光發(fā)射機與光接收機實驗

一、實驗目的：
1．了解光源的調制的原理。
2．掌握自動功率控制電路的工作原理
3．掌握數字光發(fā)射機平均輸出光功率的測試方法。
4．掌握數字光發(fā)射機的消光比的測試方法。
5．掌握光收端機靈敏度的測試方法。
二、實驗內容：
1．介紹光源的調制方法。
2．學習自動功率控制電路的工作原理，測量相關特征測試點的參數
3．測試數字光發(fā)射機的平均光功率，測試數字光發(fā)射機的消光比，繪制數字光發(fā)射機的P-I特性曲線。
4．測試光收端機的靈敏度，用示波器觀察眼圖。
三、實驗儀器
1.光纖通信實驗系統(tǒng)1臺。
2.示波器1臺。
3.光功率計1臺。
4.萬用表1部。
5.光纖跳線1根。
6.誤碼儀1臺。
四、實驗原理
1、模擬信號調制與數字信號調制
模擬信號調制是直接用連續(xù)的模擬信號（如話音、電視等信號）對光源進行調制從而使LED或LD的輸出光功率跟隨模擬信號變化，如圖1所示：
 

 
由于光源，尤其是激光器的非線性比較嚴重，所以目前模擬光纖通信系統(tǒng)僅僅用于對線性要求較低的地方，要實現(xiàn)大容量的頻分復用還比較困難，僅自一些小系統(tǒng)中使用。對一些容量較大、通信距離較長的系統(tǒng)，多采用對半導體激光器進行數字調制的方式。
數字調制主要是用數字信號的“1”和“0”來控制激光的“有”和“無”，如下圖所示：

與LED相比，LD的調制問題要復雜得多。尤其在高速率調制系統(tǒng)中，驅動條件的選擇、調制電路的形成和工藝、激光器的控制等，都對調制性能至關重要。
2、光發(fā)射機模擬部分與數字部分的實現(xiàn)
1310nm和1550nm光發(fā)射機具有相同的結構。他們是由模擬光發(fā)和數字光發(fā)部分組成：
模擬光發(fā)電路的框圖如下：

圖3 模擬光發(fā)電路框圖
數字光發(fā)電路的框圖如下：

                         圖4 數字光發(fā)電路框圖
3、自動光功率控制電路原理
激光器輸出光功率與溫度和老化效應密切相關。保持激光器輸出光功率穩(wěn)定，可以用光反饋來自動調整偏置電流，電路如下圖所示：

圖5 自動光功率控制電路原理圖
首先，PIN管監(jiān)測背向光功率，經檢出的光電流由A1放大，送入比較器A3的反向輸入端，輸入的數字信號和直流參考信號經A2比較放大，接到的A3同相輸入端。A3和VT3組成恒流源，給激光器加上偏置電流IB的大小，其中信號參考電壓是防止控制電路在無輸入信號或長連“0”時，使偏流自動上升。這種電路在10°C～50°C溫度范圍內功率不穩(wěn)定度ΔP/P可小于5%。
4、半導體光源的P-I特性曲線測試
半導體激光器的輸出光功率與驅動電流的關系如下圖所示，該特性有一個轉折點，相應的驅動電流稱為門限電流(或稱閾值電流)，用Ith表示。在門限電流以下，激光器工作于自發(fā)發(fā)射，輸出熒光功率很小，通常小于100pW；在門限電流以上，激光器工作于受激發(fā)射，輸出激光，功率隨電流迅速上升，基本上成直線關系。激光器的電流與電壓的關系相似于正向二極管的特性。
 P-I特性是選擇半導體激光器的重要依據。在選擇時，應選閾值電流Ith盡可能小，Ith對應P值小，而且沒有扭折點的半導體激光器，這樣的激光器工作電流小，工作穩(wěn)定性高，消光比大，而且不易產生光信號失真。且要求P-I曲線的斜率適當。斜率太小，則要求驅動信號太大，給驅動電路帶米麻煩：斜率太大，則會山現(xiàn)光反射噪聲及使自動光功率控制環(huán)路調整困難。
半導體激光器具有高功率密度和極高量子效率的特點，微小的電流變化會導致光功率輸出變化，是光纖通信中非常重要的一種光源，激光二極管可以看作為一種光學振蕩器，要形成光的振蕩，就必須要有光放人機制，也即激活介質處于粒子數反轉分布，而且產生的增益足以抵消所有的損耗。將開始出現(xiàn)凈增益的條什稱為閾值條件。一般用注入電流值來標定閾值條件，也即閾值電流Ith，當輸入電流小于Ith時，其輸出光為非相干的熒光，類似于LED發(fā)出光，當電流大于Ith時 ，則輸出光為激光，且輸入電流和輸出光功率成線性關系，該實驗就是對該線性關系進行測量，以驗證P-I的線性關系．
5、消光比（EXT）的測試
消光比定義為：，式中P00是光發(fā)射機輸入全“0”時輸出的平均光功率即無輸入信號時的輸出光功率。P11是光發(fā)射機輸入全“1”時輸出的平均光功率。從激光器的注入電流（I）和輸出功率（P）的關系，即P-I特性可以清楚地看出消光比的物理概念，如圖7所示。由圖可知，當輸入信號為“0”時，光源的輸出光功率為P00,它將由直流偏置電流Ib來確定。無信號時光源輸出的光功率對接收機來說是一種噪聲，將降低光接收機的靈敏度。因此，從接收機角度考慮，希望消光比越小越好。但是，應該指出，當Ib減小時，光源的輸出功率將降低，光源的譜線寬度增加，同時，還會對光源的其他特性產生不良影響，因此，必須考慮Ib的影響，一般取Ib=(0.7～0.9)Ith(Ith為激光器的閾值電流)。在此范圍內，能比較好地處理消光比與其他指標之間的矛盾。考慮各種因素的影響，一般要求發(fā)送機的消光比不超過0.1。消光比對光接收機靈敏度的影響如下圖。在光源為LED的條件下，一般不考慮消光比，因為它不加直流偏置電流Ib，電信號直接加到LED上，無輸入信號時的輸出功率為零。因此，只有以LD作光源的光發(fā)射機才要求測試消光比。
 
 
 

圖6   LD半導體激光器P-I曲線示意圖
 

6、平均光功率
光發(fā)送機的平均輸出光功率被定義為當發(fā)送機送偽隨機序列時，發(fā)送端輸出的光功率值。ITU-U在規(guī)范標準光接口時，為使成本，同時適應運行條件變化，并考慮了活動連接器的磨損、制造和測量容差以及老化因素的影響后，給出了一個允許的范圍。其中比較重要的激光器劣化機理是有源層的劣化和橫向漏電流的增加所導致的激勵電流增加以及光譜特性隨時間的變化。通常，光發(fā)送機的發(fā)送功率需要有1～1.5 dB的富余度。
7、接收機靈敏度
光接收機靈敏度的定義是：在給定誤碼率或信噪比條件下，光接收機所能接收的最小平均光功率。在測靈敏度時應注意3點：
⑴、在測量光接收機靈敏度時，首先要確定系統(tǒng)所要求的誤碼率指標。對不同長度和不同應用的光纖數字通信系統(tǒng)，其誤碼率指標是不一樣的。例如，在短距離光纖數字通信系統(tǒng)中，要求誤碼率一般為，而在420km數字段中，則要求每個中繼器的誤碼率為。對同一個光接收機來說，當要求的誤碼率指標不同時，其接收機的靈敏度也就不同。要求誤碼率越小，則靈敏度就越低，即要求接收的光功率就越大。因此，必須明確，對某一接收機來說，靈敏度不是一個固定不變的值，它與誤碼率的要求有關。測量時，首先要確定系統(tǒng)設計要求的誤碼率，然后再測該誤碼率條件下的光接收機靈敏度的數值。
⑵、要注意光接收機靈敏度定義中的光功率是指最小平均光功率，而不是指任何一個在達到系統(tǒng)要求的誤碼率時所對應的光功率。因此，要特別注意“最小”的概念。所謂“最小”，就是指當接收的光功率只要小于此值，誤碼率立即增加而達不到要求。應該指出，對某一接收機來說，光功率只要在它的動態(tài)范圍內變化，都能保證系統(tǒng)要求的誤碼率。但靈敏度只有一個，即接收機所能接收的最小光功率。
⑶、靈敏度指的是平均光功率，而不是光脈沖的峰值功率。這樣，光接收機的靈敏度就與傳輸信號的碼型有關。碼型不同，占空比不同，平均光功率也不同，即靈敏度不同。在光纖數字傳輸系統(tǒng)中常用的2種碼型NRZ碼和RZ碼的占空比分別為100%和50%。當“1”和“0”碼的概率相等時，前者的平均光功率比后者大3db。因此，測試靈敏度時必須選用正確的碼型。
8、接收機動態(tài)范圍
為了保證系統(tǒng)的正常工作，對輸入信號光功率的增加必須限制在一定的范圍內，因為信號功率增加到某一數值時將對接收機性能產生不良影響。在模擬通信系統(tǒng)中，輸入信號過大將使放大器過載，輸出信號失真，降低信噪比。在數字通信系統(tǒng)中，當輸入信號功率增加到某一數值時，將使系統(tǒng)出現(xiàn)誤碼。應該指出，在數字通信系統(tǒng)中，放大器輸出信號的失真在測試時應與模擬系統(tǒng)區(qū)別開來。
為了保證數字通信系統(tǒng)的誤碼特性，光接收機的輸入光信號只能在某一定范圍內變化，光接收機這種能適應輸入信號在一定范圍內變化的能力稱為光接收機的動態(tài)范圍，它可以表示為：
    
式中，Pmax是光接收機在不誤碼條件下能接收的信號平均光功率；Pmin是光接收機的靈敏度，即最小可接收光功率。一般來說，要求光接收機的動態(tài)范圍大一點較好，但如果要求過大則會給設備的生產帶來一些困難。
9、眼圖原理
眼圖是在同步狀態(tài)下，各個周期的隨機信碼波形重疊在一起所構成的動態(tài)波形圖，其形狀類似一個眼睛故名眼圖，它是用于觀察是否存在碼間干擾的較簡單直觀的方法。
實際上眼圖就是隨機信號在反復掃描的過程中疊加在一起的綜合反應。眼圖的垂直張開度表示系統(tǒng)的抗噪聲能力，水平張開度反映過門限失真量的大小。眼圖的張開度受噪聲和碼間干擾的影響，當光收端機輸出端信噪比很大時眼圖的張開度主要受碼間干擾的影響，因此觀察眼圖的張開度就可以估算出光收端機碼間干擾的大小。
垂直張開度
水平張開度

圖8 眼圖原理圖
 
 
 
 
 
眼圖觀測的波形如圖9所示：
 
TP719:
TP404:
圖9 眼圖觀察波形圖
五、實驗步驟：
A.自動功率控制電路的測量
1.關閉系統(tǒng)電源。按以下方式用連信號連接導線連接：

數字信號模塊 （數字信號輸出一）

P300—P100

1310數字光發(fā)模塊 （數字光發(fā)信號輸入）

2.用光纖跳線連接1310nm光發(fā)模塊和光功率計。
3.將1310nm光發(fā)模塊的J100，兩位都調到ON狀態(tài)。
4.將1310nm光發(fā)模塊的J101設置為“數字”。
5.打開系統(tǒng)電源，將數字信源模塊路的撥碼開關U311全撥到OFF狀態(tài)。這時輸入到1310nm數字光發(fā)模塊的信號始終為“1”。
6.用萬用表測量R124兩端的電壓。測量方法：先將萬用表打到20V直流電壓檔。然后，將紅表筆插入1310nm數字發(fā)光模塊的臺階插座TP101黑表筆插入TP102。讀出萬用表的讀數U1，代入公式I1= U1/ R124（R124=51Ω）可得此時自動光功率控制所補償的電流。觀察此時光功率計的讀數P1。然后，將1310nm的撥碼開關的右邊一位撥到OFF狀態(tài)，記下光功率計的讀數P2。
7.調整手調電位器RP100改變光功率的大小，再重復實驗步驟5，記錄測的實驗數據
B. 測量光發(fā)射機P-I特性曲線
1.關閉系統(tǒng)電源。按以下方式用連信號連接導線連接：

數字信號模塊 （數字信號輸出一）

P300—P100

1310數字光發(fā)模塊 （數字光發(fā)信號輸入）

2.用光纖跳線連接1310nm光發(fā)模塊和光功率計。
3.將1310nm數字光發(fā)模塊的撥碼開關J100位撥到ON狀態(tài)，第二位撥到OFF狀態(tài)。
4.將1310nm光發(fā)模塊的J101設置為“數字”
5.開系統(tǒng)電源。將數字信號源路的撥碼開關U311全撥到“OFF”狀態(tài)，即輸入到1310nm數字光發(fā)模塊的信號始終為“1”。
6.用表測量R101兩端的電壓（測量方法：先將萬用表打到電壓檔，然后將紅表筆插入TP101，黑表筆插入TP100）。讀出萬用表讀數U，代入公式I=U/R，其中R=51Ω, 讀出光功率記讀數P。
7.節(jié)RP100（激光器注入電流調節(jié)）然后，重復步驟5，將測得的參數填入下表：

P(uw)
u(v)

C. 消光比的測量
1.關閉系統(tǒng)電源。按以下方式用連信號連接導線連接：

數字信號模塊 （數字信號輸出一）

P300—P100

1310數字光發(fā)模塊 （數字光發(fā)信號輸入）

2.用光纖跳線連接1310nm光發(fā)模塊和光功率計。
3.將1310nm光發(fā)模塊的J100位撥到ON，第二位撥到OFF。將J101設置為“數字”。
4.將1310nm光發(fā)體模塊的RP100逆時針旋轉到。.
5.打開系統(tǒng)電源。
6.將數字信號源輸路的撥碼開關U311全撥到“OFF”狀態(tài)，使輸入到1310nm數字光發(fā)模塊的信號始終為“1”測得此時光發(fā)端機輸出的光功率為P11。
7.將撥碼開關U311全部撥向ON端（發(fā)光二極管全滅），使輸入到1310nm數字發(fā)光模塊的信號始終為“0”，測得此時光發(fā)端機輸出的光功率為P00。
8.代入公式，即得光發(fā)端機消光比。
D. 平均光功率測量
1.關閉系統(tǒng)電源。按以下方式用連信號連接導線連接：

光端FPGA （PN序列二信號輸出）

P718—P100

1310數字光發(fā)模塊 （數字光發(fā)信號輸入）

2.用光纖跳線連接1310nm光發(fā)模塊和光功率計。
3.將1310nm光發(fā)模塊的J100位撥為ON，第二位撥為OFF。將J101設置為“數字”。
  4.將1310nm光發(fā)模塊的RP100逆時針旋到。
5.打開系統(tǒng)電源。此時光功率計的讀數，即為光發(fā)端機的平均光功率。
E. 光接收機靈敏測量
1.關閉系統(tǒng)電源。
2.將誤碼儀的“發(fā)數據”端和1310nm光發(fā)模塊的P101用信號連接線連接。
3.將誤碼儀的“發(fā)時鐘”端和“收時鐘”端用信號連接線連接。
4.用光纖跳線連接1310nm光發(fā)模塊和1310nm光收模塊。
5.將1310nm光發(fā)模塊的J100位撥到ON，將第二位撥為OFF，RP100逆時針旋轉到，J101設置為“數字”。
6.將1310nm光收模塊的RP106順時針旋到，RP108逆時針旋到。
7.打開系統(tǒng)電源，打開誤碼儀的電源開關，將誤碼儀的“速率”設為2048K，“圖案”設為-1，“接口”設為TTL，“顯示”設為“誤碼率”。調節(jié)1310nm光收模塊的RP107，使誤
碼儀的“失步”、“錯碼”、“無時鐘”、“無數據”這四個指示燈滅。
8.慢慢順時針旋轉RP100，當剛出現(xiàn)誤碼儀的“錯碼”指示燈閃爍時，關閉系統(tǒng)電源。
9.將1310nm光收模塊的光纖跳線改接為1310nm光發(fā)模塊和光功率計。打開系統(tǒng)電源，測量并記錄光功率Pmin,Pmin即為1310nm光接收機的靈敏度。 
F. 眼圖觀測
1.關閉系統(tǒng)電源。
2.按如下方式連接信號連接導線。

光端FPGA （PN序列一信號輸出）	P720—P100	1310nm光發(fā)模塊 （數字光發(fā)信號輸入）
1310nm光收模塊 （數字信號輸出）	P106—P411	眼圖觀測模塊 （眼圖模塊信號輸入）

3.用光纖跳線連接1310nm光發(fā)模塊的光纖活動連接器和1310nm光收模塊的光纖活動連接器。
4.將1310nm光發(fā)模塊的J100第1位撥為ON，第2位撥到OFF。將1310nm光發(fā)模塊的RP100逆時針旋轉到。J101設置為“數字”。
5.將1310nm光收模塊的RP106順時針旋到，RP108逆時針旋到。
6.打開系統(tǒng)電源，用示波器觀測1310nm光發(fā)模塊的TP103和1310nm光收模塊TP109。調節(jié)1310nm光收模塊的RP107使示波器上的信號相同。
7.用示波器觀測眼圖觀測模塊的“TP404”和光模FPGA模塊的“TP719”并且用“TP719”作觸發(fā)（注意：示波器不能設置為交替觸發(fā)。調節(jié)示波器的觸發(fā)電平和觸發(fā)釋抑得到眼圖，調節(jié)眼圖觀測模塊的RP401可觀測到眼圖張開、閉合的現(xiàn)象。
8.記錄眼圖的波形，測量出、、、。
六、實驗報告  
1、記錄自動功率控制電路的測量實驗數據
2、記錄下實驗過程中的參數，并算出消光比和平均光功率。
3、通過公式I=U/R計算出電流U。然后，繪制P-I特性曲線。
4、光接收機的靈敏度是多少？
5、畫出眼圖，并根據、、和計算出眼圖的垂直張開度和水平張開度。