光纤通信实验报告汇总(参考)

时间：2020-10-18 12:32:46 来源：蒲公英阅读网 本文已影响人

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　 Compilation of reports 20XX 报 告 汇 编

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　实验一 用户电话接口实验 一、实验目的 1、 掌握用户电话接口电路的主要功能 2、 了解实现用户接口电路功能芯片 Am79R70 的主要性能和特点

　二、实验内容 1、掌握用户线接口电路的主要功能 2、了解 Am79R70 的结构和工作原理 3、了解电话接续的原理及其各种语音控制信号的波形

　三、实验仪器 1、ZY1804I 型光纤通信原理实验系统

　 1 台 2、20MHz 双踪数字示波器

　1 台 3、电话机

　 2 部 4、连接导线

　20 根

　 四、实验原理 1 、用户线接口电路功能及其作用 在现代通信设备与程控交换中，由于交换网络不能通过铃流、馈电等电流，因而将过去在公用设备（如绳路）实现的一些功能放到“用户电路”来实现。

　在程控交换机中，用户电路也可称为用户线接口电路（Subscriber Line Interface Circuit—SLIC）。根据用户电话机的不同，用户接口电路可分为模拟用户电话接口电路和数字用户电话接口电路。模拟用户电话接口电路与模拟电话相连，数字用户电话接口电路和数字终端相连（如 ISDN），而在此实验箱中采用模拟用户电话接口电路。

　模拟用户线接口电路在实现时最大的压力应是能承受馈电、铃流和外界干扰等高压大电流的冲击，过去都是采用晶体管、变压器、继电器等分立元件构成，但随着微电子技术的发展，各种集成的 SLIC 相继出现，他们大都采用半导体工艺或是薄膜、厚膜会合工艺，性能稳定，价格低廉，已实现了通用化。

　在程控交换机中模拟用户接口电路一般要具有 B（馈电），R（振铃），S（监视），C（编译码），H（混合），T（测试），O（过压保护）七项功能。具体含义是：

　1、馈电（B-Battery feeding）：向用户话机馈送直流电流。通常要求馈电电压为-48V，环路电流不小于18mA。

　2、过压保护（O-Overvoltage protection）：防止过压过流冲击损坏电路和设备。

　3、振铃控制（R-Ringing Control）：向用户话机馈送铃流，通常为 25Hz/75Vrms 正弦波。

　4、监视（S-Supervision）：监视用户线的状态，检测话机摘机、挂机与拨号脉冲灯信号已送往控制网络和交换网络。

　5、编解码与滤波（C-CODEC/Filter）：在数字交换中，它完成模拟话音与数字码间的转换。编译码通常采用 PCM 码的方式，其编码器（Coder）和译码器（Decoder）统称为 CODEC。相应的防混叠与平滑低通滤波器的带宽范围为：300Hz~3400Hz，编码速率为 64Kb/s。

　6、混合（H-Hybird）：完成二线与四线的转换功能，即实现模拟二线双向信号与 PCM 发送和接收数字四线信号之间的分离。

　7、测试（T-Test）：对用户电路进行测试。

　模拟用户接口电路的结构如图所示：

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　过 压 保 护 电 路 振 铃 控 制 馈 电 电 路 混 合 电 路低通滤波低通滤波平衡网络 编 译 码 器 图 图 1-1

　模拟用户接口电路框图 2 、用户线接口电路 在本实验箱中，用户线接口电路芯片选用 Legerity 公司生产的模拟用户线接口芯片 Am79R70。Am79R70是一种功能较强的用户线接口芯片，它除了拥有用户接口电路常用的 7 种功能中的 6 种外，还拥有电流限制、挂机传输、极性反转、tip 开路和环路检测等功能。其内部电路结构原理框图如下：

　继电器驱动I继电器驱动II输入解码及控制振铃回路检测接地键检测摘机检测信号传输馈电控制开关驱动两线接口RTRIP1RTRIP2A(TIP)HPAHPBB(RING)VBAT2VBAT1VCC VNEC BGND AGND/DGNDB2ENRSGHRSGLRDCRDCRRINGIN/DETE1D1D2C3C2C1RYOUT1RYERYOUT2RDVTXRSN 图 图 1-2

　 Am79R70 内部功能模块图 其中 Am79R70 需要 VCC，VEE，VBAT1，VBAT2 四种电源电压。其中 VCC 为+5V，VEE 为-5V，此电压可由 Am79R70 内部的负电压调整可得。VBAT2 的电压幅度范围为-19～-48V，VBAT1 的电压幅度范围为-40～-67V，标准值为-48V。

　振铃、环路状态检测的功能主要通过控制字输入端 C3，C2，C1 及摘挂机检测输出端/DET 来控制，当C3C2C1 输入为 001 时，Am79R70 处于振铃模式，当 C3C2C1 输入不是 001 时，Am79R70 进入其他工作模式，同时使与其相连的话机振铃截止。当 C3C2C1 输入为 010 时，话机处于通话状态。

　Am79R70 的/DET 脚的输出可以指示用户的摘挂机状态，当用户摘机时，Am79R70 的/DET 脚输出低电平，挂机时输出高电平。实验箱中电话间的通信及信号的控制主要由单片机和 FPGA 来共同完成，我们称之为控制处理单元，其工作过程如下：

　报告文档·借鉴学习 word 可编辑·实用文档 当用户 1 摘机时，与它相连的 Am79R70 的/DET 脚输出低电平，向控制处理单元指示用户 1 已经摘机，同时摘机指示灯亮。此时控制处理单元向用户 1 的 Am79R70 的控制端 C3C2C1 输出 010 使其处于通话连接状态，同时对用户 1 的摘机的信息进行处理。在通话连接状态下，用户的信息经过 Am79R70 的两线接口及信号传输模块可以直接输出到编解码芯片和收发器。控制处理单元向用户 1 送拨号音，用户 1 听到此音后拨号。控制处理单元根据用户 1 的所拨的号码定位到用户 2，并向与用户 2 连接的 Am79R70 的控制端输出 001，以使得用户 2 所连接的 Am79R70 处于振铃状态，同时向用户 1 发送回铃音或忙音。在振铃状态下，Am79R70将铃流电路产生的 RV 通过 RING 脚输入到 Am79R70 内，经内部放大后通过两线接口模块输出到用户线，使得用户 2 的电话机振铃。当用户 2 摘机后，它相连的 Am79R70 的/DET 脚输出低电平，以向控制处理单元指示用户 2 已经摘机。此时控制处理单元向用户 2 的 Am79R70 的控制端 C3C2C1 输出 010 使其处于通话连接状态，同时停止振铃。这样，用户 1 和用户 2 就可以通过 Am79R70 进行通话。

　3 、用户接口电路原理图 用户接口电路和电话接续实验将主要完成摘挂机监测、振铃、回铃、忙音、电话传送语音信号测试等功能。此部分实验需要结合电话模拟信号源模块来完成，电话模拟信号源模块主要用产生忙音、回铃、振铃控制等信号来完成电话之间的接续功能。

　用户接口电路的原理图如下：

　1 2 3 4 5 6ABCD6 5 4 3 2 1DCBATitleNumber Revision SizeBDate: 24-Dec-2007 Sheet

　of File: D:\Documents and Settings\Administrator\桌面\PCB12.17\PCB1.DDB Drawn By:RTRIP129RTRIP228A(TIP)31HPB27HPA26B(RING)32RYOUT16RYOUT24RYE5VBAT18VBAT22BGND1VCC3VNEG22RD30RSGH17RSGL18VTX23RSN21RDC19RDCR24B2EN7C114C212C311D19D215E110DET13RINGIN25AGND/DGND20U305-5VC312C313C314R317R318R319R325LED309R314 R313C306R315R316C307C308 C309C310C311INT0-24V-48VR3411 2U306A3 4U310BC315R340R324R3268 9U306D10 11U306E5 6U306CC305E309E3111234 5678U311E121B301R350TIPAR349RINGAVCCR346R322R320R321R323R3421VTAT1VRATVTATAVRATARINGE125HZ25HZD302D301 图 图 1-3

　用户接口电路原理图 用户接口模块的基本原理：用户接口模块主要由 Am79R70 及相应的一些外接电路组成，用户话机是通过电话接头内的 TI、RI（即图中的 B301）与系统相连，二极管 LED309 主要用来完成摘挂机的检测功能，当两部电话中的任何一部电话摘机时相应的二极管亮表示处于摘机状态。测试钩 VTATA， VRATA 主要用来测试本方话机的输入和输出模拟信号。在这里，输入的信号可以是以下几种类型的信号：

　3.1 电话通信中的话音信号。

　3.2 来自电话模拟信号源模块的各种音信号（回铃、振铃、忙音信号）。

　① 拨号音：450Hz 正弦波； ② 忙音：450Hz 正弦波，通断间隔时间 0.35S； ③ 回铃音：450Hz 的正弦波，每导通 1 秒后间断 4 秒； ④ 25Hz 振铃信：25Hz 的低频周期信号，每导通 1 秒后间断 4 秒； 控制处理模块主要通过对两部电话的状态检测来产生各种控制信号，如回铃信号、忙音信号、振铃信号，以完成两部电话之间的热线接续功能。

　其中热线呼叫的流程图如下：

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　图 图 1-4

　 电话呼叫控制流程图 五、实验步骤 1、用连接线连接中央控制器的 D_IN 和 D_OUT，将中央控制器 K1 拨为“主”，分别接好两部电话机。

　2、将 PCM 编译码模块的开关 K301，K401，K402，K403 和 K404 分别拨向下。

　3、将拨码开关 K703(A 机号码)的值拨为“0001”， 使 A 机号码为 3201；拨码开关 K704(B 机号码)的值拨为“0010”， 使 B 机号码为 3202。

　为 注释：本实验箱要求为每一部电话设置一个电话号码，电话号码为 3201 到 到 3215 ，电话号码前两位固定为 为 32 ，后两位（电话地址）由拨码开关 K703 和 和 K704 人为输入，对应两个拨码开关所拨的二进制数值，例设 如预设 A 机电话号码为 3201 ，则将关 拨码开关 K703(A 机号码) 的值拨为“0001” 。多台实验箱组网通信 时要求电话号码设置和终端地址设置不能重复。

　4、打开交流电源。中央控制器指示灯 NS、FS 亮，表明环路同步。

　5、用示波器测量电话 A 模拟信号源测试钩 25HZA 和 BHA(450HZ)的波形，其中 25HZA 为频率 25HZ的方波，BHA(450HZ)为频率 450HZ 的正弦波，450HZ 正弦波的峰-峰值为 1V 左右。

　开始 有用户呼叫吗？ YES NO 呼叫 被叫闲吗 向主叫送忙音 YES NO 来话接续 向被叫送振铃，向主叫送回铃 被叫应答吗？ NO YES 停送铃流，停回铃音，接通电路 话端挂机吗 主叫挂机吗？ NO 拆线（释放复原）

　开始 应答 挂机 NO YES

　报告文档·借鉴学习 word 可编辑·实用文档 用示波器测量电话 B 模拟信号源测试钩 25HZB 和 BHB(450HZ)的波形，其中 25HZA 为频率 25HZ 的方波，BHA(450HZ)为频率 450HZ 的正弦波，450HZ 正弦波的峰-峰值为 1V 左右。

　注释：25HZ 的方波用合成振铃信号，450HZ 的正弦波用来 提供拨号音以及 合成忙音信号和回铃信号，若其幅度过大，将会在电话接口回路中引起自激现象，严重影响电话话路的通话质量。

　a、 电话的摘机状态及拨号音测试 将电话 A 模块的电话摘机，此时二极管 LED309 发光。用示波器探头测量 A 电话模拟信号输入端测试钩VRATA 的拨号音波形，观察其波形的特点，并进行分析。将该电话挂机，可看见二极管 LED309 不发光。

　b、 电话振铃，回铃信号测试 将电话 A 模块的电话摘机，听到拨号音后，拨打电话 B 模块的号码 3202，此时观察拨号状态指示灯LED301、LED302、LED303 和 LED304(每拨一个数字，拨号状态将由对应的二进制码指示)。如果电话 B 没有处于通话占用状态则将会听到响铃声，用示波器探头测量测试钩 ZLB 的波形，将其记录下来分析； 用示波器探头测量测试钩 HLA 回铃信号的波形，观察其波形的特点，并进行分析；

　将电话 A 模块的电话挂机，同时将电话 B 模块的电话摘机，拨打电话 A 模块的电话，测量 HLB 和 ZLA的波形，并对其进行分析。

　注释：ZLA/ZLB 是用来与 25HZ 低频信号合成振铃音的控制信号，表现为 1 秒通 4 秒断。

　c、 电话话音信号传输 功能测试 将电话 A 模块的电话摘机，拨打电话 B 模块的电话，并接通。将电话进行按键，同时利用示波器探头来测量 VTATA 和 VRATB、VTATB 和 VRATA 的波形，对比电话 A 和电话 B 之间的接收和发送信号波形，观察不同按键时电话发送信号和接收信号的变化。同时观察两个电话模块的拨号状态，此时显示灯将显示所按号码。

　d、 忙音信号测试 将电话 A 模块的电话摘机，不拨电话号码，过约 20s 后，测量测试构 VRATA 的波形，并画出其波形。

　将电话 A 模块的电话摘机，拨打电话 B 模块的电话，拨号期间间歇约 5s，测量测试构 VRATA 的波形，并画出其波形。

　接通两部电话，将电话 A 挂机，用示波器测量测试钩 VRATB 的波形，并画出其波形。

　e、 多种信号音测试 测量测试钩 VRATA 的波形，分别在振铃（即电话 A 摘机，电话 B 挂机）、接通（两部电话通话）和忙音（接通后，电话 B 挂机）三种状态下测量，记录下其波形。

　6、关闭交流电源，拆除各个连线，将实验箱还原。

　 六、实验结果

　 Y 轴X 轴0.35秒 0.35秒 0.35秒VRATA 忙音信号示意图

　报告文档·借鉴学习 word 可编辑·实用文档 Y 轴X 轴1秒 4秒 1秒

　七、思考题答案 1、电话接口电路的主要功能是什么，除了 AM79R70 之外，你还知道那些芯片可以实现用于接口电路的功能?

　2、测试钩 VRATA 的波形在三种状态下分别不同，其三种波形分别是什么信号的波形?

　HLA/HLB 回铃信号示意图

　报告文档·借鉴学习 word 可编辑·实用文档 实验八 半导体激光器 P-I 特性测试实验 一、实验目的 1、学习半导体激光器发光原理和光纤通信中激光光源工作原理 2、了解半导体激光器平均输出光功率与注入驱动电流的关系 3、掌握半导体激光器 P（平均发送光功率）-I（注入电流）曲线的测试方法

　二、实验内容 1、测量半导体激光器输出功率和注入电流，并画出 P-I 关系曲线 2、根据 P－I 特性曲线，找出半导体激光器阈值电流，计算半导体激光器斜率效率

　三、实验仪器 1、ZY1804I 型光纤通信原理实验系统

　1 台 2、FC 接口光功率计

　 1 台 3、FC-FC 单模光跳线

　 1 根 4、万用表

　 1 台 5、连接导线

　 20 根

　四、实验原理 光源是把电信号变成光信号的器件，在光纤通信中占有重要的地位。性能好、寿命长、使用方便的光源是保证光纤通信可靠工作的关键。

　光纤通信对光源的基本要求有如下几个方面：首先，光源发光的峰值波长应在光纤的低损耗窗口之内，要求材料色散较小。其次，光源输出功率必须足够大，入纤功率一般应在 10 微瓦到数毫瓦之间。第三，光源应具有高度可靠性，工作寿命至少在 10 万小时以上才能满足光纤通信工程的需要。第四，光源的输出光谱不能太宽以利于传输高速脉冲。第五，光源应便于调制，调制速率应能适应系统的要求。第六，电—光转换效率不应太低，否则会导致器件严重发热和缩短寿命。第七，光源应该省电，光源的体积、重量不应太大。

　作为光源，可以采用半导体激光二极管（LD，又称半导体激光器）、半导体发光二极管（LED）、固体激光器和气体激光器等。但是对于光纤通信工程来说，除了少数测试设备与工程仪表之外，几乎无例外地采用半导体激光器和半导体发光二极管。

　本实验简要地介绍半导体激光器，若需详细了解发光原理，请参看各教材。

　半导体激光二极管（LD）或简称半导体激光器，它通过受激辐射发光，是一种阈值器件。处于高能级E 2 的电子在光场的感应下发射一个和感应光子一模一样的光子，而跃迁到低能级 E 1 ，这个过程称为光的受激辐射，所谓一模一样，是指发射光子和感应光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，它和感应光子是相干的。由于受激辐射与自发辐射的本质不同，导致了半导体激光器不仅能产生高功率（≥10mW）辐射，而且输出光发散角窄（垂直发散角为 30～50°，水平发散角为 0～30°），与单模光纤的耦合效率高（约 30％～50％），辐射光谱线窄（Δλ＝0.1～1.0nm），适用于高比特工作，载流子复合寿命短，能进行高速信号（>20GHz）直接调制，非常适合于作高速长距离光纤通信系统的光源。

　半导体激光器的特性，主要包括阈值电流 Ith、输出功率 P0、微分转换效率 η、峰值波长 λp、光束发散角、脉冲响应时间 t r 、 t f 等。除上述特性参数之外，有时也把半导体激光器的工作电压、工作温度等列入特性参数。

　阈值电流是非常重要的特性参数。图 8-1 上 A 段与 B 段的交点表示开始发射激光，它对应的电流就是阈值电流 Ith。半导体激光器可以看作为一种光学振荡器，要形成光的振荡，就必须要有光放大机制，也即激活介质处于粒子数反转分布，而且产生的增益足以抵消所有的损耗。将开始出现净增益的条件称为阈值条件。一般用注入电流值来标定阈值条件，也即阈值电流 Ith。

　P-I 特性是半导体激光器的最重要的特性。当注入电流增加时，输出光功率也随之增加，在达到 Ith 之前

　报告文档·借鉴学习 word 可编辑·实用文档 半导体激光器输出荧光，到达 Ith 之后输出激光，输出光子数的增量与注入电子数的增量之比见式 8-1。

　 ( ) ( )dP I e Phv e hv I    

　 （8-1）

　ΔP/ΔI 就是图 8-1 激射时的斜率， h 是普朗克常数（6.625*10 -34 焦耳 秒），v 为辐射跃迁情况下，释放出的光子的频率。

　 图 图 8-1

　LD 半导体激光器 P-I 曲线示意图

　 P-I 特性是选择半导体激光器的重要依据。在选择时，应选阈值电流 Ith 尽可能小，Ith 对应 P 值小，而且没有扭折点的半导体激光器。这样的激光器工作电流小，工作稳定性高，消光比（测试方法见实验十二）大，而且不易产生光信号失真。并且要求 P-I 曲线的斜率适当。

　斜率太小，则要求驱动信号太大，给驱动电路带来麻烦；斜率太大，则会出现光反射噪声及使自动光功率控制环路调整困难。

　在实验中所用到半导体激光器输出波长为 1310nm，带尾纤及 FC 型接口。其典型参数如下表 8-1：

　表 表 8-1

　本实验半导体激光器的部分参数参考表 Parameter 参数 Symbol 符号 Min 最小值 Typ 典型值 Max. 最大值 Unit 单位 Central Wavelength 中心波长 

　 1280 1310 1340 nm Spectral Width RMS 谱线宽度  

　2 5 nm Threshold Current 阈值电流 thI

　 8 15 mA Optical output power 输出功率 0P

　 0.2

　0.4

　mW Forward Voltage 正向电压 Vf

　1.2 1.6 V Rise Time/Fall Time 上升/下降时间 tr/tf

　 0.5 ns …… …… …… …… …… ……

　 本实验所涉及的实验框图如图 8-2，R973（1Ω）与激光器串联。

　报告文档·借鉴学习 word 可编辑·实用文档 驱动电路R973激光器 图 图 8-2

　激光器工作框图

　电路中的驱动电流在数值上等于 R973 两端电压与电阻值之比。为了测试更加精确，实验中先用万用表测出 R973 的精确值(将 BM901、BM902 都拨到中档，用万用表的欧姆档测 T904、T905 之间的电阻)，计算得出半导体激光器的驱动电流，然后用光功率计测得一定驱动电流下半导体激光器发出激光的功率，从而完成 P-I 特性的测试。并可根据 P-I 特性得出半导体激光器的斜率效率。

　五、实验 步骤 1、用导线连接中央控制器 M 和 T903(13_DIN)。

　2、将开关 BM901 拨为 1310nm，将开关 K902 拨为“数字”，将电位器 W901 逆时针旋转到最小。

　3、旋开光发端机光纤输出端口防尘帽，用 FC-FC 光纤跳线将半导体激光器与光功率计输入端连接起来，并将光功率计测量波长调整到 1310nm 档。

　4、用万用表测量 T904（TV+）和 T905(TV-)之间的电阻值（电阻焊接在 PCB 板的反面），找出所测电压与半导体激光器驱动电流之间的关系（V＝IR 973 ）。

　测 注释：在回路中测 R973 的电阻值，不准确！所以 在测之前要将回路断开。另外，考虑到万用表本身的测 精度问题，也可不测 R973 的电阻值，直接用 1Ω 来做实验。

　5、将电位器 W907（阈值电流调节）逆时针旋转到底。

　时 注释：此时 LD 的直流偏置 Ib 的值为 0 。LD 的驱动电流仅为调制电流 Id 。否则因自动光功率的作用，量 无法测量 LD 的 的 P-I 特性曲线 6、打开交流电源。

　7、用万用表测量 T904（TV+）和 T905(TV-)两端电压（红表笔插 T904，黑表笔插 T905）。

　8、慢慢调节电位器 W901（数字驱动调节），使所测得的电压为下表中数值，依次测量对应的光功率值，并将测得的数据填入下表 1-2，精确到 0.1uW。

　注释：1、 、于 实验中半导体激光器的驱动电流不可大于 60mA ，否则有烧毁激光器的危险。

　 2 、实验时不能调节电位器 W907， ， 否则将影响实验的结果。

　 9、做完实验后先关闭交流电开关。

　10、拆下光跳线及光功率计，用防尘帽盖住实验箱半导体激光器光纤输出端口，将实验箱还原。

　U(mV) 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6 I(mA) 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 P （uW ）

　- - - - - - 0.58 0.79 1.99 U(mV) 3.8 4 4.5 5 6 7 8 9 10 I(mA) 3.8 4.0 4.5 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 P （uW ）

　10.7 17.5 41.2 62.1 106 151 195 241 286 U(mV) 12 14 16 18 20 22 24 26

　I(mA) 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 22.0 24.0 26.0

　P （uW ）

　374 456 541 621 702 791 925 997

　 LD 的 的 P-I 特性测试表

　报告文档·借鉴学习 word 可编辑·实用文档 六、实验结果 以上的数据仅供参考，LD 的阈值电流 Ith 一般在 3～10mA 比较正常。由于激光器个体差异会使得输出功率有差异。

　七、思考题答案 1、试说明半导体激光器发光工作原理。

　答：

　半导体激光器（LD）包括工作物质、谐振腔和泵浦源三部分。工作物质直接决定了激光器的激射波长，1310 和 1550 窗口一般采用 InGaAsP/InP 材料。泵浦源一般是采用直接电注入的方法来实现，正向偏置的 PN 结导带和价带的费米能级发生分离，两准费米能级的差超过禁带宽度时就能实现粒子数反转，光信号通过粒子数反转区域时就能实现放大。谐振腔能实现光反馈，当光信号在谐振腔中来回反射一次获得的增益超过总损耗时，就能建立起稳定的振荡，实现激射。

　 由于谐振腔中存在损耗及端面反射镜的透射损耗，受激发射产生的光子将不断消耗，如果增益并非足够大，则不能补偿这种损耗。只有当增益等于或者大于总损耗时，才能建立起稳定的振荡，这一增益称为阈值增益。为达到阈值增益所要求的泵浦或者注入电流称为阈值电流。

　2、环境温度的改变对半导体激光器 P-I 特性有何影响？ 答：半导体激光器（LD）对工作环境温度的变化非常敏感，在高温环境下工作会影响它的寿命。对于P-I 特性，主要表现在阈值的变化，阈值电流与温度呈指数关系变化：0T Tth thoI I e  ，thoI 为温度0T 时的阈值电流， T 是工作温度，0T 表示器件温度特性的特征温度，0T 较大，表示器件的温度稳定性较好。

　3、分析以半导体激光器为光源的光纤通信系统中，半导体激光器 P-I 特性对系统传输性能的影响。

　答：阈值电流越小，系统工作时的电流就越小，工作稳定性会增加。

　阈值电流对应的功率越小，光端机输出的光信号的消光比就较大。

　线性区线性度越好，波形越不容易失真。

　线性区的 P-I 曲线斜率要适当。若太小则驱动信号要求太大，给驱动电路带来麻烦；驱动太大的管子会出现光反射噪声及自动光功率控制环路调整困难。

　报告文档·借鉴学习 word 可编辑·实用文档 实验九 发光二极管 P-I 特性测试曲线 一、实验目的 1、学习发光二极管的发光原理 2、了解发光二极管平均输出光功率与注入电流的关系 3、掌握发光二极管 P（平均发送光功率）-I（注入电流）曲线的测试

　二、实验内容 1、测量发光二极管平均输出光功率和注入电流，并画出 P-I 关系曲线 2、根据 P－I 特性曲线，计算发光二极管斜率效率

　三、 实验仪器 1、ZY1804I 型光纤通信原理实验系统

　1 台 2、FC 接口光功率计

　 1 台 3、850nm 光发端机（HFBR-1414T）

　1 个 4、ST-FC 多模光跳线

　 1 根 5、万用表

　 1 台 6、连接导线

　 20 根

　四、实验原理 半导体光源主要有半导体发光二极管（LED）和半导体激光器（LD）两种。LD 已经在上一个实验介绍过，本实验主要是介绍 LED。

　半导体发光二极管（LED）是利用半导体 P-N 结自发发射原理发光的器件的统称。商品发光二极管种类很多，电信仪表与家电产品的半导体指示灯也是半导体发光二极管。光纤通信专用半导体发光二极管的特点是高亮度、高响应速度，其制造工艺与价格与半导体指示灯有所不同。

　发光二极管（LED）结构简单，是一个正向偏置的 PN 同质结，电子-空穴对在耗尽区辐射复合发光，称为电致发光。发光二极管（LED）发射的不是激光，输出功率较小、具有较宽的谱宽（30～60nm）、发射角较大（≈100°）、与光纤的耦合效率较低。其优点是：寿命很长，理论推算可达 10 8 至 10 10 小时，其次是受温度影响较小，输出光功率与注入电流的线性关系较好，价格也比较便宜，驱动电路简单，不存在模式噪声等问题。半导体发光二极管（LED）可以做为中短距离、中小容量的光纤通信系统的光源。

　对于发光二极管（LED）而言，自发辐射产生的功率是由正向偏置电压产生的注入电流提供的，当注入电流为 I，工作在稳态时，电子-空穴对通过辐射和非辐射复合，其复合率等于载流子注入率 I/P，其中发射电子的复合率决定于内量子效率 η int ，光子产生率为(Iη int /P)，因此 LED 内产生的光功率为 I q P ) / (int int   

　 （9-1）

　式中，   为光量子能量。假定所有发射的光子能量近似相等，并设从 LED 逸出的功率内部产生功率的份额为ext ，则 LED 的发射功率为

　I q P Pext ext e) / (int int      

　（9-2）

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　 图 图 9-1

　LED 发光二极管 P-I 曲线示意图

　η ext 亦称为外量子效率。由 9-2 式可知，LED 发射功率 P 和注入电流 I 近似成正比。这说明 LED 的 P-I曲线线性度好，调制时动态范围大，信号失真小。

　该实验测量其电光转换特性（P-I 特性），工作电流不同的时候，输出功率也不同，基本上是成线性关系。

　本实验选用的半导体发光二极管是安捷伦公司的 HFBR0400 系列的 HFBR1414T。其型号所代表的意思如下：

　其中心波长为 820nm，接头为 ST 型。

　实验中发光二极管电流的确定通过测量串联在电路中 R973 的电压值。电路中的驱动电流在数值上等于R973 两端电压与电阻值之比。实验中先用万用表测出 R973 的精确值，计算得出发光二极管的驱动电流，然后用光功率计测得一定驱动电流下发出的光功率，从而完成 P-I 特性的测试。

　五、实验步骤 1、用导线连接中央控制器 M 和 T903(13_DIN)。

　2、将开关 BM901 拨为 850nm，将开关 K902 拨为“数字”，将电位器 W901 逆时针旋转到最小。

　3、装好 850nm 光发射机（850nm T），用 ST-FC 光纤跳线将 LED 与光功率计输入端连接起来，并将光功率计测量波长调整到 850nm 档。

　4、用万用表测量 T904（TV+）和 T905(TV-)之间的电阻值（电阻焊接在 PCB 板的反面），找出所测电压与半导体激光器驱动电流之间的关系（V＝IR 973 ）。

　测 注释：在回路中测 R973 的电阻值，不准确！所以在测之前要将回路断开。另外，考虑到万用表本身的测 精度问题，也可不测 R973 的电阻值，直接用 1Ω 来做实验。

　5、将电位器 W907（阈值电流调节）逆时针旋转到底。

　时 注释：此时 LD 的直流偏置 Ib 的值为 0 。LD 的驱动电流仅为调制电流 Id 。否则因自动光功率的作用，

　报告文档·借鉴学习 word 可编辑·实用文档 量 无法测量 LD 的 的 P-I 特性曲线 6、打开交流电源。

　7、用万用表测量 T904（TV+）和 T905(TV-)两端电压（红表笔插 T904，黑表笔插 T905）。

　8、慢慢调节电位器 W901（数字驱动调节），使所测得的电压为下表中数值，依次测量对应的光功率值，并将测得的数据填入下表，精确到 0.1uW。

　注释：1、 、于 实验中半导体激光器的驱动电流不可大于 60mA ，否则有烧毁激光器的 危险。

　 2 、实验时不能调节电位器 W907， ， 否则将影响实验的结果。

　9、做完实验后先关闭交流电开关。

　10、拆下光跳线及光功率计，用防尘帽盖住实验箱半导体激光器光纤输出端口，将实验箱还原。

　U(mV) 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 25 I(mA) 2.0 4.0 5.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 25.0 P（uW）

　0.97 1.11 2.16 3.26 4.39 5.49 6.63 7.70 8.77 9.69 12.3 LED 的 的 P-I 特性测试表

　六、实验结果 见上表 LED 的 P-I 特性测试表，以上的数据仅供参考。由于激光器个体差异会使得输出功率有差异。

　七、思考题答案 1、说明发光二极管工作原理，比较分析发光二极管与半导体激光器发光原理的区别。

　答：发光二极管（LED）是以自发发射的形式发射光子。LD 是受激辐射过程发射光子。

　2、环境温度的改变对发光二极管 P-I 特性曲线有何影响？ 答：一般的发光二极管的 P-I 曲线随着温度的升高而降低。但是不同材料的发光二极管其下降程度不一样。

　3、发光二极管 P-I 特性曲线是否严格线性？为什么？ 答：否。当发光二极管工作于大信号状态（一般 80mA）之后，P-I 曲线会发生弯曲。

　报告文档·借鉴学习 word 可编辑·实用文档 实验 二十七 波分复用技术实验

　一、实验目的 1、了解光纤接入网中波分复用原理 2、掌握波分复用技术及实现方法

　二、实验内容 1、实现用两种连接方式组成 1310nm 与 1550nm 光纤通信的波分复用系统

　三、实验仪器 1、ZY1804I 型光纤通信原理实验系统

　1 台 2、20MHz 双踪数字示波器

　1 台 3、万用表

　 1 台 4、波分复用器

　2 个 5、FC-FC 适配器

　1 个 6、连接导线

　 20 根

　 四、实验原理 随着人类社会信息时代的到来，对通信的需求呈现加速增长的趋势。发展迅速的各种新型业务（特别是高速数据和视频业务）对通信网的带宽（或容量）提出了更高的要求。为了适应通信网传输容量的不断增长和满足网络交互性、灵活性的要求，产生了各种复用技术。本实验重点是光的波分复用 WDM（Wavelength Division Multiplexing）。

　光波分复用技术是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术。WDM 就是为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源，根据每一信道光波的频率（或波长）不同可以将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，把光波作为信号的载波，在发送端采用波分复用器（合波器）将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输；在接收端，再由一波分复用器（分波器）将这些不同波长承载不同信号的光载波分开的复用方式。由于不同波长的光载波信号可以看作互相独立的（不考虑光纤非线性时），从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。波分复用系统原理图如图 27-1 所示。

　图 图 27-1

　波分复用系统原理图 Mux／DeMux 是 WDM 系统使用中不可或缺的两种元件。也就是我们常说的复用，解复用器。DWDM 使光导纤维网络能同时传送数个波长的信号，而 Mux 则是负责将数个波长汇集至一起的元件；DeMux 则是负责将汇集至一起的波长分开的元件。从原理上讲，这种

　报告文档·借鉴学习 word 可编辑·实用文档 器件是互易的（双向可逆），即只要将解复用器的输出端和输入端反过来使用，就是复用器。光分插复用器(OADM)是 WDM 系统中一个重要的应用元件，其作用是在一个光导纤维传送网络中塞入／取出（Add-Drop）多个波长信道；置 OADM 于网络的结点处，以控制不同波长信道的光信号传至适当的位置。

　光纤通信系统中通常实用的石英光纤有三个低衰减区，即 0.6～0.9um 为第一个低衰减区，通常称为短波长低衰减区。1.0～1.35um 和 1.45～1.8um 为第二、第三个低衰减区。后两者称为长波长低衰减区。

　本实验利用光纤通信工程应用最广泛的长波长衰减区中 1310nm 与 1550nm 光纤通信波长进行波分复用，传输两路信号（一路模拟信号，一路数字信号）。实验原理框图如图 38-2。

　波分复用还有另一种连接方式，其实验框图如图 27-2 所示。这种波分复用连接方式中，同一根光纤中光信号的传输方向相反，由于光波传输的独立性，两个方向的光波传输不会有干扰。通过实验可以验证这一理论。

　五、实验步骤 1、连接数字信号源模块和中央控制器的 A1 和 A2，B1 和 B2，C1 和 C2； 连接中央控制器和数字终端模块的 A3 和 A4，B3 和 B4，C3 和 C4； 连接模拟信号源模块 2 的 T602 和 T907(13_AIN)。

　连接中央控制器的 D_OUT 和 T901(15_DIN)，D_IN 和 T902(15_DOUT)。

　2、将开关 K706 的值拨为“01000000”。将数字信号源拨码开关 K501，K502 和 K503 的值拨为任意值。将中央控制器的开关 K1 拨为“主”。

　3、将开关 BM901 拨为 1310nm，将开关 K902 拨为“模拟”，将开关 BM902 拨为 1310nm，将开关 K901 拨为“通信。

　4、旋开光发端和光收端 1550 和 1310 保护帽，将 1550 光发端机和波分复用器 A 中标有“1550”光纤接头连接，将 1310 光发端机和波分复用器 A 中标有“1310”光纤接头连接。将1550 光接收机和波分复用器 B 中标有“1550”光纤接头连接，将 1310 光接收机和波分复用器B 中标有“1310”光纤接头连接。用 FC-FC 适配器将波分复用器连接起来。

　5、打开交流电源。中央控制器指示灯 NS、FS 亮，表明环路同步。按动开关 KB，使灯 LED729 由灭变亮，此时将来自数字信号源的数字信号送出。

　6、用双踪示波器的两个探头同时测量 T907 和 TP902(13OUT)处的波形，调节电位器W905（模拟驱动调节）和 W909（幅值调节），直到波形相同为止，信号的幅度可以不同。

　7、用示波器测量 T901(15_DIN)和 T902(15_DOUT)的波形，观察经波分复用和解复用后的信号是否相同。

　波分复用器 波分复用器 信号甲 图 图 27-2

　波分复用系统实验框图 信号乙 1310nm 1550nm 信号甲 信号乙 1310nm 1550nm

　报告文档·借鉴学习 word 可编辑·实用文档 8、观测数字信号源模块和数字终端的二极管发光的个数与顺序，验证数据光纤传输后的正确性。

　9、根据以上实验设计两路数字信号波分复用后光纤传输实验。

　10、实验完成后，关闭交流电源，拆除各个连线，将所有的开关拨向下，将实验箱还原。

　六、实验结果

　七、思考题答案 1、说明时分复用与光波分复用的异同点。

　2、如果采用多个波长进行波分复用，对实验箱和波分复用器有何要求？

　报告文档·借鉴学习 word 可编辑·实用文档 实验三十四 四 波分复用器插入损耗和光串扰测试实验 一、实验目的 1、了解波分复用器的工作原理及其结构 2、掌握它们的正确使用方法 3、掌握它们主要特性参数的测试方法

　二、实验内容 1、测量波分复用器的插入损耗 2、测量波分复用器的光串扰

　三、实验仪器 1、ZY1804I 型光纤通信原理实验系统

　 1 台 2、FC 接口光功率计

　 1 台

　3、万用表

　 1 台 4、FC-FC 适配器

　1 个 5、波分复用器

　2 个 6、连接导线

　20 根

　四、实验原理 波分复用器/解复用器是一种与波长有关的耦合器。波分复用器的功能是把多个不同波长的发射机输出的光信号组合在一起，输出到一根光纤；解复用器是把一根光纤输出的多个不同波长的光信号，分配给不同的接收机。

　波分复用器是波分复用系统中的重要组成部分，为了确保波分复用系统的性能，对波分复用器的一般要求是：插入损耗小、光串扰小、隔离度大、带内平坦，带外插入损耗变化陡峭、温度稳定性好，复用路数多等。本实验主要用来测试波分复用器的插入损耗和光串扰。

　1 、插入损耗 插入损耗是指由于增加光波分复用器/解复用器而产生的附加损耗，定义为该无源器件的输入和输出端口之间的光功率之比，即

　 10lg  ioPP

　 (34-1) 其中 Pi 是发送进入输入端口的光功率；Po 是从输出端口接收到的光功率。在具体的测试时，我们先用光功率计测量未加入波分复用器时的光功率 Pi，再测量加入波分复用器后输出端口的光功率 Po，然后带入式 34-1 后计算可得出波分复用器的插入损耗。

　2 、光串扰的定义及其测试方法 波分复用器的光串扰（隔离度），为波分复用器输出端口的光进入非指定输出端口光能量的大小。其测试原理图如图 34-1 所示。

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　图 图 34-1

　波分复用器光串扰测试原理图 上图中波长为 1310nm、1550nm 的光信号经波分复用器复用以后输出的光功率分别为P 01 、P 02 ，解复用后分别输出的光信号，此时从 1310 窗口输出 1310nm 的光功率为 P 11 ，输出 1550nm 的光功率为 P 12 ；从 1550 窗口输出 1550nm 的光功率为 P 22 ，输出 1310nm 的光功率为 P 21 。将各数字代入下列公式：

　 210112lg 10PPL 

　（34-2）

　120221lg 10PPL 

　（34-3）

　五、实验步骤 a 、波分复用器插入损耗测量

　1、用连接线连接中央控制器 M 和 T901(15_DIN)。

　2、旋开 1550nm 光发端机保护帽，利用 FC-FC 单模光跳线将其和光功率计连接起来。并将光功率计的波长设置为 1550nm。

　3、打开交流电源。

　4、读出此时光功率计的数值，此数值即为激光器的输出功率 Pi。

　5、拆除 1550nm 光发端机和光功率计的连接，将波分复用器（A）标有“1550nm”的光纤接头插入 1550nm 光发端机，同时将波分复用器（A）标有“1310nm”的光纤接头用保护帽遮盖起来。

　6、将波分复用器光纤输出接头和光功率计连接起来。

　7、读出此时光功率计的数值，此数据即为插入波分复用器后的输出功率 Po。

　8、将所测得的数值 Pi 和 Po 代入式（34-1）计算所得的结果即为波分复用器的插入损耗。

　b 、波分复用器的光串扰测量

　 9、拆除 a 中光功率计和波分复用器的连接，其余的连线保持不变。同时用 FC-FC 适配器将两个波分复用器“IN”端相连。

　10、用光功率计测得此时波分复用器（B）标有“1550nm”端光功率为 P 22 ，测得标有1310nm 端光功率为 P 21 。

　11、拆除波分复用器“IN”端 FC-FC 适配器，测得波分复用器（A）标有“IN”端输出光功率为 P 2 。

　12、将所得光功率数据代入公式 34-5 计算波分复用器的光串扰。

　13、根据 34-2（a）测试框图和上述波分复用器 1550nm 光功率串扰的方法，设计步骤并测试 1310nm 光串扰。(注意 1310nm 光端机驱动电流调节为 17mA 左右)。

　14、将所得光功率数据代入公式 34-4 计算波分复用器的光串扰。

　15、实验完成后，关闭交流电源，拆除各个连线，将所有的开关拨向下，将实验箱还原。

　报告文档·借鉴学习 word 可编辑·实用文档 六、实验结果 波分复用器插入损耗测量

　P i

　228.5uW P o

　228.1uW

　波分复用器的光串扰测量

　1330nm 波长 P 1330nm

　1.536uW P 1550nm

　456uW 1550nm 波长 P 1330nm

　2.718uW P 1550nm

　227.9uW

　 七、思考题答案 1、查阅相关文献，结合实验三十三，比较 Y 型分路器和波分复用器内部结构差异。

　答：波分复用器从分光原理来分，可分为棱镜型、衍射光栅、干涉膜滤光片型三种。棱镜型的原理是利用不同波长折射率不一样来进行复用与解复用。衍射光栅型是通过透镜和光栅组成。干涉膜滤光片型又自聚焦棒透镜和干涉滤光片组成。

　Y 型分路器内部结构也分两种。一种是透镜型，少量采用微型透镜或者是半反半透镜，大部分采用自聚焦透镜；一种是光纤成形型，采用三根以上局部加热熔合而成。