音频信号光纤传输技术实验仪器评价

音频信号光纤传输技术实验仪器评价

学院：工业制造 专业与班级：机设（本）10-1班 姓名：何克胜 学号：201010111202 前言

1、光纤，又名光导纤维，是20世纪70年代为光通信而发展起来的一种新型材料，具

有损耗低、频带宽、耐高温、绝缘性好、抗电磁干扰、光学特性好等优点。

1970年，美国康宁公司率先研制出了世界上第一根传输衰减损耗小于20dB/km 的石英光纤。目前，普通单模光纤的传输损耗在工作波长为1550纳米窗口损耗小于0.2dB/km ，在1310纳米窗口小于0.3 dB/km 。目前商用光纤制作工艺多为渐变折射率芯层光纤。

从传输模式来说，光纤分为单模和多模两种；从结构上来说，分为普通光纤和特殊光纤，普通光纤包括单模和多模光纤，特殊光纤包括保偏光纤、单偏振光纤和塑料光纤等。普通光纤的外径为125微米，单模光纤芯径为5-10微米，多模光纤芯径为50、62.5、80、100微米，加护套总直径约为1毫米。目前通信干线用光纤一般为单模光纤，光纤工作波长为1550纳米。

一般光纤的结构是由导光的纤芯和周围包覆的涂层组成。光纤的工作基础是光的全反射。由于纤芯的折射率大于涂层的折射率，当光从纤芯射向涂层，且入射角大于临界角，则射入的光在界面上产生全反射，成“之”字形前进，传播到圆柱形光纤的另一端而发射出去，这就是光纤的传光原理。

2、随着Internet 网络时代的到来，人们对数据通讯的宽带的要求越来越高，光纤通讯具有宽频带、高速、抗干扰等优点，正在得到不断发展和应用，通过实验使用TKGT-1型光纤音频型号传输实验仪，我们可以了解光纤传输系统的基本结构及各部件选配原则，，初步认识光发送器件LED 的电光特性，光检测器件光电二极管的光电特性及使用方法，基本的信号调制与解调方法，完成光纤通讯基本原理实验。信号传输的频率：20Hz~20kHz.

一、光纤信号的过程

根据光的反射和折射定律，即11θθ=' 2211s i n n s i n

n θθ= 若n1>n2，横线上为2，下为1介质，即光由光密介质射入光疏介质，且入射角大于临界角，即c θθ>时，就发生光的全反射现象。由于在临界状态下，2

2π

θ=

，代入上式，则???

?

??=12

c n n arcsin θ ，称为全反射临界角。

光波在光纤中传输，可以用两种不同的理论来解释。一种是电磁理论，或称模式理论；

另一种是几何光学理论，或称为射线理论。 1、光信号的发送（示意图）

系统低频响应不大于20赫兹，取决电阻、电容网络。

系统高频响应不大于20千赫兹，取决于运放电路的响应频率。

光纤通信的三个窗口波段：0.84 1.31 1.55微米（μm ），窗口波段与光纤传输呈现低损耗，与光电检测器件的峰值响

应波段相匹配（本系统在0.8-0.9微米）。

在光纤应用中，常用的光源有：发光二极管(LED)和激光二极管(LD)。

半导体激光器实质上是一个光波振荡器，它具有振荡、反馈与放大作用。根据光纤的特性通常选用长波长激光器，一般为1310nm 。它通常是由P 型限制层与有源层和N 型限制层与有源层所组成的两个异质结。

2、光信号的接收（示意图）

常用的光探测器是半导体光电二极管PIN 和雪崩二极管。

半导体光电二极管PIN 具有体积小，材料合适、灵敏度高、响应速度快等特点，在光纤通信系统中有着十分广泛的应用。其伏安特性为L kT

qU

0I )e

1(I I +-=。其中I 0为无光照时

的反向饱和电流，U 为二极管的端电压（正向电压为正，反向电压为负），q 为电子电荷，k

为波尔兹曼常数，T 为温度（单位为K ），I L 为无偏压状态下光照时的短路电流，与光照时的光功率成正比。

3、光纤传输三个技术指标：

光纤损耗：光纤的损耗是指光在光纤中传播时，由于介质的吸收、散射和辐射等原因，光强不可避免地要随着传播距离的增加而减少。光纤的损耗反映了光波在光纤中传输时所引起的能量损失情况。设输入光纤的光波功率为P 0，输出功率为P ，则光纤损耗定义为两者比值的对数，用α表

示，即α=lgP 0/P 单位是贝尔，这个单位太大，实际应用中常用分贝，则α=10lgP 0/P 。

吸收损耗是由于光纤物质对光的吸收造成。光照射到光纤材料的原子、分子上，若光子

图1

图

能量恰好等于电子两能级之间的能量差，则光子便将能量转移给电子，使之产生能级跃迁，这就是光纤吸收损耗的定性解释。

散射损耗，是指光在光纤中传播时，遇到材料本身和制造工艺的限制所引起的不均匀性或不连续性造成的损耗。

光纤损耗和光纤色散就是通常主要所指的光纤传输特性。 数值孔径：它决定了能够在光纤中传播的光束半孔径角的最大值max θ，记作N.A.（numerical aperture ）,定义为222

1max 0n n sin n NA -=

=θ （max 2θ称为光纤的受光角）

。可以看出，光纤的数值孔径只取决于光纤纤芯和包层的折射率，与光纤的几何尺寸无关，因此可制成数

值孔径很大而截面积又很小的光纤。其值在0.1---0.6之间，角度值在9度---33度之间。

二、光线的质量和效果

频带宽、通信容量大

用电磁波传输信号，其容量大小与所用载波的频率有关。光波的频率很高1014赫兹，比微波频率108-1010要高几个数量级。同样取其频率的1%作带宽，容量相差十万倍。 损耗低

同轴电缆线路内信号迅速衰减，每隔几公里就需要设一个中继站；而光纤通信的中继站可增大到几十公里或几百公里。 质量小，原材料资源丰富

其材料密度只有铜的四分之一，节约稀有金属。 抗干扰性强、保密性好

一般情况下，外界电磁干扰频率都比较低，不在光波频段；同时光纤本身又是电中性，不受高压电、雷电、电车线等电磁感应的影响。外界光频段的干扰，也易于屏蔽，不至于进入光纤。而且光纤也很少有光泄露出来，泄密可能性基本消除。另外，光纤材料化学稳定性高，防腐蚀、防火、防水能力强，适合在恶劣环境下和危险情况下使用。

三、实验内容与步骤

1．光纤传输系统静态电光/光电传输特性测定

打开仪器电源，连接光纤，分别观测面板上两个三位半数字表头分别显示发送光驱动强度和接收光强度。调节发送光强度电位器，每隔200单位（相当于改变发光管驱动电流2mA ）分别记录发送光驱动强度数据与接收光强度数据，填写表格并在方格纸上绘制静态电光/光 电传输特性曲线。

接收光强 200 400 600 800 1000 发送光强 174

280

382

503

640

最大不失真输出电压 发送光 强度

V 2．光纤传输系统频响的测定

将输入选择开关打向外，在音频输入接口上从信号 发生器输入正弦波，将双踪示波器的通道 1 和通道 2 分别接到发送端示波器接口和接收端音频信号输出口，

保持输入信号的幅度不变，连续调节信号发生器输出

频率（可以从1k 赫兹开始，使频率连续调小或连续调大），

记录输出端信号电压幅度的变化情况，分别测定系统的 低频和高频截止频率（可以信号衰减为正常信号

（如频率1k 赫兹）响应电压幅度的三分之一左右视为截止）。 作关系曲线如右图并要求给出具体数据即最低和最高 截止频率。

3．LED 偏置电流与无失真最大信号调制幅度关系测定

将从信号发生器输入的正弦波频率设定在1kHz ，保持

不变。输入信号幅度调节电位器置于最大位置，然后在LED 偏置电流为5、10mA 两种情况下，调节信号发生器的信号 源输出幅度，使其从零伏开始增加，同时在信号接收端观察 波输出波形电压变化，直到波形出现失真现象时，记录下此 时电压波形的峰-峰值，由此确定LED 在不同偏置电流下 信号输出的最大幅度。作关系曲线如右图并要求给 出具体数据。

4．多种波形光纤传输实验

通过信号发生器的上档键切换方波与正弦波，将方波信号和三角波信号先后输入音频接口，分别改变输入频率和输入电压，从接收端观察输出波形变化情况。（结论：在数字光纤传输系统中往往采用方波来传输数字信号，但我们本套系统，不太适合方波传播）。

四、 实验分析

根据实验数据可知，这部仪器存在一些不足广播传波效率不是很理想。随着发射光强度的增加，收到的光强度效率反而下降，这可能是在光电转换器、光纤方面出现了问题。比如：光电转换器或者接口处没接好。出现了光波的损耗或者是光波的变形。

在光波的频率从小逐渐增大的过程中，信号出现失真的频率段为60至7150Hz 范围类，而对于标准的学习型TKGT-1型音频信号光纤传输试验仪，它

的范围为20至20000Hz之间，范围存在较大差异。频率信号耦合不是很好，可能是仪器生产的问题也可能是仪器使用过程中磨损的原因。

五、仪器评价

对于TKGT-1型实验仪的设计还是很好的，使用方便，它是我们我们学习光纤传输的一个很好的工具。但是在使用中还是存在些许问题。比如精度和使用寿命。我建议生产时把材料提高一个档次。增加它的使用寿命和精确度，让同学们能够更好地完成光纤传输实验。从中体会到实验应该有的严谨态度和和享受实验带来的乐趣。