关于光强调制型光纤音频信号传输技术实验的教学探讨

关于光强调制型光纤音频信号传输技术实验的教学探讨 关于光强调制型光纤音频信号传输技术实 验的教学探讨 科技信息.高校理科研究 关于光强调制型光纤音频信号传输技术实验的教学搽i习 军事交通学院基础部范海英杨嘉邱成锋 [摘要]光纤音频信号传输技术实验作为一个综合研究性物理实验,对学生的专业基础知识要求较高.文章对非通信专业学生在 进行实验时的常见问进行了梳理,以期对学生学.-j和教师教学提供指导. [关键词]光纤传输音频信号光强调制物理实验 光纤音频信号传输技术实验作为一个综合性实验,涉及光学,通 信,光电子技术等专业基础知识,对学生的要求较高.通过实验,可使学 生初步掌握光纤传输的传输原理,系统组成及特点,关键元器件(光源, 探测器)的原理及应用,对拓宽非通信专业学生的知识面,扩大视野起 到了很好的作用.授课过程中发现学生对诸多知识点的理解存在误区, 为了增强学生的理解能力,提高教学质量,文中配合形象,直观的图解, 对常见问题进行了梳理. 一 ,基本组成 目前,光纤音频信号传输技术实验广泛采用强度调制加直接检测 (IM—DD)方式,一般由三部分组成:光信号发送器,传输光纤,光信号接 收器.光信号发送器的功能是将待传输的电信号经电光转换器件转换 为光信号,一般采用发光二极管(LED)或半导体激光二极管(LD).发光 二极管的输出光功率较小,价格便宜,比较适宜于短距离,低速,模拟信 号的传输;激光二极管输出功率大,信号调制速率高,但价格较高,适宜 于远距离,高速,数字信号的传输,实验室一般采用发光二极管作光源. 光纤的功能是将光信号以尽可能小的衰减和失真传送到光信号接收 器,目前光纤一般采用在近红外波段(O.841.zm,1.31Ixm,1.55txm)有良好 透过率的多模或单模石英光纤.光信号接收器的功能是将光信号经光 检测器还原为相应的电信号,光检测器一般采用半导体光电二极管或 雪崩光电二极管.组成光纤传输系统的光源的发光波长必须与传输光 纤呈现低损耗窗口的波段,光电检测器件的峰值响应波段相匹配. 二,光纤的"超宽频带"有多宽 电缆通信和微波通信的载波是电波,光纤通信的载波是光波.虽然 光波和电波都是电磁波,但频率差别很大.光纤通信用的近红外光(波长 约lIxm)的频率(约3x10"Hz)比微波(波长为0.1m,lmm)的频率(3xl09 — 3x10"Hz)高3个数量级以上.即使在常用的1-31p,m和1.551zm两个 波长窗口,频带宽度也在2~10"Hz以上.从理论上讲,一根仅有头发丝 粗细的光纤可以同时传输100亿个话路.尽管目前远远未达到如此高 的传输容量,但用一根光纤同时传输50万个话路的实验已经取得成 功,它比传统明线,同轴电缆,微波等要高出几十乃至上千倍以上.一根 光纤的传输容量如此巨大,而一根光缆中可以包括几十根甚至上千根 光纤,如果再加上波分复用技术把一根光纤当作几根,几十根光纤使 用,其传输容量之大就更加惊人了. 三,音频信号如何搭上光波这班车 厂\/^\/^\, (a)正弦信号 (b)光波- 图l正弦信号传输示意图 图l为正弦信号加载在光波上进行传输的示意图.(a)为待传输的 正弦信号,(b)为光源在某一直流偏置电流下发出的光波,偏置电流一 定,光源的发光强度即恒定,(c)为经过正弦信号调制以后的光波,正弦 信号使光源的偏置电流呈现正弦变化,此时的偏置电流是直流偏置电 流和触发正弦信号的交流电流之和,从而导致光源的发光强度也按正 弦变化. 对于声音信号,传输系统首先将触发声音的电信号在系统的发送 端转变成光信号,其发光强度按声音的电信号频率和振幅发生变化,被 调制的光波经过光纤传输到接收端.然后,光探测器将接收到的光信号 还原成声音的电信号,从而驱动扬声器发出声音. 四,光强调制的概念 光发送器把电信号转换为光信号的过程简称为电/光或E/O转 换,是通过电信号对光的调制而实现的.目前有直接调制和间接调制 (或称外调制)两种.直接调制是用电信号直接调制半导体发光二 极管或半导体激光二极管的驱动电流,使输出光强随电信号变化而实 现的.这种方案技术简单,成本较低,容易实现,但调制速率受激光器的 频率特性所限制.外调制是把激光的产生和调制分开,用独立的调制器 调制激光器的输出光而实现的.目前有多种调制器可供选择,最常用的 是电光调制器.外调制的优点是调制速率高,缺点是技术复杂,成本较 高,因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用. 对于光参数的调制,原理上可以是光强(功率),幅度,频率或相位 调制,但实际上目前大多数光纤传输系统都采用直接光强调制,对于基 础物理实验更是如此.因为幅度,频率或相位调制,需要幅度和频率非 常稳定,相位和偏振方向可以控制,谱线宽度很窄的单模激光源,并采 用外调制方案,所以这些调制方式只有在新技术系统中使用. 五,如何判断传输信号出现失真 直 光功翠Pl 图2发光二极管的电光特性及信号调制输出 信号传输的目标就是尽可能地保证输入信号和输出信号一致,减 少失真畸变的发生.当发光二极管的偏置电流设置在其I-P曲线的线 性段时,要保证信号无失真的传输,发光二极管的直流偏置电流和正弦 信号之和也必须位于其I—P曲线的线性段,如图2所示.此时用直流电 流表监测发光二极管的输入电流,直流电流表的示数是直流偏置电流 和正弦信号的平均值之和.逐渐加大正弦信号,当直流电流表示数不变 时,表明能够传输的无失真的正弦信号的峰,峰值没有达到最大,直到 直流电流表的示数发生改变.同样道理,从光纤传输系统输出端的直流 电压表的示数上也能监测到传输的正弦信号有无失真. 为了使传输系统的发送端能够产生一个无非线性失真,而峰一峰 值又最大的光信号,使用光电二极管时应先给它一个适当的偏置电流, 其值等于I-P特性曲线线性部分中点对应的电流值,而调制电流的 峰一峰值应尽可能大地处于这一电光特性的线性范围内.对于非线性 失真要求不高的情况下,也可把偏置电流选为光电二极管最大允许工 作电流的一半,这样可使光电二极管获得无截止畸变幅度最大的调制, 有利于信号的远距离传输. 参考文献 [1]吴凤修光纤通信[M].北京:人民邮电出版社,2009