光发射机与光接收机实验

一、实验目的：
1．了解光源的调制的原理。
2．掌握自动功率控制电路的工作原理
3．掌握数字光发射机平均输出光功率的测试方法。
4．掌握数字光发射机的消光比的测试方法。
5．掌握光收端机灵敏度的测试方法。
二、实验内容：
1．介绍光源的调制方法。
2．学习自动功率控制电路的工作原理，测量相关特征测试点的参数
3．测试数字光发射机的平均光功率，测试数字光发射机的消光比，绘制数字光发射机的P-I特性曲线。
4．测试光收端机的灵敏度，用示波器观察眼图。
三、实验仪器
1.光纤通信实验系统1台。
2.示波器1台。
3.光功率计1台。
4.万用表1部。
5.光纤跳线1根。
6.误码仪1台。
四、实验原理
1、模拟信号调制与数字信号调制
模拟信号调制是直接用连续的模拟信号（如话音、电视等信号）对光源进行调制从而使LED或LD的输出光功率跟随模拟信号变化，如图1所示：
 

 
由于光源，尤其是激光器的非线性比较严重，所以目前模拟光纤通信系统仅仅用于对线性要求较低的地方，要实现大容量的频分复用还比较困难，仅自一些小系统中使用。对一些容量较大、通信距离较长的系统，多采用对半导体激光器进行数字调制的方式。
数字调制主要是用数字信号的“1”和“0”来控制激光的“有”和“无”，如下图所示：

与LED相比，LD的调制问题要复杂得多。尤其在高速率调制系统中，驱动条件的选择、调制电路的形成和工艺、激光器的控制等，都对调制性能至关重要。
2、光发射机模拟部分与数字部分的实现
1310nm和1550nm光发射机具有相同的结构。他们是由模拟光发和数字光发部分组成：
模拟光发电路的框图如下：

图3 模拟光发电路框图
数字光发电路的框图如下：

                         图4 数字光发电路框图
3、自动光功率控制电路原理
激光器输出光功率与温度和老化效应密切相关。保持激光器输出光功率稳定，可以用光反馈来自动调整偏置电流，电路如下图所示：

图5 自动光功率控制电路原理图
首先，PIN管监测背向光功率，经检出的光电流由A1放大，送入比较器A3的反向输入端，输入的数字信号和直流参考信号经A2比较放大，接到的A3同相输入端。A3和VT3组成恒流源，给激光器加上偏置电流IB的大小，其中信号参考电压是防止控制电路在无输入信号或长连“0”时，使偏流自动上升。这种电路在10°C～50°C温度范围内功率不稳定度ΔP/P可小于5%。
4、半导体光源的P-I特性曲线测试
半导体激光器的输出光功率与驱动电流的关系如下图所示，该特性有一个转折点，相应的驱动电流称为门限电流(或称阈值电流)，用Ith表示。在门限电流以下，激光器工作于自发发射，输出荧光功率很小，通常小于100pW；在门限电流以上，激光器工作于受激发射，输出激光，功率随电流迅速上升，基本上成直线关系。激光器的电流与电压的关系相似于正向二极管的特性。
 P-I特性是选择半导体激光器的重要依据。在选择时，应选阈值电流Ith尽可能小，Ith对应P值小，而且没有扭折点的半导体激光器，这样的激光器工作电流小，工作稳定性高，消光比大，而且不易产生光信号失真。且要求P-I曲线的斜率适当。斜率太小，则要求驱动信号太大，给驱动电路带米麻烦：斜率太大，则会山现光反射噪声及使自动光功率控制环路调整困难。
半导体激光器具有高功率密度和极高量子效率的特点，微小的电流变化会导致光功率输出变化，是光纤通信中非常重要的一种光源，激光二极管可以看作为一种光学振荡器，要形成光的振荡，就必须要有光放人机制，也即激活介质处于粒子数反转分布，而且产生的增益足以抵消所有的损耗。将开始出现净增益的条什称为阈值条件。一般用注入电流值来标定阈值条件，也即阈值电流Ith，当输入电流小于Ith时，其输出光为非相干的荧光，类似于LED发出光，当电流大于Ith时 ，则输出光为激光，且输入电流和输出光功率成线性关系，该实验就是对该线性关系进行测量，以验证P-I的线性关系．
5、消光比（EXT）的测试
消光比定义为：，式中P00是光发射机输入全“0”时输出的平均光功率即无输入信号时的输出光功率。P11是光发射机输入全“1”时输出的平均光功率。从激光器的注入电流（I）和输出功率（P）的关系，即P-I特性可以清楚地看出消光比的物理概念，如图7所示。由图可知，当输入信号为“0”时，光源的输出光功率为P00,它将由直流偏置电流Ib来确定。无信号时光源输出的光功率对接收机来说是一种噪声，将降低光接收机的灵敏度。因此，从接收机角度考虑，希望消光比越小越好。但是，应该指出，当Ib减小时，光源的输出功率将降低，光源的谱线宽度增加，同时，还会对光源的其他特性产生不良影响，因此，必须考虑Ib的影响，一般取Ib=(0.7～0.9)Ith(Ith为激光器的阈值电流)。在此范围内，能比较好地处理消光比与其他指标之间的矛盾。考虑各种因素的影响，一般要求发送机的消光比不超过0.1。消光比对光接收机灵敏度的影响如下图。在光源为LED的条件下，一般不考虑消光比，因为它不加直流偏置电流Ib，电信号直接加到LED上，无输入信号时的输出功率为零。因此，只有以LD作光源的光发射机才要求测试消光比。
 
 
 

图6   LD半导体激光器P-I曲线示意图
 

6、平均光功率
光发送机的平均输出光功率被定义为当发送机送伪随机序列时，发送端输出的光功率值。ITU-U在规范标准光接口时，为使成本，同时适应运行条件变化，并考虑了活动连接器的磨损、制造和测量容差以及老化因素的影响后，给出了一个允许的范围。其中比较重要的激光器劣化机理是有源层的劣化和横向漏电流的增加所导致的激励电流增加以及光谱特性随时间的变化。通常，光发送机的发送功率需要有1～1.5 dB的富余度。
7、接收机灵敏度
光接收机灵敏度的定义是：在给定误码率或信噪比条件下，光接收机所能接收的最小平均光功率。在测灵敏度时应注意3点：
⑴、在测量光接收机灵敏度时，首先要确定系统所要求的误码率指标。对不同长度和不同应用的光纤数字通信系统，其误码率指标是不一样的。例如，在短距离光纤数字通信系统中，要求误码率一般为，而在420km数字段中，则要求每个中继器的误码率为。对同一个光接收机来说，当要求的误码率指标不同时，其接收机的灵敏度也就不同。要求误码率越小，则灵敏度就越低，即要求接收的光功率就越大。因此，必须明确，对某一接收机来说，灵敏度不是一个固定不变的值，它与误码率的要求有关。测量时，首先要确定系统设计要求的误码率，然后再测该误码率条件下的光接收机灵敏度的数值。
⑵、要注意光接收机灵敏度定义中的光功率是指最小平均光功率，而不是指任何一个在达到系统要求的误码率时所对应的光功率。因此，要特别注意“最小”的概念。所谓“最小”，就是指当接收的光功率只要小于此值，误码率立即增加而达不到要求。应该指出，对某一接收机来说，光功率只要在它的动态范围内变化，都能保证系统要求的误码率。但灵敏度只有一个，即接收机所能接收的最小光功率。
⑶、灵敏度指的是平均光功率，而不是光脉冲的峰值功率。这样，光接收机的灵敏度就与传输信号的码型有关。码型不同，占空比不同，平均光功率也不同，即灵敏度不同。在光纤数字传输系统中常用的2种码型NRZ码和RZ码的占空比分别为100%和50%。当“1”和“0”码的概率相等时，前者的平均光功率比后者大3db。因此，测试灵敏度时必须选用正确的码型。
8、接收机动态范围
为了保证系统的正常工作，对输入信号光功率的增加必须限制在一定的范围内，因为信号功率增加到某一数值时将对接收机性能产生不良影响。在模拟通信系统中，输入信号过大将使放大器过载，输出信号失真，降低信噪比。在数字通信系统中，当输入信号功率增加到某一数值时，将使系统出现误码。应该指出，在数字通信系统中，放大器输出信号的失真在测试时应与模拟系统区别开来。
为了保证数字通信系统的误码特性，光接收机的输入光信号只能在某一定范围内变化，光接收机这种能适应输入信号在一定范围内变化的能力称为光接收机的动态范围，它可以表示为：
    
式中，Pmax是光接收机在不误码条件下能接收的信号平均光功率；Pmin是光接收机的灵敏度，即最小可接收光功率。一般来说，要求光接收机的动态范围大一点较好，但如果要求过大则会给设备的生产带来一些困难。
9、眼图原理
眼图是在同步状态下，各个周期的随机信码波形重叠在一起所构成的动态波形图，其形状类似一个眼睛故名眼图，它是用于观察是否存在码间干扰的较简单直观的方法。
实际上眼图就是随机信号在反复扫描的过程中叠加在一起的综合反应。眼图的垂直张开度表示系统的抗噪声能力，水平张开度反映过门限失真量的大小。眼图的张开度受噪声和码间干扰的影响，当光收端机输出端信噪比很大时眼图的张开度主要受码间干扰的影响，因此观察眼图的张开度就可以估算出光收端机码间干扰的大小。
垂直张开度
水平张开度

图8 眼图原理图
 
 
 
 
 
眼图观测的波形如图9所示：
 
TP719:
TP404:
图9 眼图观察波形图
五、实验步骤：
A.自动功率控制电路的测量
1.关闭系统电源。按以下方式用连信号连接导线连接：

数字信号模块 （数字信号输出一）

P300—P100

1310数字光发模块 （数字光发信号输入）

2.用光纤跳线连接1310nm光发模块和光功率计。
3.将1310nm光发模块的J100，两位都调到ON状态。
4.将1310nm光发模块的J101设置为“数字”。
5.打开系统电源，将数字信源模块路的拨码开关U311全拨到OFF状态。这时输入到1310nm数字光发模块的信号始终为“1”。
6.用万用表测量R124两端的电压。测量方法：先将万用表打到20V直流电压档。然后，将红表笔插入1310nm数字发光模块的台阶插座TP101黑表笔插入TP102。读出万用表的读数U1，代入公式I1= U1/ R124（R124=51Ω）可得此时自动光功率控制所补偿的电流。观察此时光功率计的读数P1。然后，将1310nm的拨码开关的右边一位拨到OFF状态，记下光功率计的读数P2。
7.调整手调电位器RP100改变光功率的大小，再重复实验步骤5，记录测的实验数据
B. 测量光发射机P-I特性曲线
1.关闭系统电源。按以下方式用连信号连接导线连接：

数字信号模块 （数字信号输出一）

P300—P100

1310数字光发模块 （数字光发信号输入）

2.用光纤跳线连接1310nm光发模块和光功率计。
3.将1310nm数字光发模块的拨码开关J100位拨到ON状态，第二位拨到OFF状态。
4.将1310nm光发模块的J101设置为“数字”
5.开系统电源。将数字信号源路的拨码开关U311全拨到“OFF”状态，即输入到1310nm数字光发模块的信号始终为“1”。
6.用表测量R101两端的电压（测量方法：先将万用表打到电压档，然后将红表笔插入TP101，黑表笔插入TP100）。读出万用表读数U，代入公式I=U/R，其中R=51Ω, 读出光功率记读数P。
7.节RP100（激光器注入电流调节）然后，重复步骤5，将测得的参数填入下表：

P(uw)
u(v)

C. 消光比的测量
1.关闭系统电源。按以下方式用连信号连接导线连接：

数字信号模块 （数字信号输出一）

P300—P100

1310数字光发模块 （数字光发信号输入）

2.用光纤跳线连接1310nm光发模块和光功率计。
3.将1310nm光发模块的J100位拨到ON，第二位拨到OFF。将J101设置为“数字”。
4.将1310nm光发体模块的RP100逆时针旋转到。.
5.打开系统电源。
6.将数字信号源输路的拨码开关U311全拨到“OFF”状态，使输入到1310nm数字光发模块的信号始终为“1”测得此时光发端机输出的光功率为P11。
7.将拨码开关U311全部拨向ON端（发光二极管全灭），使输入到1310nm数字发光模块的信号始终为“0”，测得此时光发端机输出的光功率为P00。
8.代入公式，即得光发端机消光比。
D. 平均光功率测量
1.关闭系统电源。按以下方式用连信号连接导线连接：

光端FPGA （PN序列二信号输出）

P718—P100

1310数字光发模块 （数字光发信号输入）

2.用光纤跳线连接1310nm光发模块和光功率计。
3.将1310nm光发模块的J100位拨为ON，第二位拨为OFF。将J101设置为“数字”。
  4.将1310nm光发模块的RP100逆时针旋到。
5.打开系统电源。此时光功率计的读数，即为光发端机的平均光功率。
E. 光接收机灵敏测量
1.关闭系统电源。
2.将误码仪的“发数据”端和1310nm光发模块的P101用信号连接线连接。
3.将误码仪的“发时钟”端和“收时钟”端用信号连接线连接。
4.用光纤跳线连接1310nm光发模块和1310nm光收模块。
5.将1310nm光发模块的J100位拨到ON，将第二位拨为OFF，RP100逆时针旋转到，J101设置为“数字”。
6.将1310nm光收模块的RP106顺时针旋到，RP108逆时针旋到。
7.打开系统电源，打开误码仪的电源开关，将误码仪的“速率”设为2048K，“图案”设为-1，“接口”设为TTL，“显示”设为“误码率”。调节1310nm光收模块的RP107，使误
码仪的“失步”、“错码”、“无时钟”、“无数据”这四个指示灯灭。
8.慢慢顺时针旋转RP100，当刚出现误码仪的“错码”指示灯闪烁时，关闭系统电源。
9.将1310nm光收模块的光纤跳线改接为1310nm光发模块和光功率计。打开系统电源，测量并记录光功率Pmin,Pmin即为1310nm光接收机的灵敏度。 
F. 眼图观测
1.关闭系统电源。
2.按如下方式连接信号连接导线。

光端FPGA （PN序列一信号输出）	P720—P100	1310nm光发模块 （数字光发信号输入）
1310nm光收模块 （数字信号输出）	P106—P411	眼图观测模块 （眼图模块信号输入）

3.用光纤跳线连接1310nm光发模块的光纤活动连接器和1310nm光收模块的光纤活动连接器。
4.将1310nm光发模块的J100第1位拨为ON，第2位拨到OFF。将1310nm光发模块的RP100逆时针旋转到。J101设置为“数字”。
5.将1310nm光收模块的RP106顺时针旋到，RP108逆时针旋到。
6.打开系统电源，用示波器观测1310nm光发模块的TP103和1310nm光收模块TP109。调节1310nm光收模块的RP107使示波器上的信号相同。
7.用示波器观测眼图观测模块的“TP404”和光模FPGA模块的“TP719”并且用“TP719”作触发（注意：示波器不能设置为交替触发。调节示波器的触发电平和触发释抑得到眼图，调节眼图观测模块的RP401可观测到眼图张开、闭合的现象。
8.记录眼图的波形，测量出、、、。
六、实验报告  
1、记录自动功率控制电路的测量实验数据
2、记录下实验过程中的参数，并算出消光比和平均光功率。
3、通过公式I=U/R计算出电流U。然后，绘制P-I特性曲线。
4、光接收机的灵敏度是多少？
5、画出眼图，并根据、、和计算出眼图的垂直张开度和水平张开度。