少年易学老难成，一寸光阴不可轻 - 百度文库
音频信号的光纤传输
xxx
（学院：xxxx 班级：xxx 学号：xxx）
摘 要：光纤通信以及诸多优点将成为现代通信的主流，未来通信的一项通信技术和手段。本实验主要通过研究光纤音频信号的传输来了解光纤通信的基本工作原理，熟悉半导体—光电器件的基本性能及主要特性的测试方法，学习分析集成运放电路的基本方法，学习掌握音频信号光纤传输系统的调试技能。
关键词：光纤通信；LED光电特性；硅光电二极管；调制放大电路
Optical transmission of audio signals
Wu Huiwen
（College：Beijing University of Post andTelecommunication）
Abstract：Fiber optic communications, and many other advantages will become the mainstream of modern communication, the future of communications and means of a communication technology. This experiment by studying the optical audio signal transmission to understand the basic working principle of optical fiber communication, familiar with semiconductor - basic properties of optoelectronic devices and the main characteristics of the test method, learn to analyze integrated circuit op amp basic method of learning and mastering the audio signal optical fiber transmission system debugging skills.
Keywords:Optical Fiber Communication;LED;Silicon photodiode;Modulation amplifier circuit
光导纤维技术是近40年发展起来的一项新兴的技术，是现代光信息技术的重要组成部分。光线的用途很多，其最重要的应用是光
1纤通信。通过本实验对LED-传输光纤组件的电光特性的测量,可以了解光纤通信的基本工作原理，熟悉半导体电光—光电器件的基本性能和主要特性的测试方法。1 实验
输系统的频带宽度能覆盖被传输信号的频率范围，对于语音信号，频谱在300~3400Hz范围内。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率放大电路的幅频特性。
1.2 半导体发光二极管的结构
光纤通信系统中，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。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和半导体激光器。光纤传输系统中常用的半导体发光二极管是一个如图1所示的N-P-P双异质结构的半导体器件，中间层通常是由直接带隙的GaAs P型半导体材料组成，称为有源层，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材料形成的PN结称为异质结，。当
原理
1.1 音频信号光纤传输系统的原理
音频信号光纤传输系统由“光信号发送器”、“光信号接收器”和“传输光纤”3部分组成。为了保证系统的传输损耗低，光信号发送器的光源发光二极管的发光中心波长必须在传输光线呈现低损耗的0.85~1.3um或1.6um附近。光信号接收器中的光电检测器件的峰值响应波长也应与此接近。
为了避免或减小波形失真，要求整个传 实验日期：2013-5-30. 作者简介：xxx（女）
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给这种结构加上正向偏压是，就能使N层想有源层注入导电电子，这些导电电子一旦进有源层后，因受到右边P-P异质结的阻挡作用不能在进入右侧的P层，他们只能被限制在有源层内与空穴复合。导电电子在有源层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式的光子：
hυ = E1-E2 = Eg 式中，h是普朗克常量，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后处于价健束缚状态时的能量。两者的差值Eg与DH结构中隔层材料及其组分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分的控制适当，就能使LED发光中心波长与传输光线的低速好波长一致。
RN P P根据运放电路理论，图2中音频放大电
路的闭环增益为G（jw）=I+Z2/Z1其中Z2、Z1分别为放大器反馈阻抗和反相输入端的接地阻抗，只要C1选得足够小，Can选得足够大，则在要求带宽的中频范围内，C3的阻抗很大，它所在支路可视为开路，而C2的阻抗很小，它可视为短路，在此情况下，放大电路的闭环增益G（jw）=I+R3/R1。C1的大小决定了高频端的截止频率f2，而C2的值决定着低频端的频率f1，故该电中的R1、R2、R3和C2、C3是决定音频放大电路增益和带宽的几个重要参数。
1.4 光信号接收器
图3
信号源ER2(30K)C3(2000pf)RbmAR3(30K)UoW1C1UiC4LEDC2 (4.7?f)IC1W2BG1光纤R1(1K)R4(1K)Re 图1
1.3 LED的驱动及调制电路
光纤通信系统中使用的半导体发光二极管的光功率经光导纤维输出，出纤光功率与LED驱动电流的关系称为光电特性。驱动电路，调节这一电路的W2可以使LED的偏置电流发生变化。信号发生器产生的音频信号由ICI为主构成的音频放大电路放大后经电容器耦合到BGI基极，对LED的工作电路进行调制，从而使LED发送出光强随音频信号普化的光信号，并经光纤把这一信号传至接收端。
RfR4 图2 IC2CnfRPnfRlIC3C5图3是光信号接收器的电路原理图，其中SPD是峰值响应波长与发送端LED光源发光中心波长很接近的硅光电二极管，它的峰值波长响应度为0.25—0.5uA/uW。SPD的任务是把经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IC1组成的I—V转换电路，再把光电流转换成电压V0输出，V0与I0之间具有以下比例关系V0=R1I0以IC2（LA4102）为主构成的是一个音频功放电路，该电路的电阻元件均集成在芯片内部，只要调节外接的电位器Wnf，可改变功放电路的电压增益，从而可以改变功放电路的输出功率，功放电路中电容Cnf的大小决定着该电路的下限截止频率。
2 实验仪器
音频信号光纤传输技术实验仪，光功率计，光纤一盘，信号发生器，双踪示波器，万用表，导线若干。
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3 实验步骤
3.1 LED-传输光纤组件电光特性的测定
利用光功率计测量LED驱动电路三极管的偏执电流与LED输出光功率之间的关系曲线。将图2中的LED的输出接入光功率计，利用发送器上的电位器RP2可以调4 数据处理
4.1 LED-传输光纤组件电光特性的测定
I偏（mA） 0 4 8 12 16 20 光功率 0.0 1.6 7.0 13.4 P(uW) 20.9 28.2 节驱动电路三极管的基极电位，进而改变偏执电流ID.
3.2 硅光电二极管特性及响应度的测定
(1)用数字万用表测量Rf的值。
(2)用数字万用表测量LED的偏执电流与接收器上的输出电压U0之间的关系。要求偏置电流0~20mA范围内逐渐增加，每增加4mA测量一次对应的接收器上的输出电压U0。作SPD的光电特性曲线（I-P曲线），并计算出被测光电二极管的响应度R的值。 3.3 LED偏执电流与无截止畸变最大调制幅度关系的测量
利用双踪示波器测量发送器输入信号Ui和Re两端的输出的信号。当输入信号大小改变时，Re两端输出信号无畸变的最大幅值与三极管工作点的位置选择有关。实验要求信号源频率为1kHz，通过RP1改变输入信号的幅值，对不同偏置电流下Re两端输出信号无畸变的最大幅值进行观察，确定LED驱动电路中三极管的最佳工作点。 3.4 光信号发送器调制放大电路幅频特性的测定
本实验装置是为音频信号的传输而设计的，当信号频率超出音频范围时，输出信 号的幅度将下降。
通常将输出信号幅度下降到最大值的70%时对应的频率范围定义为通频带，实验要求在输入信号幅值不变，但频率改变时，测量输出信号的放大倍数，并确定带宽。依次改变信号发生器输出频率为100Hz,500Hz,1kHz,3kHz,5kHz,6kHz,7kHz,8kHz,9kHz,10kHz,12kHz,14kHz,16kHz,18kHz,20kHz,用示波器观测放大器相应的输入和输出端波形的峰—峰值并将结果记录下来。由观测结果绘出幅频特性曲线，利用实验结果确定带宽和增益，并与理论计算进行比较。
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由此数据可以看出，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。光功率随偏置电流的增大而增大。 但在初使位置处稍有非线性，造成此现象的可能原因是在电流较小的时候，由于限流电阻的作用，加在二极管上的电压值较小，从而N层向有源层注入的导电电子的数止就较少，从而这些电子进入有源层后，与有源层内空穴复合同时释入能量产生的光子个数就相对较少，这也就是导致了光率相对偏小的原因。以下为LED的电光特性曲线。
LED传输光纤组件电光特性的测定30
25 20)W (uP率 15功光 10 5 0
02468101214161820偏执电流I偏（mA） 4.2 硅光电二极管特性及响应度测定 （Rf=12.667kΩ）
I偏（mA） 0 4 8 12 16 20 Vo(mV) -0.2 6.6 26.2 49.6 76 102.8
北京邮电大学音频信号的光纤传输
