作过程清楚明了，所传授的知识点与光纤通信技术原理教材配套。4、 系统性：系统概念突出、完整、清

9、晰是该设备的一个突出优点。该实验系统涵盖了几乎所有的光纤通信技术。电路功能是按各个电路测试模块进行划分，通过对这些模块的测试，可以让学生对每一种电路模块的功能和性能有一个全面的理解；同时，每个电路测试模块可接入多个不同系统中进行综合实验，形成一个较完整的光纤通信系统测试平台。并且，该实验设备所展示的系统工作过程一目了然，便于学生理解光纤通信的信息流程与基本原理。5、 实用性：使用两台“ZH7002型光纤通信多功能综合实验系统”通过一根光纤就可以构成一个双向的、远距离的（50Km）临时应急通信系统，可传输PCM电话、同步数据（速率：2.048Mbps），计算机数据、模拟图像等业务。6、 开放性：

10、实验设计资料的完整性（准确、实用）、实验的可测性和正确性、设备使用的安全性是衡量开放型实验室设备的一个必备的基本条件。“ZH7002型光纤通信多功能综合实验系统”给学生和老师提供了完备的实验资料（实验指导书与实验电原理图），同时配备了可靠的电路板保护膜，为建立开放型的一流实验室提供了必备的基本条件。 1.2 实验系统组成一、实验系统模块布局“ZH7002型光纤通信多功能综合实验系统”由光无源器件实验平台、模拟图像传输系统、计算机数字传输系统、PDH电终端机、光终端机以及误码在线测试模块等几大部分组成。为便于学习和实验，在“ZH7002型光纤通信多功能综合实验系统”中，各项实验内容均以模块进行划

11、分，在PCB板上均由白色细线条将其明显分割开来，各大部分在PCB板上则由白色粗线条明显划分开来。同时为体现出电终端机在实际应用中的相对独立性，以及便于高校老师对实验装置的配置，这部分的PCB板置于实验箱的下层，而它的各模块的测试点全部引接到上层的PCB板上。每个测试模块既能单独开设实验，又能连成系统开设实验，老师可以灵活的组织与实施实验教学。在“ZH7002型光纤通信多功能综合实验系统”中，电源插座与开关在机箱的后面，电源模块在实验平台电路板的下面，它主要完成交流220V到5V、12V、12V、48V的直流变换，给整个硬件平台供电。实验平台上电路测试模块布局见图1.2.1所示。1、 光无源器件

12、主要由两个波分复用器，一个分路器，一个衰减器，两个连接器和六根尾纤（包括一根多模和五根单模光纤），用这些器件可以构成单芯双向光纤通信系统以及波分复用光纤通信系统等。2、 模拟传输系统把来自摄像头的视频基带信号进行适当的处理，送入光发送模块。经过光纤传输，进入光接收模块进行视频基带处理后，由监视器显示来自发端的视频信号。模拟传输系统主要由图像传输（收发）模块组成。3、 计算机数据传输系统是一个双向双工的不对称信道。它把来自计算机1的数据经过数字光纤信道，发送到计算机2。计算机2可把数据通过直通信道，传送到计算机1。计算机数据传输系统的接口标准采用RS232。它由数字光纤信道、直通信道和接口电路组

13、成。4、 光终端把来自电终端的信号经过线路接口电路（HDB3编译码）后，进行扰码（解扰）、光纤线路编码（CMI5B6B编译码），然后进入光收发模块，经过光纤之后，可以通过光无源器件，传输到对端。光终端机主要由下列功能模块组成：(1) AMI/HDB3线路编解码模块(2) 同步数据接口模块(3) CMI编码模块(4) CMI译码模块(5) 5B6B编码模块(6) 5B6B译码模块图1.2.1 ZH7002型光纤通信多功能综合实验系统布局图视频输出视频输入计算机1计算机2CMI编码模块CMI译码模块5B6B编码模块5B6B译码模块解复接模块复接模块PCM模块DTMF模块用户接口模块误码测试模块接收

14、定时模块加扰模拟模块HDB3编译码模块数据接口模块解扰模块光收发模块光收发模块波分复用器：合波器波分复用器：分波器(7) 加扰码模块(8) 解扰码模块(9) 光纤收发模块（单模）(10) 接收定时模块（含数字、模拟锁相环模块）(11) 误码测试模块5、 电终端首先把各路基带信号复接为E1标准的群路电信号，通过光终端发送电路变换为光信号，然后经光纤传输到接收端。在接收端再经光终端的光检测电路变换为电信号，送入电终端分路处理。电终端主要由下列功能模块组成：(1) 用户电话接口模块(2) 双音多频（DTMF）检测模块(3) PCM语音编译码模块(4) 帧传输复接模块（E1成形模块）(5) 帧传输解复

15、接模块（E1解复接模块）(6) 发送定时模块二、实验系统对外连接方式“ZH7002型光纤通信多功能综合实验系统”通过下面几个端口与外部通信终端或测量设备进行连接：1、 电话接口：连接自动电话机，与对端用户进行通话实验及测量。2、 同步数据接口（在实验箱下端的同步口模块内）：该接口标准为RS422，通过该端口接收外部的发送数据，并送入光终端机中；同时将光终端机接收的数据通过该端口送往外部设备。3、 尾纤FC连接端口：分别在光纤收发模块UE01、UE02的左、右端。用该端口连接一条单模光纤，可与对端实验箱连接，实现双向光纤通信，或为光无源器件实验提供测量光源。4、 J002（时钟测试信号输入），用

16、于向ZH7002型光纤通信多功能综合实验系统中送入各种测试信号。测试信号能否加入测试模块还与测试模块的跳线器设置有关，具体见测试步骤。5、 TP002（地）（在实验箱左端的信号输入接头）“ZH7002型光纤通信多功能综合实验系统”与外部连接接口布局见图1.2.2所示。三、实验系统系统流程及功能分配在“ZH7002型光纤通信多功能综合实验系统”中，各模块之间的系统连接见图1.2.3所示。该系统主要有两路信号流程：1、 数字传输系统信号的基本流程，以电话业务为例，发送支路为：电话机用户电话接口话音编码E1复接光终端HDB3编、译码数据扰码CMI5B6B编码电光转换光纤。接收支路为：光纤光电转换CM

17、I5B6B译码数据解扰E1解复接PCM译码用户电话接口电话机。2、 模拟图像传输系统信号的基本流程为：摄像头基带处理放大光发送模块（光器件）光接收模块放大基带处理电视机这样设计实验系统的目的是为了在不增加成本的条件下最大限度的增加系统实验内容，加强学生的动手能力，便于将各测试模块放在不同系统中进行测试、比较，加强学生对各模块在系统中的地位、作用、性能的掌握，使学生对通信系统有一个较全面的了解，同时老师可以根据实验实际课时对实验项目进行组织和优化。另外，用两台“ZH7002型光纤通信多功能综合实验系统”可以通过两条单芯单模光纤连接实现双向远距离（50Km）通信，两台实验箱中可以引入各种光无源器件

18、，让学生进行光纤无源器件的测量和各种连接实验，进一步掌握光纤通信网络技术。由图13可以看出，为了满足不同学校对光纤通信教学实验方面要求，我们的ZH7002型光纤通信多功能综合实验系统共有三种配置方式。其中“”区域表示为ZH7002A配置，此配置方式为基本型；“”区域表示为ZH7002B配置，“”表示为ZH7002C配置，以上两种配置方式为扩展型；误码测试模块为一个独立的可选模块。1.3 光器件基础知识一、无源光器件在光纤通信的传输系统中，除了必备的光终端设备、电终端设备和光纤之外，在传输线路中还需要各种辅助器件以实现光纤与光纤之间或光纤与光端机之间的连接、耦合、合分路、线路倒换以及保护等多种功

19、能。相对于光电器件，如半导体激光器、发光二极管、光电二极管以及光纤放大器等光“有源器件”而言，这一类本身不发光、不放大、不产生光电转换的光学器件，常被称之为光“无源器件”。无源器件的种类繁多，功能及形式各异，但在光纤通信网络里是一种使用性很强的不可缺少的器件。主要的无源器件有光纤连接器、光缆连接器、光纤耦合器、光开关、光复用器(合波器和分波器)、光分路器、光隔离器、光衰耗器、光滤波器，等等。它的作用概括起来主要是：连接光波导或光路；控制光的传播方向；控制光功率的分配；控制光波导之间、器件之间和光波导与器件之间的光耦合；以及合波和分波等作用。需特别指出，由于生产光“无源器件”的厂家众多，且品种、

20、结构、外貌各异，价格也不菲，因此实验箱中所涉及的光“无源器件”远不能代表该类器件的全貌。各学校可根据自己教学的需要和开设特殊实验内容的要求，在本实验箱基础上添置更多的光“无源器件”，增加新的实验内容。本章节的实验目的是让学生对光纤通信中这一类基本器件的某种结构及相关性能指标有一个基本了解，熟悉光“无源器件”性能指标的测量方法和光学测量仪器的使用方法，为今后的实践打下一个良好的基础。“ZH7002型光纤通信多功能综合实验系统”的光无源器件基本配置见表1.3.1。序 号名 称数 量11310/1550nm分波器（WDM）1只21310/1550nm合波器（WDM）1只31310nm光分路器（11）

21、1只4FC/FC连接器2只5可变光衰减器（0.530dB）1只6单模光纤5根7多模光纤1根表1.3.1 光“无源器件”种类和数量配置(一) 光纤连接器光纤连接器又叫光纤活动连接器、或叫活接头。这是用于连接两根光纤或光缆形成连续光通路的可以可拆卸重复使用的光“无源器件”，被广泛应用在光纤传输线路、光纤配线架和光纤测试仪器、仪表中，也是目前使用数量最多的光无源器件。尽管光纤连接器在结构上千差万别，品种上多种多样，但按其功能可以分成如下几个部分：连接器插头：插头由插针体和外部配件组成，用于完成在光纤器件连接中插拔功能。两个插头在插入转换器或变换器后可以实现光纤之间的对接。通常将一端装有插头的光纤称为

22、尾纤。光纤跳线：将一根光纤两头都装上插头，称为跳线。连接器插头是其特殊情况，即只在光纤的一头装有插头。跳线的两头可以是同一型号，也可以是不同的型号；可以是单芯的，也可以是多芯的。转换器：把两个光纤插头连接在一起，从而使光纤接通的器件称为转换器。转换器又称法兰盘。变换器：将某一种型号的插头变换成另一种型号插头的器件叫做变换器。在实际使用中，往往会遇到这种情况，即手头上有某种型号的插头，而设备或仪器上是另一种信号的插头或变换器，彼此配接不上，不能工作。此时，使用相对应型号的变换器，问题就迎刃而解了。裸光纤转接器：将裸光纤与光源、探测器以及各类光仪器进行连接的器件，称为裸光纤转接器。裸光纤与裸光纤转

23、接器使用时可相互连接；用完后，可以将裸光纤抽出它用。因此彼此是可以结合和分离的。光纤连接器按传输媒介的不同可分为单模光纤连接器和多模光纤连接器；按结构类型的不同可分为FC、SC、ST、MU、LC、MT等各种型式；按连接器的插针端面接触方式可分为FC、PC（UPC）和APC；还有按光纤芯数的多少分，有单芯光纤连接器和多芯光纤连接器。不管何种连接器，都必须具备损耗低、体积小、重量轻、可靠性高、便于操作、重复性和互换性好以及价格低廉等优点。FC、SC、ST连接器是目前世界上使用量最大的品种，也是我国采用比较常见的光纤品种。1、 FC型（平面对接型）连接器是一种采用卡口螺纹方式连接。这种连接器插入损耗

24、小，重复性、互换性和环境可靠性都能满足光纤通信系统的要求，是目前国内广泛使用的类型。FC型连接器结构采用插头转接器插头的螺旋耦合方式。两插针套管互相对接，对接套管端面抛磨成平面，外套一个弹性对中套筒，使其压紧并且精确对中定位。FC型光连接器制造中的主要工艺是高精度插针套管和对中套筒的加工。高精度插针套管有毛细管型、陶瓷整体型和模塑型三种典型结构。对中套筒是保证插针套管精确对准的定位机构。根据其插针端面形状的不同，它分为固定光纤端面的平面接触FC、球面接触的FC/PC和斜球面接触的FC/APC结构，后两种有利于减少插针端面的反射损耗。FC连接器外形结构图参见图1.3.1和图1.3.2所示。它具有

25、结构简单、操作方便、制造容易的优点。缺点是对沾污较敏感，应保持插针端面的绝对于净，否则影响连接衰耗。 2、 SC（矩形）光纤连接器是一种直接插拔耦合式连接器，不用旋转，可自锁和开启，为非螺旋卡口型。它的外壳是矩形结构，采用模塑工艺制作，用增强的PBT的内注模玻璃制造。插针套管是氧化锆整体型，将其端面研磨成凸球面。插针体尾入口是锥形的，以便光纤插入到套管内。SC矩形光纤连接器可以是单纤连接器也可以是多纤连接器，单纤外形结构图参见图1.3.3和图1.3.4所示。该器件特点是不需要螺纹连接，直接插拔，操作空间小，非常适合于密集安装状态下使用，如光纤配线架，光端机，以及局域网、用户网等。按其插针端面形

26、状也分为平面接触SC、球面接触的SC/PC和斜球面接触的SC/APC几种结构。3、 ST连接器是一种采用带键的卡口式锁紧机构来确保连接时准确对中的连接器，插针的端面形状通常为PC面。它的特点主要是使用非常方便，ST连接器外形结构图参见图1.3.5和图1.3.6所示。光纤活动连接器产生的损耗主要原因有两个方面，一是连接技术上的原因；二是光纤参数不一致所引起。前者主要有轴心错位、有折角、间隙以及端面不完整等造成光损耗。后者是由于光纤芯径、相对折射率差、椭圆度、外径、偏心度以及折射率分布参数等的差别所引起。连接技术所造成的损耗往往是主要的，其中轴心错位和间隙造成损耗占有较大的比例。图1.3.7较直观

27、的反映了几种光纤连接损耗的原因。图1.3.7 光纤连接损耗的原因表征光纤连接器特性的参数主要是：插入损耗、回波损耗、重复性和互换性等。插入损耗（Insertion Loss）：即连接损耗，是指光纤中的光信号通过光纤连接器，其输出光功率()与输入光功率()的比的分贝数，表示为：插入损耗越小越好，一般要求应不大于0.5dB。回波损耗（Return Loss, Reflection Loss）：又称后向反射损耗，是指连接器对链路光功率反射的抑制能力，指在光纤连接处，后向反射光功率)与输入光功率()的比的分贝数，表示为：回波损耗越大越好，这样可减少反射光对光源和系统的影响。其典型值应不小于25dB。实

28、际应用的连接器，插针表面经过了专门的抛光处理，可以使回波损耗更大，一般不低于45dB。重复性和互换性：重复性和互换性指标是对活动连接器而言的。重复性是指光纤连接器多次插拨后插入损耗的变化，用分贝(dB)表示。互换性是指连接器各部件互换时插入损耗的变化，也用分贝(dB)表示。连接器一般由跳线和转换器组成，连接器的重复性和互换性指标可以考核连接器结构设计和加工工艺的合理性，它们是连接器实用化的重要标志。使用寿命（插拔次数）：反映连接器满足技术参数范围内插拔次数的多少。目前使用的光纤连接器一般都可以插拔l000次以上。温度性能：是指连接器能够正常使用的温度范围。具体是在一定温度范围内（通常在：407

29、0）连接器的损耗变化量应在0.2dB以内；此外还有抗拉强度、振动等各种环境试验数据等。(二) 耦合器件光耦合器是一种用于传送和分配光信号的无源器件。通常，光信号由锅台器一个端口输入，而从另一个端口或几个端口输出。光耦合器在光纤局域网、光纤有线电视网、干涉型光纤传感器和某些测量仪表(如光时域反射计)中有广泛的应用。光耦合器已形成了一个多功能、多用途的产品系列。根据不同的情况有不同的分类方法。从功能上，光耦合器可分为：光功率分配器和光波长分配耦合器；从传导模式上，它可分为：单模耦合器和多模耦合器；从端口形式上，它可分为：X形耦合器、Y形耦合器、星形耦合器和钳形耦合器等；从工作带宽上，它可分为：单工

30、作窗口的窄带耦合器、单工作窗口的宽带耦合器(WFC)和双工作窗口的宽带耦合器(WIC)。几种端口形式的耦合器如图1.3.8所示。我们通常又将与波长无关的耦合器称为合分路器；而将与波长有关者又称为波分复用器。与波长无关类合分路器常用1×N表示其合分路数，也就是在星形耦合的某一侧只保留一个端口而已。实际上，对于路数较多的合分路器完全可以采取和垦形粥合器一样的工艺，如熔融技术。表征锅台器特性的主要参数是：插入损耗、功率锅台系数、分光比和隔离度。插入损耗：是指某一输出端口的光功率（）与全部输入光功率（）的比的分贝数，表示为：功率耦合系数：定义为耦合臂输出功率()与输入光功率()之比，表示为：

31、分光比：定义为耦合器各输出端口输出功率()与总输出功率的比值，表示为：隔离度：是指光耦合器的某一光路对其他光路中的光信号的隔离能力。定义为：某一光路输出端测到的其他光路的光信号的功率值()与光信号输入功率()的比的分贝数，表示为：光耦合器的耦合是靠消逝场的作用，这就需要使光纤的芯线靠近。因此制作光耦合器的方法主要有：侧面研磨法和熔融拉锥法。侧面研磨法是将光纤预先埋入玻璃块的弧形槽中，然后对光纤侧面进行研磨抛光，同时监测光通量。研磨结束后，在磨面上加入一小滴匹配液，再将光纤拼接，做成光纤耦合器。熔融拉锥法是将两根(或两根以上)除去徐覆层的光纤以一定方式靠拢，在高温下加热熔融，同时向两侧拉伸，最终

32、在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构，实现传输光功率耦合。熔融拉锥法的工艺相当成熟，这种方法己成为当前制作光耦合器的主要方法。(三) 光衰减器能够使传输线路中的光信号产生定量衰减的器件称为光衰减器。光衰减器可大致分为固定和可变两类。固定衰减器和可变衰减器的主要指标是其衰减量的准确度、精度和稳定性或重复性，以及适用的波长区域。使光纤中的光信号功率衰减的办法很多，因此衰减器的原理和结构形式也多种多样。图1.3.8是一种小型法兰式光可调衰减器（FC标准适配器形式），应用于光纤传输线路中，可对光强进行025dB连续可变的衰减，对衰减量进行在线式调整与锁定，使用极为方便。表1.3.2列出的是该光可调衰减

33、器技术性能参数。 图1.3.8小型法兰式光可调衰减器表 1.3.2 法兰式光可调衰减器技术性能参数参 数单 位指 标工作波长nm1310或1550附加损耗dB0.3衰减量dB025输入/输出形式FC外形尺寸mm19×18.5温度范围-4080(四) 光开关光开关是使传输通路中的光路控制器件，起着控制光信号通、断或转换光路的作用。它目前广泛应用在主、备光纤线路的切换，光纤或光缆的测量系统中，以及用户系统、专用线路、光交换机中等领域。一个性能良好的光开关应具备插入损耗低、转换重复性好、开关速度快、使用寿命长以及结构紧凑等。由于只要能在时间上或空间上对光波进行切换的器件都可制作成光开关，所

34、以光开关种类繁多。通常，可将光开关概括为三类，每一类又有多种具体形式。机械式光开关：利用机械动作达到光开关的目的。其光开关优点具有插入损耗小、串扰低；缺点是速度慢，易磨损，容易受振动和冲击的影响。非机械式光开关：利用电光效应、磁光效应及声光效应实现光开关。其光开关优点具有重复性好、开关速度快、可靠性高、使用寿命长、尺寸小等。缺点是插入损耗、串光性能不够理想。半导体光波导开关：基于电光效应电场引起折射率变化、填充带效应或载流子注入感生折射率变化以及量子限制Stark效应场感生折射率变化制作成光开关。其光开关优点具有损耗低、开关速度快、重复性好，便于与其它元期间单片集成进行批量生产等。(五) 光隔

35、离器光隔离器是光单向传输的一种非互易性器件，即光的单向器。光隔离器在光纤通信、光信息处理系统、光纤传感以及精密光学测量系统中具有重要作用。例如，光发射机中光源所发出的信号光，通常是以活动连接器的形式耦合到光纤线路中去的。活接头处的光纤端面间隙会使约4的反射光向着光源传输（菲涅耳反射光）。对于光频稳定性要求高的光纤通信系统(如相干光通信系统，密集波分复用或光频分复用系统等)，这部分返回光可能影响光源的工作稳定性，进而影响到系统的正常工作。为此，需在光源和活动连接器之间设置光隔离器，消除不良影响。另外，还有光纤准直器、光环行器等等，其功能和和性能不再一一赘述，可参见相关教材。(六) 在使用光纤无源

36、器件时需注意以下几点：1、 每个光纤部件插头都带有保护套，使用时拔下保护套，并保存好，便于在实验结束时重新套上。2、 光纤部件属于易损、娇贵器件，应轻拿轻放，避免使用蛮力径向用劲拽拉光纤或使光纤弯曲弧度过小，造成光纤芯线折断。各部件之间连接时须仔细对准定位销位置，并注意接头的旋紧方向（如FC头）。3、 平时使用时，注意保持光纤插头前端纤芯表面的清洁，避免碰撞、摩擦，如发现有污物时，可用软缎或棉扦沾无水乙醇轻轻擦拭干净。二、光纤光纤是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。图1.3.9示出光纤的外形。包层纤芯图1.3.9 光纤的外形光纤的种类很多，这里只介绍作为信息传输波导用的由高纯度石英

37、（SiO2）制成的光纤。实用光纤主要有三种基本类型，图1.3.9示出其横截面的结构和折射率分布，光线在纤芯传播的路径，以及由于色散引起的输出脉冲相对输入脉冲的畸变。这些光纤的主要特征如下。突变型多模光纤（Step-Index Fiber,SIF），这种光纤纤芯直径一般在5080m，特点是信号畸变大。渐变型多模光纤（Graded-Index Fiber,GIF），这种光纤纤芯直径一般为50m，特点是信号畸变小。单模光纤（Single-Mode Fiber,SMF），这种光纤纤芯直径一般只有810m，只能传输一个模式（两个偏振态简并），其信号畸变很小。第二章 光器件实验一 单模光纤特性测量一、 实

38、验目的1、 能够熟练测量光的特性2、 掌握单模光纤特性二、 实验仪器1、 ZH7002型光纤通信多功能综合实验系统一台2、 光功率计 一台三、 实验原理光纤是光波的传输媒质，按光纤中传输模式的多少，光纤可分为多模光纤和单模光纤两类。在单模光纤中只能传输一个模式，多模光纤则能承载成百上千个模式。一般的光纤通信系统中，对光纤的要求为：（1）低传输损耗；（2）高带宽和高数据传输速率；（3）与系统元件（光源、光检测器等）的耦合损耗低；（4）高的机械稳定性；（5）在工作条件下光和机械性能的退化慢；（6）容易制造。单模光纤：中心玻璃芯较细（510m），只能传一种模式的光。单模光纤可提供最大的信息载容量，在

39、设计波长时，带宽可达到50GHz·km。单模光纤的折射率可选用阶跃型分布，也可选用梯度型分布，为了特殊的目的，如：色散位移、非零色散、色散补偿、保偏等，还可选用其他复杂的折射率分布结构。目前商用的常规单模光纤，一般选用阶跃型折射率分布。阶跃型单模光纤是高带宽、低损耗的优质光纤，这种光纤适合长距离光传输。它一般是由掺杂石英玻璃制成。单模光纤的芯径很小以确保其传输单模，但是其包层直径很大。为避免外界环境的影响，一般要用缓冲层来保护和增强单模光纤。实际使用的单模光纤可能结构如图2.1.1所示。单模光纤的结构、参数和各组成部分的作用与多模光纤是类似的，它们的不同之处在于：单模光纤有模场直径和

40、截止波长两个特殊参数。单模光纤的典型几何参数如表2.1.1所示。图2.1.1 单模光纤的横截面图 表2.1.1 单模光纤的典型几何参数参 数指 标模场直径，m（8.610.5）±0.7包层直径，m125±1芯包层同心度误差，m0.8包层不圆度，2单模光纤以其损耗低、频带宽、容量大、成本低、易于扩容等优点，作为一种理想的信息传输介质，得到了广泛的应用，随着光纤通信技术的飞速发展，人们研究开发出了光纤放大器、时分复用技术、波分复用技术和频分复用技术，使单模光纤的传输距离、通信容量和传输速率进一步提高。四、 实验步骤准备工作：将实验箱左上端的跳线开关KE01和KJ02都设置在“5

41、B6B”工作方式下（右端：23），将5B6B编码模块中的输入数据选择开关KB01设置在“m序列”工作方式（右端：23），KX02设置在“正常”位置；用发送波长为1310nm和1550nm的光纤发送器作为光源；并准备好尾纤，为保证测试精度，测量前先用酒精棉将光纤头清洁一下。1、 弯曲损耗测量(1) 将单模光纤跳线的一端接入光纤收发模块中激光收发器UE01的发送端，然后用光功率计测量该光源的光功率并记录结果。(2) 人为地抖动跳线，定性地观察光功率值的波动范围。(3) 人为地弯曲跳线，甚至小心的对折，观察光功率的测量值，估算弯曲以后的损耗；还可以将跳线绕在笔上，观察绕若干圈所引入的损耗。2、 不同

42、波长（1310nm与1550nm）的光信号在光纤中衰减量的测量（连接方法可参考图2.1.2） (1) 将跳线的一端接到光发送波长为1310nm的激光发送器的输出端，用光功率计测出该点的光功率，在此跳线的另一端通过连接器再接入一根跳线，测光功率，计算出差值。（注：此差值中包含有连接器的损耗）(2) 将跳线的一端接到光发送波长为1550nm的激光发送器的输出端，用光功率计测出该点的光功率，在此跳线的另一端通过连接器再接入跳线，测光功率，计算出差值。（注：此差值中包含有连接器的损耗）(3) 将和进行作比较。五、 实验报告分析总结各项测量结果。实验二 多模光纤特性测量一、 实验目的1、 能够熟练测量光

43、的特性2、 掌握多模光纤特性二、 实验仪器1、 ZH7002型光纤通信多功能综合实验系统 一台2、 光功率计 一台三、 实验原理多模光纤：中心玻璃芯较粗(50或62.5m)，耦合入光纤的光功率较大，可传多种模式的光。但其模间色散较大，每一种模式到达光纤终端的时间先后不同，造成了脉冲的展宽，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。例如：600MB/KM的光纤在2KM时则只有300MB的带宽了。因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。除此之外，多模光纤弯曲损耗比较大。多模光纤结构如图2.2.1所示。纤芯用来导光，包层保证光在纤芯内发生全反射。涂覆层则为保护光纤不受外界作

44、用而产生微小裂纹。多模光纤的典型几何参数，如表2.2.1所示。图2.2.1 多模光纤的结构图由于多模光纤一方面收发机相对便宜，另一方面多模光纤接续简单方便和费用低，因此应用范围也很广。且目前是多模光纤研究与开发的一个新时期，多模光纤以前大多用在短程通信中，随着人类社会信息化进程步伐的加快，其传输速率和容量也在不断上升。表2.2.1 50125多模光纤典型几何参数参 数指 数芯径，m50.0±2.5包层直径，m125.0±2.0芯不圆度，6芯包层同心度误差，m1.5包层不圆度，2四、 实验步骤准备工作：将实验箱左上端的跳线开关KE01和KJ02都设置为“5B6B”工作方式（右

45、端：23），将5B6B编码模块中的输入数据选择开关KB01设置为“m序列”（右端：23），KX02设置在“正常”位置。准备好多模光纤跳线，为保证测试精度，测量前先用酒精棉将跳线头清洁一下。1、 弯曲损耗测量(1) 将跳线的一头接入光收发模块中激光收发器UE01的发送端，用光功率计在跳线另一头测光功率，记录测量结果。(2) 人为地抖动跳线，定性的观察光功率值的波动范围。(3) 人为地弯曲跳线，甚至小心的对折，观察光功率计的测量值，估算跳线弯曲后的损耗；还可将跳线绕在一枝笔上，测量绕若干圈后的损耗。2、 不同波长（1310nm与1550nm）的光信号在跳线中衰减量的测量(1) 将跳线的一端接到光发

46、送波长为1310nm的激光发送器的输出端，并用光功率计测出该点的光功率，在此跳线的另一端通过连接器再接入一根多模光纤跳线，然后再测光功率，计算出差值。（此差值包含有光通过连接器的损耗）(2) 将跳线的一端接到光发送波长为1550nm处，并用光功率计测出该点的光功率，在此跳线的另一端通过连接器再接入一根多模光纤跳线，然后再测试光功率，计算出差值。（此差值包含有光通过连接器的损耗）(3) 将和进行作比较。3、 多模光纤与单模光纤串接性能测试(1) 将激光收发器UE01的发送端作为光源，先接入一根单模光纤跳线，用光功率计测出光功率，并记录测量结果，然后在这根单模光纤跳线的另一头通过连接器再接上一根多

47、模光纤跳线，在多模光纤跳线的另一端测出的光功率。(2) 同理，将激光收发器UE01的发送端作为光源，先接入一根多模光纤跳线，这时用光功率计测出光功率，并记录，然后用连接器连上一根单模光纤，再用光功率计测出该端的光功率。(3) 将（1）、（2）步骤中各对应点的值作比较，分析原因。五、 实验报告分析总结各项测量结果。实验三 光连接器和跳线特性测量一、 实验目的1、 理解光连接器和光纤跳线器的各种特性2、 熟悉光连接器和光纤跳线器的应用方法二、 实验仪器1、 ZH7002型光纤通信多功能综合实验系统 一台2、 光功率计 一台三、 实验步骤准备工作：将实验箱左上端的跳线开关KE01和KJ02都设置在“

48、5B6B”工作方式下（右端：23），将5B6B编码模块中的输入数据选择开关KB01设置在“m序列”工作方式（右端：23），KX02设置在“正常”位置；分别以发送波长为1310nm和1550nm的两个激光收发器的发送端作为光源。按图2.3.1连接好测试设备，连接跳线、连接器和光无源器件时注意定位销方向。1、 插入损耗测量(1) 用光功率计测量波长为1310nm的光源经跳线输出，在“a”点的光功率；然后将此跳线接光功率计的一端接入连接器的输入端口，在连接器的另一端再接一根跳线，用光功率计测量经一对光连接器和光纤跳线器输出在“b”点光功率，记录测量结果，填入表格，计算一对光连接器和光纤跳线器插入损耗

49、值。(2) 可以在“b”点之后，再接入一对光连接器和光纤跳线器，测量输出“c”点光功率，观测大致的误差偏离值。（要注意光纤跳线头是否清洁，实验前可用酒精棉擦洗一下）输入功率（dBm）输出功率（dBm）插入损耗（dB）： 四、 实验报告 分析总结实验数据。 实验四 光分路器性能测试实验一、 实验目的1、 使学生深入了解光分路器的各种特性及指标特点2、 熟悉光分路器的应用方法二、 实验仪器1、 ZH7002型光纤通信多功能综合实验系统 一台2、 光功率计一台三、 实验步骤准备工作：将实验箱左上端的跳线开关KE01和KJ02都设置在“5B6B”工作方式下（右端：23），将5B6B编码模块中的输入数据

50、选择开关KB01设置在“m序列”工作方式（右端：23），KX02设置在“正常”位置；用发送波长为1310nm和1550nm的光纤发送器作为光源。按图2.4.1连接好测试设备，连接跳线、连接器和光无源器件时注意定位销方向。 1、 b支路插入损耗测量用光功率计测量发送波长为1310nm的激光发送器经跳线输出在“a”点的光功率，然后将信号接入光分路器的输入端口；用光功率计测量在b支路“b”点的光功率。记录测量结果，填入表格，计算光分路器主支路的插入损耗值。输入功率（dBm）输出功率（dBm）插入损耗（dB）：2、 分光比测量在上述测量条件下，测量c支路“c”点光功率。记录测量结果，填入表格，计算光分

51、路器的分光比。输出功率（dBm）总输出功率（dBm）计算分光比（%）：3、 波长特性测量将测量光源的光发送波长改变为1550nm，重复上述第1和第2实验步骤。记录测量结果，填入表格，分析1310nm波长分路器使用在其它波长时的测量结果。输入功率（dBm）输出功率（dBm）插入损耗（dB）：输出功率（dBm）总输出功率（dBm）计算分光比（%）：四、 实验报告分析总结各项测量结果。实验五 光波分复用器一、 实验目的1、 使学生深入了解WDM器件的各种特性及特点2、 熟悉WDM器件的应用方法3、 让学生通过对光纤器件的连接建立一个感性认识，增加学习的兴趣，熟悉光纤无源器件的使用方法二、 实验仪器1

52、、 ZH7002型光纤通信多功能综合实验系统一台2、 光功率计一台3、 摄像头一个4、 监视器一台三、 实验原理光波分复用器（WDM）是对光波波长进行分离与合成的光无源器件。光波分复用器在解决光缆线路扩容或复用中起着关键性的作用。它能将多个光载波进行合波或分波，使光纤通信的容量成倍增加。波分复用器包括复用器(或光合波器)和解复用器(或光分波器)两部分。复用器用在光纤通信系统的发送端，其作用是将不同频率的光信号组合起来，送入一根光纤。解复用器用在接收端，其作用是将光纤送来的多路信号按频率一一分开。两波长波分复用器的原理如图2.5.1所示。表征波分复用器特性的参数是：复用中心波长、信道通信带宽、插

53、入损耗、回波损耗、隔离度、最大光功率、温度稳定性等等。(1) 信道通信带宽信道通信带宽指允许的中心波长变化的范围。(2) 插入损耗插入损耗指对同一波长（），器件输出端光功率（，i1或2）与输人端光功率（，i1或2）的比的分贝数，表示为：(3) 回波损耗回波损耗指光信号从指定端口输入时，由于器件引起反向回传的光能量。(4) 隔离度隔离度指器件输出端口的光进入非指定输出口的光能量（或）与该输出端口的光能量的比的分贝数，表示为： ， (5) 最大光功率最大光功率指器件允许通过的最大光功率值(6) 温度稳定性温度稳定性指器件插入损耗随温度的变化率在ZH7002型光纤通信多功能综合实验系统之中，WDM系

54、统采用双信道1310/1550 nm 系统。另外需要注意的是，相同设备通过相同WDM技术原理却可以执行相反过程，即：一方面可以将多波长数据流分解为多个单波长数据流（解除复用技术），另一方面，也可以多个单波长数据流复用成多波长数据流。四、 实验步骤准备工作：将实验箱左上端的跳线开关KE01和KJ02都设置在“5B6B”工作方式下（右端：23），将5B6B编码模块中的输入数据选择开关KB01设置在“m序列”工作方式（右端：23），KX02设置在“正常”位置；以发送波长分别为1310nm和1550nm的激光发送器作为光源，准备好跳线，为保证测量精度，在使用尾纤之前，应先用酒精棉清洁光纤头。（一）分波

55、器测量（根据图2.5.2连接实验器件）1、 WDM器件插入损耗测量(1) 用光功率计测量1310nm光源输出的光功率（1310nm），并从“a”点送入波分复用器；用光功率计测量对应端口（1310nm）“b”点光功率（1310nm）。记录测量结果，填入表格，计算1310nm波长时WDM器件插入损耗值。(2) 用光功率计测量1550nm光源输出的光功率（1550nm），并从“a”点送入波分复用器；用光功率计测量对应端口（1550nm）“c”点光功率（1550nm）。记录测量结果，填入表格，计算1550nm波长时WDM器件插入损耗值。输入功率（dBm）输出功率（dBm）插入损耗（dB）（1310nm）：（1310nm）：（1310nm）：（1550nm）：（1550nm）：（1550nm）：2、 WDM器件隔离度测量(1)