【文章內(nèi)容簡介】 注入電流為 I，工作在穩(wěn)態(tài)時，電子空穴對通過輻射和非輻射復合，其復合率等于載流子注入率 ，其中發(fā)射電子的復合率決定于內(nèi)量子效率 ，光子產(chǎn)生率為q int?，因此 LED 內(nèi)產(chǎn)生的光功率為)/(intI? （2IqP)(intit???14 / 1191）式中， 為光量子能量。假定所有發(fā)射的光子能量近似相等，并設從 LED 逸出的功率??內(nèi)部產(chǎn)生功率的份額為 ，則 LED 的發(fā)射功率為ext （2IqPextext )/(inin???2）η ext亦稱為外量子效率。由 22 式可知，LED 發(fā)射功率 P 和注入電流 I 近似成正比。這說明 LED 的 PI 曲線線性度好，調(diào)制時動態(tài)范圍大，信號失真小。該實驗測量其電光轉換特性（PI 特性） ，工作電流不同的時候，輸出功率也不同，基本上是成線性關系。圖 21 LED 發(fā)光二極管 PI 曲線示意圖實驗中發(fā)光二極管電流的確定通過測量串聯(lián)在電路中 R110 的電壓值。電路中的驅動電流在數(shù)值上等于 R110 兩端電壓與電阻值之比。實驗中先用萬用表測出 R110 的精確值，計算得出發(fā)光二極管的驅動電流，然后用光功率計測得一定驅動電流下發(fā)出的光功率，從而完成PI 特性的測試。六、實驗注意事項實驗中發(fā)光二極管驅動電流不可大于 60mA，否則有燒毀發(fā)光二極管的危險。由于光源、光功率計、光跳線等光器件的插頭屬易損件，應輕拿輕放，使用時切忌用力過大，不可帶電拔插光電器件。七、實驗步驟將光發(fā)模塊中的可調(diào)電阻 W101 逆時針旋轉到頭，使數(shù)字驅動電流達到最小值。撥動雙刀三擲開關，將 BMBM2 選擇在中間檔，即將 R110 與電路斷開。用萬用表測得 R110 電阻值，找出所測電壓與半導體發(fā)光二極管驅動電流之間的關系（V＝IR 110） 。撥碼開關 BM1 和 BM2 分別撥到數(shù)字和 850nm 檔，選擇 850nm 數(shù)字驅動電路。用 STFC 光跳線將 850nm 光發(fā)端與光功率計連接，并將光功率計選擇波長 850nm 檔，連接導線 T504（數(shù)字信號源模塊）與 T101。接好電源，先開交流電源開關，再開直流電源開關，即按下 K01，K02 (電源模塊)，這時電源指示燈全亮。15 / 119接通光發(fā)模塊和數(shù)字信號源模塊直流電源（K10 與 K50） ，并將 K501，K502，K503 撥為全“1” 。用萬用表測量 R110 兩端電壓（紅表筆插 T103，黑表筆插 T104） 。慢慢調(diào)節(jié)電位器 W101 使所測得的電壓為下表中數(shù)值，依次測量對應的光功率值。并將測得的數(shù)據(jù)填入下表 21，測量精度為 。U(mV) 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55I(mA)P（uW）P（dBm） 表 21 LED 的 PI 特性測試表做完實驗后將撥碼開關 BM1 和 BM2 撥到中間狀態(tài)，然后依次關掉各直流開關，以及交流電開關。1拆下光跳線和光功率計，拆除連線，將實驗箱還原，將各實驗儀器擺放整齊。八、實驗報告字跡工整，原理分析透徹根據(jù)實驗記錄數(shù)據(jù)，畫出相應光功率與注入電流的關系曲線，分析 PI 特性曲線意義。對實驗結果以及誤差分析正確九、 思考題說明發(fā)光二極管工作原理，比較分析發(fā)光二極管與半導體激光器發(fā)光原理的區(qū)別。環(huán)境溫度的改變對發(fā)光二極管 PI 特性曲線有何影響？發(fā)光二極管 PI 特性曲線是否嚴格線性？為什么？16 / 119實驗三 預失真補償實驗一、實驗目的學習 LED 和 LD 光源中存在的非線性失真產(chǎn)生原理了解預失真補償電路原理工作過程掌握 LED 和 LD 失真補償?shù)姆椒ǘ嶒瀮?nèi)容觀察 LED 失真現(xiàn)象，進行 LED 的預失真補償觀察 LD 的失真現(xiàn)象，進行 LD 的預失真補償三、預備知識：預失真的概念預失真在實際中的應用有哪些？四、實驗儀器ZY12OFCom13BG3 型光纖通信原理實驗箱 1 臺20MHz 雙蹤示波器 1 臺850nm 光發(fā)端機和光收端機 1 套ST/PCST/PC 多模光跳線 1 根FC/PCFC/PC 單模光跳線 1 根萬用表 1 臺連接導線 20 根五、實驗原理為了獲得較大的輸出光功率，LED 通常工作于大信號狀態(tài)，此時它的非線性是系統(tǒng)非線性效應的主要來源。在電視信號傳輸系統(tǒng)中，發(fā)光二極管的非線性是引起 DG（微分增益） 、DP（微分相位）失真的主要原因（DG 與 DP 代表在電視信號的傳輸系統(tǒng)中，由于亮度信號的變化可能引起的色副載波的幅度與相位的失真） 。這是因為發(fā)光二極管的阻抗特性、注入電流、內(nèi)部量子效率、輻射復合率的溫度特性以及調(diào)制帶寬等因素的影響所致。一般發(fā)光二極管在不采取任何校正措施的情況下，系統(tǒng)可引起 10～15%左右的 DG 變化和 1～3 度的 DP 變化，這對于高指標傳輸系統(tǒng)來說是不利的。這時應當采取適當?shù)难a償和校正措施，可以通過電路實現(xiàn)偏置電流和調(diào)制電流的調(diào)整。17 / 119LED 的非線性失真的補償和校正是一個比較復雜的技術問題。迄今為止采用的方法有反饋法、相移調(diào)制法、前饋法與準前饋法等。上述這些方法對校正電路或光器件的要求都很高，采用這些方法會使本來設備簡單、價格便宜的系統(tǒng)反而變得比較復雜，設備成本也因此而有所提高。因此，一般情況下多采用預失真（預校正）法比較實用。所謂預失真法就是用普通二極管的非線性在發(fā)送端使信號預先失真，用以抵銷發(fā)光二極管的非線性失真。下面介紹這種方法。預失真法不需要附加任何光器件，信號的幅度和相位的預失真是通過電平調(diào)節(jié)來實現(xiàn)的。圖 31 示出了預失真電路的原理，圖 31(a)為信號幅度預失真電路，其中的二極管 DD 2與 D3分別被偏置在電壓 VV 2和 V3上，電路增益近似為： Au= （3ECRlg01）這里 RE=RE0//RE1//RE2//RE3 (DD D 3通)RE=RE0//RE1//RE2 (DD 2通，D 3不通)RE=RE0//RE1 (D1通，D D 3不通)RE=RE0 (DD D 3不通)隨著二極管 DD D 3逐次斷開，R E值將隨著輸入信號電平的增加而增加，因而使放大器增益逐步降低。放大器的增益大小用調(diào)節(jié)二極管的偏壓來得到，從而使微分增益得到改善。圖 31(b)為相位預失真電路。我們實驗中采用圖 31(a)中所示的電路圖來進行信號幅度預失真補償。一般對 DG 校正來說，采用三段補償即可滿足要求。在實際的校正電路中，DG 的校正范圍可達到 0～20%。同樣，半導體激光器的非線性失真主要由激光器的非線性和光纖色散所引起的。理想的半導體激光器輸出功率在閾值電流以上是線性的，但是由于激光器制造工藝的限制，實際激光器的 PI 曲線在激射區(qū)并非完全線性的，會發(fā)生失真，這種失真一般與激光器激射模式的改變及激光器內(nèi)部的不均勻性有關。另外，由于光纖存在的色散，同頻率的光波經(jīng)過相同長度的光纖傳輸后，所產(chǎn)生的相位延遲是不同的。這樣，不同頻帶的信號分量經(jīng)過光纖傳輸后的相位延遲各不相同，在接收端不能無失真地恢復出原來的信號。在進行激光器的模擬驅動時，由于激光器 VI 特性的非線性，其調(diào)制失真也是實驗系統(tǒng)產(chǎn)生失真的主要原因之一。 18 / 119在實驗實現(xiàn)上，對發(fā)光二極管的非線性失真進行補償，以正弦波傳輸為例，發(fā)光二極管的非線性失真表現(xiàn)為正弦波波峰被“削”掉一部分，經(jīng)過正向失真補償后，正弦波波形達到正常傳輸要求。半導體激光器的失真主要以實驗中的調(diào)制失真為主，其主要表現(xiàn)與發(fā)光二極管一致，經(jīng)過正向失真補償，正弦波達到正常傳輸要求。利用圖 31 中電路，用預失真法對 LED 的幅度失真進行補償。圖 32 為該實驗方框圖。圖 32 預失真補償實驗方框圖未失真信號經(jīng)過失真補償電路后波形變化如圖 33 所示。 圖 33 LED、LD 正向補償電路效果圖六、實驗注意事項，要嚴格監(jiān)控半導體激光器驅動電流不得超過40mA。七、實驗步驟連接導線：模擬信號源模塊 T304 與預失真模塊 T201 連接，T203（正向補償）與光發(fā)模塊 T111 連接。 撥碼開關 BMBM2 和 BM3 分別撥到模擬，1310nm 和 1310nm。K121 開關撥下。連接好 FCFC 型光纖單模跳線，組成 LD 模擬光纖傳輸系統(tǒng)。預失真模塊的 W201，W202，W203 逆時針旋轉到底，使電路沒有補償作用。用萬用表監(jiān)控 R110 兩端電壓（紅表筆插 T103，黑表筆插 T104） ，使得調(diào)節(jié)過程中模擬驅動電流不可超過 60mA。接上交流電源線，先開交流開關，再開直流開關 K01，K02，電源指示燈全亮。接通模擬信號源模塊（K30） 、預失真補償模塊(K20)和光發(fā)模塊(K10)的直流電源。用示波器觀察 TP121 的波形（觀察前先將示波器設置為直流檔，并校準示波器接地(a)DG 預校正 （b）DP 預校正圖 31 預失真電路原理圖19 / 119時基準線在中間） 。慢慢調(diào)節(jié) W112，使 TP121 的波形稍有失真（上下不對稱也是失真） ，這時 LD 工作在非線性區(qū)。 （波形的失真度不能超過 20%，否則無法達到預失真補償效果。 ）慢慢調(diào)節(jié) W201，W202，W203，并觀察 T121 的波形，在調(diào)節(jié)過程中可看到 TP121 的波形慢慢被補償了（三個電位器配合調(diào)節(jié)，使之達到最佳效果） 。1用示波器觀察 TP202 的波形，并與 TP201 進行比較。1做完實驗后將撥碼開關 BM1 和 BM2 撥到中間狀態(tài)，然后依次關掉各直流開關，以及交流電開關。1拆除導線及光纖器件，將實驗箱還原，各實驗儀器擺放整齊。B、發(fā)光二極管預失真補償參照發(fā)光二極管預失真補償實驗，設計半導體激光器預失真補償實驗步驟。八、實驗報告字跡工整，原理分析透徹整理實驗記錄，畫出實驗過程中各測試點的波形實驗結果以及誤差分析正確九、思考題根據(jù)電路圖 31，說明相位預失真補償電路工作原理。 調(diào)節(jié) W112，使 TP121 波形失真較大，觀察波形補償效果是否理想，并分析其原因。20 / 119實驗四 數(shù)字發(fā)送單元指標測試實驗一、實驗目的了解數(shù)字光發(fā)端機輸出光功率的指標要求掌握數(shù)字光發(fā)端機輸出光功率的測試方法了解數(shù)字光發(fā)端機的消光比的指標要求掌握數(shù)字光發(fā)端機的消光比的測試方法二、實驗內(nèi)容測試數(shù)字光發(fā)端機的輸出光功率測試數(shù)字光發(fā)端機的消光比比較驅動電流的不同對輸出光功率和消光比的影響三、預備知識輸出光功率和消光比的概念四、實驗儀器ZY12OFCom13BG3 型光纖通信原理實驗箱 1 臺FC 接口光功率計 1 臺FC/PCFC/PC 單模光跳線 1 根萬用表 1 臺850nm 光發(fā)端機（可選） 1 個ST/PCFC/PC 多模光跳線（可選） 1 根連接導線 20 根五、實驗原理光發(fā)送機是數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中的三大組成部分（光發(fā)送機、光纖光纜、光接受機）之一。其功能是將電脈沖信號變換成光脈沖信號，并以數(shù)字光纖通信系統(tǒng)傳輸性能所要求的光脈沖信號波形從光源器件組件的尾纖發(fā)射出去。光發(fā)送機的指標有如下幾點：輸出光功率：輸出光功率必須保持恒定，要求在環(huán)境溫度變化或 LD 器件老化的過程中，其輸出光功率保持不變，或者其變化幅度在數(shù)字光纖通信工程設計指標要求的范圍內(nèi)，21 / 119以保證其數(shù)字光纖通信系統(tǒng)能長期正常穩(wěn)定運行。輸出光功率是指給光發(fā)端機的數(shù)字驅動電路送入一偽隨機二進制序列作為測試信號，用光功率計直接測試光發(fā)端機的光功率，此數(shù)值即為數(shù)字發(fā)送單元的輸出光功率。輸出光功率測試連接如圖 41 所示。 圖 41 輸出光功率測試連接示意圖根據(jù) CCITT 標準，信號源輸出信號為表 41 所規(guī)定的要求。數(shù)字率（kbit/s） 偽隨機測試信號2048 215－18448 215－134368 223－1139264 223－1 表 41 信號源輸出信號要求消光比：消光比定義式如下式 41，P 0是給光發(fā)端機的數(shù)字驅動電路發(fā)送全“0”碼，測得的光功率，P 1是給光發(fā)端機的數(shù)字驅動電路發(fā)送全“1”碼，測得的光功率，將 P0，P 1代入公式： （401lgEXT?1）即得到光發(fā)端機的消光比。消光比的值與光源工作電流有一定的關系，一般當發(fā)送“0”時，工作電流應在閥值附近，實驗時可調(diào)節(jié)相應的驅動