光通信实验系统的应用 关春颖 副教授/博士 哈尔滨工程大学物理实验教学中心

实验目的 了解光通信系统的基本构成和相关知识 学习LED光源的结构及其特性 掌握基带直接强度调制（DIM）的基本原理 学习模拟信号的脉冲频率调制（PFM）基本原理 了解数字光纤通信的编解码原理 了解视频信号的传输过程

光纤通信发展简史 1966年 华裔科学家高锟博士等人提出从玻璃材料 中去除杂质可以制成衰减为20dB/km的光导纤维。 1976年 日本电报电话公司（NTT）制造出0.5dB/km 的低损耗光纤 1979 年是0.20 dB/km，1984年是0.157 dB/km，1986 年是0.154 dB/km， 接近了光纤最低损耗的理论极限。 1976年 在美国亚特兰大成功进行了码速率为44.7Mb/s的光通信系统性能试验,从此光通信技术进入实用化阶段。

一、光纤通信基本知识 光纤结构及导光原理 光纤由纤芯、包层和涂敷层三部分组成。 纤芯位于光纤的中心部位。它的主要成分是高纯度的二氧化硅。其余成分为掺入的极少量掺杂剂，如五氧化二磷和二氧化锗。掺杂剂的作用是提高纤芯的折射率。纤芯的直径2a一般为5-50μm。 包层也是含有少量掺杂剂的高纯度的二氧化硅。掺杂剂有氟或硼。这些掺杂剂的作用是降低包层的折射率。包层的直径2b为125μm。 包层的外面涂敷一层很薄的 涂敷层。目前涂敷层的材料 一般为环氧树脂或硅橡胶。

一、光纤通信基本知识 光纤基本类型 突变折射率型多模光纤（SIF）：纤芯直径＝50～60μm，光线以折射形状沿纤芯轴线方向传播，存在多条路径，并有较大的时延差，因而信号畸变大。 渐变折射率型多模光纤（GIF）：纤芯直径＝50μm，光线以曲线形状沿纤芯轴线方向传播，各条路径时延差较小，因而信号畸变较小。 单模光纤（SMF）：纤芯很细，直径约10 μm，只有一种传播模式，信号畸变很小。 光纤传输特性 传输损耗 色散

光纤通信优点 频带宽,通信容量大 理论上讲一根单模光纤可利用的带宽达20THz(1THz=1012Hz)以上,现在最先进的光纤通信系统达400GHz,而一路电话带宽约占4KHz频带,一路彩色电视约占6MHz频带。 损耗低,中继距离长 铜缆的损耗特性与缆的结构尺寸及所传输信号的频率有关,光缆的损耗特性仅与玻璃的纯度(或者说透明度)有关,高质量望远镜的镜头其损耗超过500dB/km,目前通信用光纤的最低损耗达0.2 dB/km。

光纤通信优点 具有抗电磁干扰能力 光导纤维是绝缘体材料,不受输电线,电气化铁路及高压设备等电器干扰,可以与高压电线平行架设,还可制成复合光缆 无串话,保密性好 通信质量高 线径细,重量轻,柔软 可制成大芯数高密度光缆 单芯光缆可安装在飞机,火箭,潜艇及航天飞机上 节约有色金属,原材料资源丰富 可节约大量铜金属

光纤通信用途 传输网 接入网 有线电视系统CATV 大楼综合布线系统 校院网(局域网)

光通信系统组成

光发射机 光源： 发光二极管（LED）：自发辐射，输出光功率小，谱宽，稳定，长寿命（107），价低，适用于小容量、短距离传输系统。 激光二极管（LD）：受激辐射，输出光功率大，谱窄，波长稳定，长寿命（105至106），价高，适用于大容量、长距离传输系统。 光调制器：目前采用强度调制（由于光源频谱不纯，尚未实现相干光通信）；分内调制和外调制，对于数字调制，用光脉冲的有无代表数字信息（0和1）。

光接收机 光检测器的功能：光信号的解调（O/E） 光检测器的类型：PIN光电二极管、雪崩光电二极管（APD） 光接收机的灵敏度取决于噪声特性（包括光检测器的噪声和电放大器的噪声）和误码率指标 APD是有增益的光电二极管适用于灵敏度要求较高的场合，但需采用复杂的温度补偿电路，故成本高；在灵敏度要求不高的场合，宜采用PIN管。 光接收机中还有电的放大器、自动增益控制电路、均衡再生电路等。

实验仪器 主机、显示器、摄像头、通信用多模光纤和数字示波器组成。

光发射机 光发射机前面板 光发射机后面板

光接收机 光接收机前面板 光接收机后面板

数字示波器

实验内容及操作步骤 实验一 LED光源I-P特性研究 实验二 模拟信号的直接强度调制传输 实验三 模拟信号的脉冲频率调制(PFM)传输 实验二 模拟信号的直接强度调制传输 实验三 模拟信号的脉冲频率调制(PFM)传输 实验四 数字编码传输实验 实验五 视频信号的光纤传输实验

实验一 LED光源I-P特性研究 LED的发光机理： LED即发光二极管是靠PN 结附近的电子和空穴对的复合而进行自发辐射发光。 本实验仪采用的LED光源，其中心波长为850nm。 在实验过程中，我们能否看到光源LED发出的光？

实验一 LED光源I-P特性研究 1. LED光源I-P特性曲线数据表格 思考题： 为什么要获得光源的I-P特性曲线？

实验二 模拟信号的直接强度调制 什么是直接强度调制？ 实验二 模拟信号的直接强度调制 什么是直接强度调制？ 直接强度调制方式就是用基带信号直接对光源进行强度调制，也就是使光源的光强度直接随传输的信号变化。此时光纤通信系统的传输带宽只要满足信号带宽就够了，其缺点是对光源的线性度要求高如用普通LD作光源则由于光源的非线性和模式噪声和模分配噪声的限制，难以实现达到较好的性能指标。在这种调制方式中，通常使用驱动电流—光输出特性线性较好的LED作光源。

I P

实验二 模拟信号的直接强度调制 思考题： 如果静态工作点没有在光源的线性区，会对传输结果产生怎样的影响？ 偏置电流的变化

实验三 模拟信号的脉冲频率调制(PFM)传输 脉冲频率调制示意图

实验三 模拟信号的脉冲频率调制(PFM)传输 实验数据记录 记录PFM调制的中心频率 思考题 如果工作在静态工作点没有在光源的线性区，会对传输结果产生怎样的影响？

实验四 数字信号编码传输 在光纤数字传输中，一般不直接传输由电端机送来的数字信号，而是经过码型变换，变换成适合在光纤数字传输系统中传输的光线路码型。 为什么要用编码传输？

实验四 数字信号编码传输 编码波形图 原始信号-编码-光传输-光检测-放大-整形-定时提取-解码-原始信号

实验五 视频信号的光纤传输实验 思考：哪些参数影响传输质量？