音频信号光纤传输实验
（北京邮电大学，北京市，邮编100876）
摘要: 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。 关键字：音频信号； 光纤传输；电光 中途分类号：0439 文献标识码：A
Audio signal optical fiber transmission
Sun Yingxia
(Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China)
Abstract: the experiment through the electro-optic properties of LED-fiber optic transmission components, obtained in the proper bias current, which has a linear. Verify the silicon photodiode can transfer the optical signal transition radiation output and directly proportional to the light current. Keywords: audio signal; optical fiber transmission; electro-optic
引言：以光纤作为信息传输介质的“光纤
通信”技术，是世界新技术革命的重要标志，也是未来信息社会各种信息网的主要传输工具。本实验的目的就是了解光纤传输系统的结构，以及半导体电光/光电器件的基本性能及主要特性的测试方法，了解音频信号光纤传输系统的调试技能。低频信号的传播受周围环境的影响很大，因此在通信技术中一般是使用一个高频信号作为载波利用被传输的信号（如音频信号）对载波进行调制。而这种传播存在缺陷，而解决问题的关键是利用光作为信号的载体，也就是所说的光纤通信。
一. 实验原理
(1)光纤通信
所谓光纤通信，就是用激光做载波，光
纤为传输媒质的信号传输。直接光强调制光纤传输系统的结构原理图主要包括光信号
发送器，传输光纤，光信号接收器三部分组成。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放电路的幅频特性。光纤通信系统中使用的LED的光功率是经称为尾纤的光导纤维输出，出纤光功率与LED驱动电流的关系称为电光特性。为了避免和减少非线性失真，使用时应先给LED一个适当的偏置电流I，调制信号的峰峰值应位于电光特性的直线范围内。 (2)光信号的发送
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。C3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截止频率f1。故该电路中的R1,R2,R3,C2和C3是决定音频放大电路增益和带宽的几个重要参数。
R2V0输出 。
V0和I0之间有以下关系：
二.实验仪器
1.光纤
2.双踪示波器 3.V音频信号发生器 4.万用表 ccmALEDBGW三.实验内容
本实验包括了以下几部分内容： 1.光信号发送器特性的研究
（1）LED—传输光纤组件电光特性的测定
偏置电流与无截止畸变最大调制（2） LED 幅度关系的测定 （3） 光信号发送器调制放大电路幅频特性的测定
2.光信号接收器特性的研究
(1) 硅光电二极管特性及响应度的测定 (2) 光信号的检测 (3) 光电信号的放大 3.原始数据表格
⑴LED传输光纤组件电光特性的测量 I偏0 (mA) 4 8 12 16 20 ICCCCW
光信号发送器的原理图
（4）光信号的接收
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。
光功率0 1.0 4.5 9.2 14.2 19.9 P(uW) ⑵硅光电二极管特性及响应度的测试 Rf=10.878(kΩ) I偏(mA) Vo(mV) 0 0.06 4 3.9 8 14.2 12 28.4 16 44.2 20 61.3 ⑶LED偏执电流与无截止畸变最大调制幅度
光信号接收器原理图 关系的测定:f=1KHz,测量中,如mA表指针在 原设定的偏执电流附近摆动,尽管波形畸变光信号的接收主要是利用 硅光电二极管 不明显,但说明输出已失真,此时应减小信(SPD)把传输光纤出射端输出的光信号的光号的调制幅度. 功率转变为与之成正比的光电流I0 ，然后I偏4 8 12 16 20 经I / V 转换电路再把光电流转换成电压(mA) 电压峰值(mv) 470 976 1405 930 425 (峰-峰值) ⑷光信号发送器调制放大电路幅频特性的测定和光信号的检测:I偏=15mA,Vi=30mv时 F(k0.0.1.Hz) 1 85 1 5 2 2.5 3 3.5 Vi(mV) 30 30 30 30 30 30 30 30 发送器9393939393919191V(5 0 0 0 0 5 5 5 omV) 接收器6261616162616161V.0 .0 .0 .0 .0 .5 .0 .0 o(mV) F(kHz) 4 4.5 5 7 9 12 16 20 Vi(mV) 30 30 30 30 30 30 30 30 发送器9189888580746761V0 5 5 5 5 5 5 0 o(mV) 接收器6060585551443833V(.0 .0 .0 .0 .0 .0 .5 .5 omV)
四.数据处理:
⑴LED电光特性曲线
文字描述: 由图像可以看出在4mA到19mA之间Ｐ－Ｉ成线性关系 ⑵I—P特性曲线
光功率P(uW)181614)12Wu10(8光功率P(uW)P64200246IR=ΔI/ΔP=(1.305-0.359)/( 4.5-1.0)= 0.270
⑶LED偏置电流与无截止畸变最大调制幅度的关系曲线Vmax-I偏
(4)放大倍数随频率变化的关系曲线: F(kHz) 0.1 0.5 1 1.5 2 G 31.1 31.0 31.0 31.0 31.0 F(kHz) 4 4.5 5 7 9 G
30.3 29.8 29.5 F(kHz)252015105001020G30的幅度，使其峰—峰值小于等于20mV（实28.5 26.8 24.8 22.5 20.3 验过程中保持Vi≤20mV[峰—峰值]）； （4）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；
（5）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F(kHz)减小调制信号幅度。
F五．实验结论
401.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可以看出在大于运放的截止频率和饱和频
比的光电流。 率之间，运放放大倍数最大，随着频率的增
2. 拓展实验内容 加运放的放大功能减弱。
光纤中的传播时间和速度,由于光在透
光介质中的传播速度反比于介质的折
射率 (5)发送器Vo(mV), 接收器Vo(mV)曲线
C = Kn-1
因此可以断定光在光纤中的传播速度小于光在空气中的传播速度C0 ≈ 3×
108m/s.本实验通过测量一串光
（uA) 0.005 0.359 1.305 2.611 4.063 5.635 I脉冲信号在一个特定长度光纤中
光功的传播时间，来求出光在光纤中
率0.0 1.0 4.5 9.3 14.2 19.9 的传播速度，从而算出光纤的平
P(uW) 均折射率。我们在光纤的输入端
输入一连串稳定的光脉冲信号，并在光纤的输出端接收这些信号，由于光纤的长度引起一个脉冲信号的时间延迟T1
T1 =L/C1
其中C1为光在光纤中的速度，L为光纤长度，如果我们测出了T1则
C1 = L/T1
再由C1/C0 = n0 /n1 求出光纤的平均
折射率n1=(C0/C1)n0
由图像可以看出来，电势随着频率的增大而
其中C1为光在光纤中的速度，C0为光
变小。
在空气中的速度，n0为空气的折射率
5.实验中常见问题的分析
（1）发送器W1和W2在实验前（开机之前）
六、实验课程小结
和实验后都要逆时针旋转到最小，防止开
在物理实验课程的学习过程中，老师认
机就有较大的电流损坏LED；
真讲解实验所用到的基础理论知识，并严格
（2）LED上的直流偏置电流要小于20mA，
按照数据测量、误差分析、数据处理、实验
否则会烧坏LED；
结果分析的步骤要求我们。是我们练就了一
（3）调节音频信号发生器输出的正弦信号
套系统的、扎实的实验方法的基本功。最值得一提的是，这一课程采用了多形式、多元化的考试模式。采取课题小论文、设计实验、自主学习实验、创新训练实验、总结报告相结合，理论与实际操作相结合.我个人对那些结合课本知识自主设计的小实验比较感兴趣，这类实验大大提高了我们独立学习的能力和自主创新的能力，并培养了我们的科研兴趣。希望在平时多开放物理实验室,可以让大家在课余时间也可以进行实验,如课上完不成的选做内容以及同学们设想的各种创新实验
参考文献
[1]蒋达娅等 《大学物理实验教程》 北京邮电大学出版社，2011.
[2] 陈中伟·光学与量子物理基础·上海交通大学出版社，1994.9.
[3] 赵宝金等.音响集成电路及其应用.北京人民邮电出版社,1987.
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