光纤通信技术实验报告要点Word文件下载.docx
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从图4中可以看出LD的P-I曲线起始部分增益很小,达到一定条件增益变大,我们称这个出现竟增益的条件为阈值条件,也即阈值电流Ith,输入电流I>
Ith部分,P-I曲线才近似成线性关系,P增大的速率即曲线的斜率,称为斜率效率,此时LD发光是由受激辐射产生的激光。
而在I<
Ith部分,LD输出的光功率较小,此时主要是自发辐射为主。
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(测试方法见实验二)大,而且不易产生光信号失真。
并且要求P-I曲线的斜率适当。
斜率太小,则要求驱动信号太大,给驱动电路带来麻烦;
斜率太大,则会出现光反射噪声及使自动光功率控制环路调整困难。
本实验所采用的实验板,如光发射模块电路图所示,LD的激励电流I由两部分组成,一部分是由可调电位器WBIAS控制的直流偏置电流Ibias;
另一部分,是由输入端接入经过可调电位器WMOD的调制电流Imod。
两部分电流相加注入激光器。
如图1-5所示,激光器与电阻RU106串联,电阻两端分别有T104和T106两个测试点,用来测量电阻两端电压,进而计算得到注入激光器的电流值。
测试点T105与激光二极管的阴极相连,T104与激光二极管的阳极相连,这两点间电压为激光器的偏置电压。
我们实验采用的激光管型号FT-F54F3SS4激光管,阈值电流10mA左右。
图1-5LD部分电路截图
图1-6表示的是Imod和Ibias对输出光功率的影响,编码模块提供的Imod调制信号相同的前提下,当Ibias<
Ith时,激光器增益很小,所以输出的光功率幅值会比较小;
当Ibias>
Ith时,此时激光器工作在线性状态,输出的光功率幅值会较大,我们可以把光信号接到光接收模块,将光信号转化为电信号,通过示波器观察波形变化。
图1-6Ibias和Imod对输出光功率的影响
编码模块的编码开关S301控制编码模块输出不同的波形,拨盘开关控制功能介绍如下:
图1-7拨盘开关示意图
我们主要用到编码模块拨盘开关的第1、2、6、7、8位,其中2号位控制时钟信号频率,拨到上侧代表“0”,此时时钟输出2MHz的时钟信号,拨到下侧代表“1”,此时输出4MHz的时钟信号。
对于编码模块拨盘开关S301:
第1位使能开关,为1时,拨盘开关正常工作。
第2位为时钟选择开关:
置“0”,此时SMA302输出2.048MHz时钟信号,用于配合SMA301读PN码数据,上升沿触发(低电平读数)。
置“1”,SMA302输出4.096MHz时钟信号,用于配合SMA301读CMI码数据,上升沿触发(低电平读数)。
第6、7、8位依次为:
000方波输出档SMA301输出为1MHz,Vp-p=5V的方波(2MHz二元码数据)。
001PN码输出档SMA301输出16位的PN码(伪随机码)。
010CMI译码输出档SMA301输出为由001状态下的PN码变换成的CMI
码。
01116位手动CMI码输出档SMA301输出由拨盘开关(S303和S302)编
制的16位CMI码。
1008位手动码输出档SMA301输出拨盘开关S302编制的8位手动码。
1018位手动码转化成CMI码输出档将100模式下的8位码转化为CMI
码通过SMA301输出。
110高电平档SMA301输出高电平。
111低电平档SMA301输出低电平。
四、实验步骤
1、LD的P-I曲线和V-I曲线的测量:
本实验中,LD的注入电流包括两部分:
调制电流和偏置电流,偏置电流的作用是让LD工作在合适的直流偏置点;
调制电流的作用是让LD的输出光信号携带调制信息。
我们进行P-I-V曲线测试时,不需要加载信息,所以我们需要先将调制电流调为0,然后调节偏置电流,并记录不同偏置电流时,LD的输出光功率和偏置电压。
(1)用电缆线连接编码模块SMA301与光发射模块SMA101。
(2)从光发送模块的LD尾纤的连接器中取出保护塑料套,插入光功率计,拧紧光纤外围的螺丝环,打开光功率计,设置光功率计测量波长为1550nm,测出的光功率就是光发送端LD的输出光功率P。
(3)编码模块上电,光发送模块上电,编码模块蓝色拨盘开关S301第1位置1,第6、7、8位拨到111——低电平输出档。
此时SMA301输出低电平,顺时针旋转光发送模块的电位器WMOD到底,使调制电流为0(可以通过测量电阻RU205左侧电压是否为0来判断调制电流是否调为0)。
(4)顺时针旋转电位器WBIAS到底,使得流过LD偏置电流为0。
(5)逆时针缓慢旋转电位器WBIAS,使偏置电阻RU106两端之间电压(红色表笔接T106,黑色表笔接触测试点T104)为表1中Vr所示大小,此时Vr的电压值除以电阻值RU106(100欧姆),即可得到注入激光二极管LD的电流I。
(6)读出此时光功率计上的数值填入表1中P(mw),将光功率计切换到dbm档,读出此时数值填入表1中P(dbm)。
(7)用数字万用表测量红色表笔接T104,黑色表笔接触测试点T105,测得的电压即为激光二极管的偏置电压U,填入表1。
(8)重复步骤(5)、(6)、(7),完成表1,并绘制LD的P-I曲线和V-I曲线。
注:
这里需说明的是这里测得的是P-I和V-I曲线的一段(功率调节范围约4个dB),为了防止烧坏光发送组件,电流I的调节范围有限(电流调节范围约为30mA),但不妨碍整个P-I曲线的测量,因为测试方法是一样的,只是多测几组值而已。
表1
I(mA)
1
2
3
4
5
6
7
8
Vr(V)
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
U(V)
0.754
0.798
0.852
0.848
0.868
0.885
0.903
0.919
P(mW)
0.00003
0.00009
0.0002
0.0003
0.0004
0.0005
0.0008
0.0016
P(dBm)
-46.58
-41.31
-38.76
-36.79
-35.07
-33.44
-31.56
-28.20
9
10
11
12
13
14
15
16
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
0.933
0.946
0.957
0.969
0.983
0.993
1.005
1.016
0.0078
0.0654
0.126
0.185
0.25
0.31
0.354
0.411
-21.55
-12.64
-9.68
-8.03
-6.74
-5.93
-5.22
-4.57
17
18
19
20
1.7
1.8
1.9
2.0
1.029
1.041
1.052
1.06
0.472
0.527
0.579
0.632
-3.97
-3.50
-3.09
-2.7
2、观察偏置电流为零的条件下,改变调制电流对输出光信号的影响:
(1)用电缆线连接编码模块SMA301与光发送模块SMA101,取下法兰盘上的保护套,将光发送模块LD尾纤的连接器接入法兰盘的一端,法兰盘另外一端与光接收模块PD尾纤连接器相连。
光接收模块测试点T201连接到示波器。
(2)给编码模块、光发送模块、光接收模块三个模块上电。
(3)编码模块蓝色拨盘开关S301第1位置1、第6、7、8位拨到111——低电平输出档,此时SM
(4)A301输出低电平,顺时针旋转电位器WMOD到底,使调制电流为0。
(5)顺时针旋转电位器WBIAS到底,使偏置电流为0(可通过测量电阻RU204电压值判断是否调0)。
(6)控制编码模块蓝色拨盘开关S301第1位置1,第6、7、8位拨到110——高电平输出档,此时从SMA301输出约为5V的CMOS高电平。
(7)调节光发送模块可变电阻器WMOD,使R106两端T106与T104之间电压值Vr为表2中所示值,计算可得到此时调制电流值Imod=Vr/100。
(8)将编码模块蓝色拨盘开关S301第1位置1,第6、7、8位拨到000位置——方波输出档,此时SMA301输出Vp-p=5V的方波。
调节示波器,观察输出信号波形变化,并记录此Imod条件下Vp-p的大小。
(9)重复步骤(5)、(6)、(7),改变Imod的大小,测试不同Imod情况下,波形Vp-p的大小,完成表2。
表2
2.000
1.800
1.600
1.400
1.200
Imod(mA)
Vp-p(V)
1.12
0.84
0.56
1.000
0.800
0.600
0.400
0.200
0.04
0.03
设置调制电流过程中我们首先采用5.0V高电平,调节电位器WMOD,使输出LD调制电流为Imod。
之后我们输入Vp-p=5.0V,占空比50%的方波作为调制电流,实际上此时用电压表测的的流入LD的调制电流平均大小应是Imod/2。
此实验主要用于观察输出波形变化,所以为方便起见,我们表2中采用的是5.0V高电平时的调制电流Imod。
3、观察调制电流一定的条件下,改变偏置电流对输出光信号的影响:
(1)保持上个实验线路的连接。
(2)编码模块蓝色拨盘开关S301第1位置1,第6、7、8位拨到111——低电平输出档。
此时SMA301输出调制电流为低电平,调节WMOD,使调制电流为0。
(3)顺时针旋转WBIAS到底使偏置电流为0。
(4)编码模块蓝色拨盘开关S301第1位置1,第6、7、8位拨到110——高电平输出档。
用数字万用表电压档检测T106与T104之间电压值,同时逆时针调节WMOD,使万用表读数为0.500V(此时调制电流调节为5mA)。
(5)编码模块蓝色拨盘开关S301第1位置1,第6、7、8位拨到111——低电平输出档,检测T106与T104之间电压值,同时逆时针调节WBIAS,使万用表读数为表3中Vr的值,此时相应的Ibias=Vr/100。
(6)编码模块蓝色拨盘开关S301第1位置1,第6、7、8位拨到000位置——方波输出档,调节示波器至显示清晰波形,观察示波器中波形,并记录Vp-p。
(7)重复步骤(5)、(6)完成表3。
表3
Ibias(mA)
Vp-p(mV)
470
450
430
400
360
300
220
120
5、实验报告要求
1、画出LD的P-I特性曲线和V-I特性曲线。
根据所画出的P-I特性曲线,参照图1-4找出半导体激光器阈值电流Ith的大小,求出半导体激光器的斜率效率。
有P-I特性曲线图可知,半导体激光器阈值电流Ith=9Ma,
斜率K=0.63-0.08/20-10=0.057
2、观察偏置电流为零时,不同调制电流对输出光波形的影响。
如图,
存在7V的阈值电流,开启后呈线性关系
3、观察调制电流为零时,改变偏置电流对输出光波形的影响。
开始是上升比较快,最后缓慢。
6、思考题
1、为什么激光二极管的特性曲线与LED不同。
答:
激光二极管的工作原理与LED的原理不同,激光二极管存在损耗和增益,当增益大于消耗是就会形成线性关系,增加的速度比较快。
而LED的发光与半导体电流关系类似。
2、LD的偏置电流的作用是什么?
费米能级间隔在PN结正向偏置下超过带隙实现粒子数反转,电流越大增益就越大,要形成激光需要一定的偏置电流,当输入电流I>
Ith部分,P-I曲线才近似成线性关系,LD发光是由受激辐射产生的激光。
所以偏置电流就是可以使LD工作在产生激光的线性曲线的合适电流。
3、如何确定激光二极管的工作点?
答:
通过输入不同的电流值,测出相应的P—I曲线,通过图表可以参考相应的工作点。
或者给LD一定有小到大的电流,在加入不同的电流,查看是否实行线性放大,即可判断。
实验二平均发送光功率以及消光比测试
掌握平均光功率的测试方法以及光功率的表示方法,理解不同编码方式对平均光功率的影响,掌握激光二极管的工作点与消光比、平均发送光功率的关系。
了解消光比定义,掌握消光比的测试方法,掌握调整消光比的方法。
1、光纤通信实验箱
2、20M双踪示波器一台
3、光功率计一个
4、数字万用表一个
5、光纤跳线若干
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(PN码),发送端输出的光功率的值。
平均发送光功率指标与实际的光纤线路有关,在长距离光纤数字通信系统中,要求有较大的平均发送光功率;
在短距离的光纤数字通信系统中,要求较小的平均发送光功率。
设计人员应根据整个光纤通信系统的经济性、稳定性和可维护性全面考虑该指标,提出合适的数值要求,而不是越大越好。
图2-1模拟光发送调制度测试框图
平均发送光功率测试框图如图2-1所示。
在实验板编码模块,有两组拨盘开关,蓝色8位拨盘开关S301可以控制输出不同的编码(实验一有详细介绍);
红色16位拨盘开关(S302和S303)提供16位可控编码位,可以根据自己需要获得不同的编码。
编码后的波形通过光纤传给光发送模块(实验一用到的模块),将电信号转化为光信号,这样我们就可以通过光功率计读出不同编码,在不同Ibias和Imod情况下,输出光功率的变化,进而计算他们的平均光功率和消光比。
消光比的测试如图2-1,首先将光发送端机的输入信号断掉(即不给光发射模块送电信号),测出的光功率即为P00,即对应的输入数字信号为全“0”时的光功率。
测量P11时,编码模块通过控制拨盘开关送入伪随机码。
因为伪随机码的“0”码和“1”码等概率,所以,全“1”码时的光功率应是伪随机码时平均光功率P的两倍,即P11=2P,则消光比为:
(2-1)
测试结果可按上式计算。
某些资料中,消光比还使用以下的一种表示公式:
(2-2)
当P00=0.1P11时,EXT=10dB。
本实验提供PN码和CMI两种码用于测试,在测量平均光功率时需要说明两点:
⑴有的功率计可直接读dBm,若只能读mW(毫瓦)或μW(微瓦)应换算成dBm,
⑵光源的平均输出光功率与注入它的电流大小有关,测试应在正常工作的注入电流条件下进行。
首先我们需要调节调制电流Imod和偏置电流Ibias,分别把调制电流和偏置电流调为表5的数值,然后分别观察PN码和CMI码输入的情况下,激光的平均输出功率,最后进行消光比测试,消光比测试结束后再调整调制电流Imod和偏置电流Ibias,进行下一组的测量。
其具体步骤如下:
1、调制电流Imod与偏置电流Ibias的设置
(1)将编码模块SMA301与光发射模块SMA101连接,并给两模块上电。
(2)顺时针旋转光发送模块电位器WBIAS到底,此时偏置电流被置为零。
(3)将编码模块拨盘开关S301第1位拨到1,第6、7、8位拨到110——高电平输出档,此时SMA301输出一个约为5.0V的CMOS高电平信号。
(4)数字万用表拨到直流电压档,红表笔接光发射模块测试点T106,黑表笔接T104,实时监测电阻RU106=100欧姆两端电压。
(此电阻与激光器LD串联,流过电阻的电流即为注入激光器电流)。
(5)调节电位器WMOD,使数字万用表读数为表4中调制电流Imod*100mV=1V。
(6)编码模块拨盘开关S301第1位置1,第6、7、8位拨到111——低电平输出档。
(此时SMA301输出低电平,这样调制电流就被置零,接下来调节偏置电流)。
(7)调节电位器WBIAS,使数字万用表电压读数为表4中偏置电流Ibias*100mV。
此时偏置电流也调节完毕,接下来分别测试PN码与CMI码在此调制电流和偏置电流状态下的平均输出光功率。
2、平均输出光功率测试
(8)从光发送模块的LD尾纤的连接器中取出保护塑料套,接入光功率计,此时从光功率计读出的功率就是光端机的LD的输出光功率P。
(9)编码模块拨盘开关S301第1位置1,第6、7、8位拨到位置001——PN码输出档。
读出此时平均输出光功率PPN,填入表4。
(10)编码模块拨盘开关S301第1位置1,第6、7、8位拨到位置010——CMI码输出档,用4.096MHz的CMI码驱动LD驱动器。
读出此时平均输出光功率PCMI,填入表4。
测试完一组Ibias和Imod对应的PPN和PCMI,先不着急改变电流,继续进行消光比的测试。
表4
PPN(dBm)
-10.16
-8.98
-8.07
-7.28
-6.68
-6.06
-5.56
-5.08
PCMI(dBm)
-10.24
-9.12
-8.25
-7.48
-6.88
-6.27
-5.74
-5.25
-4.61
-4.01
-3.43
-2.95
-2.48
-2.08
-1.72
-1.37
-4.74
-4.15
-3.57
-2.61
-2.21
-1.84
-1.49
3、消光比测试
(11)编码模块拨盘开关S301第1位置1,第6、7、8位拨到111位置——低电平输出档,此时SMA301输出低电平(此时驱动电路输出“0”码),记录光功率计读数P00。
填入表5。
(12)编码模块拨盘开关S301第1位置1,第6、7、8位拨到位置001——PN码输出档,此时光光功率计读数为PPN,将PPN*2就得到P11。
(13)按照式2-1计算小光比EXT。
(14)回到步骤(6),重新设置偏置电流,大小为表5中所示,按步骤进行测量。
表5
P00(dBm)
-45.16
-40.44
-37.98
-36.03
-34.44
-32.69
-30.50
-28.16
P11(dBm)
-20.32
-17.96
-16.14
-14.56
-13.36
-12.12
-11.12
EXT
-3.47
-3.53
-3.72
-3.94
-4.11
-4.31
-4.37
-4.43
-22.23
-11.93
-8.86
-7.27
-6.04
-5.15
-4.42
-3.77
-9.22
-8.02
-6.86
-5.90
-4.96
-4.16
-3.44
-2.74
-3.82
-1.11
-0.91
-0.86
-0.93
-1.09
-1.39
五、实验报告要求
1、分别用dBm和mW表示所测得的2MPN码发送机平均功率。
2、分别用
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