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音频信号光纤传输技术实验

实验目的熟悉半导体电光/光电器件的基本性能及主要特性的测试方法了解音频信号光纤传输系统的结构及选配各主要部件的原则学习分析集成运放电路的基本方法训练音频信号光纤传输系统的调试技术实验仪器YOF—B型音频信号光纤传输技术实验仪（由四川大学物理系研制）；音频信号发生器；示波器；数字万用表实验原理系统的组成图（1）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三个部分。光源器件LED的发光中心波长必须在传输光纤呈现低损耗的0.85μｍ、1.3μｍ或1.5μｍ附近，本实验采用中心波长0.85μｍ附近的GaAs半导体发光二极管作光源、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。为了避免或减少谐波失真，要求整个传输系统的频带宽度能够覆盖被传信号的频谱范围，对于语音信号，其频谱在300～3400Hz的范围内。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。此电路的工作原理如下：音频信号经IC1放大电路传到LED调制电路。W2调节发光管LED工作（偏置）电流，音频电流调制此工作电流，并经LED转换成音频调制的光信号，经单击此处添加大标题内容光导纤维的结构及传光原理光纤传至光电二极管SPD再复原成原始音频电流信号，经由IC2构成的I—V变换电路转换成电压信号，最后通过功率放大电路输出声音功率信号，推动扬声器发出声音。这样就完成了音频信号通过光纤的传输过程。图2所示为阶跃型多模光纤的结构和导光原理。它由纤芯和包层两部分组成，芯子的半径为a，折射率为n1，包层的外径为b，折射率为n2，且n1n2。假设光纤端面与其轴线垂直，当一光线射到光纤入射端面时，入射面包含了光纤的轴线，则这条射线在光纤内就会按子午射线的方式传播。根据smell定律及图（2）所示的几何关系有：n0sinθi=n1sinθz(1)θz=π/2-αn0sinθi=n1cosα(2)其中n0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n0=1。由（2）式可知：如果所论光纤在光纤端面处的入射角θi较小,则它折射到光纤内部后投射到芯子一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n1和n2按下式决定的临结角αc：αc=arcsin(n2/n1)(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。本实验采用半导体发光二极管LED作光源器件.音频信号光纤传输系统发送端LED的驱动和调制电路如图（3）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可使LED的偏置电流在0—20mA的范围内变化。被传音频信号由IC1为主构成的音频放大电路放大后经电容器C4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，并经光导纤维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LED的电光特性，如图4所示。为了使传输系统的发送端能够产生一个无非线性失真、而峰—峰值又最大的光信号，使用LED时应先给它一个适当的偏置电流，其值等于这一特性曲线线性部分中点对应的电流值，而调制电流的峰—峰值应尽可能大地处于这一电光特性的线性范围内。三、半导体发光二极管的驱动、调制电路图3LED的驱动和调制电路图4LED的正向伏安特性四．半导体光电二极管的工作原理及特性半导体光电二极管SPD与普通的半导体二极管一样，都具体一个p-n结,光电二极管在外形结构方面有它自身的特点，这主要表现在光电二极管的管壳上有一个能让光射入其光敏区的窗口、此外，与普通二极管不同，它经常工作在反向偏置电压状态（如图5a所示）或无偏压状态（如图5b所示）。