实验七 波分复用技术实验
一、实验目的
1、了解光纤接入网中波分复用原理
2、掌握波分复用技术及实现方法
二、实验内容
1、实现用两种连接方式组成1310nm与1550nm光纤通信的波分复用系统
三、实验仪器
1、ZY1804I型光纤通信原理实验系统 1台
2、20MHz双踪数字示波器 1台
3、万用表 1台
4、波分复用器 2个
5、FC-FC适配器 1个
6、连接导线 20根
四、实验原理
随着人类社会信息时代的到来，对通信的需求呈现加速增长的趋势。发展迅速的各种新型业务（特别是高速数据和视频业务）对通信网的带宽（或容量）提出了更高的要求。为了适应通信网传输容量的不断增长和满足网络交互性、灵活性的要求，产生了各种复用技术。本实验重点是光的波分复用WDM（Wavelength Division Multiplexing）。
光波分复用技术是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术。WDM 就是为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源，根据每一信道光波的频率（或波长）不同可以将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，把光波作为信号的载波，在发送端采用波分复用器（合波器）将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输；在接收端，再由一波分复用器（分波器）将这些不同波长承载不同信号的光载波分开的复用方式。由于不同波长的光载波信号可以看作互相独立的（不考虑光纤非线性时），从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。波分复用系统原理图如图27-1所示。
图27-1 波分复用系统原理图
Mux／DeMux是WDM系统使用中不可或缺的两种元件。也就是我们常说的复用，解复用器。DWDM使光导纤维网络能同时传送数个波长的信号，而Mux则是负责将数个波长汇集至一起的元件；DeMux则是负责将汇集至一起的波长分开的元件。从原理上讲，这种器件是互易的（双向可逆），即只要将解复用器的输出端和输入端反过来使用，就是复用器。光分插复用器(OADM)是WDM系统中一个重要的应用元件，其作用是在一个光导纤维传送网络中塞入／取出（Add-Drop）多个波长信道；置OADM于网络的结点处，以控制不同波长信道的光信号传至适当的位置。
光纤通信系统中通常实用的石英光纤有三个低衰减区，即0.6～0.9um为第一个低衰减区，通常称为短波长低衰减区。1.0～1.35um和1.45～1.8um为第二、第三个低衰减区。后两者称为长波长低衰减区。
本实验利用光纤通信工程应用最广泛的长波长衰减区中1310nm与1550nm光纤通信波长进行波分复用，传输两路信号（一路模拟信号，一路数字信号）。实验原理框图如图38-2。
波分复用还有另一种连接方式，其实验框图如图27-2所示。这种波分复用连接方式中，同一根光纤中光信号的传输方向相反，由于光波传输的独立性，两个方向的光波传输不会有干扰。通过实验可以验证这一理论。
五、实验步骤
1、连接数字信号源模块和中央控制器的A1和A2，B1和B2，C1和C2；
连接中央控制器和数字终端模块的A3和A4，B3和B4，C3和C4；
连接模拟信号源模块2的T602和T907(13_AIN)。
连接中央控制器的D_OUT和T901(15_DIN)，D_IN和T902(15_DOUT)。
2、将开关K706的值拨为“01000000”。将数字信号源拨码开关K501，K502和K503的值拨为任意值。将中央控制器的开关K1拨为“主”。
3、将开关BM901拨为1310nm，将开关K902拨为“模拟”，将开关BM902拨为1310nm，将开关K901拨为“通信。
4、旋开光发端和光收端1550和1310保护帽，将1550光发端机和波分复用器A中标有“1550”光纤接头连接，将1310光发端机和波分复用器A中标有“1310”光纤接头连接。将1550光接收机和波分复用器B中标有“1550”光纤接头连接，将1310光接收机和波分复用器B中标有“1310”光纤接头连接。用FC-FC适配器将波分复用器连接起来。
5、打开交流电源。中央控制器指示灯NS、FS亮，表明环路同步。按动开关KB，使灯LED729由灭变亮，此时将来自数字信号源的数字信号送出。
6、用双踪示波器的两个探头同时测量T907和TP902(13OUT)处的波形，调节电位器W905（模拟驱动调节）和W909（幅值调节），直到波形相同为止，信号的幅度可以不同。
7、用示波器测量T901(15_DIN)和T902(15_DOUT)的波形，观察经波分复用和解复用后的信号是否相同。
8、观测数字信号源模块和数字终端的二极管发光的个数与顺序，验证数据光纤传输后的正确性。
9、根据以上实验设计两路数字信号波分复用后光纤传输实验。
10、实验完成后，关闭交流电源，拆除各个连线，将所有的开关拨向下，将实验箱还原。
六、实验结果
七、思考题答案
1、说明时分复用与光波分复用的异同点。
2、如果采用多个波长进行波分复用，对实验箱和波分复用器有何要求？
实验八 光纤活动连接器损耗测试实验
一、实验目的
1、了解光纤活动连接器插入损耗测试方法
2、了解光纤活动连接器回波损耗测试方法
3、掌握它们的正确使用方法
二、实验要求
1、测量活动连接器的插入损耗
2、测量活动连接器的回波损耗
三、实验仪器
1、ZY1804I型光纤通信原理实验系统 1台
2、FC接口光功率计 1台
3、万用表 1台
4、FC-FC单模光跳线 2根
5、FC-FC适配器 1个
6、Y 型分路器 1个
7、连接导线 20根
四、实验原理
一个完整的光纤通信系统，除光纤、光源和光检测器外，还需要许多其他光器件，特别是无源器件。这些器件对光纤通信系统的构成、功能的扩展或性能的提高，都是不可缺少的。虽然对各种器件的特性有不同的要求，但是普遍要求插入损耗小，反射损耗打、工作温度范围宽、性能稳定、价格便宜等。
光纤活动连接器也称为适配器或是FC-适配器，是连接两根光纤或光缆形成连接光通路且可以重复装拆的无源器件。其外形与普通电缆连接器有点相似，但其内部结构复杂，机械加工精度要求高。主要技术要求是插入损耗小，拆卸方便，互换性好，重复插拔的寿命长。它还具有将光纤与有源器件、光纤与其它无源器件、光纤与系统和仪表进行活动连接的功能。
评价一个活动连接器的性能指标有很多，其中最重要的指标有4个，即插入损耗、回波损耗、重复性和互换性。
光纤活动连接器插入损耗是指光纤中的光信号通过活动连接器之后，其输出光功率相对输入光功率的分贝数，计算公式为：
（32-1）
其中P0为输入端的光功率，P1为输出端的光功率。
对于多模光纤连接器来讲，注入的光功率应当经过扰模器，滤去高次模，使光纤中的模式为稳态分布，这样才能准确地衡量连接器的插入损耗。光纤活动连接器的插入损耗越小越好。
光纤活动连接器插入损耗测试方法为：向光发端机的数字驱动电路送入一伪随机信号（长度为24位），保持注入电流恒定。将活动连接器连接在光发端机与光功率计之间，记下此时的光功率P1；取下活动连接器，再测此时的光功率，记为P0，将P0、P1代入32-1式即可计算出其插入损耗。其实验原理框图如图32-1所示。
活动连接器的回波损耗：向光发端机的数字驱动电路送入一伪随机信号（长度为24位），保持注入电流恒定。按照图32-2（a）组成光功率测试系统，测得此时的光功率为P1。将活动连接器按图32-2（b）接入。测得此时的光功率为P2，将P1、P2代入公式（32-2）即可计算出其回波损耗R。
（32-2）
图32-1 活动连接器插入损耗的测量原理图
五、实验步骤
a、活动连接器插入损耗测量
1、用连接线连接中央控制器M和T903 (13_DIN)。
2、将开关BM901拨为1310nm，将开关K902拨为“数字”，将电位器W901、W907逆时针旋转到最小。
3、旋开1310nm光发端机保护帽，利用FC-FC单模光跳线将其和光功率计连接起来。并将光功率计的波长设置为1310nm。
4、打开交流电源。
5、慢慢调节电位器W901（数字驱动调节），用万用表测量T904（TV+）和T905(TV-)两端电压（红表笔插T904，黑表笔插T905），使之为17mV左右。
6、读出此时光功率计的数值，此数据即为活动连接器的输入功P0。
7、拆除1310nm光发端机和光功率计的连接，用FC适配器将1310nm光发端和光功率计连接起来。
8、读出此时光功率计的数值，此数据即为插入活动连接器的输出功率P1。
9、将所测得的数值P0和P1代入式（32-1）计算所得的结果即为活动连接器的插入损耗。
b、活动连接器回波损耗测量
10、保持a中连线不变，拆除活动连接器和1310nm光发端机的连接，按照图32-2（a）将Y型分路器OUT1和1310nm光发端机连接，Y型分路器IN和光功率计的连接，测量此时的光功率数值P1。
11、按照32-2（b）中的连接在方式在线路中接入活动连接器，利用光功率计测量此时的光功率值P2。
12、将所测的光功率值P1和P2代入式（32-2）计算可得回波损耗R。
13、实验完成后，关闭交流电源，拆除各个连线，将所有的开关拨向下，将实验箱还原。
六、实验结果
七、思考题答案
1、分析活动连接器插入损耗产生原因。
2、当Y型分路器的分光比为1：4时，设计测试活动连接器的回波损耗实验，并推导出计算公式。
3、分析Y型分路器对光纤活动连接器回波损耗测试的影响。
实验九 分路器损耗和分光比测试实验
一、实验目的
1、了解光无源器件，Y型分路器的工作原理及其结构
2、掌握它们的正确使用方法
3、掌握它们主要特性参数的测试方法
二、实验内容
1、测量Y型分路器的插入损耗
2、测量Y型分路器的附加损耗
3、测量Y型分路器的分光比
三、实验仪器
1、ZY1804I型光纤通信原理实验系统 1台
2、FC接口光功率计 1台
3、万用表 1台
4、FC-FC适配器 1个
5、Y 型分路器 1个
6、连接导线 20根
四、实验原理
光通信系统的构成，除需要光源器件和光检测器件之外，还需要一些不用电源的光通路元、部件，我们把它们统称为无源器件。它们是光纤传输系统的重要组成部分。
光无源器件包括光纤活动连接器（平面对接FC型、直接接触PC型、矩形SC型）、光衰减器、光波分复用器、光波分去复用器、光方向耦合器（例如：Y型分路器、星型耦合器）、光隔离器、光开关、光调制器等。
本实验重点介绍Y型分路器，下一实验重点讲光波分复用器。
在应用这些无源器件时必须考虑无源器件的各项指标，如Y型分路器（1分2的光耦合器）的插入损耗，分光比，波分复用器的光串扰等。下面对Y型分路器损耗及特性分别进行测试。
Y型分路器的技术指标一般有插入损耗（Insertion Loss）、附加损耗（Excess Loss）、分光比和方向性、均匀性等，在实验中主要测试Y型分路器的插入损耗，附加损耗及分光比。
就Y型分路器而言，插入损耗定义为指定输出端口的光功率相对全部输入光功率的减少值。插入损耗计算公式为33-1式。
(33-1)
其中，I.Li为第i个输出端口的插入损耗，Pouti是第i个输出端口测到的光功率值，PIN是输入端的光功率值。
附加损耗是由散射、吸收和器件缺陷产生的损耗。Y型分路器的附加损耗定义为所有输出端口的光功率总和相对于全部输入光功率的减小值。附加损耗计算公式为33-2式。
（33-2）
对于Y型分路器，附加损耗是体现器件制造工艺质量的指标，反映的是器件制作过程带来的固有损耗；而插入损耗则表示的是各个输出端口的输出光功率状况，不仅有固有损耗的因素，更考虑了分光比的影响。因此不同类型的光纤耦合器，插入损耗的差异，并不能反映器件制作质量的优劣，这是与其他无源器件不同的地方。
分光比是光耦合器件所特有的技术术语，它定义为耦合器各输出端口的光功率和全部输出光功率的比值，在具体应用中通常用相对输出总功率的百分比来表示。
（33-3）
例如对于Y型分路器，1：1或50：50代表了输出端相同的分光比。即输出为均分的器件。在实际工程应用中，往往需要各种不同分光比的器件，可以通过控制制作方法来改变光耦合器件的分光比。
测试Y型分路器的插入损耗、附加损耗和分光比时，其测试实验框图如图33-1所示。
测试方法为：先测试出光源输出的光功率P0，将Y型分路器接入其中组成图33-1所示
图33-1 Y型分路器性能测试实验框图
测试系统后，分别测出Y型分路器输出端的光功率P1和P2，代入33-1，33-2，33-3式即可得到待测Y型分路器的性能指标。
五、实验步骤
a、Y型分路器插入损耗测量
1、用连接线连接中央控制器M和T903 (13_DIN)。
2、将开关BM901拨为1310nm，将开关K902拨为“数字”，将电位器W901、W907逆时针旋转到最小。
3、旋开1310nm光发端机保护帽，利用FC-FC单模光跳线将其和光功率计连接起来。并将光功率计的波长设置为1310nm。
4、打开交流电源。
5、慢慢调节电位器W901（数字驱动调节），用万用表测量T904（TV+）和T905(TV-)两端电压（红表笔插T904，黑表笔插T905），使之为17mV左右。
6、读出此时光功率计的数值，此数据即为Y型分路器的输入功PIN。
7、拆除1310nm光发端机和光功率计的连接，将Y型分路器光纤接头插入1310nm光发端机。 同时将Y型分路器光纤输出接头OUT1（两个任何一个都可以，这里记为OUT1）和光功率计连接起来。
8、读出此时光功率计的数值，此数据即为插入Y型分路器后的输出功率Pout1。
9、将所测得的数值Pi和Pout1代入式（33-1）计算所得的结果即为Y型分路器的插入损耗。
b、Y型分路器附加损耗测量
10、保持a中连线不变，拆除Y型分路器OUT1和光功率计的连接，将功率计和Y型分路器OUT2连接起来，测量此时的光功率数值Pout2。
11、将两次所测的值Pout1 ，Pout2和PIN代入式（33-2）计算所得的结果即为波分复用器的附加损耗。
c、Y型分路器分光比测量
12、将提上所测量的值Pout1 ，Pout2和PIN代入式（33-3），分别计算两个输出端口的分光比。
13、实验完成后，关闭交流电源，拆除各个连线，将所有的开关拨向下，将实验箱还原。
六、实验结果
七、思考题答案
1、Y型分路器的分光比和实际所测得值有差异，为什么？
实验十 波分复用器插入损耗和光串扰测试实验
一、实验目的
1、了解波分复用器的工作原理及其结构
2、掌握它们的正确使用方法
3、掌握它们主要特性参数的测试方法
二、实验内容
1、测量波分复用器的插入损耗
2、测量波分复用器的光串扰
三、实验仪器
1、ZY1804I型光纤通信原理实验系统 1台
2、FC接口光功率计 1台
3、万用表 1台
4、FC-FC适配器 1个
5、波分复用器 2个
6、连接导线 20根
四、实验原理
波分复用器/解复用器是一种与波长有关的耦合器。波分复用器的功能是把多个不同波长的发射机输出的光信号组合在一起，输出到一根光纤；解复用器是把一根光纤输出的多个不同波长的光信号，分配给不同的接收机。
波分复用器是波分复用系统中的重要组成部分，为了确保波分复用系统的性能，对波分复用器的一般要求是：插入损耗小、光串扰小、隔离度大、带内平坦，带外插入损耗变化陡峭、温度稳定性好，复用路数多等。本实验主要用来测试波分复用器的插入损耗和光串扰。
1、插入损耗
插入损耗是指由于增加光波分复用器/解复用器而产生的附加损耗，定义为该无源器件的输入和输出端口之间的光功率之比，即
(34-1)
其中Pi是发送进入输入端口的光功率；Po是从输出端口接收到的光功率。在具体的测试时，我们先用光功率计测量未加入波分复用器时的光功率Pi，再测量加入波分复用器后输出端口的光功率Po，然后带入式34-1 后计算可得出波分复用器的插入损耗。
2、光串扰的定义及其测试方法
波分复用器的光串扰（隔离度），为波分复用器输出端口的光进入非指定输出端口光能量的大小。其测试原理图如图34-1所示。
图34-1 波分复用器光串扰测试原理图
上图中波长为1310nm、1550nm的光信号经波分复用器复用以后输出的光功率分别为P01、P02，解复用后分别输出的光信号，此时从1310窗口输出1310nm的光功率为P11，输出1550nm的光功率为P12；从1550窗口输出1550nm的光功率为P22，输出1310nm的光功率为P21。将各数字代入下列公式：
（34-2）
（34-3）
上式中L12 、L21即为相应的光串扰。
由于便携式光功率计不能滤除波长1310nm只测1550nm的光功率，同时也不能滤除1550nm只测1310nm的光功率。所以改用下面的方法进行光串扰的测量。
测量1310nm的光串扰的方框图如34-2（a）所示。
测量1550nm的光串扰的方框图如34-2（b）所示：
在这种方法中，光串扰计算公式为：
（34-4）
（34-5）
上式中L12，L21即是光波分复用器相应的光串扰。
五、实验步骤
a、波分复用器插入损耗测量
1、用连接线连接中央控制器M和T901(15_DIN)。
2、旋开1550nm光发端机保护帽，利用FC-FC单模光跳线将其和光功率计连接起来。并将光功率计的波长设置为1550nm。
3、打开交流电源。
4、读出此时光功率计的数值，此数值即为激光器的输出功率Pi。
5、拆除1550nm光发端机和光功率计的连接，将波分复用器（A）标有“1550nm”的光纤接头插入1550nm光发端机，同时将波分复用器（A）标有“1310nm”的光纤接头用保护帽遮盖起来。
6、将波分复用器光纤输出接头和光功率计连接起来。
7、读出此时光功率计的数值，此数据即为插入波分复用器后的输出功率Po。
8、将所测得的数值Pi和Po代入式（34-1）计算所得的结果即为波分复用器的插入损耗。
b、波分复用器的光串扰测量
9、拆除a中光功率计和波分复用器的连接，其余的连线保持不变。同时用FC-FC适配器将两个波分复用器“IN”端相连。
10、用光功率计测得此时波分复用器（B）标有“1550nm”端光功率为P22，测得标有1310nm端光功率为P21。
11、拆除波分复用器“IN”端FC-FC适配器，测得波分复用器（A）标有“IN”端输出光功率为P2。
12、将所得光功率数据代入公式34-5计算波分复用器的光串扰。
13、根据34-2（a）测试框图和上述波分复用器1550nm光功率串扰的方法，设计步骤并测试1310nm光串扰。(注意1310nm光端机驱动电流调节为17mA左右)。
14、将所得光功率数据代入公式34-4计算波分复用器的光串扰。
15、实验完成后，关闭交流电源，拆除各个连线，将所有的开关拨向下，将实验箱还原。
六、实验结果