音频信号光纤传输试验
（北京邮电大学，北京市，100876）
摘 要： 随着光纤通信技术的发展，一个以微电子技术、激光技术、计算机技术和现代通信技术为基础的超高速宽带信息网正在改变人们的生活。光纤通信以其诸多优点将成为现代通信的主流，未来信息社会的一项基础技术和主要手段。本文旨在使读者了解光纤通信的基本工作原理，熟悉半导体电光-光电元件的基本性能和主要特性的测试方法。
关键词：光纤通信;光电二极管SPD;信号放大 中图分类号：[TN913.7] 文献标识码：A
Optical fiber transmission of audio signal
(Beijing University of Post&Telecommunication, Beijing, 100876, China)
Abstract：With the development of optical fiber communication technology, a microelectronic technology, laser technology, computer technology and modern communication technology-based ultra-high-speed broadband information network is changing people's lives. Optical fiber communication with its many advantages will become the mainstream of modern communication, the future of the information society and the main means of an underlying technology. This article aims to enable readers to understand the basic working principle of optical fiber communication, familiar with semiconductor electro-optic - Optoelectronics basic properties and main characteristics of the test methods. Keywords: Optical Fiber Communication; Photodiode; Signal amplification
光导纤维是近40年发展起来的一项新兴技术，是现代光信息技术的重要组成部分。光纤的用途多种多样，最重要的便是光纤通信1。光纤通信是1996年由美籍华人高鲲博士根据介质波导理论提出的。发展至今，光纤通信在人们的生活中已经有了不可替代的作用和重要的地位。本文主要涉及音频信号的光纤传输。通过本文读者可以粗略了解音频信号光纤传输系统的结构，熟悉半导体电光、光电器件的基本性能并且掌握其主要特性的测试方法，以及音频信号光纤传输系统的调试技能。
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 ∽信WRS光RLI/VR功 放 [实验目的]
1.了解音频信号光纤传输系统的结构
2.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
3.了解音频信号光纤传输系统的调试技能
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
[实验原理]
1.音频信号光纤传输系统 实验日期：2013.5.30 作者简介：
制放大电路和接收端功放电路的幅频特性。
2.半导体发光二极管工作原理
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。
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 = E1-E2 = Eg
其中h上普朗克常数，υ是光波的频率，E1是有源层内导电电子的能量，E2是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 Eg与DH结构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。 3.调制电路
R2Vcc 光信号发送电路
被传音频信号由以IC1为主要元件构成的音频放大电路放大后经电容器 藕合到BG1基极，对LED的工作电流进行调制，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。
对于高频信号，电容可看作短路；对于低频信号，电容可看作开路，且电容越大，允许通过的最低频率就越低。只要 选得足够小（只允许高频信号通过）， 选得足够大（较低频率的信号也可通过，但仍有截止频率），则在要求带宽的中频范围内， 的阻抗很大，它所在支路可视为开路，而 的阻抗很小，它可视为短路。
在此情况下，根据运放电路的特性计算出：
放大电路的闭环增益为
光信号接收电路
响应度：描述光电检测器光电转换能力的一种物理
量。定义为：
其中：I为光电检测器的平均输出电流； P为光电检测器的平均输入功率。
光信号的接收主要是利用 硅光电二极管 (SPD)把传输光纤出射端输出的光信号的光功率转变为与之成正比的光电流I0 ，然后经I / V 转换电路再把光电流转换成电压V0输出 。 V0和I0之间有以下关系：
以IC3 为主要元件构成的是一个集成音频功放电路，只要调节外接的电位器Wnf，就可改变功放电路的电压增益，功放电路中电容Cnf的大小决定着该电路的下限截止频率。
[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。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
V0，它与光电流成正比。整个测试电路的工作原理依据如下：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
f并在
其上产生电压降Vcb= RfI。另外，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
V0=I Rf
已知Rf后，就可根据上式由V0计算出相应的光电流I。
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Rf值和SPD的响应度R值，便可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Imin值，并由LED电光特性的曲线确定出0-2 Imin对应的光变化量ΔPmin，则接收器允许的最小光信号的峰-峰值，不会大于ΔPmin，故ΔPmin可以作为实验系统接收器允许的最小光信号幅值。 [实验数据处理]
1.LED传输光纤组件电光特性 I偏（mA） 0 4 8 12 16 20 P（uW） 0.4 1.6 4.6 7.5 10.2 13.1
2.硅光电二极管特性及响应度
光功率0.4 1.6 4.6 7.5 10.2 13.1 P（uw） Io(uA) -0.02 0.29 1.01 1.76 2.5 3.19
3.LED偏置电流与最大调制幅度
I偏4 8 12 16 20 （mA） 最大调22.5 37.0 42.1 43.9 45.1 制幅度 Io过大，输出信号会出现上部畸变饱和失真；I偏过小则会出现下部畸变 4.幅频特性
f(Khz) 0.1 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Vi(mv) 30 30 31.6 32.1 32.2 32 32 32.2 接904 917 944 968 969 968 968 953 Vo(mv) 发Vo(mV) 100 100 100.5 102 103 102.5 103 101 f(Khz) 4 4.5 5 7 9 12 16 20 Vi(mv) 32.1 31.7 31.7 31.7 31.7 31.7 31.7 31.7 接947 930 930 905 865 790 700 655 Vo(mv) 发Vo(mV) 100 98 98 94 85 79 66 57
[实验结论]
实验通过对LED-传输光纤组件的电光特性的测量，得出了在合适的偏置电流下，其具有线性。验证了硅光电二极管可以把传输光纤出射端输出的信号转变成与之成正比的光电流。 [常见问题]
1. LED上的直流偏置电流要小于20mA，否则会烧坏LED；
2. 实验过程中如果出现截止或饱和削波失真，说明调制信号幅度过大，要适当减小调制信号幅度，保证不失真；
3. 当调制幅度过强时，毫安表指示会在原来设定的偏置电流的附近左右摆动，要减小调制信号幅度。
[心得体会及建议]
在学习大学物理实验的过程中，我学会了很多东西。老师认真讲解实验所用到的基础理论知识，并严格按照数据测量、误差分析、数据处理、实验结果分析的步骤要求我们。使得我们练就了一套系
统的、扎实的实验方法的基本功。
实验与知识的结合能更加让我们了解物理知识和现象，使我们对知识的理解更加全面。老师鼓励我们进行创新，让我们开动脑筋，真正的投入到了实验中去，受益良多。
建议及意见：
1.希望学校在平常不上课的时候能够开放实验室，让我们在课余可以多接触实验。
2.多增加合作探讨进行实验的模式，提高大家的积极性，让我们更加开动脑筋，进行创新。
参考文献
[1]蒋达娅(等主编)，大学物理实验教程，北京邮电大学出版社。
[2] 北京邮电大学物理实验中心
http://physlab.sci.bupt.cn/jpjs/szdw.htm
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