實驗一 用戶電話接口實驗 一、實驗目的 1、 掌握用戶電話接口電路的主要功能 2、 了解實現用戶接口電路功能芯片 Am79R70 的主要性能與特點 二、實驗內容 1、掌握用戶線接口電路的主要功能 2、了解 Am79R70 的結構與工作原理 3、了解電話接續的原理及其各種語音控制信號的波形 三、實驗儀器 1、ZY1804I 型光纖通信原理實驗系統

　 1 臺 2、20MHz 雙蹤數字示波器

　1 臺 3、電話機

　 2 部 4、連接導線

　20 根

　四、實驗原理 1 、用戶線接口電路功能及其作用 在現代通信設備與程控交換中,由于交換網絡不能通過鈴流、饋電等電流,因而將過去在公用設備(如繩路)實現的一些功能放到“用戶電路”來實現。

　在程控交換機中,用戶電路也可稱為用戶線接口電路(Subscriber Line Interface Circuit—SLIC)。根據用戶電話機的不同,用戶接口電路可分為模擬用戶電話接口電路與數字用戶電話接口電路。模擬用戶電話接口電路與模擬電話相連,數字用戶電話接口電路與數字終端相連(如 ISDN),而在此實驗箱中采用模擬用戶電話接口電路。

　模擬用戶線接口電路在實現時最大的壓力應就是能承受饋電、鈴流與外界干擾等高壓大電流的沖擊,過去都就是采用晶體管、變壓器、繼電器等分立元件構成,但隨著微電子技術的發展,各種集成的 SLIC 相繼出現,她們大都采用半導體工藝或就是薄膜、厚膜會合工藝,性能穩定,價格低廉,已實現了通用化。

　在程控交換機中模擬用戶接口電路一般要具有 B(饋電),R(振鈴),S(監視),C(編譯碼),H(混合),T(測試),O(過壓保護)七項功能。具體含義就是: 1、饋電(B-Battery feeding):向用戶話機饋送直流電流。通常要求饋電電壓為-48V,環路電流不小于 18mA。

　2、過壓保護(O-Overvoltage protection):防止過壓過流沖擊損壞電路與設備。

　3、振鈴控制(R-Ringing Control):向用戶話機饋送鈴流,通常為 25Hz/75Vrms 正弦波。

　4、監視(S-Supervision):監視用戶線的狀態,檢測話機摘機、掛機與撥號脈沖燈信號已送往控制網絡與交換網絡。

　5、編解碼與濾波(C-CODEC/Filter):在數字交換中,它完成模擬話音與數字碼間的轉換。編譯碼通常采用PCM 碼的方式,其編碼器(Coder)與譯碼器(Decoder)統稱為 CODEC。相應的防混疊與平滑低通濾波器的帶寬范圍為:300Hz~3400Hz,編碼速率為 64Kb/s。

　6、混合(H-Hybird):完成二線與四線的轉換功能,即實現模擬二線雙向信號與 PCM 發送與接收數字四線信號之間的分離。

　7、測試(T-Test):對用戶電路進行測試。

　模擬用戶接口電路的結構如圖所示:

　 過 壓 保 護 電 路 振 鈴 控 制 饋 電 電 路 混 合 電 路低通濾波低通濾波平衡網絡 編 譯 碼 器 圖 圖 1-1

　模擬用戶接口電路框圖 2 、用戶線接口電路 在本實驗箱中,用戶線接口電路芯片選用 Legerity 公司生產的模擬用戶線接口芯片 Am79R70。Am79R70就是一種功能較強的用戶線接口芯片,它除了擁有用戶接口電路常用的 7 種功能中的 6 種外,還擁有電流限制、掛機傳輸、極性反轉、tip 開路與環路檢測等功能。其內部電路結構原理框圖如下: 繼電器驅動I繼電器驅動II輸入解碼及控制振鈴回路檢測接地鍵檢測摘機檢測信號傳輸饋電控制開關驅動兩線接口RTRIP1RTRIP2A(TIP)HPAHPBB(RING)VBAT2VBAT1VCC VNEC BGND AGND/DGNDB2ENRSGHRSGLRDCRDCRRINGIN/DETE1D1D2C3C2C1RYOUT1RYERYOUT2RDVTXRSN 圖 圖 1-2

　 Am79R70 內部功能模塊圖 其中 Am79R70 需要 VCC,VEE,VBAT1,VBAT2 四種電源電壓。其中 VCC 為+5V,VEE 為-5V,此電壓可由Am79R70 內部的負電壓調整可得。VBAT2 的電壓幅度范圍為-19～-48V,VBAT1 的電壓幅度范圍為-40～-67V,標準值為-48V。

　振鈴、環路狀態檢測的功能主要通過控制字輸入端C3,C2,C1及摘掛機檢測輸出端/DET來控制,當C3C2C1輸入為 001 時,Am79R70 處于振鈴模式,當 C3C2C1 輸入不就是 001 時,Am79R70 進入其她工作模式,同時使與其相連的話機振鈴截止。當 C3C2C1 輸入為 010 時,話機處于通話狀態。

　Am79R70 的/DET 腳的輸出可以指示用戶的摘掛機狀態,當用戶摘機時,Am79R70 的/DET 腳輸出低電平,掛機時輸出高電平。實驗箱中電話間的通信及信號的控制主要由單片機與 FPGA 來共同完成,我們稱之為控制處理單元,其工作過程如下:

　當用戶 1 摘機時,與它相連的 Am79R70 的/DET 腳輸出低電平,向控制處理單元指示用戶 1 已經摘機,同時摘機指示燈亮。此時控制處理單元向用戶 1 的 Am79R70 的控制端 C3C2C1 輸出 010 使其處于通話連接狀態,同時對用戶 1 的摘機的信息進行處理。在通話連接狀態下,用戶的信息經過 Am79R70 的兩線接口及信號傳輸模塊可以直接輸出到編解碼芯片與收發器。控制處理單元向用戶 1 送撥號音,用戶 1 聽到此音后撥號。控制處理單元根據用戶 1 的所撥的號碼定位到用戶2,并向與用戶 2 連接的 Am79R70 的控制端輸出 001,以使得用戶 2所連接的 Am79R70 處于振鈴狀態,同時向用戶 1 發送回鈴音或忙音。在振鈴狀態下,Am79R70 將鈴流電路產生的 RV 通過 RING 腳輸入到 Am79R70 內,經內部放大后通過兩線接口模塊輸出到用戶線,使得用戶 2 的電話機振鈴。當用戶 2 摘機后,它相連的 Am79R70 的/DET 腳輸出低電平,以向控制處理單元指示用戶 2 已經摘機。此時控制處理單元向用戶 2 的 Am79R70 的控制端 C3C2C1 輸出 010 使其處于通話連接狀態,同時停止振鈴。這樣,用戶 1 與用戶 2 就可以通過 Am79R70 進行通話。

　3 、用戶接口 電路原理圖 用戶接口電路與電話接續實驗將主要完成摘掛機監測、振鈴、回鈴、忙音、電話傳送語音信號測試等功能。此部分實驗需要結合電話模擬信號源模塊來完成,電話模擬信號源模塊主要用產生忙音、回鈴、振鈴控制等信號來完成電話之間的接續功能。

　用戶接口電路的原理圖如下: 1 2 3 4 5 6ABCD6 5 4 3 2 1DCBATitleNumber Revision SizeBDate: 24-Dec-2007 Sheet

　of File: D:\Documents and Settings\Administrator\ 桌面 \PCB12.17\PCB1.DDB Drawn By:RTRIP129RTRIP228A(TIP)31HPB27HPA26B(RING)32RYOUT16RYOUT24RYE5VBAT18VBAT22BGND1VCC3VNEG22RD30RSGH17RSGL18VTX23RSN21RDC19RDCR24B2EN7C114C212C311D19D215E110DET13RINGIN25AGND/DGND20U305-5VC312C313C314R317R318R319R325LED309R314 R313C306R315R316C307C308 C309C310C311INT0-24V-48VR3411 2U306A3 4U310BC315R340R324R3268 9U306D10 11U306E5 6U306CC305E309E3111234 5678U311E121B301R350TIPAR349RINGAVCCR346R322R320R321R323R3421VTAT1VRATVTATAVRATARINGE125HZ25HZD302D301 圖 圖 1-3

　用戶接口電路原理圖 用戶接口模塊的基本原理:用戶接口模塊主要由Am79R70及相應的一些外接電路組成,用戶話機就是通過電話接頭內的 TI、RI(即圖中的 B301)與系統相連,二極管 LED309 主要用來完成摘掛機的檢測功能,當兩部電話中的任何一部電話摘機時相應的二極管亮表示處于摘機狀態。測試鉤 VTATA, VRATA 主要用來測試本方話機的輸入與輸出模擬信號。在這里,輸入的信號可以就是以下幾種類型的信號: 3、1 電話通信中的話音信號。

　3、2 來自電話模擬信號源模塊的各種音信號(回鈴、振鈴、忙音信號)。

　① 撥號音:450Hz 正弦波; ② 忙音:450Hz 正弦波,通斷間隔時間 0、35S; ③ 回鈴音:450Hz 的正弦波,每導通 1 秒后間斷 4 秒; ④ 25Hz 振鈴信:25Hz 的低頻周期信號,每導通 1 秒后間斷 4 秒; 控制處理模塊主要通過對兩部電話的狀態檢測來產生各種控制信號,如回鈴信號、忙音信號、振鈴信號,以完成兩部電話之間的熱線接續功能。

　其中熱線呼叫的流程圖如下:

　 圖 圖 1-4

　 電話呼叫控制流程圖 五、實驗步驟 1、用連接線連接中央控制器的 D_IN 與 D_OUT,將中央控制器 K1 撥為“主”,分別接好兩部電話機。

　2、將 PCM 編譯碼模塊的開關 K301,K401,K402,K403 與 K404 分別撥向下。

　3、將撥碼開關 K703(A 機號碼)的值撥為“0001”, 使 A 機號碼為 3201;撥碼開關 K704(B 機號碼)的值撥為“0010”, 使 B 機號碼為 3202。

　注釋: 本實驗箱要求為每一部電話設置一個電話號碼, 電話號碼為3201 到3215, 電話號碼前兩位固定為32,后兩位( 電話地址) 由撥碼開關 K703 與 K704 人為輸入, 對應兩個撥碼開關所撥的二進制數值, 例如預設 A 機電為 話號碼為 3201, 則將關 撥碼開關 K703(A 機號碼) 的值撥為“0001” 。多臺實驗箱組網通信時要求電話號碼設 置與終端地址設置不能重復。

　4、打開交流電源。中央控制器指示燈 NS、FS 亮,表明環路同步。

　5、用示波器測量電話 A 模擬信號源測試鉤 25HZA 與 BHA(450HZ)的波形,其中 25HZA 為頻率 25HZ 的方波,BHA(450HZ)為頻率 450HZ 的正弦波,450HZ 正弦波的峰-峰值為 1V 左右。

　用示波器測量電話 B 模擬信號源測試鉤 25HZB 與 BHB(450HZ)的波形,其中 25HZA 為頻率 25HZ 的方波,BHA(450HZ)為頻率 450HZ 的正弦波,450HZ 正弦波的峰-峰值為 1V 左右。

　注釋:25HZ 的方波用合 成振鈴信號,450HZ 的正弦波用來 提供撥號音以及 合成忙音信號與回鈴信號, 若其幅度過大, 將會在電話接口回路中引起自激現象, 嚴重影響電話話路的通話質量。

　開始 有用戶呼叫不？ YES NO 呼叫 被叫閑不 向主叫送忙音 YES NO 來話接續 向被叫送振鈴,向主叫送回鈴 被叫應答不？ NO YES 停送鈴流,停回鈴音,接通電路 話端掛機不 主叫掛機不？ NO 拆線(釋放復原) 開始 應答 掛機 NO YES

　a、 電話的摘機狀態及撥號音測試 將電話 A 模塊的電話摘機,此時二極管 LED309 發光。用示波器探頭測量 A 電話模擬信號輸入端測試鉤VRATA 的撥號音波形,觀察其波形的特點,并進行分析。將該電話掛機,可瞧見二極管 LED309 不發光。

　b、 電話振鈴, 回鈴信號測試 將電話A模塊的電話摘機,聽到撥號音后,撥打電話B模塊的號碼3202,此時觀察撥號狀態指示燈LED301、LED302、LED303 與 LED304(每撥一個數字,撥號狀態將由對應的二進制碼指示)。如果電話 B 沒有處于通話占用狀態則將會聽到響鈴聲,用示波器探頭測量測試鉤 ZLB 的波形,將其記錄下來分析; 用示波器探頭測量測試鉤 HLA 回鈴信號的波形,觀察其波形的特點,并進行分析;

　將電話 A 模塊的電話掛機,同時將電話 B 模塊的電話摘機,撥打電話 A 模塊的電話,測量 HLB 與 ZLA 的波形,并對其進行分析。

　注釋:ZLA/ZLB 就是用來與 25HZ 低頻信號合成振鈴音的控制信號, 表現為 1 秒通 4 秒斷。

　c、 電話話音信號傳輸功能測試 將電話 A 模塊的電話摘機,撥打電話 B 模塊的電話,并接通。將電話進行按鍵,同時利用示波器探頭來測量VTATA 與 VRATB、VTATB 與 VRATA 的波形,對比電話 A 與電話 B 之間的接收與發送信號波形,觀察不同按鍵時電話發送信號與接收信號的變化。同時觀察兩個電話模塊的撥號狀態,此時顯示燈將顯示所按號碼。

　d、 忙音信號測試 將電話 A 模塊的電話摘機,不撥電話號碼,過約 20s 后,測量測試構 VRATA 的波形,并畫出其波形。

　將電話A模塊的電話摘機,撥打電話B模塊的電話,撥號期間間歇約5s,測量測試構VRATA的波形,并畫出其波形。

　接通兩部電話,將電話 A 掛機,用示波器測量測試鉤 VRATB 的波形,并畫出其波形。

　e、 多種信號音測試 測量測試鉤 VRATA 的波形,分別在振鈴(即電話 A 摘機,電話 B 掛機)、接通(兩部電話通話)與忙音(接通后,電話 B 掛機)三種狀態下測量,記錄下其波形。

　6、關閉交流電源,拆除各個連線,將實驗箱還原。

　六、實驗結果 Y 軸X 軸0.35秒 0.35秒 0.35秒Y 軸X 軸1秒 4秒 1秒

　七、思考題答案 1、電話接口電路的主要功能就是什么,除了 AM79R70 之外,您還知道那些芯片可以實現用于接口電路的功能?

　2、測試鉤 VRATA 的波形在三種狀態下分別不同,其三種波形分別就是什么信號的波形? VRATA 忙音信號示意圖 HLA/HLB 回鈴信號示意圖

　實驗八 半導體激光器 P-I 特性測試實驗 一、實驗目的 1、學習半導體激光器發光原理與光纖通信中激光光源工作原理 2、了解半導體激光器平均輸出光功率與注入驅動電流的關系 3、掌握半導體激光器 P(平均發送光功率)-I(注入電流)曲線的測試方法 二、實驗內容 1、測量半導體激光器輸出功率與注入電流,并畫出 P-I 關系曲線 2、根據 P－I 特性曲線,找出半導體激光器閾值電流,計算半導體激光器斜率效率 三、實驗儀器 1、ZY1804I 型光纖通信原理實驗系統

　1 臺 2、FC 接口光功率計

　 1 臺 3、FC-FC 單模光跳線

　 1 根 4、萬用表

　 1 臺 5、連接導線

　 20 根 四、實驗原理 光源就是把電信號變成光信號的器件,在光纖通信中占有重要的地位。性能好、壽命長、使用方便的光源就是保證光纖通信可靠工作的關鍵。

　光纖通信對光源的基本要求有如下幾個方面:首先,光源發光的峰值波長應在光纖的低損耗窗口之內,要求材料色散較小。其次,光源輸出功率必須足夠大,入纖功率一般應在 10 微瓦到數毫瓦之間。第三,光源應具有高度可靠性,工作壽命至少在 10 萬小時以上才能滿足光纖通信工程的需要。第四,光源的輸出光譜不能太寬以利于傳輸高速脈沖。第五,光源應便于調制,調制速率應能適應系統的要求。第六,電—光轉換效率不應太低,否則會導致器件嚴重發熱與縮短壽命。第七,光源應該省電,光源的體積、重量不應太大。

　作為光源,可以采用半導體激光二極管(LD,又稱半導體激光器)、半導體發光二極管(LED)、固體激光器與氣體激光器等。但就是對于光纖通信工程來說,除了少數測試設備與工程儀表之外,幾乎無例外地采用半導體激光器與半導體發光二極管。

　本實驗簡要地介紹半導體激光器,若需詳細了解發光原理,請參瞧各教材。

　半導體激光二極管(LD)或簡稱半導體激光器,它通過受激輻射發光,就是一種閾值器件。處于高能級 E 2 的電子在光場的感應下發射一個與感應光子一模一樣的光子,而躍遷到低能級 E 1 ,這個過程稱為光的受激輻射,所謂一模一樣,就是指發射光子與感應光子不僅頻率相同,而且相位、偏振方向與傳播方向都相同,它與感應光子就是相干的。由于受激輻射與自發輻射的本質不同,導致了半導體激光器不僅能產生高功率(≥10mW)輻射,而且輸出光發散角窄(垂直發散角為 30～50°,水平發散角為 0～30°),與單模光纖的耦合效率高(約 30％～50％),輻射光譜線窄(Δλ＝0、1～1、0nm),適用于高比特工作,載流子復合壽命短,能進行高速信號(>20GHz)直接調制,非常適合于作高速長距離光纖通信系統的光源。

　半導體激光器的特性,主要包括閾值電流 Ith、輸出功率 P0、微分轉換效率 η、峰值波長 λp、光束發散角、脈沖響應時間 t r 、 t f 等。除上述特性參數之外,有時也把半導體激光器的工作電壓、工作溫度等列入特性參數。

　閾值電流就是非常重要的特性參數。圖 8-1 上 A 段與 B 段的交點表示開始發射激光,它對應的電流就就是閾值電流 Ith。半導體激光器可以瞧作為一種光學振蕩器,要形成光的振蕩,就必須要有光放大機制,也即激活介質處于粒子數反轉分布,而且產生的增益足以抵消所有的損耗。將開始出現凈增益的條件稱為閾值條件。一般用注入電流值來標定閾值條件,也即閾值電流 Ith。

　P-I 特性就是半導體激光器的最重要的特性。當注入電流增加時,輸出光功率也隨之增加,在達到 Ith 之前半導體激光器輸出熒光,到達 Ith 之后輸出激光,輸出光子數的增量與注入電子數的增量之比見式 8-1。

　 ( ) ( )dP I e Phv e hv I?? ? ?? ? ??

　 (8-1)

　ΔP/ΔI 就就是圖 8-1 激射時的斜率, h 就是普朗克常數(6、625*10 -34 焦耳 秒),v 為輻射躍遷情況下,釋放出的光子的頻率。

　圖 圖 8-1

　LD 半導體激光器 P-I 曲線示意圖

　P-I 特性就是選擇半導體激光器的重要依據。在選擇時,應選閾值電流 Ith 盡可能小,Ith 對應 P 值小,而且沒有扭折點的半導體激光器。這樣的激光器工作電流小,工作穩定性高,消光比(測試方法見實驗十二)大,而且不易產生光信號失真。并且要求 P-I 曲線的斜率適當。

　斜率太小,則要求驅動信號太大,給驅動電路帶來麻煩;斜率太大,則會出現光反射噪聲及使自動光功率控制環路調整困難。

　在實驗中所用到半導體激光器輸出波長為 1310nm,帶尾纖及 FC 型接口。其典型參數如下表 8-1: 表 表 8-1

　本實驗半導體激光器的部分參數參考表 Parameter 參數 Symbol 符號 Min 最小值 Typ 典型值 Max、 最大值 Unit 單位 Central Wavelength 中心波長 ?

　 1280 1310 1340 nm Spectral Width RMS 譜線寬度 ? ?

　2 5 nm Threshold Current 閾值電流 thI

　 8 15 mA Optical output power 輸出功率 0P

　0、2 0、4

　mW Forward Voltage 正向電壓 Vf

　1、2 1、6 V Rise Time/Fall Time 上升/下降時間 tr/tf

　 0、5 ns …… …… …… …… …… …… 本實驗所涉及的實驗框圖如圖 8-2,R973(1Ω)與激光器串聯。

　驅動電路R973激光器 圖 圖 8-2

　激光器工作框圖 電路中的驅動電流在數值上等于 R973 兩端電壓與電阻值之比。為了測試更加精確,實驗中先用萬用表測出 R973 的精確值(將 BM901、BM902 都撥到中檔,用萬用表的歐姆檔測 T904、T905 之間的電阻),計算得出半

　導體激光器的驅動電流,然后用光功率計測得一定驅動電流下半導體激光器發出激光的功率,從而完成P-I特性的測試。并可根據 P-I 特性得出半導體激光器的斜率效率。

　五、實驗步驟 1、用導線連接中央控制器 M 與 T903(13_DIN)。

　2、將開關 BM901 撥為 1310nm,將開關 K902 撥為“數字”,將電位器 W901 逆時針旋轉到最小。

　3、旋開光發端機光纖輸出端口防塵帽,用 FC-FC 光纖跳線將半導體激光器與光功率計輸入端連接起來,并將光功率計測量波長調整到 1310nm 檔。

　4、用萬用表測量 T904(TV+)與 T905(TV-)之間的電阻值(電阻焊接在 PCB 板的反面),找出所測電壓與半導體激光器驅動電流之間的關系(V＝IR 973 )。

　注釋: 在回路中測 R973 的電阻值, 不準確！所以在測之前要將回路斷開。另外, 考慮到萬用表本身的精度問題, 也可不測 R973 的電阻值, 直接用 1Ω 來做實驗。

　5、將電位器 W907(閾值電流調節)逆時針旋轉到底。

　注釋: 此時 LD 的直流偏置 Ib 的值為 0 。LD 的驅動電流僅為調制電流 Id 。否則因自動光功率的作用,無 無量 法測量 LD 的 的 P-I 特性曲線 6、打開交流電源。

　7、用萬用表測量 T904(TV+)與 T905(TV-)兩端電壓(紅表筆插 T904,黑表筆插 T905)。

　8、慢慢調節電位器 W901(數字驅動調節),使所測得的電壓為下表中數值,依次測量對應的光功率值,并將測得的數據填入下表 1-2,精確到 0、1uW。

　注釋:1、 、于 實驗中半導體激光器的驅動電流不可大于 60mA, 否則有燒毀激光器的危險。

　 2 、實驗時不能器 調節電位器 W907, 否則將影響實驗的結果。

　 9、做完實驗后先關閉交流電開關。

　10、拆下光跳線及光功率計,用防塵帽蓋住實驗箱半導體激光器光纖輸出端口,將實驗箱還原。

　U(mV) 2 2 、2 2 、4 2 、6 2 、8 3 3 、2 3 、4 3 、6 I(mA) 2、0 2、2 2、4 2、6 2、8 3、0 3、2 3、4 3、6 P(uW) - - - - - - 0、58 0、79 1、99 U(mV) 3 、8 4 4 、5 5 6 7 8 9 10 I(mA) 3、8 4、0 4、5 5、0 6、0 7、0 8、0 9、0 10、0 P(uW) 10、7 17、5 41、2 62、1 106 151 195 241 286 U(mV) 12 14 16 18 20 22 24 26

　I(mA) 12、0 14、0 16、0 18、0 20、0 22、0 24、0 26、0

　P(uW) 374 456 541 621 702 791 925 997

　 LD 的 的 P-I 特性測試表 六、實驗結果 以上的數據僅供參考,LD 的閾值電流 Ith 一般在 3～10mA 比較正常。由于激光器個體差異會使得輸出功率有差異。

　七、思考題答案 1、試說明半導體激光器發光工作原理。

　答: 半導體激光器(LD)包括工作物質、諧振腔與泵浦源三部分。工作物質直接決定了激光器的激射波長,1310 與 1550 窗口一般采用 InGaAsP/InP 材料。泵浦源一般就是采用直接電注入的方法來實現,正向偏置的PN結導帶與價帶的費米能級發生分離,兩準費米能級的差超過禁帶寬度時就能實現粒子數反轉,光信號通過粒子數反轉區域時就能實現放大。諧振腔能實現光反饋,當光信號在諧振腔中來回反射一次獲得的增益超過總損耗時,就能建立起穩定的振蕩,實現激射。

　 由于諧振腔中存在損耗及端面反射鏡的透射損耗,受激發射產生的光子將不斷消耗,如果增益并非足夠大,

　則不能補償這種損耗。只有當增益等于或者大于總損耗時,才能建立起穩定的振蕩,這一增益稱為閾值增益。為達到閾值增益所要求的泵浦或者注入電流稱為閾值電流。

　2、環境溫度的改變對半導體激光器 P-I 特性有何影響？ 答:半導體激光器(LD)對工作環境溫度的變化非常敏感,在高溫環境下工作會影響它的壽命。對于 P-I 特性,主要表現在閾值的變化,閾值電流與溫度呈指數關系變化:0T Tth thoI I e ? ,thoI 為溫度0T 時的閾值電流, T 就是工作溫度,0T 表示器件溫度特性的特征溫度,0T 較大,表示器件的溫度穩定性較好。

　3、分析以半導體激光器為光源的光纖通信系統中,半導體激光器 P-I 特性對系統傳輸性能的影響。

　答:閾值電流越小,系統工作時的電流就越小,工作穩定性會增加。

　閾值電流對應的功率越小,光端機輸出的光信號的消光比就較大。

　線性區線性度越好,波形越不容易失真。

　線性區的 P-I 曲線斜率要適當。若太小則驅動信號要求太大,給驅動電路帶來麻煩;驅動太大的管子會出現光反射噪聲及自動光功率控制環路調整困難。

　實驗九 發光二極管 P-I 特性測試曲線 一、實驗目的 1、學習發光二極管的發光原理 2、了解發光二極管平均輸出光功率與注入電流的關系 3、掌握發光二極管 P(平均發送光功率)-I(注入電流)曲線的測試 二、實驗內容 1、測量發光二極管平均輸出光功率與注入電流,并畫出 P-I 關系曲線 2、根據 P－I 特性曲線,計算發光二極管斜率效率 三、 實驗儀器 1、ZY1804I 型光纖通信原理實驗系統

　1 臺 2、FC 接口光功率計

　 1 臺 3、850nm 光發端機(HFBR-1414T)

　1 個 4、ST-FC 多模光跳線

　 1 根 5、萬用表

　 1 臺 6、連接導線

　 20 根 四、實驗原理 半導體光源主要有半導體發光二極管(LED)與半導體激光器(LD)兩種。LD 已經在上一個實驗介紹過,本實驗主要就是介紹 LED。

　半導體發光二極管(LED)就是利用半導體 P-N 結自發發射原理發光的器件的統稱。商品發光二極管種類很多,電信儀表與家電產品的半導體指示燈也就是半導體發光二極管。光纖通信專用半導體發光二極管的特點就是高亮度、高響應速度,其制造工藝與價格與半導體指示燈有所不同。

　發光二極管(LED)結構簡單,就是一個正向偏置的 PN 同質結,電子-空穴對在耗盡區輻射復合發光,稱為電致發光。發光二極管(LED)發射的不就是激光,輸出功率較小、具有較寬的譜寬(30～60nm)、發射角較大(≈100°)、與光纖的耦合效率較低。其優點就是:壽命很長,理論推算可達 10 8 至 10 10 小時,其次就是受溫度影響較小,輸出光功率與注入電流的線性關系較好,價格也比較便宜,驅動電路簡單,不存在模式噪聲等問題。半導體發光二極管(LED)可以做為中短距離、中小容量的光纖通信系統的光源。

　對于發光二極管(LED)而言,自發輻射產生的功率就是由正向偏置電壓產生的注入電流提供的,當注入電流為I,工作在穩態時,電子-空穴對通過輻射與非輻射復合,其復合率等于載流子注入率I/P,其中發射電子的復合率決定于內量子效率 η int ,光子產生率為(Iη int /P),因此 LED 內產生的光功率為 I q P ) / (int int? ? ? ?

　 (9-1) 式中, ? ? 為光量子能量。假定所有發射的光子能量近似相等,并設從 LED 逸出的功率內部產生功率的份額為ext? ,則 LED 的發射功率為

　I q P Pext ext e) / (int int? ? ? ? ? ? ?

　(9-2)

　圖 圖 9-1

　LED 發光二極管 P-I 曲線示意圖 η ext 亦稱為外量子效率。由 9-2 式可知,LED 發射功率 P 與注入電流 I 近似成正比。這說明 LED 的 P-I 曲線線性度好,調制時動態范圍大,信號失真小。

　該實驗測量其電光轉換特性(P-I 特性),工作電流不同的時候,輸出功率也不同,基本上就是成線性關系。

　本實驗選用的半導體發光二極管就是安捷倫公司的 HFBR0400 系列的 HFBR1414T。其型號所代表的意思如下:

　其中心波長為 820nm,接頭為 ST 型。

　實驗中發光二極管電流的確定通過測量串聯在電路中 R973 的電壓值。電路中的驅動電流在數值上等于R973 兩端電壓與電阻值之比。實驗中先用萬用表測出 R973 的精確值,計算得出發光二極管的驅動電流,然后用光功率計測得一定驅動電流下發出的光功率,從而完成 P-I 特性的測試。

　五、實驗步驟 1、用導線連接中央控制器 M 與 T903(13_DIN)。

　2、將開關 BM901 撥為 850nm,將開關 K902 撥為“數字”,將電位器 W901 逆時針旋轉到最小。

　3、裝好 850nm 光發射機(850nm T),用 ST-FC 光纖跳線將 LED 與光功率計輸入端連接起來,并將光功率計測量波長調整到 850nm 檔。

　4、用萬用表測量 T904(TV+)與 T905(TV-)之間的電阻值(電阻焊接在 PCB 板的反面),找出所測電壓與半導體激光器驅動電流之間的關系(V＝IR 973 )。

　注釋: 在回路中測 R973 的電阻值, 不準確！所以在測之前要將回路斷開。另外, 考慮到萬用表本身的精度問題, 也可不測 R973 的電阻值, 直接用 1Ω 來做實驗。

　5、將電位器 W907(閾值電流調節)逆時針旋轉到底。

　注釋: 此時 LD 的直流偏置 Ib 的值為 0 。LD 的驅動電流僅為調制電流 Id 。否則因自動光功率的作用,無 無量 法測量 LD 的 的 P-I 特性曲線 線 6、打開交流電源。

　7、用萬用表測量 T904(TV+)與 T905(TV-)兩端電壓(紅表筆插 T904,黑表筆插 T905)。

　8、慢慢調節電位器 W901(數字驅動調節),使所測得的電壓為下表中數值,依次測量對應的光功率值,并將

　測得的數據填入下表,精確到 0、1uW。

　注釋:1、 、于 實驗中半導體激光器的驅動電流不可大于 60mA, 否則有燒毀激光器的危險。

　 2 、實驗時不能調節電位器 W907, 否則將影響實驗的結果。

　9、做完實驗后先關閉交流電開關。

　10、拆下光跳線及光功率計,用防塵帽蓋住實驗箱半導體激光器光纖輸出端口,將實驗箱還原。

　U(mV) 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 25 I(mA) 2、0 4、0 5、0 8、0 10、0 12、0 14、0 16、0 18、0 20、0 25、0 P(uW) 0、97 1、11 2、16 3、26 4、39 5、49 6、63 7、70 8、77 9、69 12、3 LED 的 的 P-I 特性測試表 六、實驗結果 見上表 LED 的 P-I 特性測試表,以上的數據僅供參考。由于激光器個體差異會使得輸出功率有差異。

　七、思考題答案 1、說明發光二極管工作原理,比較分析發光二極管與半導體激光器發光原理的區別。

　答:發光二極管(LED)就是以自發發射的形式發射光子。LD 就是受激輻射過程發射光子。

　2、環境溫度的改變對發光二極管 P-I 特性曲線有何影響？ 答:一般的發光二極管的 P-I 曲線隨著溫度的升高而降低。但就是不同材料的發光二極管其下降程度不一樣。

　3、發光二極管 P-I 特性曲線就是否嚴格線性？為什么？ 答:否。當發光二極管工作于大信號狀態(一般 80mA)之后,P-I 曲線會發生彎曲。

　實驗 二十七 波分復用技術實驗

　一、實驗目的 1、了解光纖接入網中波分復用原理 2、掌握波分復用技術及實現方法 二、實驗內容 1、實現用兩種連接方式組成 1310nm 與 1550nm 光纖通信的波分復用系統 三、實驗儀器 1、ZY1804I 型光纖通信原理實驗系統

　1 臺 2、20MHz 雙蹤數字示波器

　1 臺 3、萬用表

　 1 臺 4、波分復用器

　2 個 5、FC-FC 適配器

　1 個 6、連接導線

　 20 根

　四、實驗原理 隨著人類社會信息時代的到來,對通信的需求呈現加速增長的趨勢。發展迅速的各種新型業務(特別就是高速數據與視頻業務)對通信網的帶寬(或容量)提出了更高的要求。為了適應通信網傳輸容量的不斷增長與滿足網絡交互性、靈活性的要求,產生了各種復用技術。本實驗重點就是光的波分復用 WDM(Wavelength Division Multiplexing)。

　光波分復用技術就是在一根光纖中同時傳輸多個波長光信號的一項技術。WDM 就就是為了充分利用單模光纖低損耗區帶來的巨大帶寬資源,根據每一信道光波的頻率(或波長)不同可以將光纖的低損耗窗口劃分成若干個信道,把光波作為信號的載波,在發送端采用波分復用器(合波器)將不同規定波長的信號光載波合并起來送入一根光纖進行傳輸;在接收端,再由一波分復用器(分波器)將這些不同波長承載不同信號的光載波分開的復用方式。由于不同波長的光載波信號可以瞧作互相獨立的(不考慮光纖非線性時),從而在一根光纖中可實現多路光信號的復用傳輸。波分復用系統原理圖如圖 27-1 所示。

　圖 圖 27-1

　波分復用系統原理圖 Mux／DeMux 就是 WDM 系統使用中不可或缺的兩種元件。也就就是我們常說的復用,解復用器。DWDM 使光導纖維網絡能同時傳送數個波長的信號,而 Mux 則就是負責將數個波長匯集至一起的元件;DeMux 則就是負責將匯集至一起的波長分開的元件。從原理上講,這種器件就是互易的(雙向可逆),即只要將解復用器的輸出端與輸入端反過來使用,就就是復用器。光分插復用器(OADM)就是 WDM 系統中一個重要的應用元件,其作用就是在一個光導纖維傳送網絡中塞入／取出(Add-Drop)多個波長信道;置 OADM 于網絡的結點處,以控制不

　同波長信道的光信號傳至適當的位置。

　光纖通信系統中通常實用的石英光纖有三個低衰減區,即 0、6～0、9um 為第一個低衰減區,通常稱為短波長低衰減區。1、0～1、35um 與 1、45～1、8um 為第二、第三個低衰減區。后兩者稱為長波長低衰減區。

　本實驗利用光纖通信工程應用最廣泛的長波長衰減區中 1310nm 與 1550nm 光纖通信波長進行波分復用,傳輸兩路信號(一路模擬信號,一路數字信號)。實驗原理框圖如圖 38-2。

　波分復用還有另一種連接方式,其實驗框圖如圖 27-2 所示。這種波分復用連接方式中,同一根光纖中光信號的傳輸方向相反,由于光波傳輸的獨立性,兩個方向的光波傳輸不會有干擾。通過實驗可以驗證這一理論。

　五、實驗步驟 1、連接數字信號源模塊與中央控制器的 A1 與 A2,B1 與 B2,C1 與 C2; 連接中央控制器與數字終端模塊的 A3 與 A4,B3 與 B4,C3 與 C4; 連接模擬信號源模塊 2 的 T602 與 T907(13_AIN)。

　連接中央控制器的 D_OUT 與 T901(15_DIN),D_IN 與 T902(15_DOUT)。

　2、將開關 K706 的值撥為“01000000”。將數字信號源撥碼開關 K501,K502 與 K503 的值撥為任意值。將中央控制器的開關 K1 撥為“主”。

　3、將開關 BM901 撥為 1310nm,將開關 K902 撥為“模擬”,將開關 BM902 撥為 1310nm,將開關 K901 撥為“通信。

　4、旋開光發端與光收端 1550 與 1310 保護帽,將 1550 光發端機與波分復用器 A 中標有“1550”光纖接頭連接,將 1310 光發端機與波分復用器 A 中標有“1310”光纖接頭連接。將 1550光接收機與波分復用器B中標有“1550”光纖接頭連接,將1310光接收機與波分復用器B中標有“1310”光纖接頭連接。用 FC-FC 適配器將波分復用器連接起來。

　5、打開交流電源。中央控制器指示燈 NS、FS 亮,表明環路同步。按動開關 KB,使燈LED729 由滅變亮,此時將來自數字信號源的數字信號送出。

　6、用雙蹤示波器的兩個探頭同時測量 T907 與 TP902(13OUT)處的波形,調節電位器W905(模擬驅動調節)與 W909(幅值調節),直到波形相同為止,信號的幅度可以不同。

　7、用示波器測量 T901(15_DIN)與 T902(15_DOUT)的波形,觀察經波分復用與解復用后的信號就是否相同。

　8、觀測數字信號源模塊與數字終端的二極管發光的個數與順序,驗證數據光纖傳輸后的正確性。

　9、根據以上實驗設計兩路數字信號波分復用后光纖傳輸實驗。

　10、實驗完成后,關閉交流電源,拆除各個連線,將所有的開關撥向下,將實驗箱還原。

　六、實驗結果 七、思考題答案 1、說明時分復用與光波分復用的異同點。

　2、如果采用多個波長進行波分復用,對實驗箱與波分復用器有何要求？ 波分復用器 波分復用器 信號甲 圖 圖 27-2

　波分復用系統實驗框圖 信號乙 1310nm 1550nm 信號甲 信號乙 1310nm 1550nm

　實驗三十四 四 波分復用器插入損耗與光串擾測試實驗 一、實驗目的 1、了解波分復用器的工作原理及其結構 2、掌握它們的正確使用方法 3、掌握它們主要特性參數的測試方法 二、實驗內容 1、測量波分復用器的插入損耗 2、測量波分復用器的光串擾 三、實驗儀器 1、ZY1804I 型光纖通信原理實驗系統

　 1 臺 2、FC 接口光功率計

　 1 臺

　3、萬用表

　 1 臺 4、FC-FC 適配器

　1 個 5、波分復用器

　2 個 6、連接導線

　20 根 四、實驗原理 波分復用器/解復用器就是一種與波長有關的耦合器。波分復用器的功能就是把多個不同波長的發射機輸出的光信號組合在一起,輸出到一根光纖;解復用器就是把一根光纖輸出的多個不同波長的光信號,分配給不同的接收機。

　波分復用器就是波分復用系統中的重要組成部分,為了確保波分復用系統的性能,對波分復用器的一般要求就是:插入損耗小、光串擾小、隔離度大、帶內平坦,帶外插入損耗變化陡峭、溫度穩定性好,復用路數多等。本實驗主要用來測試波分復用器的插入損耗與光串擾。

　1 、插入損耗 插入損耗就是指由于增加光波分復用器/解復用器而產生的附加損耗,定義為該無源器件的輸入與輸出端口之間的光功率之比,即

　 10lg ? ?ioPP

　 (34-1) 其中 Pi 就是發送進入輸入端口的光功率;Po 就是從輸出端口接收到的光功率。在具體的測試時,我們先用光功率計測量未加入波分復用器時的光功率 Pi,再測量加入波分復用器后輸出端口的光功率 Po,然后帶入式 34-1 后計算可得出波分復用器的插入損耗。

　2 、光串擾的定義及其測試方法 波分復用器的光串擾(隔離度),為波分復用器輸出端口的光進入非指定輸出端口光能量的大小。其測試原理圖如圖 34-1 所示。

　圖 圖 34-1

　波分復用器光串擾測試原理圖 上圖中波長為 1310nm、1550nm 的光信號經波分復用器復用以后輸出的光功率分別為P 01 、P 02 ,解復用后分別輸出的光信號,此時從 1310 窗口輸出 1310nm 的光功率為 P 11 ,輸出

　1550nm 的光功率為 P 12 ;從 1550 窗口輸出 1550nm 的光功率為 P 22 ,輸出 1310nm 的光功率為P 21 。將各數字代入下列公式:

　 210112lg 10PPL ?

　(34-2)

　120221lg 10PPL ?

　(34-3) 五、實驗步驟 a 、波分復用器插入損耗測 量

　1、用連接線連接中央控制器 M 與 T901(15_DIN)。

　2、旋開 1550nm 光發端機保護帽,利用 FC-FC 單模光跳線將其與光功率計連接起來。并將光功率計的波長設置為 1550nm。

　3、打開交流電源。

　4、讀出此時光功率計的數值,此數值即為激光器的輸出功率 Pi。

　5、拆除 1550nm 光發端機與光功率計的連接,將波分復用器(A)標有“1550nm”的光纖接頭插入 1550nm 光發端機,同時將波分復用器(A)標有“1310nm”的光纖接頭用保護帽遮蓋起來。

　6、將波分復用器光纖輸出接頭與光功率計連接起來。

　7、讀出此時光功率計的數值,此數據即為插入波分復用器后的輸出功率 Po。

　8、將所測得的數值 Pi 與 Po 代入式(34-1)計算所得的結果即為波分復用器的插入損耗。

　b 、波分復用器的光串擾測量

　 9、拆除 a 中光功率計與波分復用器的連接,其余的連線保持不變。同時用 FC-FC 適配器將兩個波分復用器“IN”端相連。

　10、用光功率計測得此時波分復用器(B)標有“1550nm”端光功率為 P 22 ,測得標有 1310nm端光功率為 P 21 。

　11、拆除波分復用器“IN”端 FC-FC 適配器,測得波分復用器(A)標有“IN”端輸出光功率為P 2 。

　12、將所得光功率數據代入公式 34-5 計算波分復用器的光串擾。

　13、根據 34-2(a)測試框圖與上述波分復用器 1550nm 光功率串擾的方法,設計步驟并測試 1310nm 光串擾。(注意 1310nm 光端機驅動電流調節為 17mA 左右)。

　14、將所得光功率數據代入公式 34-4 計算波分復用器的光串擾。

　15、實驗完成后,關閉交流電源,拆除各個連線,將所有的開關撥向下,將實驗箱還原。

　六、實驗結果 波分復用器插入損耗測量

　P i

　228、5uW P o

　228、1uW 波分復用器的光串擾測量

　1330nm 波長 P 1330nm

　1、536uW P 1550nm

　456uW 1550nm 波長 P 1330nm

　2、718uW P 1550nm

　227、9uW 七、思考題答案 1、查閱相關文獻,結合實驗三十三,比較 Y 型分路器與波分復用器內部結構差異。

　答:波分復用器從分光原理來分,可分為棱鏡型、衍射光柵、干涉膜濾光片型三種。棱鏡型的原理就是利用不同波長折射率不一樣來進行復用與解復用。衍射光柵型就是通過透鏡與光柵組成。干涉膜濾光片型又自聚焦棒透鏡與干涉濾光片組成。

　Y 型分路器內部結構也分兩種。一種就是透鏡型,少量采用微型透鏡或者就是半反半透鏡,大部分采用自聚焦透鏡;一種就是光纖成形型,采用三根以上局部加熱熔合而成。

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