实验仪器：（注明规格和型号）
本实验所用主要仪器包括发送器；接收器；光纤；示波器；函数信号发生器等
实验装置的示意图如右图所示：
实验目的：
1.了解音频信号光纤传输系统的结构
2.熟悉半导体电光/电器件的基本性能及主要的测试方法
四氢呋喃除水3.学习低温温度控制的简便方法训练音频信号
实验原理简述：
拼图板
光纤传输系统一般由三部分组成：光信号发送端、光纤信道、光信号接收端。
1.光信号发送端
光信号发送端的功能是将待传输的电信号经光电转换器件转换为合适在光纤中传输的光信号。一般来说，光信号发送端包括信号处理单元、光源驱动电路和调制电路等。
1.1.光源器件
光纤传输系统常用的半导体发光二极管如下页图所示，n-p-p 三层结构的半导体器件。 当给这种结构加上正向偏压时，就能使n 层向有源层注入导电电子，
这些导电电子一旦进入有源层后，因受到右边p-p 异质结的阻挡作用，而不能在进入右侧的p 层，它们只能被限制在有源层内与空穴复合，导电电子在有源层内与空穴复合的过程中，其中有不少点子要
释放出能量满足以下关系的光子：
g E E E h =-=21υ。
其中h 为普朗克常量，v 是光波频率，E1是有源层内导电电子能量，
E2shi 导电电子与空穴复合后处于价键束缚时的能量。
两者差值Eg 与DH 结构中各层材料及其组份的选取等因素有关，制作LED 时只要这些材料的选取和组份控制得当，就可使LED 发光中心薄惩与传输光纤低损耗波长一致1.2.LED 的驱动电路和调制电路
根据运放电路理论，如左图中音频放大电路的闭环增益为
()12
1Z Z j G +=ω式中，Z2,Z1分别为放大器反馈阻抗的
反向宿儒段的接地阻抗，只要C3选的足够小，C2选的足够大，则在要求带宽的中频范围内，C3的阻抗很大，它所在的之路课视为开路，C2的阻抗很小，可视为短路。在此
情况下，放大电路的闭环增益()12
1R R j G +=ω。C3的大小决定了高频段的截止频率f2，
而C2的大小决定了低频段的截止频率f1。
故该电路中的R1、R2、R3和C2、C3是决定音频放大电路增益和带宽的几个重要参数。光调制原理如左图所示，音频信号被耦合到发光二极管的驱动电路后，使注入到发光二极管的电流发生改变，从而使发光二极管的发光强度随着注入电流改变，这样发光二极管所发出的光信号就包含了我们要传输的音频信号。
2.
光纤信道
光纤的功能是将发送端光信号尽可能小的衰减和失真传输到光信号接收端。本实验采用阶跃型多模光纤作为信道，光纤半径为a，折射率为n1，薄层的外径为b，折射率为n2，且n1>n2。
2.1数值孔径
如图所示，假设光纤端面与其轴线垂直，根据Snell 定律，有：
z
i n n θθsin sin 10=(1)式中α
π
θ-=2
z 有α
θcos sin 10n n i =(2)
其中0n 是光纤入射端面左侧介质的折射率。
通常，光纤端面处于空气介质中，故0n ＝1。由（2）式知：如果光线在光纤端面处的入射角i θ较小，则它折射到光纤内部后投射到芯子--包层界面处的入射角α有可能大于由芯子和包层材料的折射率1n 和2n 按下式决定的临界角c α：
()12sin n n arc c =α(3)
在此情形下，光射线在芯子—包层界面处发生全内反射。该射线所携带的光能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1中入射角i θ的增加，α角就会逐渐减小，直到c αα=时，光线均可被局限在纤芯内。在此之后，若继续增加i θ，则角α就会变得小于c α，这时射线在芯子—包层界面处发生全内反射的条件受到破坏，致使光射线在芯子—包层界面的每次反射均有部分能量溢出纤芯外。于是，光导纤维再也不能把光能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，由上所述，凡是以max i θ为张角的锥体内的光线，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
i n n αθcos sin 1max 0=因其中0n 表示光纤入射端面空气一侧的折射率，其值为1，故：
(
)
()
2
12
2
212
121max sin 1sin n n n c i -=-=αθ通常把(
)
2
12221max sin n n i -=θ定义为光纤的理论数值孔径（Numerical Aperture），即NA：
(
)
()
211212
ccyv2221max 2sin ∆=-==n n n NA i θ（4）它是一个表征光纤对射线俘获能力的参数，其值只与纤芯和包层的折射率1n 和2n 有关，与光纤的半径无
关。
在（4）式中：
()
()1
21212
2
212n n n n n n -≈-=∆（5）
称为纤芯—包层之间的相对折射率，∆越大，光纤的理论数值孔径NA 越大，表明光纤对光线的收集能力越强，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，数值孔径越大，模式散也相应增加，这不利于传输容量的提高。
对于通信用的多模光纤，∆一般限制在1%左右，由于常用石英多模光纤的纤芯折射率n1的值处于1.50左右，故理论数值孔径在0.21左右。
2.2光纤的损耗
光纤损耗主要有吸收损耗、散射损耗、光线弯曲的损耗、纤维间对接的损耗、输入输出的耦合损耗
3.
光信号接收端的工作原理工作原理如图
3.1.
半导体光电二极管的结构及工作原理
本实验选用峰值相应波长为0.8-0.9μm 的硅光电二极管作为光检测元件。3.2.
光电二极管的伏安特性
()[]L
I KT qV I I +-=exp 10光电二极管在无偏压作用下也有反向电流流过；反向偏压工作状态下，光电流与入照光的光功率有很好的线性关系。3.3.
光电二极管反向伏安特性的测量
如图，由于IC1的反向输入端具有很大的阻抗，光电二极管受光照时产生的光电流几乎全部流过Rf，兵在其上产生电压降V=IR
f
实验步骤简述：
实验内容与步骤
A.半导体发光二极管光电特性的测定
a)连线，将1号线的两端分别插入电流插孔
和‘LED’插孔；2号线光电探头插入光纤输出的同轴插孔；SPD 的两条输出线接到光发送器前面板光功率指示器的相应插孔内
高压电源设计b)调节光发送器的W2使毫安表指示20mA，观察度数保持LED偏流不变，将光探头同轴插孔方向协议转换模块
适当转动，知道光功率计的读数较大位置，以后的实验保持光电探头位置不变
c)光功率计调零
d)记录数据，调节W2，逐渐增加LED的驱动电流，读取对应的光功率值（0-10mA每隔2mA测一
组，以后每隔5mA测一个值，知道50mA）
B.测定光电二极管的反向伏安特性曲线
a)2号线接到接收器SPD相应插孔中
b)把数字毫伏表接到接收器前面板I-V变换电路输出端和地端所对应的两个插孔内
c)根据LED的光电特性曲线，从0-50mA的变化范围内查处输出光功率均分的4个工作点对应的驱
动电流值，记作I1I2I3I4
d)在接收器电源开关关闭的前提下旋转接收器W2，用万用表测W2阻值，阻值调节为4kΩ
e)记录数据，测量LED的工作电流为0，I1-I4时所对应的物种光照情况下，光电二极管的伏安特性
曲线。
C.LED偏置电流与无畸变最大调制信号幅度关系的测定
a)函数信号发生器的输出信号接入调制输入端，调节函数信号发生器，输出频率1kHz的正弦波
b)SPD接到接收器前面板的对应插孔
c)18、19孔短接
d)选择示波器的显示方式为双踪，示波器的CH1接到20孔&21孔，CH2接到发送器的7孔&9孔
e)用函数信号发生器做信号源
f)调节W1，使输出信号为0，调节W2使LED的偏置电流为10mA
g)调节W1，使示波器上波形不失真，记下调制信号最大幅值
h)调节W1，使输入信号为0，将LED最大偏置电流增大2mA，重复上步；Led偏置电流到40mA停
止测量
污水处理方法i)到无截止畸变最大调制幅度所对应的偏置电流值
j)记录数据
D.信号传输系统的幅频特性测定
a)函数信号发生器的输出信号接入调制输入端
b)1号线接入LED插孔
c)SPD接到接收器对应插孔
d)18.、19短接
e)示波器任意通道接到20&21
f)调节发送器上W2，使发送器工作在最佳偏置状态
g)逐渐改变函数信号发生器的频率，观察示波器上信号幅度的变化情况
h)记录数据
E.音频信号的传输实验
a)接线
b)试验整个音频信号光纤传输系统的音响效果
c)适当调节发送器的LED偏置电流、调节输入信号、考察传输系统的视听感觉，用示波器检测接收
器功放电路输出端的信号波形变化
F.光功率放大器的设计
原始数据、数据处理及误差计算：
1，LED光电特性测试数据
I/mA024681015 p/μW000.9 2.6 4.87.313.3 I/mA20253035404550 p/μW2025.931.537.643.148.553.9
2，光电二极管的反向伏安特性测试
Up/V012345678 I=0mA Uo/mV-1.7-1.7-1.7-1.6-1.6-1.6-1.6-1.6-1.5 I=14.5Uo/mV14.714.814.91515.115.115.215.215.3 I=24.5Uo/mV30.630.93131.131.231.331.431.531.6 I=35.5Uo/mV47.247.547.747.84848.148.248.248.1 I=47Uo/mV63.463.76464.164.364.464.564.764.8
3，LED偏置电流与无畸变幅值关系测定
Ip/mA1012141618202224 P/V0.1150.160.180.220.270.250.260.28 Ip/mA2628303234363840 P/V0.280.320.380.390.430.440.440.4
4，传输系统的幅频特性测试
f/Hz105010050010005000100002000050000 P/V0.30.60.640.650.680.610.540.40.25
1，LED光电特性曲线
作图并进行一次线性拟合，如下所示:
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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