音频信号光纤传输技术实验

音频信号光纤传输技术实验 [目的要求] 1. 熟悉半导体电光/光电器件的基本性能及主要特性的测试方法。 2. 了解音频信号光纤传输的结构及选配各主要部件的原则。 3. 学习分析集成运放电路的基本方法。 4. 训练音频信号光纤传输系统的测试技术。 [仪器设备] 1. YOF—B型音频信号光纤传输技术实验仪。 2. 音频信号发生器。 3. 示波器。 4. 数字万用表。 [实验原理] 一( 系统的组成 图(1)示给出了一个音频信号直接光强调制光纤传输系统的结构原理图，它主要包括由LED及其调制、驱动电路组成的光信号发送器、传输光纤和由光电转换、I—V变换及功放电路组成的光信号接收器的三个部分。 E I/V变换 光纤 LED R Rfb 功 放 ? SPD R eW 2信号源 图1 音频信号光纤传输实验系统原理图 1 本实验采用中心波长0.85μm附近的GaAs半导体发光二极管(LED)作光源、峰值响应波长为0.8~0.9μm的硅光二极管(SPD)作光电检测元件。由于光导纤维对光信号具有很宽的频带，故在音频范围内，整个系统的频带宽度主要决定于发送端调制放大电路和接收端功放电路的幅频特性。 二( 光导纤维的结构及传光原理 光纤按其模式性质通常可以分成两大类?单模光纤?多模光纤。无论单模或多模光纤，其结构均由纤芯和包层两部分组成。纤芯的折射率较包层折射率大，对于单模光纤，纤芯直径只有5~10μm，在一定的条件下，只允许一种电磁场形态的光波在纤芯内传播，多模光纤的纤芯直径为50μm或62.5μm，允许多种电磁场形态的光波传播;以上两种光纤的包层直径均为125μm。按其折射率沿光纤截面的径向分布状况又分成阶跃型和渐变型两种光纤，对于阶跃型光纤，在纤芯和包层中折射率均为常数，但纤芯一包层界面处减到某一值后，在包层的范围内折射率保持这一值不变，根据光射线在非均匀介质中的传播理论分析可知:经光源耦合到渐变型光纤中的某些光射线，在纤芯内是沿周期性地弯向光纤轴线的曲线传播。 本实验采用阶跃型多模光纤作为信道，现应用几何光学理论进一步说明这种光纤的传光原理。阶跃型多模光纤结构如图所示，它由纤芯和包层两部 nnnn分组成，芯子的半径为a，折射率为，包层的外径为b，折射率为,且>。 1122 图2 阶型多模光纤的结构示意图 当一光束投射到光纤端面时，进入光纤内部的光射线在光纤入射端面处的入射面包含光纤轴线的称为子午射线，这类射线在光纤内部了行径，是一条与光纤轴线相交、呈“Z”字型前进的平面折线;若藉合到光纤内部的光射线在光纤入射端面处的入射面不包含光纤轴线，称为偏射线，偏射线在光纤内部不与光纤轴线相交;其行径是一条空间折线。 三( 半导体发光二极管结构、工作原理、特性及驱动、调制电路 光纤通讯系统中，对光源器件在发光波长、电光效率、工作寿命、光谱宽度和调制性能等许多方面均有特殊要求。所以不是随便哪种光源器件都能胜任光纤通讯任务，目前在以上各个方面都能较好满足要求的光源器件主要有半导体发光二极管(LED)、半导体激光二极管(LD)，本实验采用LED作光源器件。 2 图3 半导体发光二极管及工作原理 光纤传输系统中常用的半导体发光二极管是一个如图所示的N-P-P三层结构的半导体器件，中间层通常是由GaAs(砷化镓)p型半导体材料组成，称有源层，其带隙宽度较窄，两侧分别由GaAlAs的N型和P型半导体材料组成，与有源层相比，它们都具有较宽的带隙。具有不同带隙宽度的两种半导体单晶之间的结构称为异结。在图(4)中，有源层与左侧的N层之间形成的是p-N异质结，而与右侧P层之间形成的是p-P异质结，故这种结构又称N-p-P双异质结构。当给这种结构加上正向偏压时，就能使N层向有源层注入导电电子，这些导电电子一旦进入有源层后，因受到右边p-P异质结的阻挡作用不能再进入右侧的P层，它们只能被限制在有源层与空穴复合，导电电子在有源层与空穴复合的过程中，其中有不少电子要释放出能量满足以下关系的光子: hυ = E-E = E g21 其中h上普朗克常数，υ是光波的频率，E是有源层内导电电子的能量，E是21 导电电子与空穴复合处于价健束缚状态时的能量。两者的差值 E与DH结构g中各层材料及其组份的选取等多种因素有关，制做LED时只要这些选取和组份的控制适当，就可便得LED发光中心波长与传输光纤低损耗波长一致。 图4 HFRB-1424型LED的正向伏安特性 本实验采用HFBR-1424型半导体发光二极管的正向特性如图5所示与普通的二极管相比，在正向电压大于1V以后，才开始导通，在正常使用情况下，正向压降为1.5V左右。半导体发光二极管输出的光功率与其驱动电流的关系称LED的电光特性。为了使传输系统的发送端能够产生一个无非线性失真、 3 而峰-峰值又最大的光信号，使用LED时应先给它一个适当的偏置电流，其值等于这一特性曲线线性部分中点电流值，而调制电流的峰-峰值应尽可能大地处于这电光特性的线性范围内。 音频信号光纤传输系统发送端LED的驱动和调制电路如图5示，以BG1为主构成的电路是LED的驱动电路，调节这一电路中的W2可使LED的偏置电流在0-50mA的范围内变化。被传音频信号由IC1为主构成的音频放大电路放大后经电容器C4耦合到基极，对LED原工作电流进行调制，从而使LED发送出光强随音频信号变化的光信号，并经光导纤维把这一信号传至接收端。 R C23 光纤 LED R bR 3 mA C IC1 C41 BG1 w1 C2 ? R R W 142R e 图5 LED的驱动和调制电路 根据理想运放电路开环电压增益大(可近似为无限大)、同相和反相输入阻抗大(也可近似为无限大)和虚地等三个基本性质，可以推导出图6所示音频广大闭环增益为: G(jω) = v/v = 1+Z/Z 0211 其中Z、Z分别为放大器反馈阻抗和反相输入端的接地阻抗，只要C选得足231 够小，C选得足够大，则在要求带宽的中频范围内，C 阻抗很大，它所在23 支路可视为开路，而C的阻抗很小，它可视为短路。在此情况下，放大电路2 的闭环增益G(jω)=1+ R/R。C 的大小决定了高频端的截止频率f,而2321 C的值决定着低频端的截止频率f。故该电路中的R、 R、R和C、C是2232311 决定音频放大电路增益和带宽的几个重要参数。 四( 半导体光电二极管的结构、工作原理及特性 半导体光电二极管与普通的半导体二极管一样，都具有一个p-n结，但光电二极管在外形结构方面有它自身的特点，这主要表现在光电二极管的管壳上有一个能让光射入其光敏区的窗口，此外，与普通二极管不周，它经常工作在反向偏置电压状态(如图6a所示)或无偏压状态(如图6b所示)。在反偏电压下，p-n结的空间电荷区的垫垒增高、宽度加大、结电阻减小,所有这些均有利于提高光电二极管的高频响应性能。 4 图6 光电二极管的结构及工作方式 无光照时，反向偏置的p-n结只有很小的反向漏电流，称为暗电流。当有光子能量大于p-n结半导体材料的带隙宽度E的光波照射到光电二极管的g 管芯时，p-n结各区域中的价电子吸收光能后将挣脱价键的束缚而成为自由电子，与此同时也产生一个自由空穴，这些由光照产生的自由电子空穴对统称为光生载流子。在远离空间电荷区(亦称耗尽区)的p区和n区内，电场强度很弱，光生载流子只有扩散运动,它们在向空间电荷区扩散的途中因复合而被消失掉，故不能形成光电流。形成光电流的主要靠空间电荷区的光生载流子，因为在空间电荷区内电场很强，在此强电场作用下，光生自由电子空穴对将以很高的速度分别向n区和p区运动，并很快越过这些区域到达电极沿外电路闭合形成光电流，光电流的方向是从二极管的负极流向它的正极，并且在无偏压短路的情况下与入射的光功率成正比，因此在光电二极管的p-n结中，增加空间电荷区的宽度对提高光电转换效率有着密切的关系。为此目的，若在p-n结的p区和n区之间再加一层杂质浓度很低以致可近似为本征半导体的I层，就形成了具有p-i-n三层结构的半导体光电二极管，简称PIN光电二极管，PIN光电二极管的p-n结除具有较宽的空间电荷区外，还具有很大的结电阻和很小的结电容，这些特点使PIN管在光电转换效率和高频响应方面与普通光电二极管相比均得到了很大改善。 光电二极管的伏-安特性可用下式表示: I = I [1 - exp(qv/kt)] + I (6) 0L 其中I是无照的反向饱和电流，V是二极管的端电压(正向电压为正，反向0 电压为负)，q为电子电荷，k为波耳兹曼常数，T是结温，单位为K，I是L无偏压状态下光照时的短路电流，它与光照时的光功率成正比。(6)式中的I 和I均是反向电流，即从光电二极管负极流向正极的电流。根据(6)式，0L 光电二极管的伏安特性曲线如图(8)所示，对应7a所示的反偏工作状态，光电二极管的工作点由负载线与第三象限的伏安特性曲线交点确定，由图(8)所示可以看出: 1. 光电二极管既使在无偏压的工作状态下，也有反向电流流过，这与普通二极管只具有单向导电性相比有本质的差别，认识和熟悉光电二极管的这一特点对于在光电转换技术中正确使用光电器件具有十分重要意义。 5 2. 反向偏压工作状态下，在外加电压E和负载电阻R的很大变化范围L内，光电流与入照的光功率均具有很好的线性关系，无偏压工作状态下，只有R较小时，光电流才与照光功率成正比，R增大时，光电流与光功率呈非LL 线性关系。无偏压状态下，短路电流与入照光功率的关系称为光电二极管的光电特性，这一特性在I-P坐标中的斜率 R=ΔI/ΔP(μA/μW) 定义为光电二极管的响应度，这是宏观上表征光电二极管光电转换效率的一个重要参数。 图7 光电二极管的伏安特性曲线及工作点的确定 3. 在光电二极管处于开路状态情况下，光照时产生的光生载流子不能形成闭合光电流，它们只能在p-n结空间电荷区的内电场作用下，分别堆积在p-n结空间电荷区两侧的n层和p层内，产生外电场，此时光电二极管表现出具有一定的开路电压。不周光照情况下的开路电压就是伏安特性曲线与横坐标交点所对应的电压值。由图(7)可见，光电二极管开路电压与入照光功率也是呈非线性关系。 4. 反向偏压状态下的光电二极管，由于在很大的动态范围内其光电流与偏压的负载电阻几乎无关，故在入照光功率一定时可视为一个恒流源;而在无偏压工作状态下光电二极管的光电流随负载变化很大，此时它不具有恒流源性质，只起光电池作用。 光电二极管的响应度R值与入照光波的波塔有关。本实验中采用的硅光二极管，其光谱响应波长在0.4μm-1.1μm之间、峰值响应波长在0.8μm-0.9μm范围内。在峰值响应波长下，响应度R的典型值在0.25-0.5μA/μW的范围内。 [实验内容] 一( LED-传输光纤组件电光特性的测定 测量前首先将两端带电流插头的电缆一头插入光纤绕线盘上的电流插孔，另一端插入发送器前面板上的“LED”插孔，并将光电探头插入光纤绕线盘上引出传输光纤输出端的同轴插孔中，SPD的同条出线接至仪器前面板光功率批示器的相应插孔内，在以后实验过程中注意保持光电探头的这一位置。 6 测量时调节W2使毫安表指示从零开始(此时光功率计的读数为零，若不为零记下读数，并在以后的以此为零点扣除)，逐渐增加LED的驱动电流，每增加4mA读取一次光功率计示值，直到48mA为止。根据测量结晶描绘LED-传输光纤组件的电光特性曲线，并确定出其线性度较好的线段。 二( 光电二极管反向伏安特性曲线的测定 测定光电二极管反向伏安特性的电路如图(8)所示。其中LED是发光中心波长与被测光电二极管的峰值响应波长很接近的GaAs半导体发光二极管，在这里它作光源使用，其光功率由光导纷纷输出。由IC1为主构成的电路是一个电流-电压变换电路，它的作用是把流过光电二极管的光电流I转换成由IC1输出端C点的输出电压V，它与光电流成正比。整个测试电路的工0 作原理依据如下:由于IC1的反相输入端具有很大的输入阻抗，光电二极管受光照时产生的光电流几乎全部渡过R并在其上产生电压降V= RI。另ffcb外，又因IC1具有很高的开环电压增益，反相输入端具有与同相输入端相同的地电位，故IC1的输出电压 V=I R f0 已知R后，就可根据上式由V计算出相应的光电流I。 f0 Rf R c w 1mA 光纤 m m V BG1 0SPD mIC1 mR v b m m -12V GND 图8 光电二极管反向伏安特性的测定 在图(8)中，为了使被测光电二极管能工作在不同的反向偏压状态下，设置了由W组成的分压电路。具体测量时首先把SPD的插头接至接收器前1 面板左侧SPD相应的插孔中，然后根据LED的电光特征曲线在LED工作电流从0-48mA的变化范围内查出输出功率均分的5工作点对应的驱动电流值，为以后论述方便起见，对应这5个电流值分别标以I III和I。 23451 测量LED工作电流为I-I时所对应的5种光照情况下光电二极管的反51 向伏安特性曲线。对于每条曲线，测量时，调节W使被测二极管的反偏电压1 7 逐渐增加，从0V开始，每增加1V用接收器前面板的数字毫伏表测量一次IC1输出电压V值，根据这一电压值由(8)式即可算出相应的光电流I。 0 根据实验数据，在直角坐标纸上描绘出被测光电二极管的以上5条反向伏安特性曲线及光电特性曲线，计算出被测光电二极管对于LED发光中心波塔的响应度R值。 三( LED偏置电流与无非线性畸变最大光讯号幅度关系的测定 由于LED的伏安特性及电光特性曲线均存在着非线性区域，所以在图(6)所示的驱动和调制电路中，对于LED工作电流的不同偏置状态，能够获得的无非线性畸变的最大光信号(即LED-传输光纤组件输出光功率的交变部分)的幅值(或峰-峰值)也是具有不同值，在设计音频信号光纤传输系统时，应把LED的偏置电流选定在其电-光特性曲线线性范围最宽的线段中点电流值。在对音频信号光纤传输进行调试时，可通过实验的方法，测定LED偏置电流与无非线性畸变最大光信号幅度的关系，然后在LED允许的最大工作电流范围内，选择一个最佳偏置状态。 实验方法的具体操作如下:用音频信号发生器作信号源(频率为1kHZ左右)，SPD接到接收器前面板上的相应插孔并把示波器的输入电缆和接收器前面板的数字mv表接至接收器I-V变换电路的输出端，在LED偏置电流为5mA、10mA、15mA、20mA和25mA的各种情况下，从零开始，逐渐增加调制信号源的输出幅度，直到接至I-V变换电路输出端的直流mV表的读数有明显变化为止，记录下示波器上显示的I-V变换电路输出电压交变成份的峰-峰值(mV)，然后根据I-V变换电路中的R值和SPD的响应度R值，便可f 算出以上不同偏置下最大光信号的峰-峰值(μW)。 四( 接收器允许的最小信号幅值的测定 把发送器的调制输入插孔接入收音机信号，接收器功放输出端接入小音箱，在保持实验系统以上连接不变的情况下，首先把LED的偏置电流调为5mA,然后从零开始逐渐加大收音机的输出幅度，直到mV表批示有变化为止，考察接收器上的音响效果是否能清晰辨别出所接收的音频信号，若能，继续减小LED的偏置电流重复以上实验，直至不能清晰辨别出接收信号为止，记下在这一状态之前对应的LED的偏置电流I值，并由LED电光特性的曲线确min 定出0-2 I对应的光变化量ΔP，则接收器允许的最小光信号的峰-峰值，minmin 不会大于ΔP，故ΔP可以作为实验系统接收器允许的最小光信号幅值。 minmin 五( 语言信号的传输 实验整个音频信号光纤传输系统的音响效果。实验时把示波器和数字毫伏表接至接收器I-V变换电路的输出端，适当调节发送器的LED偏置电流和调制输入信号幅度，使传输系统达到无非线性失真、光信号幅度为最大的最佳听觉效果。 [思考题] 1. 利用SPD、I-V变换电路和数字毫伏表，设计一光功率计。 8 2. 如何利用测定图(9)示SPD第四象限的正向伏安特性曲线, 3. 在LED偏置电流一定情况下，当调制信号幅度较小时，批示LED偏置电 流的毫安表读数与调制信号幅度无关，当调制信号幅度增加到某一程度 后，毫安表读数将随着调制信号的幅度而变化，为什么, 4. 若传输光纤对于本实验所采用LED的中心波长的损耗系数α?1dB/Km， 根据实验数据估算，本实验系统的传输距离还能延伸多远, * 光纤损耗系数α的定义为:α=10lg(P/P)/L (dB/Km) inout 其中:P-光纤输入功率 P-光纤输出功率 L-光纤长度inout 9 10