高倩倩讲义解析.doc

实验3 音频信号光纤传输实验(1) 【实验目的】 1．LED电光特性的测定。 2．LED直流偏流与最大不失真调制幅度的关系测量。 3．音频信号光纤传输系统幅频特性的测量。 4．语音信号的传输实验。 【仪器和用具】 音频信号光纤传输实验仪器装置主要由FD-OFT-A型音频信号光纤传输实验仪实验主机（包括音频信号发生器、光功率计、LED放射器、SPD接收器等）、多模光纤（装于骨架上），半导体收音机，示波器（实验室自配）组成，如图1所示。 图1音频信号光纤传输实验仪器装置 【实验原理】 1. 音频信号光纤传输系统的原理 音频信号光纤传输系统由“光信号发送器”“光信号接受器”和“传输光纤”三部分组成。其原理主要是：先将待传输的音频信号作为源信号供给“光信号发送器”，从而产生相应的光信号，然后将此光信号经光纤传输后送入“光信号接受器”，最终解调出原来的音频信号。为了保证系统的传输损耗低，发光器件LED的发光中心波长必须在传输光纤的低损耗窗口之内，使得材料色散较小。低损耗的波长在850nm，1300nm或1600nm附近。本仪器LED发光中心波长为850nm，光信号接受器的光电检测器峰值响应波长也与此接近。 为了避免或减少波形失真，要求整个传输系统的频带宽度能覆盖被传输信号的频率范围。由于光纤对光信号具有很宽的频带，故在音频范围内，整个系统频带宽度主要决定于发射端的调制信号放大电路和接收端的功放电路的幅频特性。 2. 半导体发光二极管LED的结构和工作原理 光纤通讯系统中对光源器件在发光波长、电光功率、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的任务，目前在以上各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（light emitting diode，缩写LED）和半导体激光器（Laser Diode ，缩写LD）。以下主要介绍发光二极管。 半导体发光二极管是低速短距离光通信中常用的非相干光源，它是如图2所示的N-P-P三层结构的半导体器件，中间层通常是由直接带隙的GaAs砷化镓P型半导体材料组成，称为有源层，其带隙宽度较窄，两侧分别由AlGaAs的N型和P型半导体材料组成，与有源层相比，它们都具有较宽的带隙。具有不同带隙宽度的两种半导体单晶之间的结构称为异质结，在图2中，有源层与左侧的N层之间形成的是P-N异质结，而与右侧P层之间形成的是P-P异质结，所以这种结构又称为N-P-P双异质结构，简称DH结构。 当在N-P-P双异质结两端加上偏压时，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P-P异质结的的阻挡作用不能再进入右侧P层，它们只能被限制在有源层内与空穴复合，同时释放能量产生光子，发出的光子满足以下关系： 其中是普朗克常数，是光波频率，是有源层内导电电子的激发态能级，是导电电子与空穴复合后处于价键状态时的束缚态能级。两者的差值与DH结构中各层材料及其组份的选取等多种因素有关，制作LED时只要这些材料的选取和组份的控制适当，就可以使LED的发光中心波长与传输光纤的低损耗波长一致。 图2 半导体发光二极管的结构及工作原理 3．LED的驱动及调制电路 本实验采用半导体发光二极管LED作为光源器件，音频信号光纤传输系统发送端LED的驱动和调制电路如图2所示，以BG1为主构成的电路是LED的驱动电路，调节这一电路中的W2可以使LED的偏置电流发生变化。信号发生器产生的音频信号由IC1为主构成的音频放大电路放大后经电容器耦合到BG1基极，对LED的工作电流进行调制，从而使LED发送出光强随音频信号变化的光信号，并经光纤把这一信号传至接收端。半导体发光二极管输出的光功率与其驱动电流的关系称为LED的电光特性。为了避免和减小非线性失真，使用时应给LED一个适当偏置电流I，其值等于这一特性曲线线性部分中点对应的电流值，而调制信号的峰-峰值也应位于电光特性线性范围内。对于非线性失真要求不高的情况下，也可把偏置电流选为LED最大允许工作电流的一半，这样可使LED获得无截至畸变幅度最大的调制，这有利于信号的远距离传输。 图3 LED的驱动和调制电路 4．光纤的结构及其传光原理 衡量光纤性能好坏有两个重要指标：一是看它的传输信息的距离有多远；二是看它携带的信息量有多大，前者决定于光纤的损耗特性，后者决定于光纤的脉冲响应或基带频率特性。 经过人们对光纤的提纯，目前已经使得光纤的损耗做到20dB/Km以下。光纤的损耗与工作波长有关，所以在工作波长的选用上，应该尽量选用低损耗的工作波长，光纤通讯最早是用短波长850nm，近年来发展至用1300－1550nm范围的波长，因为在这一波长范围内光纤不仅损耗低，而且“色散”小。 光纤的脉冲响应或它的基带频率特性又主要决定