多媒體光纖通信傳輸試驗儀

概述

1. 光纖傳輸係統

光纖傳輸係統具有傳輸頻帶寬、通信容量大、損耗低、串擾小、抗幹擾能力強等特點，不像微波傳送使用中繼會產生因中繼引起的噪聲，而影響信號質量；也不像衛星傳送那樣接收時信號延時較大，而且容易受幹擾。因此，光纖傳輸係統的優越性是明顯的。

光纖傳輸係統如圖1所示，一般由三部分組成：光信號發送端；用於傳送光信號的光纖；光信號接收端。光信號發送端的功能是將待傳輸的電信號經電光轉換器件轉換為光信號，目前，發送端電光轉換器件一般采用發光二極管或半導體激光管。發光二極管的輸出光功率較小，信號調製速率相對低，但價格便宜，其輸出光功率與驅動電流在一定範圍內基本上呈線性關係，比較適宜於短距離、低速、模擬信號的傳輸；激光二極管輸出功率大，信號調製速率高，但價格較高，適宜於遠距離、高速、數字信號的傳輸。光纖的功能是將發送端光信號以盡可能小的衰減和失真傳送到光信號接收端，目前光纖一般采用在近紅外波段0.84μm、1.31μm、1.55μm有良好透過率的多模或單模石英光纖。光信號接收端的功能是將光信號經光電轉換器件還原為相應的電信號，光電轉換器件一般采用半導體光電二極管或雪崩光電二極管。組成光纖傳輸係統光源的發光波長必須與傳輸光纖呈現低損耗窗口的波段、光電檢測器件的峰值響應波段匹配。本實驗發送端電光轉換器件采用中心發光波長為0.84μm的高亮度近紅外半導體發光二極管，傳輸光纖采用多模石英光纖，接收端光電轉換器件采用峰值響應波長為0.8～0.9μm的矽光電二極管。下麵對各部分作進一步介紹。

圖1  光纖傳輸係統

2．光信號發送端的工作原理

圖2  發光二極管驅動和調製電路

係統采用的發光二極管的驅動和調製電路如圖2所示，信號調製采用光強度調製的方法，發送光強度調節電位器用以調節流過LED的靜態驅動電流，從而相應改變發光二極管的發射光功率，設定的靜態驅動電流調節範圍為0～20毫安，對應麵板光發送強度驅動顯示值0～2000單位，當驅動電流較小時發光二極管的發射光功率與驅動電流基本上呈線性關係，交流電信號經電容、電阻網絡及運放跟隨隔離後耦合到另一運放的負輸入端，與發光二極管的靜態驅動電流相疊加使發光二極管發送隨交流電信號變化的光信號，如圖3所示，並經光纖耦合器將這一光信號耦合到傳輸光纖。可傳輸信號頻率的低端可由電容、電阻網絡決定。

圖3  發光二極管的正弦信號調製原理

3．光纖結構與光纖傳輸的工作原理

光纖是傳導光波的玻璃纖維（也有塑料光纖），它由纖芯和包層組成，纖芯位於光纖的中心部位，光主要在這一部分裏傳輸。纖芯外麵由包層圍繞，纖芯折射率比包層折射率約大1%。對於不同的應用，有許多不同類型的光纖。根據纖芯折射率的分布，具有代表性的光纖是階躍折射率型和漸變折射率型兩種。

目前用於光通訊的光纖一般采用石英光纖，如圖4所示，它是在折射率n2較大的纖芯內部，覆上一層折射率n1較小的包層，光在纖芯與包層的界麵上發生全發射而被限製在纖芯內傳播，光纖實際上是一種介質波導，光被封閉在光纖內，隻能沿光纖傳輸，光纖的芯徑一般從幾微米至幾百微米，按照傳輸光模式可分為多模光纖和單模光纖，按照光纖折射率分布方式不同可以分為階躍折射率型和漸變折射率型光纖。

圖4  光纖傳輸原理

階躍折射率型光纖包含兩種圓對稱的同軸介質，兩者都質地均勻，但折射率不同，外層折射率低於內層折射率。階躍折射率型光纖纖芯與包層間折射率的變化是階梯狀的。光線的傳輸是在纖芯與包層的界麵上產生全反射，呈鋸齒形前進。

漸變折射率型光纖是一種折射率沿光纖橫截麵漸變的光纖，這樣改變折射率的目的是使各種模傳播的群速相近，從而減小模色散增加通訊帶寬。漸變折射率型光纖纖芯的折射率從中心軸線開始沿徑向逐漸減小，偏離中心軸線的光線沿曲線蛇行前進。上述兩種光纖纖芯直徑為50～100µm，稱為多模光纖。單模光纖，其纖芯直徑為3～10µm。

多模折射率階躍型光纖由於各模傳輸的群速度不同而產生模間色散，傳輸的帶寬受到限製。多模折射率漸變型光纖由於其折射率特殊分布使各模傳輸的群速度一樣而增加信號傳輸的帶寬。單模光纖是隻傳輸單種光模式的光纖，單模光纖可傳輸信號帶寬最高，目前長距離光通訊大都采用單模光纖。

石英光纖的主要技術指標有衰減特性、數值孔徑和色散等。

（1）數值孔徑：數值孔徑描述光纖與光源、探測器和其他光學器件耦合時的特性，它的大小反映光纖收集光的能力。數值孔徑是光纖傳光性質的結構參數之一，是表示光學纖維集光能力的一個參量。

（2）光纖的損耗

光纖的傳輸損耗是光纖傳輸特性的一個重要指標，它直接影響著光纖的傳輸效率。對於通信應用中的光纖，低的損耗特別重要。

光纖中引起光能量衰減（損耗）的原因有吸收損耗、散射損耗和輻射損耗。

A) 吸收損耗

吸收損耗與組成光纖材料的電子受激躍遷和分子共振有關。當電子與光子相互作用時，電

子會吸收能量而被激發到較高能級。分子的共振吸收與原子構成分子時共價鍵的特性有關。當光子的頻率與分子的振動頻率接近或相等時發生共振，並大量吸收光能量。以上吸收損耗是材料本身所固有的，就是在不含任何雜質的材料中也存在上述現象，所以又被稱為本征吸收。

B) 散射損耗

玻璃中的散射損耗是由於材料密度的微觀變化、成分起伏以及在製造光纖過程中遇到不均

勻或不連續的情況時，一部分光就會散射到各個方向，而不能傳輸到終點，從而造成散射損耗。

C) 輻射損耗

當光纖有一定曲率半徑的彎曲時，就會產生輻射損耗。光纖可能受到兩種類型的彎曲：彎

曲半徑比光纖直徑大很多的彎曲，例如當光纜拐彎時就會發生這樣的彎曲；微彎曲，當把光纖組合成光纜時可能使光纖的軸線產生隨機性的微彎曲。當曲率半徑很大時（輕度彎曲），輻射損耗較小一般可不予考慮，當曲率半徑變小時損耗呈指數增長。

（3）光纖的色散直接影響可傳輸信號的帶寬，色散主要由三部分組成：折射率色散；模色散；結構色散。折射率色散是由於光纖材料的折射率隨不同光波長變化而引起，采用單波長、窄譜線的半導體激光器可以使折射率色散減至最小。采用單模光纖可以使模色散減至最小。結構色散由光纖材料的傳播常數及光頻產生非線性關係所造成。目前單模光纖的傳輸帶寬可達數GHz。

（4）光纖的幾何參數：根據國際電報電話谘詢委員會（CCITT）建議，光纖幾何參數包括以下內容：芯徑、包層表麵直徑、芯徑不圓度、包層表麵不圓度、包層表麵相對於纖芯中心的不同心度。它們分別由下麵公式來定義：

纖芯不圓度=2（dmax-dmin）/（dmax+dmin）                       (3)

包層表麵不圓度=2（Dmax-Dmin）/（Dmax+Dmin）                   (4)

式中dmax、dmin是芯徑最大值和最小值，Dmax、Dmin是包層表麵直徑的最大值和最小值。

包層表麵相對纖芯中心的不同心度=y/d                             (5)

式中y是纖芯中心和包層表麵中心的距離，d是芯徑。

4．光信號接收端的工作原理

光信號接收端的工作原理圖如圖5所示，傳輸光纖把從發送端發出的光信號通過光纖耦合器將光信號耦合到光電轉換器件光電二極管，光電二極管把光信號轉變為與之成正比的電流信號，光電二極管使用時應反偏壓，經運放的電流電壓轉換把光電流信號轉換成與之成正比的電壓信號，電壓信號中包含的交流電信號經電容電阻耦合到功率放大器驅動監視器音頻及視頻。光電二極管的頻響一般較高，係統的高頻響應主要取決於運放等的響應頻率。

圖5 光信號接收端的工作原理圖