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音 频 信 号 光 纤 传 输 技 术 实 验. 实验目的. 1 ． 熟悉半导体电光 / 光电器件的基本性能及 主要特性的测试方法 2 ．了解音频信号光纤传输系统的结构及选配 各主要部件的原则 3 ．学习分析集成运放电路的基本方法 4 ．训练音频信号光纤传输系统的调试技术. 实验仪器. YOF—B 型音频信号光纤传输技术实验仪（由四川大学物理系研制）； 音频信号发生器； 示波器； 数字万用表. 实验原理. 一．系统的组成.
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实验目的 • 1． 熟悉半导体电光/光电器件的基本性能及 主要特性的测试方法 • 2．了解音频信号光纤传输系统的结构及选配 各主要部件的原则 • 3．学习分析集成运放电路的基本方法 • 4．训练音频信号光纤传输系统的调试技术
实验仪器 • YOF—B型音频信号光纤传输技术实验仪（由四川大学物理系研制）； • 音频信号发生器； • 示波器； • 数字万用表
实验原理 一．系统的组成
图（1）给出了一个音频信号直接光强调制光纤传输系统的结构原理图，它主要包括由LED及其调制、驱动电路组成的光信号发送器、传输光纤和由光电转换、I—V变换及功放电路组成的光信号接收器三个部分。光源器件LED的发光中心波长必须在传输光纤呈现低损耗的0.85μｍ、1.3μｍ或1.5μｍ附近，本实验采用中心波长0.85μｍ附近的GaAs半导体发光二极管作光源、峰值响应波长为0.8～0.9μｍ的硅光二极管（SPD）作光电检测元件。为了避免或减少谐波失真，要求整个传输系统的频带宽度能够覆盖被传信号的频谱范围，对于语音信号，其频谱在300～3400Hz的范围内。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放电路的幅频特性。图（1）给出了一个音频信号直接光强调制光纤传输系统的结构原理图，它主要包括由LED及其调制、驱动电路组成的光信号发送器、传输光纤和由光电转换、I—V变换及功放电路组成的光信号接收器三个部分。光源器件LED的发光中心波长必须在传输光纤呈现低损耗的0.85μｍ、1.3μｍ或1.5μｍ附近，本实验采用中心波长0.85μｍ附近的GaAs半导体发光二极管作光源、峰值响应波长为0.8～0.9μｍ的硅光二极管（SPD）作光电检测元件。为了避免或减少谐波失真，要求整个传输系统的频带宽度能够覆盖被传信号的频谱范围，对于语音信号，其频谱在300～3400Hz的范围内。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放电路的幅频特性。 此电路的工作原理如下： 音频信号经IC1放大电路传到LED调制电路。W2调节发光管LED工作（偏置）电流，音频电流调制此工作电流，并经LED转换成音频调制的光信号，经
光纤传至光电二极管SPD再复原成原始音频电流信号，经由IC2构成的I—V变换电路转换成电压信号，最后通过功率放大电路输出声音功率信号，推动扬声器发出声音。这样就完成了音频信号通过光纤的传输过程。光纤传至光电二极管SPD再复原成原始音频电流信号，经由IC2构成的I—V变换电路转换成电压信号，最后通过功率放大电路输出声音功率信号，推动扬声器发出声音。这样就完成了音频信号通过光纤的传输过程。 二、光导纤维的结构及传光原理
图2所示为阶跃型多模光纤 的结构和导光原理。它由纤芯和包层两部分组成，芯子的半径为a，折射率为n1，包层的外径为b，折射率为n2，且n1>n2。假设光纤端面与其轴线垂直，当一光线射到光纤入射端面时，入射面包含了光纤的轴线，则这条射线在光纤内就会按子午射线的方式传播。根据smell定律及图（2）所示的几何关系有： n0sinθi=n1 sinθz (1) θz=π/2-α n0sinθi= n1 cosα (2) 其中n0是光纤入射端面左侧介质 的折射率。通常，光纤端面处 在空气介质中，故n0=1。由（2）式可知：如果所论光纤在光纤端面处的入射角θi较小,则它折射到光纤内部后投射到芯子一包层界面处的入射角α有可能大于由芯子和包层材料的折射率n1和n2按下式决定的临结角αc： αc= arc sin (n2/n1) (3) 在此情形下光射线在芯子—包层界面处发生全内反射。该射线所携带的光能就被局限在纤芯内部而不外溢，满足这一条件的射线称为传导射线。
三、半导体发光二极管的驱动、调制电路 本实验采用半导体发光二极管 LED作光源器件.音频信号光纤传输系统发送端LED的驱动和调制电路如图（3）示，以BG1为主构成的电路是LED的驱动电路，调节这一电路中的W2可使LED的偏置电流在0—20mA的范围内变化。被传音频信号由IC1为主构成的音频放大电路放大后经电容器C4耦合到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。半导体发光二极管输出的光功率与其驱动电流的关系称LED的电光特性，如图4所示。为了使传输系统的发送端能够产生一个无非线性失真、而峰—峰值又最大的光信号，使用LED时应先给它一个适当的偏置电流 ，其值等于这一特性曲线线性部分中点对应的电流值，而调制电流的峰—峰值应尽可能大地处于这一电光特性的线性范围内。
图3 LED的驱动和调制电路 图4 LED的正向伏安特性
四．半导体光电二极管的工作原理及特性 半导体光电二极管SPD与普通的半导体二极管一样，都具体一个p-n结,光电二极管在外形结构方面有它自身的特点，这主要表现在光电二极管的管壳上有一个能让光射入其光敏区的窗口、此外，与普通二极管不同，它经常工作在反向偏置电压状态（如图5a所示）或无偏压状态（如图5b所示）。 图5 光电二极管的结构及工作方式
半导体光电二极管SPD的反向伏安特性如图6所示。半导体光电二极管SPD的反向伏安特性如图6所示。 图6 光电二极管的伏安特性曲线
实验内容 一. LED—传输光纤组件电光特性的测定 测量前首先将两端带电流插头的电缆线一头插入光纤绕线盘上的电流插孔，另一端插入发送器前面板上的“LED”插孔，并将光电探头插入光纤绕线盘上引出传输光纤输出端的同轴插孔中，SPD的两条出线接至仪器前面板光功率指示器的相应插孔内，在以后实验过程中注意保持光电探头的这一位置不变。测量时调节W2使毫安表指示从零开始（此时光功率计的读数应为零，若不为零记下读数，并在以后的各次测量中以此为零点扣除）,逐渐增加LED的驱动电流，每增加2mA读取一次光功率计示值，直到20mA为止。根据测量结果描绘LED—传输光纤组件的电光特性曲线，并确定出其线性度较好的线段。
二．光电二极管反向伏安特性曲线的测定 测定光电二极管反向伏安特性的电路如图(7)所示。由IC1为主构成的电路是一个电流—电压变换电路，它的作用是把流过光电二极管的光电流I转换成由IC1输出端C点的输出电压V o，它与光电流成正比。整个测试电路的工作原理依据如下：由于IC1的反相输入端具有很大的输入阻抗，光电二极管受光照时产生的光电流几乎全部流过Rf并在其上产生电压降V c b =R f I。另外，又因IC1具有很高的开环电压增益，反相输入端具有与同相输入端相同的地电位，故 IC1的输出电压 Vo =I Rf（4） 已知R f后，就可根据上式由V o计算出相应的光电流I。
在图（7）中，为了使被测光电二极管能工作在不同的反向偏压状态下，设置了由W1组成的分压电路。具体测量时首先把SPD的插头接至接收器前面板左侧SPD相应的插孔中，然后根据LED的电光特征曲线在LED工作电流从0～20mA的变化范围内查出输出光功率均分的5个工作点对应的驱动电流值，为以后论述方便起见，对应这5个电流值分别标以i1，i2，i3，i4和i5 . 测量LED工作电流为i1～i5时所对应的5种光照情况下光电二极管的反向伏安特性曲线。对于每条曲线,测量时，调节W1使被测二极管的反偏电压逐渐增加，从0 V开始，每增加1V用接收器前面板的数字毫伏表测量一次IC1输出电压V o值，根据这一电压值由（4）式即可算出相应的光电流I。
三. 音频放大器频带特性 音频放大器的频带宽度决定了所传音频信号保证不失真、且有良好放大作用的频率范围。具体测试时，应将音频放大器的输入断与双踪示波器的一个通道和低频信号发生器相连，输出端和示波器的另一通道相连。将音频输入信号保持在20HZ—20KHZ之间，幅度保持10mv不变，改变频率f从10—20KHZ，测出对应的放大器输出信号峰峰值Uout值。作出Uout—lgf曲线，求出带宽Δf。 四．语言信号的传输 实验整个音频信号光纤传输系统的音响效果。实验时把示波器和数字毫伏表接至接收器I—V变换电路的输出端，适当调节发送器的LED偏置电流和调制输入信号幅度，使传输系统达到无非线性失真、光信号幅度为最大的最佳听觉效果。
[思考题] 1. 利用SPD 、I—V变换电路和数字毫伏表，设计—光功率计。 2．如何测定图9示SPD第四象限的正向伏安特性曲线？ 3.在LED偏置电流一定情况下,当调制信号幅度较小时，指示LED偏置电流的毫安表读数与调制信号幅度无关，当调制信号幅度增加到某一程度后，毫安表读数将随着调制信号的幅度而变化，为什么﹖ 4. 若传输光纤对于本实验所采用LED的中心波长的损耗系数（**）〆≤1dB,根 据实验数据估算本实验系统的传输距离还能延伸多远？ [参考文献] [1]《纤维光学（原理及实验研究）》 朱世国、付克祥，四川大学出版社，1992。 [2]《近代物理实验技术》（1）吕斯骅，朱印康，高等教育出 版社，1991年8月
