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。
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
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1n ，包层的外径为b ，折射率为2n ,且1n >2n 。
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：
z i sin n sin n θθ10= （1） 其中απθ-=2z ，所以有
αθcos n sin n i 10= （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 在空气介质中，故n 0 =1。由
（2）式可知：如果光线在光纤端面处的入射角i θ较小,则它进入光纤内部后投射到纤芯-包n 1 n 2 n 0 αi θz θ 1
2
1 1 2
2 2
2
2
子午传导射线 漏射线 1 图3 子午传导射线与漏射线
层界面处的入射角α 就会大于按下式决定的临界角c α： ()12n n arcsin c =α （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 θ的增加，α角就会逐渐减小，直到c αα=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 θ，则α角就会变得小于c α， 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 αα=对应的i θ为max i θ，凡是以max i θ 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：
c max i cos n sin n αθ10=
其中n o 表示光纤入射端面空气一侧的折射率，其值为1，故：
()()21222121211n n sin n sin c max i -=-=αθ
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
NA =()()2
11122212∆θn n n sin max i =-= （4） 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 n 1 和 n 2 有关，与光纤的半径a 无关。 在（4）式中：
△ =()
()1212122212n /n n n /n n -≈- 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n 1 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。
