多媒体光纤通信传输试验仪

概述

1. 光纤传输系统

光纤传输系统具有传输频带宽、通信容量大、损耗低、串扰小、抗干扰能力强等特点，不像微波传送使用中继会产生因中继引起的噪声，而影响信号质量；也不像卫星传送那样接收时信号延时较大，而且容易受干扰。因此，光纤传输系统的优越性是明显的。

光纤传输系统如图1所示，一般由三部分组成：光信号发送端；用于传送光信号的光纤；光信号接收端。光信号发送端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，目前，发送端电光转换器件一般采用发光二极管或半导体激光管。发光二极管的输出光功率较小，信号调制速率相对低，但价格便宜，其输出光功率与驱动电流在一定范围内基本上呈线性关系，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。光纤的功能是将发送端光信号以尽可能小的衰减和失真传送到光信号接收端，目前光纤一般采用在近红外波段0.84μm、1.31μm、1.55μm有良好透过率的多模或单模石英光纤。光信号接收端的功能是将光信号经光电转换器件还原为相应的电信号，光电转换器件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匹配。本实验发送端电光转换器件采用中心发光波长为0.84μm的高亮度近红外半导体发光二极管，传输光纤采用多模石英光纤，接收端光电转换器件采用峰值响应波长为0.8～0.9μm的硅光电二极管。下面对各部分作进一步介绍。

图1  光纤传输系统

2．光信号发送端的工作原理

图2  发光二极管驱动和调制电路

系统采用的发光二极管的驱动和调制电路如图2所示，信号调制采用光强度调制的方法，发送光强度调节电位器用以调节流过LED的静态驱动电流，从而相应改变发光二极管的发射光功率，设定的静态驱动电流调节范围为0～20毫安，对应面板光发送强度驱动显示值0～2000单位，当驱动电流较小时发光二极管的发射光功率与驱动电流基本上呈线性关系，交流电信号经电容、电阻网络及运放跟随隔离后耦合到另一运放的负输入端，与发光二极管的静态驱动电流相叠加使发光二极管发送随交流电信号变化的光信号，如图3所示，并经光纤耦合器将这一光信号耦合到传输光纤。可传输信号频率的低端可由电容、电阻网络决定。

图3  发光二极管的正弦信号调制原理

3．光纤结构与光纤传输的工作原理

光纤是传导光波的玻璃纤维（也有塑料光纤），它由纤芯和包层组成，纤芯位于光纤的中心部位，光主要在这一部分里传输。纤芯外面由包层围绕，纤芯折射率比包层折射率约大1%。对于不同的应用，有许多不同类型的光纤。根据纤芯折射率的分布，具有代表性的光纤是阶跃折射率型和渐变折射率型两种。

目前用于光通讯的光纤一般采用石英光纤，如图4所示，它是在折射率n2较大的纤芯内部，覆上一层折射率n1较小的包层，光在纤芯与包层的界面上发生全发射而被限制在纤芯内传播，光纤实际上是一种介质波导，光被封闭在光纤内，只能沿光纤传输，光纤的芯径一般从几微米至几百微米，按照传输光模式可分为多模光纤和单模光纤，按照光纤折射率分布方式不同可以分为阶跃折射率型和渐变折射率型光纤。

图4  光纤传输原理

阶跃折射率型光纤包含两种圆对称的同轴介质，两者都质地均匀，但折射率不同，外层折射率低于内层折射率。阶跃折射率型光纤纤芯与包层间折射率的变化是阶梯状的。光线的传输是在纤芯与包层的界面上产生全反射，呈锯齿形前进。

渐变折射率型光纤是一种折射率沿光纤横截面渐变的光纤，这样改变折射率的目的是使各种模传播的群速相近，从而减小模色散增加通讯带宽。渐变折射率型光纤纤芯的折射率从中心轴线开始沿径向逐渐减小，偏离中心轴线的光线沿曲线蛇行前进。上述两种光纤纤芯直径为50～100µm，称为多模光纤。单模光纤，其纤芯直径为3～10µm。

多模折射率阶跃型光纤由于各模传输的群速度不同而产生模间色散，传输的带宽受到限制。多模折射率渐变型光纤由于其折射率特殊分布使各模传输的群速度一样而增加信号传输的带宽。单模光纤是只传输单种光模式的光纤，单模光纤可传输信号带宽最高，目前长距离光通讯大都采用单模光纤。

石英光纤的主要技术指标有衰减特性、数值孔径和色散等。

（1）数值孔径：数值孔径描述光纤与光源、探测器和其他光学器件耦合时的特性，它的大小反映光纤收集光的能力。数值孔径是光纤传光性质的结构参数之一，是表示光学纤维集光能力的一个参量。

（2）光纤的损耗

光纤的传输损耗是光纤传输特性的一个重要指标，它直接影响着光纤的传输效率。对于通信应用中的光纤，低的损耗特别重要。

光纤中引起光能量衰减（损耗）的原因有吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。

A) 吸收损耗

吸收损耗与组成光纤材料的电子受激跃迁和分子共振有关。当电子与光子相互作用时，电

子会吸收能量而被激发到较高能级。分子的共振吸收与原子构成分子时共价键的特性有关。当光子的频率与分子的振动频率接近或相等时发生共振，并大量吸收光能量。以上吸收损耗是材料本身所固有的，就是在不含任何杂质的材料中也存在上述现象，所以又被称为本征吸收。

B) 散射损耗

玻璃中的散射损耗是由于材料密度的微观变化、成分起伏以及在制造光纤过程中遇到不均

匀或不连续的情况时，一部分光就会散射到各个方向，而不能传输到终点，从而造成散射损耗。

C) 辐射损耗

当光纤有一定曲率半径的弯曲时，就会产生辐射损耗。光纤可能受到两种类型的弯曲：弯

曲半径比光纤直径大很多的弯曲，例如当光缆拐弯时就会发生这样的弯曲；微弯曲，当把光纤组合成光缆时可能使光纤的轴线产生随机性的微弯曲。当曲率半径很大时（轻度弯曲），辐射损耗较小一般可不予考虑，当曲率半径变小时损耗呈指数增长。

（3）光纤的色散直接影响可传输信号的带宽，色散主要由三部分组成：折射率色散；模色散；结构色散。折射率色散是由于光纤材料的折射率随不同光波长变化而引起，采用单波长、窄谱线的半导体激光器可以使折射率色散减至最小。采用单模光纤可以使模色散减至最小。结构色散由光纤材料的传播常数及光频产生非线性关系所造成。目前单模光纤的传输带宽可达数GHz。

（4）光纤的几何参数：根据国际电报电话咨询委员会（CCITT）建议，光纤几何参数包括以下内容：芯径、包层表面直径、芯径不圆度、包层表面不圆度、包层表面相对于纤芯中心的不同心度。它们分别由下面公式来定义：

纤芯不圆度=2（dmax-dmin）/（dmax+dmin）                       (3)

包层表面不圆度=2（Dmax-Dmin）/（Dmax+Dmin）                   (4)

式中dmax、dmin是芯径最大值和最小值，Dmax、Dmin是包层表面直径的最大值和最小值。

包层表面相对纤芯中心的不同心度=y/d                             (5)

式中y是纤芯中心和包层表面中心的距离，d是芯径。

4．光信号接收端的工作原理

光信号接收端的工作原理图如图5所示，传输光纤把从发送端发出的光信号通过光纤耦合器将光信号耦合到光电转换器件光电二极管，光电二极管把光信号转变为与之成正比的电流信号，光电二极管使用时应反偏压，经运放的电流电压转换把光电流信号转换成与之成正比的电压信号，电压信号中包含的交流电信号经电容电阻耦合到功率放大器驱动监视器音频及视频。光电二极管的频响一般较高，系统的高频响应主要取决于运放等的响应频率。

图5 光信号接收端的工作原理图