实验报告：
音频信号光纤传输
（本报告仅供参考，每个同学应根据指导老师讲解和实际实验过程自行撰写）
实验目的：
1、 学习音频信号光纤传输系统的基本结构和各部件的选配原则。
2、 熟悉光纤传输系统中电光/光电转换器件的基本性能。
3、训练如何在音频信号光纤传输系统中获得较好的信号传输质量。
实验仪器
TKGT-1型音频信号光纤传输实验仪 信号发生器 双踪示波器
实验原理
光纤，又名光导纤维，是20世纪70年代为光通信而发展起来的一种新型材料，具有损耗低、频带宽、耐高温、绝缘性好、抗电磁干扰、光学特性好等优点。
1970年，美国康宁公司率先研制出了世界上第一根传输衰减损耗小于20dB/km 的石英光纤。目前，普通单模光纤的传输损耗在工作波长为1550纳米窗口损耗小于0.2dB/km ，在1310纳米窗口小于0.3 dB/km 。目前商用光纤制作工艺多为渐变折射率芯层光纤。
从传输模式来说，光纤分为单模和多模两种；从结构上来说，分为普通光纤和特殊光纤，普通光纤包括单模和多模光纤，特殊光纤包括保偏光纤、单偏振光纤和塑料光纤等。普通光纤的外径为125微米，单模光纤芯径为5-10微米，多模光纤芯径为50、62.5、80、100微米，加护套总直径约为1毫米。目前通信干线用光纤一般为单模光纤，光纤工作波长为1550纳米。
一般光纤的结构是由导光的纤芯和周围包覆的涂层组成。光纤的工作基础是光的全反射。由于纤芯的折射率大于涂层的折射率，当光从纤芯射向涂层，且入射角大于临界角，则射入的光在界面上产生全反射，成“之”字形前进，传播到圆柱形光纤的另一端而发射出去，这就是光纤的传光原理。
附：光的全反射原理
根据光的反射和折射定律，即11θθ=' 2211sin n sin n θθ= 若n1>n2，横线上为2，下为1介质，即光由光密介质射入光疏介质，且入射角大于临界角，即c θθ>时，就发生光的全反射现象。由于在临界状态下，
2
2π
θ=
，代入上式，则???
?
??=12
c n n arcsin θ ，称为全反射临界角。 光波在光纤中传输，可以用两种不同的理论来解释。一种是电磁理论，或称模式理论；另一种是几何光学理论，或称为射线理论。
1、光信号的发送（示意图）
图1
系统低频响应不大于20赫兹，取决电阻、电容网络。
系统高频响应不大于20千赫兹，取决于运放电路的响应频率。 光纤通信的三个窗口波段：0.84 1.31 1.55微米（μm ），窗口波段与光纤传输呈现低损耗，与光电检测器件的峰值响应波段相匹配（本系统在0.8-0.9微米）。
在光纤应用中，常用的
光源有：发光二极管(LED)和激光二极管(LD)。
半导体激光器实质上是一个光波振荡器，它具有振荡、反馈与
放大作用。根据光纤的特性通常选用长波长激光器，一般为1310nm 。它通常是由P 型限制层与有源层和N 型限制层与有源层所组成的两个异质结。
2、光信号的接收（示意图）
常用的光探测器是半导体光电二极管PIN 和雪崩二极管。
半导体光电二极管PIN 具有体积小，材料合适、灵敏度高、响应速度快等特点，在光纤通信系统中有着十分广泛的应用。其伏安特性为L k T
qU
0I )e
1(I I +-=。
其中I 0为无光照时的反向饱和电流，U 为二极管的端电压（正向电压为正，反向电压为负），q 为电子电荷，k 为波尔兹曼常数，T 为温度（单位为K ），I L 为无偏压状态下光
照时的短路电流，与光照时的光功率成正比。
3、光纤传输三个技术指标：
光纤损耗：光纤的损耗是指光在光纤中传播时，由于介质的吸收、散射和辐射等原因，光强不可避免地要随着传播距离的增加而减少。光纤的损耗反映了光波在光纤中传输时所引起的能量损失情况。设输入光纤的光波功率为P 0，输出功率为P ，则光纤损耗定义为两者比值的对数，用α表示，即α=lgP 0/P 单位是贝尔，这个单位太大，实际应用中常用分贝，则α=10lgP 0/P 。
吸收损耗是由于光纤物质对光的吸收造成。光照射到光纤材料的原子、分子上，若光子能量恰好等于电子两能级之间的能量差，则光子便将能量转移给电子，使之产生能级跃迁，这就是光纤吸收损耗的定性解释。
散射损耗，是指光在光纤中传播时，遇到材料本身和制造工艺的限制所引起的不均匀性或不连续性造成的损耗。
光纤损耗和光纤色散就是通常主要所指的光纤传输特性。
光纤色散：光波信号在光纤中传输，或多或少都会使光波信号波形展宽，发生失真，这种现象说明光纤中存在色散。
光纤色散分为两类：模间色散和模内色散，通常模间色散要比模内色散大得多。
模间色散，是多模光纤中存在的一种弥散现象，是由于光纤中不同模式的光波的传播速度不同造成的。模间色散与通常的色散概念不同（后者指光波的频率不同引起折射率不同，导致传播速度不同），但由于其效果也是引起脉冲展宽，故常笼统称为色散。
显然，单模光纤只允许一个模式的光传播，故不存在明显的模间色散；远距离通信多用单模光纤。自聚焦光纤不产生延时失真，故模间色散也可降低到最低限度。模间色散即延时失真，严重时可能使前后脉冲因展宽而互相重叠。
模内色散又称多色色散，是由于光波频率的不同引起光纤折射率不同而产生的色散效应。光纤中任一光波都图
输出波形 可能包含多种频率成分，不同波长的光在光纤中传播的速度不同。因此，同一模式的光波到达终端时，也会产生信号的时延差，造成脉冲展宽。
数值孔径：它决定了能够在光纤中传播的光束半孔径角的最大值m ax θ，记作N.A.（numerical aperture ）,定义为
222
1max 0n n sin n NA -==θ （m ax 2θ称为光纤的受光角）
。可以看出，光纤的数值孔径只取决于光纤纤芯和包层的折射率，与光纤的几何尺寸无关，因此可制成数值孔径很大而截面积又很小的光纤。其值在0.1---0.6之间，
角度值在9度---33度之间。
4、光纤通信的优点
频带宽、通信容量大
用电磁波传输信号，其容量大小与所用载波的频率有关。光波的频率很高1014赫兹，比微波频率108-1010要高几个数量级。同样取其频率的1%作带宽，容量相差十万倍。 损耗低
同轴电缆线路内信号迅速衰减，每
隔几公里就需要设一个中继站；而光纤通信的中继站可增大到几十公里或几百公里。 质量小，原材料资源丰富
其材料密度只有铜的四分之一，节约稀有金属。 抗干扰性强、保密性好
一般情况下，外界电磁干扰频率都比较低，不在光波频段；同时光纤本身又是电中性，不受高压电、雷电、电车线等电磁感应的影响。外界光频段的干扰，也易于屏蔽，不至于进入光纤。而且光纤也很少有光泄露出来，泄密可能性基本消除。另外，光纤材料化学稳定性高，防腐蚀、防火、防水能力强，适合在恶劣环境下和危险情况下使用。
实验内容与步骤
1．光纤传输系统静态电光/光电传输特性测定
打开仪器电源，连接光纤，分别观测面板上两个三位半数字表头分别显示发送光驱动强度和接收光强度。调节发送光强度电位器，每隔200单位（相当于改变发光管驱动电流2mA ）分别记录发送光驱动强度数据与接收光强度数据，填写表格并在方格纸上绘制静态电光/光电传输特性曲线。
发送光强度 接收光强度
2．光纤传输系统频响的测定
将输入选择开关打向外，在音频输入接口上从信号 图（5）
最大不失真输出电压
发送光
强度
0 V 发生器输入正弦波，将双踪示波器的通道 1 和通道 2 分别接到发送端示波器接口和接收端音频信号输出口， 保持输入信号的幅度不变，连续调节信号发生器输出
频率（可以从1k 赫兹开始，使频率连续调小或连续调大）， 记录输出端信号电压幅度的变化情况，分别测定系统的 低频和高频截止频率（可以信号衰减为正常信号 （如频率1k 赫兹）响应电压幅度的三分之一左右视为截止）。作关系曲线如右图并要求给出具体数据即最低和最高截止频率。 3．LED 偏置电流与无失真最大信号调制幅度关系测定 将从信号发生器输入的正弦波频率设定在1kHz ，保持 不变。输入信号幅度调节电位器置于最大位置，然后在LED 偏置电流为5、10mA 两种情况下，调节信号发生器的信号 源输出幅度，使其从零伏开始增加，同时在信号接收端观察
波输出波形电压变化，直到波形出现失真现象时，记录下此时电压波形的峰-峰值，由此确定LED 在不同偏置电
流下信号输出的最大幅度。作关系曲线如右图并要求给出具体数据。
4．多种波形光纤传输实验
通过信号发生器的上档键切换方波与正弦波，将方波信号和三角波信号先后输入音频接口，分别改变输入频
率和输入电压，从接收端观察输出波形变化情况。（结论：在数字光纤传输系统中往往采用方波来传输数字信号，但我们本套系统，不太适合方波传播）。 5．音频信号光纤传输实验
将输入选择打向内，调节发送光强度电位器改变发送端LED 的静态偏置电流（1000个发送光强度左右），按下内音频信号触发按钮，观察在接收端听到的语音片音乐声。考察当LED 的静态偏置电流小于多少时，音频传输信号产生明显失真，分析原因，并同时在示波器中分析观察语音信号波形变化情况。
思考题、讨论题、作业
1、 LED 偏置电流是如何影响信号传输质量。
2、 本实验中光传输系统哪几个环节引起光信号的衰减？