音频信号光纤传输技术实验报告 大学物理实验

8-1 音频信号光纤传输技术实验

预习要求

通过预习应理解以下几个问题：

1．音频信号光纤传输系统由那几个部分组成、主要器件（LED、SPD和光纤）的工作原理；2．LED调制、驱动电路工作原理

3．LED偏置电流和调制信号的幅度应如何选择、；

4．测量SPD光电流的I-V变换电路的工作原理。

实验目的

1．熟悉半导体电光/光电器件基本性能及主要特性的测试方法；

2．了解音频信号光纤传输系统的结构及各主要部件的选配原则；

3．掌握半导体电光和光电器件在模拟信号光纤传输系统中的应用技术；

4．学习音频信号光纤传输系统的调试技术。

实验原理

一．系统的组成

音频信号光纤传输系统的原理图如图8-1-1所示。它主要包括由LED（光源）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。对于音频信号，其频谱在20Hz～20KHz 的范围内。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频率特性。

图8-1-1 音频信号光纤传输系统原理图

二、光纤的结构及传光原理

衡量光纤信道性能好坏有两个重要指标：一是看它传输信息的距离有多远，二是看它单位时间内携带信息的容量有多大。前者决定于光纤的损耗特性，后者决定于光纤的频率特性。目前光纤的损耗容易做到每公里零点几dB水平。光纤的损耗与工作波长有关，所以在工作波长的选用上，应尽量选用低损耗的工作波长。光纤通讯最早是用短波长0.85μｍ，近来发展到能用1.3～1.55μｍ范围的波长，在这一波长范围内光纤不仅损耗低，而且“色散”也小。

光纤的频率特性主要决定于光纤的模式性质。光纤按其模式性质通常可以分成单模光纤和多模光纤。无论单模或多模光纤，其结构均由纤芯和包层两部分组成。纤芯的折射率较包层折射率大。对于单模光纤，纤芯直径只有5～10μｍ，在一定条件下，只允许一种电磁场形态的光波在纤芯内传播。多模光纤的纤芯直径为50μｍ或62.5μｍ，允许多种电磁场形态的光波传播。以上两种光纤的包层直径均为125μｍ。按其折射率沿光纤截面的径向分布状况又分成阶跃型和渐变型两种光纤，对于阶跃型光纤，在纤芯和包层中折射率均为常数，但纤芯折射率n1略大于包层折射率n2。所以对于阶跃型多模光纤，可用几何光学的全反射理论解释它的导光原理。在渐变型光纤中，纤芯折射率随离开光纤轴线距离的增加而逐渐减小，直到在

纤芯—包层界面处减到某一值后，在包层的范围内折射率保持这一值不变，根据光射线在非均匀介质中的传播理论[1]可知：经光源耦合到渐变型光纤中的某些光射线，在纤芯内是沿周期性地弯向光纤轴线的曲线传播。本实验采用阶跃型多模光纤作为信道，以下应用几何光学理论进一步说明阶跃型多模光纤的传光原理。

当一光束投射到光纤端面时，其入射面包含光纤轴线的光线称为子午射线，这类射线在光纤内部的行径是一条与光纤轴线相交、呈“Z”字型前进的平面折线。若耦合到光纤内部的光射线在光纤入射端的入射面不包含光纤轴线，称为偏射线。 偏射线在光纤内部不与光纤轴线相交；其行径是一条空间折线。以下我们只对子午射线的传播特性进行分析。

参看图8-1-2，假设光纤端面与其轴线垂直。对于子午光射线，根据smell 定律及图8-1-2所示的几何关系有：

z i sin n sin n θθ10= （8-1-1） 其中απ

θ-=2z ，所以有

αθcos n sin n i 10= （8-1-2）

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 在空气介质中，故n 0 =1。由（8-1-2）式可知：如果光线在光纤端面处的入射角i θ较小,则它进入光纤内部后投射到纤芯-包层界面处的入射角α 就会大于按下式决定的临界角c α： ()12n n arcsin c =α （8-1-3）

在此情形下光射线在纤芯-包层界面处发生全内反射。该射线所携带的光功率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8-1-2中入射角i θ的增加，α角就会逐渐减小，直到c αα=时，子午射线携带的光功率均可被局限在纤芯内。在此之后，若继续增加i θ，则α角就会变得小于c α， 这时子午射线在纤芯-包层界面处的全反射条件受到破坏，致使光射线在纤芯-包层界面处的每次反射均有部分光功率溢出纤芯外，光导纤维再也不能把光功率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，凡是以max i θ 为张角的锥体内入射的子午光线，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（8-1-2）式有：

n 1 n 2 n 0 α i θ z θ 1

2

1

1 2

2 2

2

2

子午传导射线 漏射线 1 图8-1-2 子午传导射线与漏射线

c m ax i cos n sin n αθ10=

其中n o 表示光纤入射端面空气一侧的折射率，其值为1，故：

()()2122211211n n sin n sin c max i -=-=αθ

通常把此式定义为光纤的理论数值孔径（Numerical Aperture ）, 用英文字符NA 表示，即

NA =()()2

112122212?θn n n sin max i =-= （8-1-4） 它是一个表征光纤对子午射线捕获能力的参数，其值只与纤芯和包层的折射率 n 1 和 n 2 有关，与光纤的半径a 无关。 在（8-1-4）式中：

△ =()

()1212122212n /n n n /n n -≈- 称为纤芯和包层之间的相对折射率差，△ 愈大，光纤的理论数值孔径NA 愈大，表明光纤对子午线捕获的能力愈强，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，数值孔径愈大，模式色散也相应增加，这不利于传输容量的提高。对于通讯用的多模光纤△ 值一般限制在1%左右。由于通信用多模光纤的纤芯折射率n 1 是在1.50附近，故理论数值孔径的值在0.21左右。

三、半导体发光二极管结构、工作原理、特性及驱动、调制电路

光纤通讯系统中对光源器件在发光

波长、电光效率、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

任务。目前在以上各个方面都能较好满足

要求的光源器件主要有半导体发光二极管（LED ）和半导体激光二极管（LD ）.本

实验采用LED 作光源器件.半导体发光二极管是一个如图8-1-3所示的N-p-P 三层 结构的半导体器件，中间层通常是由GaAs （砷化镓）p 型半导体材料组成,称有源层，其带隙宽度较窄。两侧分别由GaAlAs 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8-1-3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，故这种结构又称N-p-P 双异质结构（简称DH 结构）。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 异质结的阻挡作用不能再进入右侧的P 层，它们只能被限制在有源层内与空穴符合。导电电子在有源层与空穴复合过程中，其中有不少电子要释放出能量满足以下关系的光子：

C E E E h =-=12ν

其中h 是普郎克常数，υ是光波的频率，E 1 是有源层内导电电子的能量，E 2是导电电子与空穴复合后处于价健束缚状态时的能量。两者的差值E C 与DH 结构中各层材料及其组份的选取等多种因素有关，制做LED 时只要这些材料的选取和组份的控制适当，就可使得LED 发光中心波长与传输光纤低损耗波长一致。

半导体发光二极管的正向伏安特性如图8-1-4示，与普通的二极管相比，正向电压大于1V 以后才开始导通。在正常使用情况下，正向压降为1.5V 左右。半导体发光二极管LED 的电-光特性如图8-1-5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 ，其值等于电-光特性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电-光特性的这一线性范围内。 P N p E R L 图8-1-3 半导体发光二极管的结构及工作原理

发送端LED 的驱动和调制电路如图8-1-6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可使LED 的偏置电流在0—50mA 的范围内变化。音频信号由IC1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送到接收端。

根据理想运放电路开环电压增益大、同相和反相输入端输入阻抗高和虚地等三个基本性质，可以推导出图8-1-6所示音频放大电路的闭环增益为:

G （jω）= V 0 / V i = 1+ Z 2 / Z 1 （ 8-1-5）

其中Z 2、Z 1分别为放大器反馈阻抗和反相输入端的接地阻抗。只要C 3选得足够小，C 2选得足够大，则在要求带宽的中频范围内，C 3的阻抗很大，它所在支路可视为开路，而C 2的阻抗很小，它可视为短路。在此情况下，放大电路的闭环增益 G （jω）=1+R 3/R 1 。C 3的大小决定了高频端的截止频率f 2，而C 2的值决定着低频端的截止频率f 1。故该电路中的R 1、R 2、R 3和C 2、C 3是决定音频放大电路增益和带宽的几个重要参数。

四．半导体光电二极管的结构、工作原理及特性

半导体光电二极管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8-1-7a 所示）或无偏压状态（如图8-1-7b 所示）（注：光电二极管的偏置电压是指无光照时二极管两端所承受的电压）.在反压工作状态下p-n 结的空间电荷区的势垒增高、宽度加大、结电阻增加、结电容减小，所有这些均有利于提高光电二极管的高频响应性能。无光照时，反向偏置的p-n 结只有很小的反向漏电流，称为暗电流。当有光子能量大于p-n 结半导体材料的带隙宽度E g 的光波照射到光电二极管的光敏区时，p-n 结各区域中的价电子吸收光子能量后,将挣脱价键的束缚而成为自由电子，与此同时也产生一个自由空穴。这些由光照产生的自由电子-空穴对，统称为光生载流子。在远离空间电荷区（亦称耗尽区）的p 区和N 区内，电场强度很弱，光生载流子只有扩散运动，它们在扩散的途中因复合而被消失掉，故不能形成光电流。形成光电流的主要靠空0 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 5

10

15

20

25

30

20 10 0 I(mA) P(μW) I(mA)

V(v)

图8-1-4 LED 的正向伏安特性 图8-1-5 LED 的电光特性

图8-1-6 LED 的驱动和调制电路

间电荷区的光生载流子，因为在空间电荷区内电场很强，在此强电场作用下，光生自由电子-空穴对将以很高的速度分别向N 区和P 区运动，并很快越过这些区域到达电极，沿外电路闭合形成光电流。光电流的方向是从二极管的负极流向它的正极,并且在无偏压的情况下与入射

的光功率成正比。在光电二极管的p-n 结中，增加空间电荷区的宽度对提高光电转换效率有着密切关系。为此目的，若在p-n 结的p 区和n 区之间再加一层杂质浓度很低以致可近似为本征半导体（用i 表示）的i 层，就形成了具有p-i-n 三层结构的半导体光电二极管，简称PIN 光电二极管, PIN 光电二极管的p-n 结除具有较宽空间电荷区外，还具有很大的结电阻和很小的结电容，这些特点使PIN 管在光电转换效率和高频响应特性方面与普通光电二极管相比均得到了很大改善。

根据文献[2]，光电二极管的伏—安特性可用下式表示：

()[]L I kT /qV exp I I +-=10 （8-1-6）

其中I 0是无光照的反向饱和电流，V 是二极管的端电压，q 为电子电荷，k 为波耳兹曼常数， T 是结温，单位为K ，I L 是无偏压状态下光照时的短路电流，它与光照时的光功率成正比。（8-1-6）式中的I o 和I L 均是反向电流，即从光电二极管负极流向正极的电流。根据（8-1-6）式，光电二极管的伏—安特性曲线如图8-1-8所示，对应图8-1-7a 所示的反压工作状态，光电二极管的工作点由负载线与第三象限的伏-安特性曲线交点确定。由图8-1-8可看出：

1. 光电二极管既使在无偏压的工作状态下，也有反向电流流过，这与普通二极管只具

有单向导电性相比有着本质的差别；

2. 反压工作状态下，在外加电压V 和负载电阻R L 的很大变化范围内，光电流与入照光功率均具有较好的线性关系；无偏压负载工作状态下，只有R L 较小时光电流才与入照光功率成正比，R L 增大时，光电流与光功率呈非线性关系；无偏压短路状态下，短路电流与入照光功率具有很好的线性关系, 这一关系称为光电二极管的光—电特性，光—电特性在I －P 坐标P 区 N 区

P N E P N

R L R L

空 间

电荷区 （a ）反向偏置电压状态 （b ）无偏置电压状态

图8-1-7 光电二极管的结构及工作方式

R L 小负载线 R L 大负载线

μA) 50 100 150 200 250 （mV ）

图8-1-8 光电二极管的伏-安特性曲线及工作点的确定

系中的斜率：

P /I R ??≡（μA/μW ） （8-1-7）

定义为光电二极管的响应度，它是表征光电二极管光电转换效率的重要参数。

3. 在光电二极管处于开路状态情况下，光照产生的光生载流子不能形成闭合光电流，它们只能在p-n 结空间电荷区的内电场作用下，分别堆积在p-n 结空间电荷区两侧的N 层和P 层内，产生外电场，此时光电二极管表现出具有一定的开路电压。不同光照情况下的开路电压如图8-1-8所示：伏-安特性曲线与横坐标轴交点所对应的电压值。由图8-1-8可见,光电二极管开路电压与入照光功率也是呈非线性关系。

4. 反压状态下的光电二极管，由于在很大的范围内光电流与偏压和负载电阻几乎无关，故入照光功率一定时可视为恒流源；而在无偏压负载工作状态下光电二极管的光电流随负载电阻变化很大，此时它不具有恒流性质，只起光电池作用。

光电二极管的响应度R 值与入照光的波长有关。本实验中采用的硅光电二极管，其光谱响应波长在0.4～1.1μｍ之间、峰值响应波长在0.8～0.9μｍ范围内。在峰值响应波长下，响应度R 的典型值在0.25～0.5μA /μW 的范围内。

实验装置

本实验所用仪器由：音频信号光纤传输实验仪、示波器和数字万用表组成。其中音频信号光纤传输实验仪采用四川大学研制的YOF —C 型，它由主机、光功率计和光纤信道三部分组成。主机前面板布局如图8-1-9示，其中：D1-直流毫安表；D2-直流电压表；K1-电源开关；K3-电压表切换开关；C5-正弦信号输出插孔；C1-调制信号输入插孔；W1-输入衰减调节电位器；W2-LED 偏流调节电位器；L2-LED 电流波形监测孔；C2-LED 插孔；C4-SPD 插孔；C3-光功率计插孔；K2-SPD 切换开关；W3-SPD 反压调节电位器；L5-I/V 变换输出电压测试孔；L7-地；L6-功放输出。

图8-1-9 YOF —C 型音频信号光纤传输技术实验仪主机面板布局图

实验内容

一、 LED 伏—安特性及电—光特性的测定

（一） LED 伏—安特性

进行这项测量时首先按以下方式把光纤信道和光功率计接入实验系统：

1． 把两头带单声道插头的电缆线，一头插入主机前面板的“LED 插孔”C2，另一头插

入光纤绕线盘上的LED 插孔内；

2． 把硅光电二极管SPD 带光敏面的一头插入光纤绕线盘上的光纤出光口、引出SPD 正

负极的电缆插头插入主机前面板的“SPD 插孔”C4；

3． 把两头带单声道插头的电缆线，一头插入主机前面板的“光功率计插孔”C3，另一

头插入光功率计面板上的“光电探头”插孔；

4． 主机前面板上SPD 的“切换开关”K2和电压表切换开关K3均置于左侧。这样就使

SPD 作为光功率的光电探头使用、直流电压表就并接在LED 两端，作测量LED 的端电压使用。

调节图8-1-9中的W2，使指示LED 工作电流的直流毫安表D1从零开始慢慢增加。当D1有不为零的指示出现时，就表示LED 开始导通。继续调节W2，使D2读数增加。从1.1V 开始，每增加50mV 读取和记录一次D1读数，直到D1的读数到50 mA 时为止。以D2的读数为自变数，D1的读数为因变数，绘制LED 的伏—安特性曲线。

（二） LED 电—光特性

保持以上连线不变。调节W2使D1的读数为零。在此情况下光功率计的指示应为零，若不为零，调节光功率的“调零电位器”使之为零。然后继续调节W2使D1的指示从零开始增加，每增加5 mA 读取和记录一次光功率计的读数，直到D1的指示超过5 0mA 为止。以LED 的电流为自变数，光功率为因变数，绘制LED 的电—光特性，并确定出其线性度较好的线段。

二、SPD 反向伏安特性及光—电特性的测定

在以上连接不变的基础上，为了测量I-V 变换电路输出电压，需把数字万用表（直流电压2V 档）接入主机前面板的L5和L7插孔。前面板上开关K2和K3应打在右側。这样就使SPD 作为I-V 变换电路的光电探头和电压表D2作为测量SPD 反向电压的电压表接入实验系统。

（一） 测量原理

按以上方式连接好的实验系统，与图8-1-10的原理图对应。在图8-1-10中，由IC1 构成的电路是一个电流—电压变换电路，它的作用是把流过光电二极管的光电流I 转换成由IC1 C 点输出的电压V O ，V O 与光电流成正比。整个测试电路的工作原理依据如下：由于IC1的反相输入端具有很大的输入阻抗，光电二极管受光照时产生的光电流I 几乎全部流过R f 并在其上产生电压降V c b =R f I 。另外，又因IC1具有很高的开环电压增益，反相输入端具有与同相输入端相同的地电位，故IC1的输出电压

f IR V 0 （8-1-8） 已知R f 后，就可根据上式由V 0计算出相应的光电流I 。

（三） 测 定 （参看图8-1-9）

1． 调好光功率计零点后，在SPD 零光照情况下，调节反压调节电位器W3，使D2的读数从

零开始增加，每增加1V 读取和记录一次数字万用表的读数，直到D2的读数为10V 为止。 2 在以上连接不变的基础上，把K2置于左边，调节W2分别使光功率计指示为5μW ，10μW ，

15μW ，，20μW ，，和25μW 。光功率计读数每改变一次，就把主机前面板上“SPD 切换”开关K2倒向右侧一次，重复一次（三）.1.项测定。为了完成SPD 在以上不同光照下的反向伏—安特性曲线的测定，开关K2需左、右来回切换5次。

3．在断电情况下，用数字万用表的电阻挡测量主机L4，L5插孔间的电阻R f 的阻值

4．以光功率计的读数（包括P=0）为参数，SPD 反压为自变数，SPD 光电流I 0（I 0=数字万用表电压读数 / R f ）为因变数，根据实验数据绘制不同光照下SPD 的反向伏—安特性曲线和零偏压情况下SPD 的光—电特性曲线，并计算SPD 的响应度值。

图8-1-10 光电二极管反向伏安特性的测定

三、LED偏置电流的选择和无非线性畸变最大光讯号的测定

由于LED的伏—安特性及电—光特性曲线均存在着非线性区域，所以对于LED的不同偏置状态，能够获得的无非线性畸变的最大光信号的幅度（或峰—峰值）也是具有不同值。在设计音频信号光纤传输系统时，应把LED的偏置电流选择为电—光特性线性范围最宽线段的中点所对应的电流值。

测定最大光信号幅度的实验方法如下：用本实验仪提供的音频信号源（频率为1KHz左右）作调制信号、示波器的输入接至I—V变换电路的输出端、在LED电流最佳偏置情况下，从零开始，逐渐增加调制信号源的输出幅度，直到接至I—V变换电路输出端的数字万用表的读数有明显变化为止（*），记录下此时示波器上显示的音频信号的峰—峰值（mV）。根据I—V 变换电路中的R f值和SPD的响应度R值，便可算出最大光信号的峰—峰值（μW）。

四、接收端允许的最小光信号幅值的测定

把语音信号接入LED的调制输入插孔、小音箱接入接收端功放输出插孔，在保持实验系统以上连接不变的情况下，首先把LED的偏置电流调为5mA，然后从零开始逐渐加大语音信号的输出幅度，直到图8-1-11中接到I—V变换电路输出端和“地”端的数字万用表的读数有变化为止，考察接收端的音响效果，能否清晰辨别出被传的音频信号。若能，继续减小LED的偏置电流重复以上实验，直至不能清晰辨别出接收信号为止。记下在这一状态之前对应的LED 的偏置电流I min值，并由LED电—光特性曲线确定出0～2I min对应的光功率的变化量ΔP min。因接收端允许的最小光信号的峰—峰值不会大于ΔP min，故ΔP min可以作为本实验系统接收端允许的最小光信号的峰—峰值。

五．语言信号的传输

在LED偏置电流和调制信号幅度不同的情况下，考察音频信号光纤传输系统的音响效果。问题思考

1．利用SPD 、I—V变换电路和数字毫伏表，设计—光功率计。

2．如何测定图8-1-8所示中SPD第四象限的正向伏安特性曲线？

3．若传输光纤对于LED中心发光波长的损耗系数（**）〆≤1dB,根据实验数据估算本实验系统的传输距离还能传多远？

参考文献

[1] 朱世国、付克祥，纤维光学—原理及实验研究，成都：四川大学出版社，1992

[2] 吕斯骅朱印康，近代物理实验技术（1），北京：高等教育出版社，1991。

（*）：若数字万用表V2的指示相对于无调制信号状态有明显的变化，意味着有什么情况发生？

（**）：光纤损耗系数〆的定义为：〆=10 lg（P

/P out）/ L（db/Km）其中P in—光纤输入光功率；P out—光

in

纤输出光功率；L—光纤长度m）