光發(fā)射機(jī)與光接收機(jī)實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?br /> 1．了解光源的調(diào)制的原理。
2．掌握自動(dòng)功率控制電路的工作原理
3．掌握數(shù)字光發(fā)射機(jī)平均輸出光功率的測(cè)試方法。
4．掌握數(shù)字光發(fā)射機(jī)的消光比的測(cè)試方法。
5．掌握光收端機(jī)靈敏度的測(cè)試方法。
二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：
1．介紹光源的調(diào)制方法。
2．學(xué)習(xí)自動(dòng)功率控制電路的工作原理，測(cè)量相關(guān)特征測(cè)試點(diǎn)的參數(shù)
3．測(cè)試數(shù)字光發(fā)射機(jī)的平均光功率，測(cè)試數(shù)字光發(fā)射機(jī)的消光比，繪制數(shù)字光發(fā)射機(jī)的P-I特性曲線。
4．測(cè)試光收端機(jī)的靈敏度，用示波器觀察眼圖。
三、實(shí)驗(yàn)儀器
1.光纖通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)1臺(tái)。
2.示波器1臺(tái)。
3.光功率計(jì)1臺(tái)。
4.萬用表1部。
5.光纖跳線1根。
6.誤碼儀1臺(tái)。
四、實(shí)驗(yàn)原理
1、模擬信號(hào)調(diào)制與數(shù)字信號(hào)調(diào)制
模擬信號(hào)調(diào)制是直接用連續(xù)的模擬信號(hào)（如話音、電視等信號(hào)）對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制從而使LED或LD的輸出光功率跟隨模擬信號(hào)變化，如圖1所示：
 

 
由于光源，尤其是激光器的非線性比較嚴(yán)重，所以目前模擬光纖通信系統(tǒng)僅僅用于對(duì)線性要求較低的地方，要實(shí)現(xiàn)大容量的頻分復(fù)用還比較困難，僅自一些小系統(tǒng)中使用。對(duì)一些容量較大、通信距離較長(zhǎng)的系統(tǒng)，多采用對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行數(shù)字調(diào)制的方式。
數(shù)字調(diào)制主要是用數(shù)字信號(hào)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(diào)制問題要復(fù)雜得多。尤其在高速率調(diào)制系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)條件的選擇、調(diào)制電路的形成和工藝、激光器的控制等，都對(duì)調(diào)制性能至關(guān)重要。
2、光發(fā)射機(jī)模擬部分與數(shù)字部分的實(shí)現(xiàn)
1310nm和1550nm光發(fā)射機(jī)具有相同的結(jié)構(gòu)。他們是由模擬光發(fā)和數(shù)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(shù)字光發(fā)電路的框圖如下：

                         圖4 數(shù)字光發(fā)電路框圖
3、自動(dòng)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(yīng)密切相關(guān)。保持激光器輸出光功率穩(wěn)定，可以用光反饋來自動(dòng)調(diào)整偏置電流，電路如下圖所示：

圖5 自動(dòng)光功率控制電路原理圖
首先，PIN管監(jiān)測(cè)背向光功率，經(jīng)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(shù)字信號(hào)和直流參考信號(hào)經(jīng)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(hào)參考電壓是防止控制電路在無輸入信號(hào)或長(zhǎng)連“0”時(shí)，使偏流自動(dòng)上升。這種電路在10°C～50°C溫度范圍內(nèi)功率不穩(wěn)定度ΔP/P可小于5%。
4、半導(dǎo)體光源的P-I特性曲線測(cè)試
半導(dǎo)體激光器的輸出光功率與驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系如下圖所示，該特性有一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)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(guān)系。激光器的電流與電壓的關(guān)系相似于正向二極管的特性。
 P-I特性是選擇半導(dǎo)體激光器的重要依據(jù)。在選擇時(shí)，應(yīng)選閾值電流Ith盡可能小，Ith對(duì)應(yīng)P值小，而且沒有扭折點(diǎn)的半導(dǎo)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(chǎn)生光信號(hào)失真。且要求P-I曲線的斜率適當(dāng)。斜率太小，則要求驅(qū)動(dòng)信號(hào)太大，給驅(qū)動(dòng)電路帶米麻煩：斜率太大，則會(huì)山現(xiàn)光反射噪聲及使自動(dòng)光功率控制環(huán)路調(diào)整困難。
半導(dǎo)體激光器具有高功率密度和極高量子效率的特點(diǎn)，微小的電流變化會(huì)導(dǎo)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(xué)振蕩器，要形成光的振蕩，就必須要有光放人機(jī)制，也即激活介質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，而且產(chǎn)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(biāo)定閾值條件，也即閾值電流Ith，當(dāng)輸入電流小于Ith時(shí)，其輸出光為非相干的熒光，類似于LED發(fā)出光，當(dāng)電流大于Ith時(shí) ，則輸出光為激光，且輸入電流和輸出光功率成線性關(guān)系，該實(shí)驗(yàn)就是對(duì)該線性關(guān)系進(jìn)行測(cè)量，以驗(yàn)證P-I的線性關(guān)系．
5、消光比（EXT）的測(cè)試
消光比定義為：，式中P00是光發(fā)射機(jī)輸入全“0”時(shí)輸出的平均光功率即無輸入信號(hào)時(shí)的輸出光功率。P11是光發(fā)射機(jī)輸入全“1”時(shí)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(guān)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(dāng)輸入信號(hào)為“0”時(shí)，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(hào)時(shí)光源輸出的光功率對(duì)接收機(jī)來說是一種噪聲，將降低光接收機(jī)的靈敏度。因此，從接收機(jī)角度考慮，希望消光比越小越好。但是，應(yīng)該指出，當(dāng)Ib減小時(shí)，光源的輸出功率將降低，光源的譜線寬度增加，同時(shí)，還會(huì)對(duì)光源的其他特性產(chǎn)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(nèi)，能比較好地處理消光比與其他指標(biāo)之間的矛盾?？紤]各種因素的影響，一般要求發(fā)送機(jī)的消光比不超過0.1。消光比對(duì)光接收機(jī)靈敏度的影響如下圖。在光源為L(zhǎng)ED的條件下，一般不考慮消光比，因?yàn)樗患又绷髌秒娏鱅b，電信號(hào)直接加到LED上，無輸入信號(hào)時(shí)的輸出功率為零。因此，只有以LD作光源的光發(fā)射機(jī)才要求測(cè)試消光比。
 
 
 

圖6   LD半導(dǎo)體激光器P-I曲線示意圖
 

6、平均光功率
光發(fā)送機(jī)的平均輸出光功率被定義為當(dāng)發(fā)送機(jī)送偽隨機(jī)序列時(shí)，發(fā)送端輸出的光功率值。ITU-U在規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)光接口時(shí)，為使成本，同時(shí)適應(yīng)運(yùn)行條件變化，并考慮了活動(dòng)連接器的磨損、制造和測(cè)量容差以及老化因素的影響后，給出了一個(gè)允許的范圍。其中比較重要的激光器劣化機(jī)理是有源層的劣化和橫向漏電流的增加所導(dǎo)致的激勵(lì)電流增加以及光譜特性隨時(shí)間的變化。通常，光發(fā)送機(jī)的發(fā)送功率需要有1～1.5 dB的富余度。
7、接收機(jī)靈敏度
光接收機(jī)靈敏度的定義是：在給定誤碼率或信噪比條件下，光接收機(jī)所能接收的最小平均光功率。在測(cè)靈敏度時(shí)應(yīng)注意3點(diǎn)：
⑴、在測(cè)量光接收機(jī)靈敏度時(shí)，首先要確定系統(tǒng)所要求的誤碼率指標(biāo)。對(duì)不同長(zhǎng)度和不同應(yīng)用的光纖數(shù)字通信系統(tǒng)，其誤碼率指標(biāo)是不一樣的。例如，在短距離光纖數(shù)字通信系統(tǒng)中，要求誤碼率一般為，而在420km數(shù)字段中，則要求每個(gè)中繼器的誤碼率為。對(duì)同一個(gè)光接收機(jī)來說，當(dāng)要求的誤碼率指標(biāo)不同時(shí)，其接收機(jī)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(duì)某一接收機(jī)來說，靈敏度不是一個(gè)固定不變的值，它與誤碼率的要求有關(guān)。測(cè)量時(shí)，首先要確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的誤碼率，然后再測(cè)該誤碼率條件下的光接收機(jī)靈敏度的數(shù)值。
⑵、要注意光接收機(jī)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(gè)在達(dá)到系統(tǒng)要求的誤碼率時(shí)所對(duì)應(yīng)的光功率。因此，要特別注意“最小”的概念。所謂“最小”，就是指當(dāng)接收的光功率只要小于此值，誤碼率立即增加而達(dá)不到要求。應(yīng)該指出，對(duì)某一接收機(jī)來說，光功率只要在它的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)變化，都能保證系統(tǒng)要求的誤碼率。但靈敏度只有一個(gè)，即接收機(jī)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(jī)的靈敏度就與傳輸信號(hào)的碼型有關(guān)。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(shù)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(dāng)“1”和“0”碼的概率相等時(shí)，前者的平均光功率比后者大3db。因此，測(cè)試靈敏度時(shí)必須選用正確的碼型。
8、接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍
為了保證系統(tǒng)的正常工作，對(duì)輸入信號(hào)光功率的增加必須限制在一定的范圍內(nèi)，因?yàn)樾盘?hào)功率增加到某一數(shù)值時(shí)將對(duì)接收機(jī)性能產(chǎn)生不良影響。在模擬通信系統(tǒng)中，輸入信號(hào)過大將使放大器過載，輸出信號(hào)失真，降低信噪比。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，當(dāng)輸入信號(hào)功率增加到某一數(shù)值時(shí)，將使系統(tǒng)出現(xiàn)誤碼。應(yīng)該指出，在數(shù)字通信系統(tǒng)中，放大器輸出信號(hào)的失真在測(cè)試時(shí)應(yīng)與模擬系統(tǒng)區(qū)別開來。
為了保證數(shù)字通信系統(tǒng)的誤碼特性，光接收機(jī)的輸入光信號(hào)只能在某一定范圍內(nèi)變化，光接收機(jī)這種能適應(yīng)輸入信號(hào)在一定范圍內(nèi)變化的能力稱為光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，它可以表示為：
    
式中，Pmax是光接收機(jī)在不誤碼條件下能接收的信號(hào)平均光功率；Pmin是光接收機(jī)的靈敏度，即最小可接收光功率。一般來說，要求光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍大一點(diǎn)較好，但如果要求過大則會(huì)給設(shè)備的生產(chǎn)帶來一些困難。
9、眼圖原理
眼圖是在同步狀態(tài)下，各個(gè)周期的隨機(jī)信碼波形重疊在一起所構(gòu)成的動(dòng)態(tài)波形圖，其形狀類似一個(gè)眼睛故名眼圖，它是用于觀察是否存在碼間干擾的較簡(jiǎn)單直觀的方法。
實(shí)際上眼圖就是隨機(jī)信號(hào)在反復(fù)掃描的過程中疊加在一起的綜合反應(yīng)。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(dāng)光收端機(jī)輸出端信噪比很大時(shí)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(jī)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(cè)的波形如圖9所示：
 
TP719:
TP404:
圖9 眼圖觀察波形圖
五、實(shí)驗(yàn)步驟：
A.自動(dòng)功率控制電路的測(cè)量
1.關(guān)閉系統(tǒng)電源。按以下方式用連信號(hào)連接導(dǎo)線連接：

數(shù)字信號(hào)模塊 （數(shù)字信號(hào)輸出一）

P300—P100

1310數(shù)字光發(fā)模塊 （數(shù)字光發(fā)信號(hào)輸入）

2.用光纖跳線連接1310nm光發(fā)模塊和光功率計(jì)。
3.將1310nm光發(fā)模塊的J100，兩位都調(diào)到ON狀態(tài)。
4.將1310nm光發(fā)模塊的J101設(shè)置為“數(shù)字”。
5.打開系統(tǒng)電源，將數(shù)字信源模塊路的撥碼開關(guān)U311全撥到OFF狀態(tài)。這時(shí)輸入到1310nm數(shù)字光發(fā)模塊的信號(hào)始終為“1”。
6.用萬用表測(cè)量R124兩端的電壓。測(cè)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(shù)字發(fā)光模塊的臺(tái)階插座TP101黑表筆插入TP102。讀出萬用表的讀數(shù)U1，代入公式I1= U1/ R124（R124=51Ω）可得此時(shí)自動(dòng)光功率控制所補(bǔ)償?shù)碾娏?。觀察此時(shí)光功率計(jì)的讀數(shù)P1。然后，將1310nm的撥碼開關(guān)的右邊一位撥到OFF狀態(tài)，記下光功率計(jì)的讀數(shù)P2。
7.調(diào)整手調(diào)電位器RP100改變光功率的大小，再重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟5，記錄測(cè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
B. 測(cè)量光發(fā)射機(jī)P-I特性曲線
1.關(guān)閉系統(tǒng)電源。按以下方式用連信號(hào)連接導(dǎo)線連接：

數(shù)字信號(hào)模塊 （數(shù)字信號(hào)輸出一）

P300—P100

1310數(shù)字光發(fā)模塊 （數(shù)字光發(fā)信號(hào)輸入）

2.用光纖跳線連接1310nm光發(fā)模塊和光功率計(jì)。
3.將1310nm數(shù)字光發(fā)模塊的撥碼開關(guān)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(shè)置為“數(shù)字”
5.開系統(tǒng)電源。將數(shù)字信號(hào)源路的撥碼開關(guān)U311全撥到“OFF”狀態(tài)，即輸入到1310nm數(shù)字光發(fā)模塊的信號(hào)始終為“1”。
6.用表測(cè)量R101兩端的電壓（測(cè)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(shù)U，代入公式I=U/R，其中R=51Ω, 讀出光功率記讀數(shù)P。
7.節(jié)RP100（激光器注入電流調(diào)節(jié)）然后，重復(fù)步驟5，將測(cè)得的參數(shù)填入下表：

P(uw)
u(v)

C. 消光比的測(cè)量
1.關(guān)閉系統(tǒng)電源。按以下方式用連信號(hào)連接導(dǎo)線連接：

數(shù)字信號(hào)模塊 （數(shù)字信號(hào)輸出一）

P300—P100

1310數(shù)字光發(fā)模塊 （數(shù)字光發(fā)信號(hào)輸入）

2.用光纖跳線連接1310nm光發(fā)模塊和光功率計(jì)。
3.將1310nm光發(fā)模塊的J100位撥到ON，第二位撥到OFF。將J101設(shè)置為“數(shù)字”。
4.將1310nm光發(fā)體模塊的RP100逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到。.
5.打開系統(tǒng)電源。
6.將數(shù)字信號(hào)源輸路的撥碼開關(guān)U311全撥到“OFF”狀態(tài)，使輸入到1310nm數(shù)字光發(fā)模塊的信號(hào)始終為“1”測(cè)得此時(shí)光發(fā)端機(jī)輸出的光功率為P11。
7.將撥碼開關(guān)U311全部撥向ON端（發(fā)光二極管全滅），使輸入到1310nm數(shù)字發(fā)光模塊的信號(hào)始終為“0”，測(cè)得此時(shí)光發(fā)端機(jī)輸出的光功率為P00。
8.代入公式，即得光發(fā)端機(jī)消光比。
D. 平均光功率測(cè)量
1.關(guān)閉系統(tǒng)電源。按以下方式用連信號(hào)連接導(dǎo)線連接：

光端FPGA （PN序列二信號(hào)輸出）

P718—P100

1310數(shù)字光發(fā)模塊 （數(shù)字光發(fā)信號(hào)輸入）

2.用光纖跳線連接1310nm光發(fā)模塊和光功率計(jì)。
3.將1310nm光發(fā)模塊的J100位撥為ON，第二位撥為OFF。將J101設(shè)置為“數(shù)字”。
  4.將1310nm光發(fā)模塊的RP100逆時(shí)針旋到。
5.打開系統(tǒng)電源。此時(shí)光功率計(jì)的讀數(shù)，即為光發(fā)端機(jī)的平均光功率。
E. 光接收機(jī)靈敏測(cè)量
1.關(guān)閉系統(tǒng)電源。
2.將誤碼儀的“發(fā)數(shù)據(jù)”端和1310nm光發(fā)模塊的P101用信號(hào)連接線連接。
3.將誤碼儀的“發(fā)時(shí)鐘”端和“收時(shí)鐘”端用信號(hào)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(shí)針旋轉(zhuǎn)到，J101設(shè)置為“數(shù)字”。
6.將1310nm光收模塊的RP106順時(shí)針旋到，RP108逆時(shí)針旋到。
7.打開系統(tǒng)電源，打開誤碼儀的電源開關(guān)，將誤碼儀的“速率”設(shè)為2048K，“圖案”設(shè)為-1，“接口”設(shè)為TTL，“顯示”設(shè)為“誤碼率”。調(diào)節(jié)1310nm光收模塊的RP107，使誤
碼儀的“失步”、“錯(cuò)碼”、“無時(shí)鐘”、“無數(shù)據(jù)”這四個(gè)指示燈滅。
8.慢慢順時(shí)針旋轉(zhuǎn)RP100，當(dāng)剛出現(xiàn)誤碼儀的“錯(cuò)碼”指示燈閃爍時(shí)，關(guān)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(jì)。打開系統(tǒng)電源，測(cè)量并記錄光功率Pmin,Pmin即為1310nm光接收機(jī)的靈敏度。 
F. 眼圖觀測(cè)
1.關(guān)閉系統(tǒng)電源。
2.按如下方式連接信號(hào)連接導(dǎo)線。

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

3.用光纖跳線連接1310nm光發(fā)模塊的光纖活動(dòng)連接器和1310nm光收模塊的光纖活動(dòng)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(shí)針旋轉(zhuǎn)到。J101設(shè)置為“數(shù)字”。
5.將1310nm光收模塊的RP106順時(shí)針旋到，RP108逆時(shí)針旋到。
6.打開系統(tǒng)電源，用示波器觀測(cè)1310nm光發(fā)模塊的TP103和1310nm光收模塊TP109。調(diào)節(jié)1310nm光收模塊的RP107使示波器上的信號(hào)相同。
7.用示波器觀測(cè)眼圖觀測(cè)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(shè)置為交替觸發(fā)。調(diào)節(jié)示波器的觸發(fā)電平和觸發(fā)釋抑得到眼圖，調(diào)節(jié)眼圖觀測(cè)模塊的RP401可觀測(cè)到眼圖張開、閉合的現(xiàn)象。
8.記錄眼圖的波形，測(cè)量出、、、。
六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告  
1、記錄自動(dòng)功率控制電路的測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
2、記錄下實(shí)驗(yàn)過程中的參數(shù)，并算出消光比和平均光功率。
3、通過公式I=U/R計(jì)算出電流U。然后，繪制P-I特性曲線。
4、光接收機(jī)的靈敏度是多少？
5、畫出眼圖，并根據(jù)、、和計(jì)算出眼圖的垂直張開度和水平張開度。