示波器是一种用途广泛的基本电子测量仪器，用它能观察电信号的波形、幅度和频率等电参数。了解示波器的基本结构和工作原理，掌握使用示波器和信号发生器的基本方法。有的示波器还有“辅助聚集”，实际是调节第二阳极电位。输入Y 轴的被测信号与示波器内部的锯齿波电压是相互独立的。为此，示波器内设有触发同步......
2023-11-02
大学物理实验：音频信号光纤通信原理
【摘要】：1976年，美国贝尔实验室研制成功世界上第一条光纤通信系统。了解光纤通信的基本工作原理。光纤通信以光波作为载体，光的频率高达1014Hz。图15-2光纤通信原理3.光信号发生器光信号发生器主要由发光二极管和驱动、调制电路组成。被传输的音频信号经由ICI组成的音频放大电路放大后再经电容器耦合到三极管的基极，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。
光纤通信技术是现代通信技术的主要支柱之一，它具有通信量大、传输质量高、频带宽、保密性能好、抗电磁干扰性强、重量轻、体积小的优点，是理想的现代信息传输和交换工具。
1966年，华裔学者高锟博士依据光的介质波导理论，首次提出光导纤维可以作为光通信的理论。1976年，美国贝尔实验室研制成功世界上第一条光纤通信系统。20世纪80年代，长达8300km横跨太平洋和6300km横跨大西洋的海底光缆线路相继建成并投入使用。现在，以光纤光缆为主体的现代信息网络已遍布世界每个角落。
【实验目的】
（1）了解光纤通信的基本工作原理。
（2）熟悉光纤通信中的光纤、半导体电光管/光电管的工作原理和部分特性。
（3）了解音频信号光纤传输系统的结构及调试技术。
【实验原理】
光纤通信系统的基本工作过程是：将信息（语音、图像、数据等）按一定的方式调制到载运信息的光波上，经光纤传输到远端的接收器，再经解调将信息还原并输出。
1.光纤简介
光纤是光导纤维的简称，常用光纤是由各种导光材料做成的纤维丝。其结构分两层：内层为纤芯，直径为几微米到几十微米；外层称包层，其材料的折射率n2 小于纤芯材料的折射率n1。包层外面常有塑料护套保护光纤。由于n2＜n1，只要入射于光纤头上的光满足一定角度要求，就能在光纤的纤芯和包层的界面上产生全反射，通过连续不断的全反射，光波就可从光纤的一端传输到另一端，如图15-1所示。光纤的主要参数有数值孔径和衰减等。数值孔径是反映光纤接收入射光能力的一个参数，数值孔径越大，接收光的能力就越强。衰减是反映光在传播过程中能量损耗程度的参数，用每公里距离上光能（光功率）的衰减分贝数来表示。光纤通信的优点如下：
图15-1
（1）频带宽，通信容量大。光纤通信以光波作为载体，光的频率高达1014Hz。通常电话音频带宽为4～5kHz，电视视频带宽为8～10MHz，因此从理论上讲，光波可携带上亿路电话，上十万路电视节目，这样大的信息容量是其他方法所不能相比的。
（2）中继距离长。由于技术的进步，光纤损耗已接近理论极限，现在已能做到200余km不要中继站。
（3）线径细，重量轻。一根光纤只相当于一根头发丝粗细，而重量与做成相同容量的电缆相比，只有电缆的几百分之一或更小。
（4）取材容易，价格低廉。光纤主要成分是SiO2，Si是地球上最丰富的元素。
（5）电磁干扰不易进入光纤，所以光纤抗强干扰、耐振动。光纤也耐高压、耐腐蚀。
2.系统组成
图15-2为传输音频信息的光纤通信实验原理图，它主要包括由半导体发光二极管LED及其驱动、调制电路组成的光信号发生器，传输光纤和由硅光电池 （一种半导体光电二极管SPD）、前置电路和功放电路组成的光信号接收器三个部分。由图15-2可见，在光纤传输过程中，将音频信号转变成光信号和将光信号还原为音频信号是整个系统的关键，下面分别介绍。
图15-2 光纤通信原理
3.光信号发生器
光信号发生器主要由发光二极管和驱动、调制电路组成。
（1）半导体发光二极管LED简介。光纤通信系统对光源器件在发光波长、电光功率、工作寿命、光谱宽度和调制性能等许多方面均有特殊要求。目前，在以上各个方面都能较好地满足要求的光源器件主要有半导体发光二极管 （简称LED）和半导体激光器 （简称LD）。本实验用的是红色半导体发光二极管（简称LED）。
半导体发光二极管是将电能转换成光能的转换器，它是一个如图15-3所示的N—P—P三层结构的半导体器件，中间层通常是由直接带隙的GaAs（砷化镓）P型半导体组成，称有源层，其带隙宽度较窄，两侧分别由AlGaAs的N型和P型半导体组成，与有源层相比，它们都有较宽的带隙。具有不同带隙宽度的两种半导体单晶之间的结构称为异质结，在图15-3中，有源层与左侧的N层之间形成的是P—N异质结，而与右侧的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，简称DH结构。当给这种结构加上正向偏压时，就能使电子从N层向有源层运动，这些电子进入有源层后，因受到右边P—P异质结的作用不能再进入右侧的P层，它们只能被限制在有源层内与空穴复合。在电子与空穴复合的过程中，有不少电子要释放出能量满足以下关系的光子
图15-3 LED发光二极管结构示意图
式中 h——普郎克常数；
γ——光波的频率；
E1——有源层内电子的能量；
E2——电子与空穴复合后处于价键束缚状态时的能量。
E1 与E2 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，制作LED时只要这些材料的选取和组份的控制适当，就可使得LED的发光中心波长与传输光纤的低损耗波长一致。
图15-4 光电特性的测定
（2）驱动和调制电路。其作用是选择一个适当的基础电流 （称为偏置电流），在此基础上被传音频信号经放大后加到驱动电流上 （称为调制），使其变为随音频信号变化的电信号，再使其通过发光二极管成为光强随被传音频信号变化的光信号。光纤传输系统发送端LED的驱动和调制电路如图15-4所示。以三极管为主组成的电路是LED的驱动电路，调节图15-2所示电路中的RP2可使LED的偏置电流在0～30mA的范围内变化。被传输的音频信号经由ICI组成的音频放大电路放大后再经电容器耦合到三极管的基极，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。
半导体发光二极管的光是经称为尾纤的光导纤维输出的，光在光纤出口处的光功率与LED驱动电流的关系称LED的电光特性。为了避免和减少非线性失真，使用时偏置电流I一般应取在这一特性曲线线性部分中点，而调制信号的峰—峰值应位于电光特性的直线范围内。对于非线性失真要求不高的情况下，也可将偏置电流选为LED最大允许工作电流的一半，这有利于信号的远距离传输。
4.光信号接收器——半导体光电二极管SPD简介
光电二极管和发光二极管相似，核心也是P—N结，但光电二极管是把光能转为电能的转换器。在光电二极管外壳上有一个能让光照射到光敏区的窗口，光电二极管工作在反向电压下。无光照时，反向偏置的P—N结中只有微弱的反向漏电流——暗电流通过。当有光子能量大于P—N结半导体材料禁带宽度的光波照射时，P—N结各区域中的价电子吸收光子能量后，将挣脱价键的束缚而成为自由电子，同时产生一个空穴，这些由光照产生的自由电子和空穴称为光生载流子。在远离耗尽层的P区和N区中，因电场强度弱，光生载流子只能作扩散运动，在扩散过程中因复合而消失，不可能形成光电流。而耗尽层中由于电场强度大，光生自由电子和空穴将在电场力作用下以很大速度分别向N区和P区运动，并到达电极沿外电路运动，形成光电流，方向由光电二极管的负极到正极。本实验光信号接收部分采用硅光电池作为光电检测元件，实现光信号到电信号的转换，并进行放大。经I—U 转换电路，把光电流转换成电压U0 输出，U0 与I0 之间有以下比例关系
因此，可从电阻上测量输出信号大小或用扬声器输出音频信号。(www.chuimin.cn)
调节发送端LED的驱动电流，从零开始，每增加3mA读取一次接受端I—U 变换电路输出电压，根据已测得的LED—光纤组件的光电特性曲线的I—U 变换电路的反馈电组Rf 的值便可由这些测量数据算出被测硅光电池的光电特性曲线，由这一曲线，就可按下式算出被测量光电池的响应度：
式中 ΔP0——两个测量点对应的入照光功率和差值；
ΔI0——对应的光电流的差值。
响应度表征了硅光电池的光电转换效率，它是一个在光电转换电路的设计工作中需要知道的重要参数。
【实验仪器】
光信号发送器（光信号的调制和驱动，YOF—A型）、光信号接收器 （信号的光电转换及再生，YOF—A型）、传输光纤 （传导光纤、发光二极管LED、光电二极管SPD）、光功率计（测量光纤中光的功率，OPD—B型）、直流数字电压表 （TH—V型）、小录音机、小音箱。
【实验内容】
1.测绘半导体二极管LED的电光特性ID—P0 曲线
测定半导体二极管LED电光特性的线路连接如图15-5所示。
本实验系统中由LED输出的光与传输光纤是直接耦合的，LED的正负极通过光纤绕线盘上的电流插口与发送器的调制驱动电路连接 （即LED装在传输光纤绕线盘内的光入口处）。
（1）用两端为两芯插头的连接线，一端插入光纤绕线盘上的电流插孔，另一端插入发送器前面的LED插孔，然后把光纤的远端与光功率计的光照窗孔连接。
（2）功率计接通电源，选择量程为200μW，并调节零点，示数为1时要转换大量程。把传输光纤的尾纤轻轻插入光功率计的光电探头内，使LED的毫安表读数为某一数值，调整光纤尾纤位置，使光功率计示值最大，保持此位置不动。
（3）调节驱动电路中的 “偏流调节”旋钮RP2，使驱动电流ID 从0～30mA变化 （由毫安表读出），每改变3mA，测读光功率计对应的示值P0。按数据表15-1记录测量数据，根据测量数据用直角坐标纸描绘LED—传输光纤组件的电光特性ID—P0 曲线，并确定出其线性度较好的线段。
图15-5 光电特性的测定
2.测定光电二极管SPD的光电特性
（1）将传输光纤的尾纤轻轻插入接收器的光接收插孔，并使其处于最佳耦合状态。将数字电压表连接到接上，并接通电源，量程先选为200mV，示数为1时要转换大量程。
（2）调节“偏流调节”旋钮，使驱动电流从0～30mA变化，每改变3mA，测读一次电流—电压变换电路的输出电压U0，并将测试结果记录到数据表15-2中。
3.音频信号的传输
把发送器输入端接入录音机输出信号，把接收器功放输出端接上扬声器。调节LED的驱动电流和输入电路的音量电位器RP1，考察音频信号在光纤通信系统中的传输效果。
实验完毕，请将仪器电源关上，连接线拨出扎成扎，仪器、桌椅摆放整齐，请老师检查实验数据及仪器，并登记。
【实验结果与数据处理】
1.根据表15-1中数据测绘出发光二极管LED的ID—P0 曲线，确定电光特性的线性区
表15-1 LED—传输光纤组件的电光特性测量数据表
2.测定光电二极管SPD的光电特性，见表15-2
表15-2 LED—传输光纤组件的光电特性测量数据表
（1）由ID—P0 关系和I0—ID 关系可得P0—I0 关系，这就是光电二极管的光电特性关系。将按表15-3数据整理，并绘出P0—I0 曲线（Rf=23.7kΩ由实验给出）。
表15-3 P0—I0关系曲线数据表
（2）由P0—I0 曲线及其实验数据，用作图法求出光电二极管在红光处的响应度R=ΔI0/ΔP0。
3.音频信号传输过程的定性分析
调节三极管基极偏置电位器RP2，看到ID 电流表指针随音乐摆动，ID 很小会出现截止失真，ID 过大会出现饱和失真，ID 在中间位置时，输出最佳。
【思考题】
（1）光波在光纤中传输时，除衰减外，还有色散，色散对信息传输有何影响？
（2）试分析能否用光栅来做分波器或合波器。
（3）随着ID 的变化，输出信号会出现怎样的失真？为什么？
有关大学物理实验的文章
- 详细阅读
-
密立根油滴实验：大学物理实验成果详细阅读
密立根是著名的实验物理学家，他从1907年开始着手电子电荷量的测量研究，到1911年宣布实验的结果。密立根的实验设备简单而有效，构思和方法巧妙而简洁。OM98BCCD微机密立根油滴仪。用K2 将油滴移至某条刻度线上，仔细调节平衡电压，这样反复操作几次，经一段时间观察油滴确实不再移动才认为是平衡了。......
2023-11-02
-
音频信号的特点：分析与解读详细阅读
在电子设备中，模拟信号经种种处理和变换，往往会受到噪声和失真的影响。数字信号的另一个优点是经过处理、变换或传输后，干扰杂波不会积累。处理数字信号的电路具有一致性好、互换性强、稳定性高的特点，便于大规模集成化生产。......
2023-06-26
-
大学物理实验：光的等厚干涉的实验成果详细阅读
牛顿环是等厚干涉的一个最典型的例子，最早为牛顿所发现，但由于他主张的微粒学说而未能对它作出正确的解释。观察光的等厚干涉现象，了解等厚干涉的特点。这一现象是牛顿发现的，故称这些环纹为牛顿环。......
2023-11-02
-
大学物理实验：意义、任务与要求详细阅读
物理学的形成与发展是以实验为基础的。在研究物理现象时，实验的任务不仅是观察物理现象，更重要的是找出各物理量之间的数量关系，找出它们变化的规律。科学技术的发展越来越体现出物理实验技术的重要性，基于这方面的原因，人们逐渐感到理工科及师范院校加强对学生进行物理实验训练的重要性。物理实验的主要任务如下：学习物理实验的基础理论，包括一些典型的实验方法及其物理思想。......
2023-11-02
-
大学物理实验规则：预习报告检查合格后方可实验详细阅读
进入实验室后，应将预习报告放在桌上由教师检查，并回答教师的提问，经过教师检查认为合格后，才可以进行实验。若发现有问题，应向教师或实验室管理员提出。实验前应细心观察仪器构造，操作应谨慎细心，严格遵守各种仪器仪表的操作规则及注意事项。尤其是电学实验，线路接好后先经教师或实验室工作人员检查，经许可后才可接通电路，以免发生意外。如有仪器损坏应及时报告教师或实验室工作人员，并填写损坏单，注明损坏原因。......
2023-11-02
-
光纤通信：以光信号为信息载体的通信方式详细阅读
光纤即为光导纤维的简称。光纤通信是以光纤为传输媒质，以光信号为信息载体的通信方式。图5-1数字光纤通信系统结构框图光发射机。数字光纤通信系统的性能用误码率来衡量。通常将误码率定义为错误识别比特的平均几率，这样，10-6的误码率相当于平均每百万位出现一个误码。大多数光纤通信系统要求误码率不大于10-9，有的系统要求更高。......
2023-06-27
-
大学物理实验：电压补偿和电流补偿实验结果详细阅读
电位差计是一种精密测量电位差（电压）的仪器，它的原理是使被测电压和一已知电压相互补偿，其准确度可高达0.001%。掌握补偿法测电动势的基本原理。被测电压Ex 与补偿电压极性相反、大小相等，因而相互补偿（平衡）。这种测量未知电压的方式叫“补偿法”。因此，不改变被测回路的原有状态及电压等参量，同时可避免测量回路导线电阻、标准电阻的内阻及被测回路等效内阻等对测量准确度的影响，这是补偿法测量准确度较高的另一个原因。......
2023-11-02
相关推荐