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光学与光纤通信实习指导书光学与光纤通信实验基地
2004.txt11生命是盛开的花朵，它绽放得美丽，舒展，绚丽多资；生命是精美的小诗，清新流畅，意蕴悠长；生命是优美的乐曲，音律和谐，宛转悠扬；生命是流淌的江河，奔流不息，滚滚向前光学与光纤通信实习指导书光学与光纤通信实验基地2004年12月目第一篇:光纤通信技术实习指导书录光纤器件使用必读…………………………………………………1光纤通信实验系统简介………………………………………………3第一章实验一实验二实验三实验四实验五实验六实验七光纤通信基础实习光纤通信系统信号源单元实验………………………………5光发送系统单元实验………………………………………11光接收系统单元实验………………………………………17光纤通信传输线路码型及其编码/解码实验………………22模拟数字语音信号的光纤通信传输综合实验………27光纤通信系统数字光发送接口指标测试实验……………35光纤通信系统数字光接收接口指标测试实验……………38第二章设计一设计二光纤通信技术设计实习语音光传输系统的设计与制作……………………………42光通信编码解码模块的设计………………………………45第二篇:DWDM光纤通信系统实习指导书第一章波分复用DWDM光纤通信系统实验简介……………………………1第二章系统性能测试……………………………………………………………4实验一实验二实验三实验四实验五实验六发射机及波长转换器OUT测试………………………………4光复用盘OMU/解复用盘ODU性能测试…………………12光放大器性能测试…………………………………………………15光信到监控盘测试…………………………………………………19主光通道的测试………………………………………………………22熔融拉锥波分复用器与耦合器的测试…………………………321实验七实验八基于波长扫描法的偏振模色散测试……………………………34基于光时域反射仪进行光纤长度损耗及断点实验…………………36…………………………………………………38第三章DEMS网管系统实验第三篇第一章光学零件制造工艺实习指导书光学零件制造工艺一般知识
1.1光学零件制造工艺的特点及一般过程………………………………
11.2光学零件制造工艺安全操作知识………………………………………
21.3光学零件和光学零件图…………………………………………………
31.4光学零件的加工余量……………………………………………………5第二章光学零件制造工艺实习
2.1光学零件的粗磨成型工艺………………………………………………
82.2光学零件的细磨工艺…………………………………………………
122.3光学零件的抛光工艺……………………………………………………14第三章光学零件的定心磨边
3.1偏心与定心概述……………………………………………………………
193.2定心磨边工艺第四章……………………………………………………………19光学零件质量检验……………………………………………………………
224.1粗糙度的检验
4.2表面疵病的检验…………………………………………………………22第五章光学零件真空镀膜
5.1光学薄膜及镀制方法分类……………………………………………
245.2真空镀膜原理……………………………………………………………
2725.3真空镀膜设备……………………………………………………………
275.4真空镀膜基本工艺流程………………………………………………
285.5镀膜操作流程……………………………………………………………283第一篇光纤通信技术实习指导书刘海编光学与光纤通信实验基地第一篇光纤通信技术光纤器件使用必读一光纤的使用和保护光纤通信技术实验中使用的是两米长的多模光纤跳线注:光纤跳线是一种较短的光纤连接线.光纤是用石英SiO2材料制成的外径为125μm左右的细玻璃丝属于一种硬度很高的无延展性的易碎材料比头发丝还细.光纤不能受压受拉不能折叠绝对禁止直角弯曲只能按照一定的弯曲半径将光纤绕成环状弯曲半径一般不应小于5厘米.光纤在放置不用时光纤跳线两头均由保护套保护着.对于光纤保护套的安装及拆取注意遵循以下步骤:1拆取:从光纤上取下保护套时用手捏住保护套的末端向外轻拉直到全部抽出保护套取下后要妥为放置;2安装:将光纤套入保护套是取下的逆过程实验结束后一定要注意将保护套套回光纤跳线.在光纤跳线的使用过程中切勿用手触摸接头.若接头被不慎弄脏需立即用酒精轻轻擦拭.光纤跳线采用的是ST型活动连接器这种接头与传统的BNC电缆接头相似只是尺寸有所缩小.二激光发送/接收模块的使用和保护激光发送/接收模块属于易损昂贵器件在实验使用和操作过程中应加倍小心防止激光器件的损坏.在本光纤通信实验系统中所采用的光器件是安捷伦公司的HFBR-1414T激光发送模块和HFBR-2416T激光接收模块.两个器件的光接口均为ST型连接器采用全塑材料.在实验系统中激光器件已经事先安装好光纤跳线也已经连接在激光器件上.每个激光器件和光纤跳线都配有保护套这些保护套由器件袋装好放在实验箱里.激光器件保护套和光纤跳线的保护套不一样其拆取及安装的具体方法是:1拆取:按照图I-1中箭头指示的方向旋转激光器件前端的保护套90°然后向外拉出保护套.保护套应该保持其内部前端的清洁防止污染激光器件内部的光通道和激光芯片.2安装:将保护套套入激光器件是取下的逆过程当不使用激光器件是应该立即将保护套套入激光器件以保护激光器件免受灰尘等污染.在实验过程中光纤跳线和激光器件的连接和拆取都必须在关掉电源后1进行操作否则会造成光纤跳线和激光器件的致命性损坏.在实验进行的任何时候一定要注意避免把光纤对准自己或别人的眼睛否则会对眼睛造成永久性伤害.三ST型光纤连接器的使用方法在本光纤通信技术实验中采用的ST型光连接器其结构如图I-1所示.这种连接器形如插口型灯座与传统的BNC电缆连接器十分相似只是尺寸有所缩小.进行光纤和激光器件的连接时首先将光纤跳线上的小凸起对准激光器件前端的凹槽将光纤跳线推入然后象安装Q9电缆一样将光纤跳线的外面的挂钩钩住光收发模块上的凸起.在实验结束后需要将光纤跳线卸下来并立即将所有的保护套装回光纤跳线放到器件袋中以免损坏或弄脏光接口.图I-1ST型光连接器结构图正确的安装和拆卸过程不需要使用蛮力如果觉得安装过程中确有问题须立即向老师报告不要擅自处理否则会造成光纤跳线和激光器件的致命性损坏.2光纤通信实验系统简介一概述光纤通信是以光波为载波光纤为传输媒介的通信方式.在光纤通信系统中传输的信息如电话和数据等电信号首先在系统的发送端转变为光信号将低频电信号调制到高频的光载波上即光调制;已调制的光载波经光纤传输到接收端然后将光信号转变为电信号再从解调光波中取出低频电信号即光解调.光纤通信有许多优点比如速度快容量巨大抗干扰能力强等所以自1966年高锟博士发明光纤以来光纤通信取得了令人瞩目的成就.现在光纤通信已经成为一种越来越重要的通信手段.基本的光纤通信系统如图II-1所示它包括电端机光端机和光纤光缆.电端机的功能是将准备传输的信息转换为合适的电信号或者是从电信号中将信息提取出来;光端机主要用于完成电信号和光信号之间的相互转换;光纤光缆则用于将调制的光信号从一端传到另一端.图II-1光纤通信系统基本构成本实验系统在参照实际光纤通信系统基本组成的基础上结合实验教学的需要设计了一套相对完整的光纤通信实验系统该系统包括信号源光发送光接收光线路编译码语音信号光传输等单元并开设了丰富的实验内容.通过这些实验学习和动手实践可以加深大家对光纤通信的感性和理性认识使理论和实践结合起来锻炼大家的实际动手能力.二实验内容本光纤通信技术实验的内容主要由基础实验和设计实验两个部分构成分别包含以下内容:
1.光纤通信技术基础实验实验一光纤通信系统信号源单元实验实验二光发送系统单元实验实验三光接收系统单元实验实验四光纤通信传输线路码型及其编码/解码实验实验五模拟数字语音信号的光纤通信传输综合实验实验六光纤通信系统数字光发送接口指标测试实验实验七光纤通信系统数字光接收接口指标测试实验
2.光纤通信技术设计实验3设计一语音光传输系统的设计与制作设计二光通信编码解码模块的设计三实验报告要求实验报告是实验学习的一个重要组成部分应给予充分的重视.实验前应认真阅读实验指导书明确实验目的了解实验原理内容掌握实验步骤及注意事项并写出预习报告报告内容包括:
1.实验目的
2.实验仪器设备连接方框图并标明测试点
3.实验记录表格及测试步骤
4.实验指导书上规定的其它内容做完实验后应进行总结内容包括
5.实验仪器名称型号和编号
6.实验数据整理实验现象分析
7.实验方法及仪器使用总结
8.问题讨论实验报告应按规定格式按时交给实验指导教师.4第一部分实验一一实验目的和内容光纤通信基础实验信号源单元实验
1.熟悉本光纤通信实验系统的电路组成了解各实验模块的功能.
2.掌握信号源中模拟信号数字伪随机序列的产生原理和方法.
3.学会通过计算机串口进行数字信号发送/接收的方法.二实验预习要求
1.了解模拟正弦波信号三角波信号数字伪随机序列信号等的产生原理和电路;
2.了解计算机串行端口和RS232串行通信标准的有关知识;
3.熟悉示波器万用表等仪表的基本操作.三实验基本原理
1.实验系统基本构成本光纤通信实验硬件系统主要由模拟信号单元数字信号单元计算机接口单元数字信号编译码单元光发送单元光接收单元语音输入单元语音输出单元等八个模块构成.下面对各个单元模块进行简单的介绍.1模拟信号单元本单元可以分别产生标准的正弦波三角波和方波信号频率范围从1KHz～20KHz可调.方波可以调节占空比信号的幅值也可以通过电位器进行调节.2数字信号单元本单元包含一个伪随机码产生电路该电路可以输出一个15位的数字伪随机序列信号码型为NRZ单极性非归零码波形信号频率可以为2KHz4KHz8KHz16KHz32KHz64KHz.3计算机接口单元本单元包括RS232接口电路和电平转换电路可以把计算机生成的各种数字信号通过串行接口传送到实验板上并把RS232电平转换为TTL电平形成标准的NRZ数字波形.同时本单元还可以把实验板上的数字信号通过电平转换和RS232接口传送到计算机在屏幕上加以显示.4数字编译码单元本单元通过与数字信号源或计算机接口送出的数字信号相连接把NRZ码进行CMI编码;同时可把外部输入的CMI码进行译码输出NRZ码信号.5光发送单元本单元为光纤通信实验系统的核心模块之一用于完成数字信号和模拟信号的电-光转换把电信号无失真的转换为光信号送出到光纤中进行传输.56光接收单元本单元也是光纤通信实验系统的核心模块用于完成光信号的光-电转换将光纤中传出的光信号无失真的转换为相应的数字信号和模拟信号提供给其它电路进行处理.7语音输入单元本单元通过拾音器电路完成声-电转换把外接麦克风采集的声音信号转换为电信号并进行放大输出.8语音输出单元本单元通过扬声器电路完成电-声转换把接收的电信号进行处理和放大然后驱动扬声器进行播放.本实验系统的软件部分包括一个实验软件和一个基于声卡的虚拟仪器软件.实验软件的主要功能是通过计算机产生任意长度的数字信号和特定帧格式的数据信号并能对它们进行CMI码Manchester码1B1H码PN码的编译码.利用计算机的串行接口可以把这些数字信号传送到实验板上也可以接收实验板送出的数字信号.基于声卡的虚拟仪器软件则是指利用声卡的数据采集等功能实现的音频范围内的虚拟示波器.此外它还具有信号发生器频率计万用表的功能通过外接的测试线和简单的测试电路完全可以替代上述仪器.
2.模拟信号源的工作原理本实验所用到的主要芯片为ICL8038其工作频率范围在几赫兹至几百千赫兹之间它可以同时输出方波或脉冲波三角波正弦波.电阻R1与电位器RP1用来确定
⑧脚的直流电位V8通常取V8≥2/3VCCAB越小II输出频率越低反之亦然.RP1可调节的频率范围为20Hz-20kHz.VCC采用双电源供电时输出波形的直流电平为零采用单电源供电时输出波形的直流电平为VCC/
2.方波可以调节占空比信号的幅值也可以通过电位器进行调节.本次实验中所用到的模拟信号主要是标准的正弦信号三角波信号和方波信号其频率范围从1KHz到20KHz可以根据实验需要调整参数得到不同频率的波形.正弦波和三角波信号产生的电路原理图如图1-2所示.6图1—1ICL8038使用电路原理图
3.数字伪随机序列的产生原理在数字通信中常用伪随机序列信号作为信号源来对通信设备进行测试或检修.伪随机信号的特点是它类似于随机信号出现1和0的概率是相等的数字信号序列的直流成分几乎为零.图1—3用两块74LS74双D触发器组成15位序列信号产生电路其中U17为异或门称为反馈控制电路.若电路的初始状态为Q4Q3Q2Q1=1000图1-2标准正弦波三角波和方波产生电路原理图7图1—374LS74触发器组成15位伪随机序列信号产生电路原理图可由置数脉冲CR的负跳变或低电平加到D触发器的置数端S和复位端R来实现在时钟脉冲CP顺序输入时电路各级触发器的输出如下表所示.其中Q4输出的15位序列信号为
000100110101111.表1—1CP0123456789101112131415D41001101011110001000100110101111015位序列信号输出Q31000100110101111Q20010011010111100Q10100110101111000Q
44.计算机串口数据收发原理和实验软件操作串行通信是指数据信息被分解为顺序排列的位流在单一的信道上进行传输每次传送的信息为一位码元例如一个字节有8Bit则分解为8个码元按一定的时序传送这种方式即为串行通信.串行通信在通信领域被广泛应8用标准的RS232接口已成为计算机交换机和许多通信设备的标准接口.一般说来计算机都有一个或多个串行端口它们依次为COM1COM
2...这些串口提供了外部设备与计算机进行数据传输和通信的通道.本实验系统采用RS232串口通信标准通过计算机的COM串行端口实现实验板和计算机之间的数据连接.RS232采用负逻辑电平工作逻辑1为-5V—--15V逻辑0为+5V—+10V这与实验板上采用的数字电平——TTL电平不兼容因此采用电平转换芯片来进行RS232电平和TTL电平之间的相互转换.EIA-RS-232C对电器特性逻辑电平和各种信号线功能都作了规定.在TxD和RxD上:逻辑1MARK=-3V～-15V逻辑0SPACE=+3～+15V.在RTSCTSDSRDTR和DCD等控制线上:信号有效接通ON状态正电压=+3V～+15V信号无效断开OFF状态负电压=-3V～-15V.本电路采用三线连接方法.由于逻辑电平不匹配需进行转换.逻辑电平转换由MAX232来完成MAX232内部有电压倍增电路和转换电路只需+5V电源.一个MAX232芯片可连接两对收发线所以允许双机全双工通信.但实际条件所限只有一根光纤作为传输信道所以增设微拨开关使得每次光纤做单向通道.具体操作如下:当23闭合时A机自发自收;当24闭合时A机发送B机接收;当14闭合时B机自发自收;当13闭合时B机发送A机接收.RS232接口和电平转换电路的原理图如图1-5所示.图1-5RS232接口和电平转换电路原理图9在实验软件中通过对计算机串行端口的选择和波特率的设置就可以实现计算机和实验板的数据连接.计算机串行端口一般有四个选择:COM1COM2COM3和COM4根据实验板和计算机的连接情况确定一般选择COM1或COM2口.通信波特率的设置有300波特600波特1200波特2400波特4800波特等不同的速率选择可根据实验的要求进行确定.四实验项目及步骤
1.模拟信号源电路测试和波形观察1根据电路原理图对电路进行测试确认电路正常工作;2用示波器观察模拟信号源的各测试点波形;3对正弦波三角波和方波的幅度失真度和占空比等参数进行适当调节观察各测试点波形的变化.
2.伪随机数字信号的产生和测试1根据电路原理图对电路进行测试确认电路正常工作;2用示波器观察伪随机码电路的各测试点波形.
3.计算机串口的测试和软件操作1根据电路原理图对计算机接口电路进行检查确认其正常工作;2用串口连接线将计算机串口和实验电路连接起来运行串口通信软件观察数据收发情况.五实验报告要求
1.整理实验记录在坐标纸上画出实验中测试的各种信号波形.
2.根据实验测试结果对信号源和接口电路的工作原理和情况进行分析.六思考题
1.光纤通信系统能否同时传输模拟和数字信号
2.通过计算机是否只能产生数字信号提出一种产生模拟信号的方法.10实验二一实验目的和内容光发送系统单元实验
1.了解光纤通信中光信号发送的原理和方法;
2.了解光通信用光源的特性和有关参数;
3.掌握光发送模块中电-光转换的原理和电路技术;
4.理解模拟信号和数字信号在光发送过程中的特点和差异.二实验预习要求
1.阅读《光纤通信原理和技术》有关光源和光发送系统的内容;
2.熟悉光功率计的工作原理和使用方法.三实验基本原理在光纤通信系统中用于完成电-光转换实现光信号传送的光发送部分是整个系统的核心之一.光发送模块的好坏与整个系统的性能有很大的关系.在这个部分的设计过程中应根据实际情况选择合适的激光器件尽可能的提高激光器的电光转换效率减小动态阻抗提供合适的工作电流优化激光器的调制效率使光发送模块能稳定高效的工作.光纤通信光发送系统原理框图如图2-1所示.图2—1光纤通信光发送系统原理框图其中各部分用途如下:
1.信号源:产生如正弦波三角波阶梯波方波脉冲波等模拟或数字信号;信号选择开关:选择信号源所产生波形中的一种;
2.切换电路:完成光发送模块的输入信号的切换即模拟信号与数字信号的切换其中含光源工作与否的控制开关;
3.驱动电路模拟或数字:对光源进行调制控制光源的振荡参数如光强频率等得到光频的调幅波或调频波将需传输的电信号调制到光载波上;给光源一个预偏置电流;
114.光源:产生光载波并将经调制的载波发送传输.在信号的光纤通信传输中由于模拟信号和数字信号具有各自的特点其调制和驱动激光器产生光信号的方法也具有相应的特点不能采用同一个电路来实现.下面具体从激光器组件模拟/数字信号切换数字信号驱动模拟信号驱动四个方面分析它们的电路组成及原理.1激光器组件一般来说光纤通信系统对光源的要求主要有以下几个方面:发射波长与使用的光纤传输窗口波长一致;调制容易线性好带宽大;输出谱窄以降低光纤色散的影响;辐射角小与光纤的耦合效率高;寿命长体积小耗电省等.能满足上述要求且已广泛应用于光纤通信系统的有两种半导体光源:发光二极管LED和激光二极管LD.这两种光源的主要区别在与:LED输出的是非相干光其谱宽宽入纤功率小调制速率低;LD是相干光输出而谱宽窄入纤功率大调制速率高.LED适宜于短距离低速系统后者适宜于长距离高速系统.本实验系统中由于对传输速率和通信距离均要求不高因此选用了LED作为发送光源.我们采用的是安捷伦公司高性能的半导体通信光源组件——HFBR-1414T下面对其作一具体介绍.1工作参数:HFBR-1414T是安捷伦公司的高性能的半导体通信光源其接口电平为TTL或EDL工作波长为850nm其具体参数分别如表2-1和表2-2所示.表2-1HFBR-1414T光源组件绝对参数参数名称贮藏温度工作温度焊接温度焊接时间前向输入电流DC反相电压表2-2参数名称前向电压代号VF代号SA最小值50最大值5560000单位秒ADCRHFBR-1414T光源组件电/光性能0-70℃最小值
1.1-典型值
1.4-
1.5最大值
1.7-单位VmV/℃参考条件1F=75mA-前向电压温度系数△VF/△T12中心波长半幅全宽结电容光功率温度系数热阻λCFWHMCT△PT/△TΘJA750----85013016-
0.03260870185---NmnmpFdB/℃℃/W--VF=0Vf=1MHZIF=75~100mADC-2特性曲线HFBR-1414T光源组件的有关特性曲线如输入电压与工作电流关系曲线V-I曲线工作电流与光功率关系曲线P/I曲线等如下图所示.图2-2输入电压与工作电流关系图2-3工作电流与光功率关系3模块外形及管脚分配HFBR-1414T的模块外形封装如图2-4所示各管脚功能分配表见表2-
4.13图2-4HFBR-1414外形封装及尺寸图表2-3HFBR-1414T管脚功能分配表管脚功能123NCANODECATHODE4NC5ANODE6NC7NC8NC4典型外接电路HFBR-1414T的外部连接电路比较简单如图2-5所示.图2-5HFBR-1414T典型外接电路原理图2信号切换电路该部分电路的主要功能是完成模拟信号和数字信号之间的切换功能.其原理方框图如图2-6所示.控制开关模拟信号切换电路数字信号图2-6信号切换原理框图光源模块光纤本电路通过两个双刀双掷自锁开关实现光发送模块的工作控制和输入信号切换即模拟信号与数字信号的切换.切换开关未按下时处于数字信号传送方式;按下时处于模拟信号传送方式.控制开关未按下时激光器件处于停止工作状态;按下后激光器件进入工作状态.3数字信号驱动工作原理该部分由数字信号驱动LED光源组件产生光信号.因此通过74HC0014构成的整形驱动电路完成数字信号的电平转换及驱动电流的产生.本部分的原理框图以及电路原理图分别如图2-7图2-8所示.差分驱动电路信号切换电路数字信号源数字接口图2—7数字信号驱动部分原理框图图2—8数字信号驱动电路原理图4模拟信号驱动工作原理该部分由模拟信号驱动LED光源组件产生光信号.通过由三极管阻容元件等组成的电路把从信号源送来的模拟信号进行适当的处理经放大驱动后送入信号切换单元驱动光源模块HFBR-1414T产生光信号.该部分的电路原理图如图2-9所示.图中通过调整可调电阻阻值为
4.7K使电路适应不同的输入阻抗一般经调整好后不需要更改.通过对输出端两个电阻联合调整可以控制注入半导体光源的电流同时以满足低输出阻抗在调节过程中要用示波器边调边观测监测其注入电流的大小一经调整好就不需要改动否则有烧毁激光器的危险.15图2—9模拟信号驱动部分原理图四实验项目及步骤
1.熟悉光发送单元模块的工作原理及结构组成.1了解半导体LED光源组件HFBR-1414T的性能及在操作上应注意的事项;2掌握光发送单元模拟信号驱动部分和数字信号驱动部分的工作原理和电路结构.
2.测量并计算LED光源的驱动电流.1在模拟信号驱动的条件下观察LED光源组件的输出波形测量并计算驱动电流的大小;2在数字信号驱动的条件下观察LED光源组件的输出波形测量并计算驱动电流的大小.
3.LED光源的输出功率和注入电流的关系曲线——P/I曲线.1采用模拟信号驱动LED光源组件用光功率计测量其输出的光功率大小;2改变模拟信号的幅值大小重新测量此时的光功率;3重复上述步骤得到不同输入幅值时输出的光功率大小根据这些数据可以绘制出LED光源的P/I特性曲线.五实验报告要求
1.整理实验记录在坐标纸上画出相应的信号波形.
2.计算LED光源驱动电流写出具体计算过程.
3.根据实验数据绘制输出功率和注入电流的关系曲线.六思考题
1.光源的驱动电流如果过大或过小会产生什么结果
2.光源的P/I特性曲线能说明哪些问题
3.模拟信号驱动和数字信号驱动的区别有哪些16实验三一实验目的和内容光接收系统单元实验
1.了解光纤通信中光信号检测的原理和方法;
2.了解光通信用光电探测器的特性和有关参数;
3.掌握光接收模块中光-电转换的原理和电路技术.二实验预习要求
1.阅读《光纤通信原理和技术》有关光探测器和光接收系统的内容;
2.熟悉光功率计的工作原理和使用方法.三实验基本原理在光纤通信系统中实现信号的光-电转换完成光信号检测的光接收单元也是系统核心组成部分之一.光接收模块的好坏直接影响着整个系统的性能.光接收模块通过光电探测器完成光信号的检测然后将探测器输出的微弱电信号进行处理使之恢复到原来的信号波形并得到放大.本实验系统的光接收单元主要包括光检测模块隔离滤波电路和信号放大电路其组成框图及工作电路原理图如图3-1和图3-2所示.下面分别介绍其工作原理.光纤光检测模块HFBR-2416图3-1隔离电路主信号放大电路光接收单元组成框图输出端口图3-2光接收单元电路原理图
171.光检测模块光检测模块主要包括光电探测组件和偏置电路.本实验系统中使用的光电探测组件是安捷伦公司生产的与HFBR-1414T光源组件属于同一个系列的HFBR-2416T高性能光检测组件.它可以将探测到的光信号转变成微弱的电信号经内部低噪声放大后缓冲输出.1性能参数HFBR-2416T内部包含一个PIN光电二极管和低噪声前置放大集成电路它的频率响应从直流一直到125MHz.它属于模拟光监测器但是它完全可以兼容数字光纤通信系统.HFBR-2416T的各种性能参数分别如表3-13-2所示.表3—1参数名称贮藏温度工作温度焊接温度焊接时间信号脚电压电源电压输出电流表3—2参数名称响应度RMS输出噪声电压峰值输入功率输入阻抗输出直流电压工作电流HFBR-2416T光探测组件的绝对参数最小值-55-40---
0.5-
0.5-最大值858526010VCC
6.025单位o代号TsTA--VoVCC-VEEIoCCCoo秒VVMAHFBR-2416T光探测组件的电-光动态性能最小值
5.3----
4.2-典型值
70.4-30-
3.19最大值
9.
60.59-
7.6--
2.415单位MV/usmVRMSdBMOhmVmA条件p=820nm50HZ75MBDPR=0uW50M1nsPWDF=50MPr=0uWRLOAD=∞代号RpVNOPRROVODCICC182内部结构HFBR-2416T光探测组件的内部集成了PIN光电二极管和低噪声前置放大电路其简化的原理结构图如图3-3所示.3特性曲线HFBR-2416T光探测组件的各种典型特性曲线如图3-4所示.图3-3HFBR-2416T原理结构简图a输出均方噪声vs.频率b脉冲宽度vs.峰值输入功率19c上升下降时间vs.温度图3-4d接收光谱响应曲线HFBR-2416T的各种典型特性曲线4模块外形及管脚分配
2.HFBR-2416T的模块外形封装如图3-5所示各管脚功能分配表见表3-
3.
3.隔离滤波电路光检测模块的输出直接送至隔离滤波电路其组成见图3-
2.图中的C108R72R73C3C20组成滤波电路用以滤除不必要的杂波.C109C96实现直流隔离功能.图3-5HFBR-2416T的模块外形封装表3-3HFBR-2416T的管脚功能分配表管脚功能1NC2SIGNAL3VEE4NC5NC6VCC7VEE8NC
4.信号放大电路信号放大电路主要由两级运算放大器组成均采用仪表运放LF
357.LF357为高输入阻抗高速J-FET型运算放大器最高频率可达20MHz.整20个放大电路为线性放大放大倍数达到50倍.四实验项目及步骤
1.熟悉光接收单元模块的工作原理及结构组成.1了解PIN光探测组件HFBR-2416T的性能及在操作上应注意的事项;2掌握光检测模块和信号滤波放大单元的工作原理和电路结构.
2.接收单元输出波形测量并计算电路放大倍数.1用示波器观察光探测模块输出的电信号波形测量信号的电压幅值;2用示波器观察信号放大模块输出的电信号波形测量此时信号的电压幅值;3多次测量后可以计算出光接收电路的放大倍数.3观察并分析示波器眼图.1在实验系统的信号源发送端选择PN码波形并送入光发送单元产生PN码光信号;2用光接收单元检测传来的PN码数字信号将示波器的CH1接时钟信号CH2接输出端口的HFBR-OUT调整示波器使其同步此时可用示波器观察到眼图;3调节光接收单元的参数观察眼图的变化.五实验报告要求
1.整理实验记录在坐标纸上画出相应的信号波形.
2.计算光接收模块的信号放大倍数写出具体计算过程.
3.根据实验现象绘制观察到的示波器信号眼图.六思考题
1.如果去掉隔离滤波电路会对光信号的检测带来什么影响
2.分析实验过程中信号眼图变化的原因.21实验四光纤通信传输线路码型及其编/解码实验一实验目的和内容
1.了解光纤通信中常用线路码型的种类和特点;
2.掌握CMI码Manchester码nBmB码的编译码原理和实现技术.二实验预习要求
1.阅读《光纤通信原理和技术》有关光纤通信线路码型的内容;
2.了解相关编译码电路芯片的结构和功能.三实验基本原理在数字光纤通信传输信道中和数字电缆通信一样通常不直接传送电端机输出的数字信号而是需要经过码型变换使之变换成为适合数字光纤传输信道传输的码型称之为线路码型.适用于光纤通信的线路码有许多种总的来说这些码型都具有以下几个特点:第一适于在不中断通信业务的条件下进行误码检测;第二连0连1的个数少便于定时提取;第三码流的基线漂移小直流成分少;第四码型传输速率增加不多光功率代价较低;第五接收端将线路码还原后误码扩展小;第六从码流中可以得到丰富的定时信息并且带宽较窄.
1.常用线路码型的种类和特点在已有的数字光纤通信系统中采用的线路码多达数十种.不过总的可以归纳成以下三类:1伪双极性码;2mBnB码;3附加奇偶位码.1伪双极性码在数字电缆通信中除常采用HDB3码外还经常采用1码正负极性交替发送的反转双极性码即AMI码它与HBD3码具有相同的优点.但在光纤通信中由于无法得到负光脉冲因而也无法得到AMI码但可以将电端机的输出码型加以适当的变换使之变成为相当于AMI码的单极码从而使作为线路码的光脉冲码流也成为相当于AMI码的单极码它具有AMI的优点称为伪双极性码.常用的伪双极性码型有CMI码和DMI码由01l0ll00四种码组构成.其中码组01和10含有的0和1的个数相等称为均等码;码组00和ll含有的0和l的个数不相等称为非均等码.线路码中模式l和模式2是交替使用的当上次出现非均等码时工作于模式1下一次出现非均等码时工作于模式2而模式1是0多模式2是1多所以全线路码流中0和l的个数是均等的这就可以保证线路码流中无直流起伏减小了基线漂移.2mBnB码mBnB码又称为组码这种线路码的特点是将输入编码器的原始码流例22如PCM终端机的输出码流按m比特mB为单元进行分组每组由mB二进制码组成一个字称为输入码字然后将每个码字在同样长的时间间隙内根据一定的规则将其变换成n比特nB的码流输出因而称之为mBnB码.m和n均为正整数nm且这就意味着在线路码流中引入了一定的冗余度.常用的mBnB码有1B2B码2B3B码3B4B码4B5B码5B7B码6B8B码17B18B码等.3附加奇偶位码附加奇偶位码的特点是:将输入编码器的原始码流按m比特mB分为一组再在每一组的末尾加入一位校正码以保证每一组码中l的个数或0的个数为偶数.因此线路码流中每组为m十1比特常称为mBlP码.附加奇偶位码形式上和mBnB码相似但有实质区别它没有码表编码方法的实现也不同于mBnB码.
2.CMI码的电路实现技术CMI码即传号翻转码1交替地用00和11来表示而0则固定用01来表示因此把信号从1位bit变成2位bit属于二电平的NRZ波形的1B2B码型这种码的特点是有一定的纠错能力并且易于实现易于定时提取因此在低速系统中选为传输码型图4-1为CMI码与NRZ码的对应关系.图4-1CMI码和NRZ码的对应关系1编码电路编码电路用来接收来自信号源的单极性非归零码NRZ码并把这种码型变换为CMI码送至光发送单元其框图如图4-2所示电路原理图如图4-3所示.23图4-2CMI编码原理框图图4-3CMI编码电路原理图单极性码输入该模块后首先用CLK同步例如输入若是传号1则翻转输出如果是空号0则打开门开关使时钟信号取反后输出本实验所用的NRZ码是从数字信号源输出的NRZ信号该信号为24位PN码其输入的信码序列可用K2~K4开关随意改变如图4-4所示.图4-424位的NRZ码型波形图通过对CMI码编码器的电路原理图进行分析我们可以得出电路中各测试点的波形如图4-5所示.24图4-5CMI编码电路各关键测试点波形2CMI译码电路CMI译码电路的电路原理图如图4-6所示.译码电路的设计思想是:当时钟信号与输入的信码对齐时如果输入的是11或00时则输出为1;如果输入为10或01时则输出为
0.图4-7所示的是译码电路各关键测试点的波形图.图4-6CMI译码电路原理图图4-7CMI译码电路各关键测试点波形图25四实验项目及步骤
1.用示波器观察各种编码波形进行分析和比较.1在实验板上产生CMI码;2在计算机中分别产生CMI码Manchester码2B3B码信号通过串行端口传至实验板上;3用示波器对信号波形进行观察.
2.计算各码型传输的误码率绘制它们的功率谱分布曲线进行有关分析.1用实验软件对计算机传输码型进行误码率的统计和分析;2用虚拟示波器对各种编码波形进行FFT运算得到功率谱曲线;3运用上述实验数据对各种编码的参数和性能进行比较分析.五实验报告要求
1.整理实验记录在坐标纸上画出相应的信号波形.
2.统计传输码型的误码率绘制功率谱分布曲线.
3.根据实验数据对各种编码的参数和性能进行比较分析.六思考题
1.设输入的NRZ码为1110001011001000100110求出其对应的CMI编码并画出波形图;设输入的CMI码为01001101001100110100010001010101求出其对应的NRZ码并画出波形图.
2.试设计一种Manchester码编译码方案画出原理框图及电路原理图.
3.对于CMI码和2B3B码分别应采取什么误码检测方法26实验五模拟数字语音信号光纤通信传输综合实验一实验目的和内容
1.掌握模拟光纤通信系统的工作原理和特点;
2.掌握数字光纤通信系统的工作原理和特点;
3.了解语音信号光纤传输的特点以及PCM编译码的工作原理和实现技术.二实验预习要求
1.阅读《光纤通信原理和技术》有关模拟和数字光纤通信系统的内容;
2.了解PCM编译码电路芯片的结构和功能.三实验基本原理
1.模拟信号的光纤通信传输模拟信号的光纤通信传输与数字信号的光纤通信传输是不一样的.模拟信号要求光纤通信传输系统的信噪比高对信号的线性失真小因此其模拟光发送机的光源调制驱动电路光接收机的信号提取放大电路都是专门设计的.模拟信号的光纤传输一般采用光强度的直接调制IM实现有直接光强度调制基带IM方式和模拟脉冲光强度调制方式等.在实用化光纤通信系统中一般使用电信号对光源发出的光载波进行光强度调制以适应光接收机对其进行包络检测检波.光强度调制简称IM它是用电信号对光源器件进行直接调制从而使光源发出的光载功率的大小强度随电信号电流称为驱动电流的变化而变化.图5-1简单的模拟信号驱动电路及光强度调制例如图5-1是一个最简单的模拟信号驱动电路用于对发光二极管LED发射的光载波进行强度调制.它将输入基极的信号电压Ub的变化转换为集电极电流Ic的变化用作为LED的驱动电流.晶体管BG选在甲类工作状态调整基极偏置电压使静止工作点电流Ie约为信号电流峰值的一半例如Ico=30mA于是信号电流Ic将在IcO上下变化形成如图
5.1所示的LED工作的动态特性.若要求调制深度为80%则驱动电流的变化范围为27Ic=30土24mA从而使得光源LED发射的光载波功率Pout的强度受到电信号Ub的调制而作相应的变化.为减少失真晶体管BC和发光二极管LED都应偏置在各自的线性工作区.此处仅引用一种最简单的驱动电路来说明IM的原理显然光强度直接调制IM原理十分简单.对于模拟光接收机图5-2是一个典型的模拟光接收机模型.Rf为负反馈电阻.hIt是整个光接收机的响应;从光接收机的低通滤波器获得基带信号输出.模拟光接收机一般用信噪比的概念来描述其性能优劣.图5-2模拟光接收机模型
2.数字信号的光纤通信传输对数字光纤通信系统来说要求光纤通信的传输尽量减少误码接收机的动态范围和灵敏度高满足数字信号带宽大速率快的要求.在数字光纤通信中主要调制方式是由二进制数字信号l码和0码对光源发出的光载波功率进行通断键控而数字信号在多数情况下是采用脉冲编码调制PCM因此PCM信号的1码和0码对光源进行光强度调制IM用使光纤通信信道成为PCM/IM信道这是数字光纤通信调制的基本原理.对于数字通信的光发送机其光源的驱动电路有不同于模拟信号的要求.例如对于LED光源其驱动电路有三点基本要求:第一能够响应低电平的输入数字信号;第二速率要高;第三能够给LED提供50—300mA的图5-3LED光源的数字驱动电路驱动电流.能够满足上述要求的最简单驱动电路如图5-3所示它是一级共发双极型晶体管开关电路.在该电路中晶体管BC的集电极电流作为LED的驱动电流当输入数字信号Vin为0时BG截止LED的驱动电流为零;28当Vin为1时BG饱和LED的驱动电流最大.图5-3给出了LED受数字电信号的驱动而发射光脉冲的情况如果数字输入信号Vin是PCM信号则LED发射的光脉冲就是PCM/IM信号.图中Cl为加速电容RlCl并联组合用以提高驱动电路的开关速度为限流电阻R2调整R2的阻值可使LED工作于所需的状态.实验证明给LED稍加一点正向偏置电流有利于提高LED的应用速率电阻R3可提供这种偏置.由于光纤通信信道中总是不可避免地要引进各种噪声和失真因此从信号处理过程来看数字光接收机要比数字光发射机复杂得多.数字光接收机必须具有接收微弱信号的能力而从夹杂着噪声和失真的信号中正确判决经光发射机发出的0码和1码的数字信号这就是数字光接收机应具备的基本功能.一个完整的数字光接收机由图5-4所示的各部分组成各组成部分的作用均是围绕数字光接收机的功能而设计的.
3.语音信号的光纤通信传输及PCM编译码语音信号既可以采用模拟方式直接送入模拟光纤信道中进行传输也可以进行PCM编码后再送入数字光纤信道中传输.语音信号的模拟光纤传输原理很简单此处就不再叙述下面具体介绍语音信号PCM编译码的原理和方法.图5-4数字光接收机的组成1脉冲编码调制PCM工作原理在现代通信系统中以PCM为代表的编码调制技术被广泛应用于模拟信号的数字传输.除PCM外DPCM和ADPCM的应用范围更广.PCM的主要优点是:抗干扰能力强;失真小;传输特性稳定尤其是远距离信号再生中继时噪声不累积而且可以采用压缩编码纠错编码和保密编码等来提高系统的有效性可靠性和保密性.另外PCM还可以在一个信道上将多路信号进行时分复用传输.29脉冲编码调制PCM是把模拟信号变换为数字信号的一种调制方式其最大的特点是把连续输入的模拟信号变换为在时域和振幅上都离散的量然后将其转化为代码形式传输.图5-5脉冲编码调制PCM编码框图PCM编码通过抽样量化编码三个步骤将连续变化的模拟信号转换为数字编码.为便于用数字电路实现其量化电平数一般为2的整数次幂有利于采用二进制编码表示.采用均匀量化时其抗噪声性能与量化级数有关每增加一位编码其信噪比增加约6dB但实现的电路复杂程度也随之增加占用带宽也越宽.因此实际采用的量化方式多为非均匀量化通常使用信号压缩与扩张技术来实现非均匀量化.在保持信号固有的动态范围前提下在量化前将小信号进行放大而对大信号进行压缩.通常的压缩方法有13折线A律和μ律两种标准国际通信中多采用A律.采用信号压缩后用8位编码实际可以表示均匀量化11位编码时才能表示的动态范围能有效提高小信号时的信噪比.2脉冲编码调制实现技术在本实验系统中采用TP3057编译器来实现PCM编译码.它包括了收发低通滤波器及PCM编译码器.编码器输入信号可以是本实验系统模拟信号源的正弦信号也可以是语音电话信号.TP3057由发送和接收两部分组成其内部结构框图如图5-6所示.A.发送部分:包括可调增益放大器抗混淆滤波器低通滤波器高通滤波器压缩A/D转换器.抗混淆滤波器对采样频率提供30dB以上的衰减从而避免了任何片外滤波器的加入.低通滤波器是5阶的时钟频率是128MHz.高通滤波器是3阶的时钟频率为32MHz.高通滤波器的输出信号送给阶梯波产生器采样频率为8kHz.阶梯波产生器逐次逼近寄存器S.R.A比较器以及符号比特提取单元等四部分共同组成一个压缩式A/D转换器.S.R.A输出的并行码经并/串变换转换成PCM信号.参考信号源提供各种精确的基准电压允许编码输出电压最大幅度为5Vp-p.30图5-6TP3057内部结构框图发帧同步信号FSx为采样信号.每个采样脉冲都使编码器进行两项工作:在8比特位同步信号BCLKx的作用下将采样值进行8位编码并存入逐次逼近寄存器;将前一采样值的编码结果通过输出端Dx输出.在8比特位同步信号Dx端处于高阻状态.B.接收部分:包括扩张D/A转换器和低通滤波器.低通滤波器符合ATTD3/D4标准和CCITT建议.D/A转换器由串/并变换D/A寄存器D/A阶梯波形成等部分组成.在收帧同步脉冲FSR上升沿及其之后的8个位同步脉冲BCLKR作用下8比特PCM数据进入接收数据寄存器即D/A寄存器D/A阶梯波单元对8比特PCM数据进行D/A转换并保持变换后的信号形成阶梯波信号.此信号被送到时钟频率为128MHz的开关电容低通滤波器此低通滤波器对阶梯波进行平滑滤波并对孔径失真sinx/x进行补偿.在通信工程中主要用动态范围和频率特性来说明PCM编码器的性能.动态范围的定义是译码器的输出信噪比大于25dB时允许编码器输入信号的幅度变化范围.当编码器的输入信号幅度超过其动态范围时出现过载噪声故编码输入信号幅度过大时量化信噪比急剧下降.TP3057编译码系统不过载输入信号的最大幅度为5Vp-p.由于采用对数据压扩技术PCM编译码系统可以改善小信号的量化信噪比TP3057采用A律13折线多信号进行压扩.当信号处于某一段落时量31化噪声不变因在此段落内对信号进行均匀量化因此在同一段落内量化信噪比随信号幅度减小而下降.13折线压扩特性曲线将正负信号各分为8段第1段信号最小第8段信号最大.当信号处于第一二段时量化噪声不随信号幅度变化因此当信号太小时量化信噪比会小于25dB这就是动态范围的下限.TP3057编译码系统动态范围内的输入信号最小幅度约为
0.025Vp-p.常用1kHZ的正弦信号作为输入信号来测量PCM编译码器的动态范围.语音信号的抽样信号频率为8kHz为了不产生频谱混叠常将语音信号经截止频率为
3.4kHz的低通滤波器处理后再进行A/D处理.语音信号的最低频率一般为300Hz.TP3057编码器的低通滤波器和高通滤波器决定了编译码系统的频率特性当输入信号频率超过这两个滤波器的频率范围时译码输出信号幅度迅速下降.这就是PCM编译码系统频率特性的含义.
4.语音信号的采集和还原下面再介绍一下模拟语音信号的采集与还原的原理及其过程:A.语音信号采集由于本系统对音质的要求不高采用单声道的麦克风作为拾音器.由于拾音器获得的语音信号比较微弱需要将语音信号进行放大我们采用两级高输入阻抗的同相放大器.电路图如下:图5—7语音采集电路为了减少噪声我们采用了低噪声双运放NE
5532.前级主要起隔离和阻抗匹配的作用其中C1和R1用来去除后级功放对电源的污染而产生的纹波防止自激振荡.R2用来调节拾音器的工作点在使用时可以根据输出信号来调节R2从而使音频信号的输出最大程度的保真.此电路的增益为:AV1=1+R6/R4AP2=1+R12/R10R5作为前级的负载避免同向端悬空而引入干扰.32B.语音信号还原经过光纤传输后的信号非常的微弱我们采用低压音频功率放大芯片LM386它是专用于音频功率放大电路.其中1脚和8脚控制增益大小本电路中18间接10u的电容和
1.2K电阻增益为
50.语音信号经过10u的隔直电容后产生纯交流信号然后以分电位的方式到LM386的输入端脚
3.我们可以根据实际需要调节滑动变阻器来决定最后的输出音量.最后的输出设备可以是耳机小功率也可以是音箱大功率.图5—8语音还原电路四实验项目及步骤
1.将实验板连接成模拟光纤通信系统调整系统各模块的有关参数用示波器观察各点波形并进行分析和比较.1用模拟信号源分别产生不同频率不同幅度的正弦波信号三角波信号和方波信号送入光发送模块;2通过光接收模块对传送的模拟波形进行接收用示波器对信号波形进行观察.
2.将实验板连接成数字光纤通信系统调整系统各模块的有关参数用示波器观察各点波形并进行分析和比较.1通过伪随机信号源产生数字伪随机序列信号送入光发送模块;2通过光接收模块对传送的数字波形进行接收用示波器对信号波形进行观察.3在计算机中产生各种线路码型的数字信号通过RS232串行接口送至实验板进行数字光纤通信传输用示波器对信号波形进行观察.
3.用语音输入和输出单元模块进行语音信号传输实验.1直接将模拟语音信号送入模拟光发送模块进行传输用示波器观察各点信号波形;332将模拟语音信号进行PCM编码后送入数字光发送模块进行传输在接收端再进行PCM译码用示波器观察各点信号波形注意语音通话质量的变化情况.五实验报告要求
1.整理实验记录在坐标纸上画出相应的信号波形.
2.总结模拟信号和数字信号的光纤通信传输的过程分析系统性能参数的改变对信号传输的影响.
3.根据实验数据绘制PCM编码器输入信号幅度和量化信噪比之间的关系曲线.六思考题
1.假如模拟信号在数字光纤信道中进行传输将会出现什么结果试分析其原因.
2.分析和比较模拟光纤通信和数字光纤通信的异同点.
3.设计并论证一个双向语音电话的光纤通信方案给出其结构框图.34实验六光纤通信系统数字光发送接口指标测试实验一实验目的和内容
1.了解数字光发送端机的光接口指标要求;
2.掌握平均发送光功率的测试方法;
3.掌握消光比的测试方法.二实验预习要求
1.阅读《光纤通信原理和技术》有关数字光纤通信系统和光发送端机的内容;
2.了解相关仪器设备的使用和操作方法.三实验基本原理在数字光纤通信系统中国际电话与电报顾问委员会CCITT对于光发送端机的接口指标主要有两个:1平均发送光功率2消光比.在数值上CCITT没有明确建议主要应根据各种不同的光纤数字通信系统实际设计的要求来确定.光接口指标测试依据也就是设计要求.测试结果应该优于设计指标.
1.平均发送光功率的测试光端机的平均发送光功率是在正常工作条件下光端机输出的平均光功率即光源尾纤输出的平均光功率.平均发送光功率指标与实际的光纤线路有关在长距离光纤数字通信系统中要求有较大的平均发送功率在短距离的光纤数字通信系统中要求较小的平均发送光功率.设计人员应根据整个光纤通信系统的经济性稳定性和可维护性全面考虑该指标提出合适的数值要求而不是越大越好.平均发送光功率测试框图如图所示其测试步骤如下:1各种指标的测试都要送入测试信号自A点送入测试信号使光发送模块产生测试光功率;图6—1平均发送光功率测试框图2用光纤跳线分别连接发送模块接口和光功率计输入端此时从光功率计读出的功率P1就是光发送模块进入光纤线路的平均发送光功率.光发送模35块的平均发送光功率应加上发送端连接器的损耗PL即P=P1+PL.还应该说明两点情况:1平均发送光功率与测试信号的码型有关如NRZ码与50%占空比的RZ码相比其平均发送光功率要大3dB;2光发送模块的平均发送光功率与注入的电流大小有关测试时应在正常工作的注入电流条件下进行.
2.消光比的测量消光比是光发送端的重要质量指标之一它可以用下式定义:EXT=P
00.式中P00是光发送端输入信号脉冲都为0码时输出的平均光功P11率即A点信号为0时的输出光功率.P11是光发送端输入信号脉冲都为1码时输出的平均光功率.从激光器的注入电流I和输出功率P特性I-P特性可以清楚地看出即消光比的物理概念如图6-2所示.由图可见当输入信号为0时光源的输出光功率为P00它将由注入偏流Ib来确定.当Ib增大时P00也增加则消光比也增加.无信号时光源输出的光功率对接收机而言是一种噪声将降低光接收机的灵敏度.图6-2激光器直接强度调制因此从提高接收机灵敏度的角度考虑我们希望消光比越小越好.但是应该指出当Ib减小时将使光源的输出功率降低光源的谱线宽度增加同时还会对光源的其他特性产生不良影响因此必须全面考虑Ib的影响.实践证明一般取Ib=
0.7—
1.0Ith式中Ith为激光器的阈值电流.在此范围内能较好地处理消光比与其他指标之间的矛盾.考虑到各种因素的影响要求光端机的消光比不超过
0.
1.消光比的测试框图同测试平均发送光功率的框图.将输入测试信号断掉时测出的光功率即为P00测量P11时信号源送入伪随机码.由于伪随机码的0码和1码等概率所以全1码时的光功率应是伪随机码时平均光功36率的两倍即P11=2P故EXT=P002P.四实验项目及步骤
1.根据测试框图连接实验板和实验仪器测试数字光发送模块的平均发送光功率.1根据测试框图要求连接实验板和实验仪器使光发送模块工作于数字信号驱动方式;2按照平均发送光功率的测试步骤进行指标测试记录实验数据.
2.根据测试框图连接实验板和实验仪器测试数字光发送模块的消光比.1根据测试框图要求连接实验板和实验仪器使光发送模块工作于数字信号驱动方式;2按照消光比的测试步骤进行指标测试记录实验数据.五实验报告要求
1.整理实验数据根据记录结果计算平均发送光功率和消光比.
2.根据指标测试的结果对实验板的光发送模块的性能进行分析.六思考题
1.
2.
3.测试平均发送光功率时应注意哪些问题消光比是不是越小越好为什么为什么平均光功率与输入码型有关37实验七光纤通信系统数字光接收接口指标测试实验一实验目的和内容
1.了解数字光接收端机的光接口指标要求;
2.掌握光接收机灵敏度的测试方法;
3.掌握光接收机动态范围的测试方法;二实验预习要求
1.阅读《光纤通信原理和技术》有关数字光纤通信系统和光接收端机的内容;
2.了解相关仪器设备的使用和操作方法.三实验基本原理在数字光纤通信系统中国际电话与电报顾问委员会CCITT对于光接收端机的接口指标主要有两个:1光接收机灵敏度2光接收机动态范围.在数值上CCITT没有明确建议主要应根据各种不同的光纤数字通信系统实际设计的要求来确定.
1.光接收机灵敏度的测量灵敏度是光接收端的重要特性指标之一它表示了光接收端接收微弱信号的能力是系统设计的重要依据.光接收灵敏度的定义是:在给定误码率或信噪比条件下光接收端所能收到的最小平均光功率.下面着重说明三点问题:1在测量光接收机灵敏度时首先要确定系统所要求的误码率指标.对不同长度和不同应用的光纤数字通信系统其误码率指标是不一样的例如-在短距离光纤数字通信系统中要求误码率一般为l09而在420km数字段-1l中要求每个中继器的误码率为l
0.对同一个光接收机来说当要求的误码率指标不同时其接收机的灵敏度也就不同.要求误码率越小则灵敏度就越低即要求接收的光功率就越大.因此必须明确对某一接收机来说灵敏度不是一个固定不变的值它与误码率的要求有关.测量时首先要确定系统设计要求的误码率然后测得该误码率条件下的光接收机灵敏度的数值.2第二是要注意定义中的最小平均光功率而不是任何一个能保证系统要求的误码率的光功率.因此要特别注意最小的概念.所谓最小就是当接收机接收的光功率只要小于此值误码率立即增加而达不到要求.应该指出对某一接收机来说光功率只要在它的动态范围内变化都能保证系统要求的误码率.但灵敏度只有一个即接收机所能接收的最小光功率.3灵敏度指的是平均光功率而不是光脉冲的峰值功率.这样光接收机的灵敏度就与传输信号的码型有关.码型不同占空比不同平均光功率也不同即灵敏度不同.在光纤数字传输系统中常采用两种码型;NRZ码和RZ码且占空比为50%.两种码型比较当1码和0码的概率相等时前者的平均光功率比后者大了3dB.因此测试时必须选用正确的码型.38灵敏度的单位一般用dBm表示.它表示以lmW功率为基础的绝对功率电平.设测得的最小平均功率为Pmin则灵敏度可以表示为:PR=10lgPmin/1mWdBm.-例如当PR=一60dBm时其最小平均光功率就是109W.在这里我们要特别说明Pmin越小则接收机的灵敏度就越高该接收机在很小的接收光功率条件下就可以保证系统所要求的误码率.光接收机灵敏度测试框图如图7-1所示具体测试步骤分为以下几步:图7-1光接收灵敏度测试框图1按图7-1要求将误码测试仪和光功率计与光端机连接.2误码测试仪向光端机送入测试信号PCM测试信号为伪随机码长度为2N-
1.3调整光衰减器逐步增大光衰减使输入光接收机的光功率逐步减小使系统处于误码状态.然后逐步减小光衰减器的衰减逐渐增加光接收机的输入光功率使误码逐渐减少当在一定的观察时间内使误码个数少于某一要求时即达到系统所要求的误码率.4在稳定工作一段时间后从R点断开光发送端的连接器用光纤测试线连接R点与光功率计此时测得光功率为Pmin即为光接收机的最小可接收光功率.5如果用dBm表示灵敏度PR则PR=10lgPmin1mW
2.光接收动态范围的测量在实际的光纤通信线路中光接收机的输入光信号功率不是固定不变的当系统的中继距离较短时光接收机的输入光功率就会增加.一个新建的线路由于新器件和系统设计时考虑的富余度也会使光接收机的输入光功率增加.为了保证系统的正常工作对输入信号光功率的增加必须限制在一定的范围内因为信号功率增加到某一数值时将对接收机性能产生不良影响.在模拟通信系统中输入信号过大将使放大器过载输出信号失真降低信噪比.在数字通信系统中当输入信号功率增加到某一数值时将使系统出现39误码.应该指出在数字通信系统中放大器输出信号的失真只要不引起误码就可以忽略不计这是与模拟通信不同的概念测试时应与模拟系统区别开来.为了保证数字通信系统的误码特性光接收端的输入光信号只能在某一定范围内变化光接收机这种能适应输入信号在一定范围内变化的能力称为光接收动态范围它可以表示为:D=10lgPmaxPmindBP式中Pmax是光接收机在不误码条件下能接收的最大信号平均光功率;min是光接收机的灵敏度即最小可接收光功率.一般说来要求光接收的动态范围大一点为好但要求过大会给设备的生产带来一些困难.目前实际要求的动态范围应≥18dB.光接收机动态范围的测试框图如图7-2所示.它与灵敏度测量稍有区别主要是考虑到动态范围的测试应除去光纤线路对误码的影响其测试步骤如下:图7-2光接收动态范围测试框图1误码测试仪与光发送端连接送出2N-1伪随机码.2在发送端和接收端之间接入可变光衰减器.3首先减小可变光衰减器的衰减增加光发送端的输入信号光功率使系统处于误码工作状态.然后逐渐加大光衰减减小光发送端的输入信号光功率使系统处于稳定工作状态在无误码条件下从R点测得的接收光信号功率即为光接收机所能承受的无误码的最大光功率Pmax最小光功率由前测得为Pmin.4计算光接收机的动态范围指标为:D=PR=10lgPmaxPmin四实验项目及步骤
1.根据测试框图连接实验板和实验仪器测试数字光接收模块的灵敏度.1根据测试框图要求连接实验板和实验仪器;402按照光接收机灵敏度的测试步骤进行指标测试记录实验数据.
2.根据测试框图连接实验板和实验仪器测试数字光接收模块的动态范围.1根据测试框图要求连接实验板和实验仪器;2按照光接收机动态范围的测试步骤进行指标测试记录实验数据.五实验报告要求
1.整理实验数据根据记录结果计算光接收机灵敏度和动态范围.
2.根据指标测试的结果对实验板的光接收模块的性能进行分析.六思考题
1.光接收机的灵敏度指标与哪些因素有关
2.在指标测试中使用NRZ码和RZ码对测试结果有何影响试说明原因.
3.光接收机灵敏度和光接收机动态范围的测试方法区别在哪里41第二部分设计实验一一设计任务光通信技术设计实验语音光传输系统的设计与制作设计一套实现模拟语音传输的光纤通信系统包含语音输入/输出模块和光发送/接收模块通过该系统能在光纤上进行单向语音通话.二主要技术指标平均发送光功率消光比光接收灵敏度光接收动态范围系统频率响应P=-10dBmEXT=
0.1PR=-30dBmD=20dBfL～fH=50Hz～20KHz三设计步骤和要求本实验的设计过程是首先确定系统模块的划分再根据各模块的功能及技术指标分配参数要求然后确定各个模块电路计算电路参数.这里我们设计的是一套单向传输模拟语音信号的光纤通信系统因此应包括以下四个模块:1语音输入模块:通过麦克风采集语音信号并完成声-电转换将微弱的电信号经过适当的滤波和放大后送入光发送模块.2光发送模块用包含模拟语音信息的电信号对光源进行调制进行电-光转换并通过驱动电路将调制后的光信号送出至光纤中进行传输.3光接收模块将光纤中送入的光信号无失真的转换为包含模拟语音信息的电信号并对之进行滤波和放大.4语音输出单元通过信号整形和放大电路把包含语音信息的电信号进行滤波和功率放大然后驱动扬声器还原出语音信息完成电-声转换.这四个电路模块在第一部分的基础实验中已经作了详细的介绍它们的原理和设计请参阅相关实验的内容.四电路安装与调试
1.合理布局.分级装调语音光传输系统是一个功能完整的小型系统安装前要将各模块进行合理布局一般按照电路的顺序一级一级地布局大电流的电路应远离小电流的电路每一级的地线尽量接在一起连线尽可能短否则容易产生噪声.安装前应检查元器件的质量安装时特别要注意光发送/接收器件运算42放大器三极管电解电容等主要器件的引脚和极性不能接错.一般从输入级开始向后级安装也可以从输出级开始向前逐级安装.安装一级调试一级安装两级要进行级联调试直到整个系统安装与调试完成.
2.电路调试技术电路的调试过程一般是先分级调试再级联调试最后整机调试与性能指标测试.分级调试又分为静态调试与动态调试.静态调试时将输入端对地短路用万用表测该级输出端对地的直流电压.语音输入级光接收模块级语音输出级都含有运算放大器其静态输出直流电压均为Ucc/2输出电容两端充电电压也应为Ucc/
2.动态调试是指输入端接入规定的信号用示波器观测该级输出波形并测量各项性能指标是否满足任务要求如果相差很大应检查电路是否接错元器件数值是否合乎要求否则是不会出现很大偏差的因为集成运算放大器内部电路已经确定主要是外部元件参数的影响.单级电路调试时的技术指标较容易达到但进行级联时由于级间相互影响可能使单级的技术指标发生很大变化甚至两级不能进行级联.产生的主要原因是布线不太合理连接线太长使级间影响较大阻抗不匹配.如果重新布线还有影响可在每一级的电源间接入RC去耦滤波电路一般R取几十欧C一般取几百微法.特别是与语音输出级进行级联时由于语音输出级输出信号较大对前级容易产生影响引起噪声.产生的主要原因是集成块内部电路引起的正反馈可以加强外部电路的负反馈予以抵消如在语音输出级接入几百皮法的电容形成电压并联负反馈可消除叠加的高频毛刺.常见的低频自激现象是电源电流表有规则地左右摆动或示波器上的输出波形上下抖动.产生的主要原因是输出信号通过电源及地线产生了正反馈.可以通过接入RC去耦滤波电路消除.为满足整机电路指标要求可以适当修改模块电路的技术指标.五实验报告要求本设计实验报告的内容包括以下几个方面:
1.设计任务要求主要技术指标实验用仪器名称型号数量
2.电路原理及设计给出设计系统的总体结构框图说明然后结合框图逐一介绍各单元电路的工作原理.1选择电路形式2电路设计对所选电路中的各元件值进行定量计算或工程估算.3电路的装调
3.整机联调与测试当各单元电路调试正确后进行整机联调.431测量主要技术指标说明各项技术指标的测量方法画出测试原理图记录并整理实验数据正确选取有效数字的位数.根据实验数据进行必要的计算列出表格在方格纸上绘制出平滑的波形或曲线.2故障分析及说明说明在单元电路和整机调试中出现的主要故障及解决办法若有波形失真要分析波形失真的原因.3绘制出整机电原理图并标明调试后的各元件参数
4.测量结果的误差分析用理论计算值代替真值求得测量结果的相对误差并分析误差产生的原因.
5.电路改进意见及本次实验中的收获体会实验的设计方案元器件参数及测试方法等都不可能尽善尽美实验结束后感到某些方面如果作适当修改可进一步改善电路性能或降低成本或实验方案的修正内容的增删步骤的改进等都可写出改进建议.完成实验设计后的不少收获体会既有成功的经验也有失败的教训应及时总结不断提高.实验报告除了上述内容外还应做到文理通顺字迹端正图形美观页面整洁.44设计实验二一设计任务二主要技术指标时钟频率输入码型编码延迟解码延迟2KHz15位PN码1位码元1位码元CMI编码/解码模块的设计根据CMI码的工作原理设计一套实现CMI编译码的电路.三设计步骤和要求CMI码是传号反转码的简称其编码规则为:1码交替用11和00表示;0码用01表示其波形图如下图所示.这种码型有较多的电平跃变因此含有丰富的定时信息.该码已被CCITT推荐为PCM脉冲编码调制四次群的接口码型.在光纤通信传输系统中也是常用的线路传输码型.本设计实验的主要任务是设计两个模块:CMI编码模块和CMI解码模块.有关这两个模块的原理和设计方法在第一部分基础实验中有详细的介绍请参阅有关部分的内容.四电路安装与调试本次实验设计主要是数字电路的安装与调试.下面主要介绍数字电路安装与调试中的一些常用方法.
1.集成电路器件的功能测试在安装电路之前对所选用的数字集成电路器件应进行逻辑功能检测以避免因器件功能不正常而增加调试的困难.检测器件功能的方法是多种多样的常用如下方法:1仪器检测法可以用一些简单而实用的数字集成电路测试仪进行检测.2功能实验检查法用实验电路进行逻辑功能测试.3替代法用被测器件替代正常工作的数字电路中的相同器件.
452.集成电路器件的接插和布线方法数字电路的实验通常在面包板上进行插接集成器件时使器件的缺口端朝左方先对准插孔的位置然后稍用力将其插牢防止集成器件管脚弯曲或折断.布线时应注意导线不宜太长最好贴近底板并在集成器件的周围走线切忌导线跨越集成器件的上空杂乱地在空中搭成网状.数字电路的布线应整齐美观既提高了电路的可靠性又便于检查排除故障或更换器件.导线的连接顺序是:先接固定电平端的连线如电源的正极一般用红色导线地线一般用黑色导线门电路的多余输入端及电平固定的某些输入端如触发器的控制端K或J.然后按照电路中信号的流向顺序对所划分的子系统逐一布线调试最后将各子系统连接起来.
3.数字电路的调试方法数字电路的调试顺序也是先调试单元电路或子系统然后逐渐扩大将几个单元电路进行联调最后进行整机调试.一般根据信号的流向逐级调试.由于数字电路系统中相同的单元电路和集成器件往往较多为了尽快找出故障常采用以下调试方法:1替代法将已经调整好的单元电路代替有故障或有疑问的相同的单元电路这样可以很快判断出故障原因是在单元电路本身;还是在其它的单元或连接线上.当发现某一局部电路有问题时应先检查该部分的连线当确认无误后再更换集成电路芯片.2对比法将有问题的电路的状态参数与相同正常电路进行逐项对比.3对分法把有故障的电路对分为两个部分可检查出有问题的那一部分而排除另一部分无故障的电路.然后再对有故障的部分进行对分检测直到对分找出故障点为止.实践表明数字单元电路的故障大多都是接线错误或接触不良引起的集成器件本身的问题是较少的.然而设计者在调试中发现工作不正常时往往一开始就怀疑集成器件损坏这是应该引起注意的.
4.几种基本电路的测试方法1集成逻辑门电路静态时在各输入端分别接入不同的电平值即逻辑l接高电平输入端通过1kQ电阻接电源正极逻辑0接低电平输入端接地.用数字万用表测量各输出端的逻辑电平.并分析各逻辑电平值是否符合电路的逻辑关系.动态测试是指各输入端分别接入规定的脉冲信号用示波器观测各输出端的信号并画出这些脉冲信号的时序波形关系图分析它们之间是否符合电路的46逻辑关系.2集成触发器电路静态时主要测试触发器的复位置位翻转功能.动态时在时钟脉冲的作用下测试触发器的计数功能用示波器观测电路各处波形的变化情况据此可以测定输出输入信号之间的分频关系输出脉冲的上升和下降时间触发灵敏度和抗干扰能力以及接入不同性质负载时对输出波形参数的影响.测试时触发脉冲的宽度一般要大于数微秒且脉冲的上升沿或下降沿要陡.3计数器电路计数器电路的静态主要测试电路的复位置位功能.动态测试是指在时钟脉冲作用下测试计数器各输出端的状态是否满足计数功能表的要求可用示波器观测各输出端的波形并记录这些波形与时钟脉冲之间的波形关系.五实验报告要求本设计实验报告的内容包括以下几个方面:
1.设计任务要求主要技术指标实验用仪器名称型号数量
2.电路原理及设计给出设计系统的总体结构框图说明然后结合框图逐一介绍各单元电路的工作原理.1选择电路形式2电路设计对所选电路中的各元件值进行定量计算或工程估算.3电路的装调
3.整机联调与测试当各单元电路调试正确后进行整机联调.1测量主要技术指标说明各项技术指标的测量方法画出测试原理图记录并整理实验数据正确选取有效数字的位数.根据实验数据进行必要的计算列出表格在方格纸上绘制出平滑的波形或曲线.2故障分析及说明说明在单元电路和整机调试中出现的主要故障及解决办法若有波形失真要分析波形失真的原因.3绘制出整机电原理图并标明调试后的各元件参数
4.电路改进意见及本次实验中的收获体会实验的设计方案元器件参数及测试方法等都不可能尽善尽美实验结束后感到某些方面如果作适当修改可进一步改善电路性能或降低成本或实验方案的修正内容的增删步骤的改进等都可写出改进建议.完成实验设计后的不少收获体会既有成功的经验也有失败的教训应及时总结不断提高.47实验报告除了上述内容外还应做到文理通顺字迹端正图形美观页面整洁.48第二篇DWDM光纤通信系统实习指导书鲁平编光学与光纤通信实验基地第二篇DWDM光纤通信系统第一章波分复用DWDM光纤通信系统实验简介一概述
1.什么是光波分复用WDM系统随着信息时代的来临通信业务逐年迅速增长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.在数字光纤通信中除了大家熟知的时分复用TDM技术外还出现了其他的复用技术例如光时分复用OTDM光波分复用WDM光频分复用FDM及微波副载波复用SCM等技术.这些复用技术的出现使通信网的传输效率得到了很大的提高.1WDM的定义光波分复用WDM技术是在一根光纤中同时传输多波长光信号的一项技术.其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来复用并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输在接收端又将组合波长的光信号分开解复用并作进一步处理恢复出原信号后送入不同的终端因此将此项技术称为光波长分割复用简称光波分复用技术.由于目前一些光器件与技术还不十分成熟因此要实现光信道十分密集的光频分复用还较为困难.在这种情况下人们把在同一窗口中信道间隔较小的波分复用称为密集波分复用.目前该系统是在1550nm波长区段内见图
1.1同时用816或更多个波长在一对光纤上也可采用单光纤构成的光通信系统其中每个波长之间的间隔为
1.6nm
0.8nm或更低对应约200GHz100GHz或更窄的带宽.图
1.1所示损耗谱中的尖峰是由光纤中的0H根所致若能消除则可在1280—1620nm波段内充分利用光纤的低损耗特性称之为全波光纤使波分复用系统的可用波长范围达到340nm左右可大大提高传输容量.其中1525—1565nm一般称为C波段这是目前系统所用的波段而正在研究与开发的波段是L波段1570—1620nm和S波段1400nm.目前一般系统应用时所采用的信道波长是等间隔的即k×
0.8nmk取正整数.1图
1.1光纤损耗谱图二实验内容本实验的内容主要由DWDM系统性能测试与系统网管实验两个部分构成分别包含以下内容:
1.DWDM系统性能测试实验一发射机即波长转换器OTU测试实验二实验三实验四实验五实验六实验七实验八光复用盘OMU/解复用盘ODU性能测试光放大器测试光监控信道盘OSC测试主光通道的测试熔融拉锥波分复用器与耦合器的测试基于波长扫描法的偏振模色散测试实验基于光时域反射仪进行光纤长度损耗及断点测试实验
2.DWDM系统网管实验三实验报告要求实验报告是实验学习的一个重要组成部分应给予充分的重视.实验前应认真阅读实验指导书明确实验目的了解实验原理内容掌握实验步骤及注意事项并写出预习报告报告内容包括:
21.实验目的
2.实验仪器设备连接方框图并标明测试点
3.实验记录表格及测试步骤
4.实验指导书上规定的其它内容做完实验后应进行总结内容包括:
5.实验仪器名称型号和编号
6.实验数据整理实验现象分析
7.实验方法及仪器使用总结
8.问题讨论实验报告应按规定格式按时交到实验指导教师.3第二章系统性能与测试实验一发射机即波长转换器OTU测试一实验目的和内容
1.掌握OTU基本工作原理及模块的功能.
2.加强对光纤通信技术一些基本概念如接收机灵敏度带宽等的理解.
3.学会使用光功率计光谱分析仪光连续波反射仪误码仪与示波器.二实验预习要求
1.了解波长转换器OTU基本工作原理及模块的构成
2.具有光发送及光接收机的基本知识.
3.熟悉光功率计光谱分析仪光连续波反射仪误码仪与示波器基本操作.三实验基本原理实验项目及步骤波长转换器的功能是将输入端符合SDH
2.5Gb/s波长的光信号转换为符合ITU-TG.692的标准DWDM波长的光信号输出它所需要测试的接口包括输入端口和输出端口如图
2.1所示.对于信道数是N的系统对应有N个光转发盘OTU应该逐通路进行测试.G.957OTURn图
2.1OTU测试接口
1.接收机灵敏度1定义接收机灵敏度是指输入信号处在1550nm区误码率达到1E-12时光转发盘4OTU输入端口处的平均接收光功率的最小值.2测试配置测试配置如图
2.2所示.
2.5Gb/s发送部分OTU接收部分发送接收Rn光衰减器误码仪光功率计图
2.2接收机灵敏度测试连接图3操作步骤a如图
2.2连接好测试配置.b选择误码仪2E23-1PRBS向发送机送入测试信号.c调整光衰减器用误码仪测量误码率保持在1E-7量级.d断开Rn点的光连接器将光功率计连上读出并记录光功率值.e重复cd步骤分别测出误码率处于1E-81E-91E-10和1E-11量级时Rn点的功率值.f按照外推法画出P-BER曲线BER=1E-12所对应的光功率即为接收机的灵敏度.
52.接收机光回波损耗1定义接收机光回波损耗定义为在参考点Rn处的反射光功率与入射光功率之比.2测试配置测试配置如图
2.3所示.光连续波反射仪接收OTU发送图
2.3接收机反射测试配置图3操作步骤a如图
2.3连接好测试配置.b校准光连续反射仪从光连续波反射仪上读出反射系数并记录.
3.接收机过载功率1定义接收机过载功率是指误码率达到1E-12时参考点Rn处的平均接收光功率的最大可接收值.2测试配置测试配置如图
2.2所示.3操作步骤a如图
2.2连接好测试配置.6b选择误码仪2E23-1PRBS向发送机送入测试信号.c调整光衰减器逐渐减小衰减值使误码仪测得的误码率尽量接近但不大于1E-
12.d断开Rn点的光连接器将光功率计连上读出并记录光功率值.
4.输出光功率1定义输出光功率指在参考点Sn由发送机输出耦合到光纤的含有伪随机序列的平均光功率.2测试配置测试配置如图
2.4所示.图案发生器OTU光功率计图
2.4平均发送光功率测试连接图3操作步骤a如图
2.4连接好测试配置.b调节好OTU盘的输出.c将光功率计设置在1550nm窗口待读数稳定之后读出并记录光功率数值.
5.中心频率包括中心频率偏移1定义中心频率是指在参考点SnOTU盘的发送机发出的光信号的标称中心频率.72测试配置测试配置如图
2.5所示.图案发生器OTU光谱分析仪图
2.5中心频率测试连接图3操作步骤a如图
2.5连接好测试配置.b设置光谱分析仪的显示波长范围并将波形显示在屏幕中央读出并记录峰值处的中心波长值.c将中心频率值与中心频率标称值的差值即为中心频率偏移值.注意事项:中心频率的测量也可以采用多波长分析仪进行测量操作步骤同上.
6.消光比1定义消光比是指在最坏反射条件时全调制条件下传号发射光信号平均光功率与空号不发射光信号平均光功率的比值.2测试配置测试配置如图
2.6所示.
82.5Gb/s信号发生器OTU光衰耗器数字示波器同步信号图
2.6消光比测试连接图3操作步骤a如图
2.6连接好测试配置.b调整光衰减器使示波器的输入光功率在它的动态范围内.c调整示波器待波形稳定后分别读出传号和空号的光功率.d计算消光比EXT=10lgA/B其中:A代表传号光功率;B代表空号光功率4注意事项:对于能够自动计算消光比的仪表无需计算主要记录最终结果即可.
7.边模抑制比1定义边模抑制比指的是最坏发射条件时全调制条件下主纵模的平均光功率与最显著边模的光功率之比.2测试配置测试配置如图
2.7所示.
92.5Gb/s信号发生器图
2.73操作步骤a如图
2.7连接好测试配置.OTU光谱仪边模抑制比测试连接图b设定光谱仪显示的波长范围调节光谱仪的幅度标尺使主纵模和边模波形显示在屏幕中央以便于观察和读数.c调整光标分别读出主纵模和边模的平均光功率.d计算两功率单位为dB之差即得到边模抑制比的数值.
8.传输脉冲形状发送眼图模板1定义发送信号波形以眼图模板的形式规定了发送机的光脉冲形状特性包括上升时间下降时间脉冲过冲及振荡等.眼图模板应满足G.957的要求.2测试配置测试配置如图
2.6所示.3操作步骤a如图
2.6连接好测试配置.b调整光衰减器使示波器的输入光功率在它的动态范围内.c调整示波器待波形稳定后调出示波器内存储的相应模板通过调整与波形对准.d记录相应的参数.
109.-20dB谱宽1定义-20dB谱宽指最大峰值功率跌落20dB时的最大全宽.具体指标见技术规范书.2测试配置测试配置如图
2.7所示.3操作步骤a如图
2.7连接好测试配置.b调节光谱仪使整个波形显示在屏幕的中央以便于观察和读数.c将光标定位在主纵模的峰值处找到峰值跌落20dB处并读出此时的光谱宽度.
10.-3dB谱宽1定义-3dB谱宽指最大峰值功率跌落3dB时的最大全宽.具体指标见技术规范书.2试配置测试配置如图
2.7所示.3操作步骤a如图
2.7连接好测试配置.b调节光谱仪使整个波形显示在屏幕的中央以便于观察和读数.c将光标定位在主纵模的峰值处找到峰值跌落3dB处并读出此时的光谱宽度.四实验报告要求
1.整理实验记录在坐标纸上画出OTU的输出光谱图标出相应的测试值.
112.根据实验现象分析从示波器上观察到的信号眼图.五思考题
1.论述OTU的基本工作原理.
2.为什么说光纤通信系统中光接收机的灵敏度越高中继距离越长实验二光复用盘OMU/解复用盘ODU性能测试一实验目的和内容
1.掌握OMU与ODU基本工作原理及模块的功能.
2.加强对光纤通信技术一些基本概念如插入损耗隔离度等的理解.
3.学会使用光功率计.二实验预习要求
1.了解光复用盘OMU/解复用盘ODU基本结构及器件波分复用功能的实现原理.
2.具有多层介质膜滤波器与光纤熔融拉锥合波器的基本知识.
3.熟悉光功率计的基本操作.三实验基本原理实验项目及步骤OMU与ODU是WDM系统的重要组成模块本系统中它们为无源器件OMU的主要功能是在输入端将多个波长的光信号采用波分复用的方式复用进一根光纤ODU的主要功能是将输入的一束光中的不同波长成分的光信号分离开来从相应的输出端口输出.
1.每个信道的插入损耗1定义插入损耗是指穿过WDM器件的某一特定光通道所引入的功率损耗是指同一波长的信号功率的功率损耗.122测试配置测试配置如图
2.8所示.功λ12ODUCH选择器率计可调激光器1功率计图
2.8解复用器插入损耗的测试配置3操作步骤a按图
2.8所示连接好电路配置b调节可调激光器的输出波长使其为λn路规定波长.在1处测量的功率.c在光解复用盘ODU对应输出波长是λn的那一路输出口测量ODU的输出功率与1点的差值就是该信道的插入损耗.e改变激光器波长分别为1N路时重复以上步骤测出每一路的插入损耗.
2.相邻信道间的隔离度1定义波分复用器中在某一信道输出端口上所测的相邻信道的功率与该信道输入功率之比的对数.2测试配置测试配置如图
2.8所示.133操试步骤a按图
2.8所示连接好电路配置.b调节激光器波长使输出波长为λn+1在1点测出λn+1的输出功率.c在ODU的波长是λn输出口测量波长是λn+1的功率.所测试的功率与在1点测试的λn+1的功率之比取对数.就是第n路和第n+1路的隔离度.d调节激光器波长使输出波长为λn-1在1点测出λn-1的输出功率.c在ODU的波长是λn输出口测量波长是λn-1的功率.所测试的功率与在1点测试的λn-1的功率之比取对数.就是第n路和第n-1路的隔离度.
3.非相邻信道间的隔离度1定义波分复用器中在某一信道输出端口上所测的非相邻信道的功率与该信道输入功率之比的对数.2测试配置测试配置如图
2.8所示.3操试步骤a按图
2.8所示连接好电路配置.b调节激光器波长使输出波长为λn+1在1点测出λn+1的输出功率.c在ODU的波长是非λn输出口测量波长是λn+1的功率.所测试的功率与在1点测试的λn+1的功率之比取对数.就是第非n路和第n+1路的隔离度.d调节激光器波长使输出波长为λn-1在1点测出λn-1的输出功率.c在ODU的波长是非λn输出口测量波长是λn-1的功率.所测试的功率与在1点测试的λn-1的功率之比取对数.就是第非n路和第n-1路的隔离度.14四实验报告要求
1.论述多层介质膜滤波器工作原理.
2.画出8路合波器的结构简图.
3.计算器件的插入损耗与隔离度.五思考题
1.目前可用作DWDM系统中的复用与解复用器可有哪几种器件实验三光放大器测试一实验目的和内容
1.掌握光放大器基本工作原理及功能.
2.加强光放大器的基本概念如饱和输出功率与增益平坦度的理解.
3.学会使用光功率计与光谱分析仪.二实验预习要求
1.了解光放大器基本工作原理及功能.
2.熟悉光功率计与光谱分析仪的基本操作.三实验基本原理实验项目及步骤在石英光纤的芯层之中如果掺入一些三价稀土金属元素Er铒如Pr镨Nd钕等即形成了一种特殊光纤这种光纤在泵浦光的激励下可放大光信号故称之为光纤放大器.目前应用最为广泛的是掺铒光纤放大器EDFA.实验测试的放大器即为EDFA.光放大器的测试项目都可以在已有的测试平台上进行当不具有测试平台时也可以采取以下分离测试方案.
151.EDFA的增益谱测试1定义EDFA的增益谱为其可实现信号放大的频谱范围.2测试配置测试配置如图
2.9所示.SLDOAATT激光器ATT112光谱分析仪图
2.9EDFA的增益谱测试测试配置3操作步骤abcd按照图
2.9所示建立好电路配置.调整可调谐激光器的输出为某一波长记录下该波长的光功率.测量EDFA的输出光功率与输入光功率相减所得值为该波长的增益.连续调整可调谐激光器的输出波长按照上述方法计算其增益将每一点的增益值记录下来.e将上述增益值在坐标纸上绘制出来即为EDFA的增益谱.
2.饱和输出功率1定义饱和输出功率是指当光放大器的增益相对于小信号增益降低3dB时所对应的输出16功率.2测试配置测试配置如图
2.10所示.SLDATT激光器1OA2ATT1光功率计图
2.10饱和输出功率测试配置3操作步骤a按照图
2.10所示建立好电路配置b激光器为中心波长为1550nmc调整ATT的数值逐步提高OA前的输入端1点的功率直至2点的输出功率不再增长d根据以上的测试结果可以得出输入功率与增益的关系曲线.e根据EDFA的增益曲线找出比小信号增益低3dB的点以及该点所对应的输入功率然后计算出该点的输出功率该输出功率即为饱和输出功率.
3.增益平坦度1定义EDFA整个可用的增益通带内最大增益波长点的增益与最小增益波长点的增益之差就是增益平坦度.2测试配置测试配置如图
2.11所示.17ATT1TxOAOMU图
2.11ATT22光谱分析仪.Tx.1增益平坦度测试配置3操作步骤a在Tx后加上衰减器使8路信号的输入功率相同OA前的输入端1点的功率为每路的入纤功率为-30dBm.b通过光谱分析仪测试2点各个波长的输出功率c2点与1点的比值就是小信号增益d分别计算出1-8每个通路的小信号增益e其中增益的最大值与最小值之间的的差为小信号输入时的增益平坦度f改变Tx后光衰减器数值OA前输入端1的每路入纤功率为-15dBm时使测量大信号输入时的增益平坦度.
4.噪声系数1定义光放大器的噪声系数是指光信号在进行放大的过程中由于放大器的自发辐射ASE等原因引起的光信噪比的劣化值用dB度量.计算公式为:噪声系数dB=输入光信号信噪比dB-输出光信号的信噪比dB.2测试配置测试配置如图
2.9所示.3操作步骤在DWDM多信道下应逐通道测试各个工作波长在小信号增益时的噪声系数步骤如下:a如图
2.9所示在1点接入光谱分析仪.18b设置光谱分析仪的中心滤波器的等效噪声带宽为
0.1nm调整光谱分析仪的波长显示范围将选定的测试通道和ASE噪声的功率显示在屏幕的中间.c将光标定位在工作波长的峰值处根据仪表的数字显示记录下该通道的光功率值dBm.d在中心波长左右Δλ处测得一个左边带ASE噪声值和一个右边带ASE噪声值一般Δλ=
0.3~
0.35nm将两个值进行平均即可估算出该信道的ASE噪声功率值dBm这种方法被称作内插估值算法.e将步骤c测得的工作波长的光功率值dBm与步骤d测得的ASE噪声功率值dBm相减即可得a点的改通道的光信噪比OSNRa.f将光谱分析仪在2点接入光路.重复b至e的步骤可以测出光放大器输出端选定测试通道的信号功率dBm和ASE噪声dBm经过计算可以得到b点该通道的光信噪比OSNRa.g该被测通道的噪声系数=OSNRa-OSNRbh依次对其它的通道进行测试重复a～g可以得到所有工作通道的噪声系数.四实验报告要求
1.绘制EDFA的增益谱计算其增益平坦度.五思考题
1.目前有哪些方法可实现EDFA的增益均衡实验四光监控信道盘OSC测试一实验目的和内容
1.掌握光监控信道盘基本工作原理及功能.
192.加强光通信的一些基本概念的理解如边模抑制比谱宽.
3.学会使用光功率计与光谱分析仪.二实验预习要求
1.了解DWDM系统中实现光信号监控的基本工作原理.
2.熟悉光功率计与光谱分析仪的基本操作.三实验基本原理实验项目及步骤
1.光监控信道中心波长1定义光监控通路波长指的是光监控通路的中心波长既从通路的光共率峰值下降
0.5dB带宽的中心点波长.2测试配置测试配置如图
2.12所示.光监控信道盘OSC光谱分析仪图
2.12光监控通路波长测试配置3操作步骤a如图
2.12连接好测试配置.b根据光监控通路波长的标称值调节光谱仪的显示波长范围将波形显示在屏幕的中间.c调节横向光标定位在光脉冲的中心处读出并记录该处的波长值.
202.光谱特性-20dB谱宽1定义光功率从峰值下降-20dB处的波长的光谱宽度.2测试配置测试配置如图
2.12所示.3操作步骤a如图
2.12连接好测试配置.b根据光监控通路波长的标称值调节光谱仪的显示波长范围将波形显示在屏幕的中间.c读出并记录该光脉冲的-20dB谱宽和边模抑制比.
3.光谱特性边模抑制比1定义边模抑制比指的是最坏发射条件时全调制条件下主纵模的平均光功率与最显著边模的光功率之比.2测试配置测试配置如图
2.12所示.3操作步骤a如图
2.12连接好测试配置.b设定光谱仪显示的波长范围使主纵模和边模以适当的幅度显示在屏幕上.c调节纵轴光标分别读出主纵模和边模的平均光功率.d计算两功率单位为dB之差即得到边模抑制比的数值.
214.发送光功率1定义发送光功率指的是发送侧输出的平均光功率.2测试配置测试配置如图
2.13所示.3操作步骤a如图
2.13连接好测试配置.b读出并记录测量的光功率值.光监控信道盘OSC光功率计图
2.13光监控通路发送光功率测试配置四实验报告要求
1.论述DWDM系统需要进行监控的意义及目前主要的监控技术有哪些五思考题
1.本系统采用的监控是带外监控还是带内监控实验五主光通道的测试一实验目的和内容
1.加强光通信的一些基本概念的理解如信噪比光通道代价.
2.掌握DWDM系统的信噪比光通道代价的测试方法.
3.学会使用光功率计光谱分析仪与误码仪.22二实验预习要求
1.树立DWDM系统的总体概念.
2.了解系统光通道代价的概念.
2.熟悉光功率计光谱分析仪与误码仪的基本操作.三实验基本原理实验项目及步骤
1.主光通道定义WDM系统的主光通道是指波分复用系统的复用器和功率放大器的输出端参考点MPI-S与接收端光前置放大器和解复用器之前的参考点MPI-R点之间的通道如图
2.14所示.SD1S1G.957OTU1R1OM/OASnRnOA/ODSDnOTU2MPI-SRnSnMPI-ROTUn图
2.14主光通道示意图S1-SnMPI-SMPI-RRnSnR1-Rn光通道1-N在发射机光输出端参考点线路主光通道的发送点线路主光通道的接收点光线路放大器光输入参考点光线路放大器光输出参考点光通道1-N在OM/OA光输入端参考点23Sd1-SdnOA/OD光输出端参考点
2.MPI-S点每通路输出功率1定义每通路输出光功率指的是每通路的平均发送光功率具体指标见技术规范书.2测试配置测试配置如图
2.15所示.Tx1S1fRM11S2RM2Tx2f2ROM/OAMPI-S光谱分析仪Tx8S8M8f8图
2.15MPI-S点每通路输出光功率测试连接图3操作步骤a如图
2.15连接好测试配置.b调整光谱分析仪的显示波长范围将需要测试的通路波长显示在屏幕的中间.c将光标定位在波长脉冲的峰值处根据仪表的数字显示记录下该波长的光功率值.d重复bc步骤n-1次测试并记录另外n-1个通路的输出光功率.注意事项:测试每通路的输出光功率也可以采用多波长分析仪等对于同时能读出n个通路波长的输出光功率值的仪表无需测试n次.
243.MPI-S点总发送功率1定义总发送功率指的是在参考点MPI-S的平均发送光功率.具体指标见使用说明书.2测试配置测试配置如图
2.16所示.Tx1S1f1RM1S2RM2Tx2f2ROM/OAMPI-S光衰减器光功率计Tx8S8M8f8图
2.163操作步骤总发送光功率测试连接图a如图
2.16连接好测试配置图.b调节光衰减器使光功率计的输入功率处于它的动态范围内.c待光功率计的读数稳定之后读出功率值.d与光衰减器的衰减值相加即得总输出功率值.注意事项:精确测量时应考虑到连接器的损耗对上面得到的功率值进行修正.
4.MPI-S点每通路信噪比1定义每一路通路的光的信号功率和噪声功率的比值取对数为每通路的信噪比.252测试配置测试配置如图
2.15所示.3操作步骤a如图
2.15连接好测试配置.b设置光谱仪中滤波器的噪声等效带宽为
0.1nm调整光谱分析仪的显示波长范围将需要测试的通路波长和ASE噪声的功率显示在屏幕的中间.c将光标定位在需测试的通路波长脉冲的峰值处根据仪表的数字显示记录下该波长的光功率值.d将另一个光标定位在边带ASE噪声的峰值处.记录该处的功率值.ec和d测得的两个光功率值单位为dBm的差值即为该处的光信噪比.f重复bcd和e步骤n-1次测试并记录另外n-1个通路的光信噪比.注意事项:对于可以直接测量光信噪比的光谱仪就无需记录多个数值而是设定光标之后直接读出OSNR即可.
5.MPI-S点的最大通路功率差1定义最大通路功率差指的是在同一时间内在给定的光分辨率带宽内每通路最大发送功率与最小发送功率的差值.具体指标参见技术规范书.2测试配置测试配置如图
2.15所示.3测试步骤a如图
2.15连接好测试配置.b调整光谱仪的波长范围使n个通路波长都显示在屏幕上.将另一c将一个纵向光标定位在n个通路中功率最大的某个通路波长的峰值处26个纵向光标定位在n个通路中功率最小的某个通路波长的峰值处读出这两个光标之间的差值即为最大通路功率差.
6.MPI-R点每通路输入功率1定义每通路输入光功率指的是在参考点MPI-R每通路的平均输入光功率具体指标见技术规范书.2测试配置测试配置如图
2.17所示.S1Tx1fRM11S2RM2Tx2f2Tx8S8OM/OA.MPI-SR.SMPI-R光谱分析仪OARM8f8图
2.173操作步骤MPI-R点每通路输入光功率测试连接图a如图
2.17连接好测试配置设置光谱分析仪的噪声等效带宽为
0.1nm.b调整光谱分析仪的显示波长范围将需要测试的通路波长显示在屏幕的中间.c将光标定位在波长脉冲的峰值处根据仪表的数字显示记录下该波长的光功率值.d重复bc步骤n-1次测试并记录另外n-1个通路的输出光功率.注意事项:测试每通路的输出光功率也可以采用多波长分析仪等对于同时能读出n个通路波长的输出光功率值的仪表无需测试n次.
277.MPI-R点总发送功率1定义总发送功率指的是在参考点MPI-S的平均发送光功率.具体指标见使用说明书.2测试配置测试配置如图
2.18所示.S1Tx1f1RM1S2RM2Tx2f2Tx8S8OM/OA.MPI-SR.SMPI-R光衰减器光功率计OARM8f8图
2.18总发送光功率测试连接图3操作步骤a如图
2.18连接好测试配置图.b调节光衰减器使光功率计的输入功率在它的动态范围内.c待光功率计的读数稳定之后读出功率值.d与光衰减器的衰减值相加即得总输出功率值.注意事项:精确测量时应考虑到连接器的损耗对上面得到的功率值进行修正.
8.MPI-R点每通路信噪比1定义主光通道上每一路光信道的信号功率和噪声功率的比值的对数.282测试配置测试配置如图
2.17所示.3操作步骤a如图
2.17连接好测试配置.b设置光谱仪中滤波器的噪声等效带宽为
0.1nm调整光谱分析仪的显示波长范围将需要测试的通路波长和ASE噪声的功率显示在屏幕的中间.c将光标定位在需测试的通路波长脉冲的峰值处根据仪表的数字显示记录下该波长的光功率值.d将另一个光标定位在边带ASE噪声的峰值处.记录该处的功率值.ec和d测得的两个光功率值单位为dBm的差值即为该处的光信噪比.f重复bcd和e步骤n-1次测试并记录另外n-1个通路的光信噪比.注意事项:对于可以直接测量光信噪比的光谱仪就无需记录多个数值而是设定光标之后直接读出OSNR即可.
9.MPI-R点最大通路功率差1定义最大通路功率差指的是在同一时间内在给定的光分辨率带宽内每通路最大发送功率与最小发送功率的差值.具体指标参见技术规范书.2测试配置测试配置如图
2.17所示.3操作步骤a如图
2.17连接好测试配置.b调整光谱仪的波长范围使n-1个通路波长都显示在屏幕的中间.29c将一个纵向光标定位在n个通路中功率最大的某个通路波长的峰值处将另一个纵向光标定位在n个通路中功率最小的某个通路波长的峰值处读出这两个光标之间的差值即为最大通路功率差.
10.光通道代价1定义光通道代价指的是脉冲在光通道的传输过程中由于波形失真导致的接收机灵敏度的下降由于光通道代价是接收机灵敏度的变化在误码率为10E-12时测量.具体指标见使用说明书.2测试配置测试配置如图
2.19所示.
2.5Gb/s误码仪集成式发送机OTUOM.….OD光衰减器1OAOAOA接收机光功率计…光谱仪…图
2.19a连接光通道后灵敏度测试配置
2.5Gb/s误码仪集成式发送机OM光衰减器2OD光衰减器1集成式接收机光功率计OAOA…光谱仪…图
2.19b背靠背灵敏度测试配置303操作步骤a如图
2.19a连接好测试配置.b用光谱仪测出此时接收端的光信噪比并记录下来.c调节光衰减器1使误码仪的误码率读数在10E-7的量级上待误码仪上的读数稳定之后读出并记录误码率.d断开光衰减器1之后的连接器与光功率计相连读出并记录此时接收端的光功率.e重复步骤d和e若干次测得对应误码率10E-810E-910E-10和10E-11的接收光功率值.f按照图
2.19b连接好背靠背的测试配置.g用光谱仪测试接收端的光信噪比调节光衰减器2使光谱仪测出的光信噪比值等于步骤b测得的光信噪比值.h重复步骤c~e测出背靠背配置情况下误码率与接收光功率的对应数值.i在双对数坐标纸上分别画出两种配置情况下的误码率与接收光功率的对应曲线.j延长曲线至10E-12误码率处分别记录两条曲线对应误码率为10E-12时的接收光功率值利用公式:光通道代价=加光通道配置的接收灵敏度-背靠背的接收灵敏度即可得到光通道代价的数值.四实验报告要求
1.整理光通道代价测试的实验记录在坐标纸上画出实验曲线算出系统的光通道代价.五思考题
1.光通道代价与系统传输性能之间的关系.31实验六熔融拉锥波分复用器与分路器的测试一实验目的和内容
1.加强波分复用器分路器一些基本性能参数的理解如隔离度插入损耗等.
2.掌握器件的基本结构测试原理与方法.
3.学会使用光功率计.二实验预习要求
1.
2.
3.了解熔融拉锥分路器与波分复用器的拉制方法.掌握熔融拉锥分路器与波分复用器的耦合机理.熟悉光功率计的基本操作.三实验基本原理实验项目及步骤
1.熔融拉锥波分复用器每个信道的插入损耗的测试测试内容与方法可参见实验二光复用盘OMU/解复用盘ODU性能测试.
2.熔融拉锥波分复用器相邻信道隔离度的测试测试内容与方法可参见实验二光复用盘OMU/解复用盘ODU性能测试.
3.熔融拉锥波分复用器与分路器附加损耗的测试1定义附加损耗指某一端口的输入功率Pi与输出各端口功率和的比值的对数.对于3端口光纤耦合器Le可以表示为:Le=101ogP1dBP2+P32测试配置测试配置如图
2.20所示.32端口2端口1端口3功率计功率计功率计图
2.20附加损耗测试连接图3操作步骤a如图
2.20连接好测试配置.b分别测出端口1的输入光功率与端口2和端口3各输出光功率之值.c按照以上公式进行计算得出附加损耗.
4.熔融拉锥分路器各支路分光比的测试1定义分光比指某一输出端口的输出光功率Pout与所有端口输出光功率之和的比值取对数.对于图
2.20的三端口光纤耦合器端口3的分光比可以表示为:分光比=101ogP3dBP2+P32测试配置测试配置如图
2.20所示.3操作步骤a如图
2.20连接好测试配置.b分别测出端口2和端口3各输出光功率之值.c按照以上公式进行计算得出各支路的分光比.33四实验报告要求
1.计算熔融拉锥分路器的附加损耗与分光比.
2.计算熔融拉锥波分复用器的插入损耗与隔离度.五思考题
1.论述熔融拉锥耦合器的耦合原理.实验七基于波长扫描法的偏振模色散测试实验一实验目的和内容
1.了解光纤通信中偏振模色散产生的原因;
2.了解偏振模色散基本测试方法;
3.掌握利用波长扫描法进行偏振模色散测试的方法.二实验预习要求
1.阅读《光纤光学》有关保偏光纤内容;
2.了解有关偏振模式的概念.三实验基本原理波长扫描法WS是根据PMD所引起的被测光纤中偏振态的变化来进行测量的.在许多文献中WS法也叫固定分析器法.这是因为在测量装置中检测器之前常常有一个偏振器它被当成分析器.实验装置简图如下:图
2.21波长扫描法WS测量系统简图34测量时宽带光源发射线性偏振光至被测光纤.当被测光纤不存在折射时来自光源的偏振光会以同样的角度到达分析仪从而测到恒定的功率值.但是一涉及双折射时偏振输出态将和光纤双折射相关联从而测得的功率值将不再是恒定值.在接受器前放置分析器的情况下测得不同波长时的输出功率为PAλ;再从光路中移去分析器测得相应波长的输出功率为PTOTλ两种输出功率的比值形成一条曲线Rλ:Rλ=PAλ/PTOTλ1于是PMD值可以根据功率比曲线Rλ在波长范围λSTARTλλSTOP内的极值点的数目Ne来计算:Δτ=KNeλSTARTλSTOP2CλSTOPλSTART2四实验项目及步骤本实验主要的调试工作在于光路的调节.现在此接合系统图形简要说明如下:实验中需要用到两个偏振片起偏器和检偏器分别由2号和5号调节架支撑.在这两个偏振片两边各有两个单光纤准直器1346用于光的输入与输出耦合.PMFLED光源OSA123456实验中首先要调节调节架13使得13号准直器对准.其次是将2号调节架和起偏器放入已调节对准的13号调节架之间.调节调节架2使得13号准直器和起偏器的插入损耗达到尽可能的小如
3.5dB左右.35同理可以完成46号准直器的对准以及456三个调节架的联调.至此实验的光路已经调节完毕.将LED输出的光引入准直器1;将保偏光纤PMF和准直器34相连接;将6号准直器的输出光送到光谱分析仪OSA.由此我们就可以在OSA上看到表征待测光纤PMF的PMD大小的曲线.五思考题
1.光源的光谱宽度对测试的精度有什么影响
2.为什么当待测光纤是保偏光纤时光谱仪上显示的曲线基本固定不变
3.若是采用常规光纤作为待测光纤多次测试时曲线会有变化吗实验八基于光时域反射仪进行光纤长度损耗及断点测试实验一实验目的和内容
1.掌握光时域反射仪进行光纤长度损耗及断点测试原理;
2.学会使用光时域反射仪;二实验预习要求
1.阅读《光纤光学》有关光时域反射仪进行光纤长度损耗及断点测试的内容;三实验基本原理实验项目及步骤
1.实验基本原理光时域反射仪OTDR简称光时域仪它是通过被测光纤中产生的背向瑞利散射信号来工作的所以又叫做背向散射仪.主要用来测量光纤长度光纤故障点光纤衰耗以及光纤接头损耗等.由于光纤本身的缺陷和掺杂成份的非均匀性使得它们在光子的作用下会发生散36射现象.因此当光脉冲通过光纤传输时沿光纤长度上的各点均会引起散射当然如果光纤有几何缺陷或断裂面也会产生菲涅尔反射其强弱与通过该处的光功率成正比而后者又与光纤的衰耗有直接关系因此其强弱也就反映了光纤各点的衰耗大小.由于散射光是向四面八方的反射光也会形成较大的反射角因此这些散射和反射光总有一部分哪怕是极少一部分能够进入光纤的孔径而反向传输到输入端.同时如果传输信道完全中断则从此点以后的背向散射光功率也降到零因此根据反向传输回来的散射光的情况又可以判断光纤断点的位置和光纤的长度.总之只要能够设法将反向传至输入端的背向散射光和菲涅尔反射光收集并进行适当的处理就可以测出这段光纤沿线各点的衰耗情况当然也包括其中的接头衰耗以及断点的位置和光纤的长度.
2.测试配置测试配置如图
2.22所示.光时域反射仪待测光纤图
2.22测试连接简图
3.测试步骤a如图
2.22连接好测试配置.b操作光时域反射仪进行光纤长度光纤的损耗与光纤断点的测量.四实验报告要求
1.画出测量的结果图确定光纤长度光纤的损耗系数以及光纤断点的位置.五思考题
1.光时域反射仪是如何实现光纤的上述性能参数的测量37第三章DEMS
2.0系统网管实验
3.1DEMS
2.0系统简介DEMS
2.0系统具有强大的管理能力它最大可管理64个DWDM网元网元类型可以是光插分复用器OADM光终端器OTM光中继器OREG;它可以同时管理DWDM设备和相关的SDH设备及其链形网环形网T形网以及由它们组成的子网;它通过高速网络互连器经E1接口组建SDHECC的额外保护路由实现远程异地监控;它支持泵浦激光器自动关断功能APSD可控制泵浦激光器自动关断和自动恢复同时具有激光器状态管理功能;它具有故障定位能力强实时响应速度快协议栈使用标准以及可用性好等等优点.它能及时帮助用户解决实际应用中出现的问题使我们的光通信设备稳定可靠运行.下面简单介绍DEMS
2.0的管理功能.故障管理功能:告警监测包括OTS告警监测OCH告警监测OMS告警监测和OSC告警监测;故障定位到站架框和单盘;提供告警屏蔽告警档案功能外部事件告警功能告警冻结和解冻功能以及告警历史管理功能;告警目志管理功能提供测试管理功能即出于测试目的而进行的某些控制操作如环回激光器开启/关断等操作.性能管理功能:物理量监测包括OTS物理量监测OCH物理量监测OMS物理量监测和OSC物理量监测;历史性能参数的存储即存储最近15分钟性能最近24小时性能即时15分钟性能即时24小时性能累计性能参数以及15分钟性能和24小时性能的历史数据.38性能参数门限管理即可查询设定和修改某一性能参数的门限当性能参数越过规定的门限时能够发出越限报告;提供性能屏蔽/使能等功能;性能日志管理功能.配置管理功能:网络拓扑结构;网元类型及配置;NE同步管理;OADM交叉连接管理;具有激光器状态管理功能;开销字节的设置和检索;命令日志管理功能.安全管理功能:管理系统的接入安全管理即对用户设置权限及口令四级权限管理;综合管理功能:人机界面管理;报表生成和打印管理;除了一般的管理功能外DEMS
2.0管理界面还具有许多其它显著的特点.它能实时地显示所管辖的网元的网络拓扑结构并反映出实际的站与站之间以及设备与设备之间的物理连接关系和站及设备的实际工作状态.还能客观形象地反映出各站的机架及子框内各机盘之间的位置关系和实际工作状态.此外为适应不同的应用环境它提供中英文两种语言.界面上还配有词典工具.为了使软件长期稳定可靠地运行本系统采用UNIX操作系统硬件平台为微机服务器也可选用SUN工作站图形系统为X_WINDOW.图
3.1为DEMS
2.0系统示意图.DEMS
2.0通过F/Q接口f接口和设备管理器EMU相连并通过ECCr和ECCm监控通道来管理所有的EMU每个EMU均可分管多个盘管器BCT而每个BCT又可管理多个监控对象这使它能够很好地管理一39个局域网LAN.DEMS
2.0还可以通过DCN联网通过高速网络互连器LAN-E1-01A把多个环形网和线形网联成一个较大的子网用一个DEMS
2.0实现集中管理.F/QEMSLAN设备管理器ECCrEMU设备管理器ECCrECCmfLAN设备管理器ECCmfEMUEMUf盘管器BCT1盘管器BCT2盘管器BCT1盘管器BCT
2...盘管器BCTm盘管器BCT1盘管器BCT
2...盘管器BCTm...盘管器BCTm图
3.1DEMS
2.0系统示意图
3.2DWDM实验系统网管简介为了更方便地研究DWDM系统让学生也能够接触到DWDM网管并有机会进行上机实习我们将其引入了教学实验系统.由于教学实验实验系统的特殊性我们在标准的DEMS网管的基础之上进行了改进并将其安装于学校机房供学生上机使用.我们的网管软件是安装在windows操作系统下面的这样学生就可以很方便的进行操作.该软件提供了DEMS网管的基本功能主要供学生实习使用.对于有些危险性的操作软件中已经采取了保护措施所以学生可以放心使用不会影响到整个网络的稳定性和正常运行.
3.3DWDM实验系统网管软件使用说明一软件启动具体操作如下:
401.开机选择进入windows操作系统;
2.利用资源管理器找到Netmanagement所在的目录;
3.在该目录下面可以找到MFC42D.DLLMFCN42D.DLLMFCO42D.DLL和MSVCRTD.DLL四个动态链接库和一个可执行文件Netmanagement.exe另外还有两个子目录:DATA和RES;
4.进入目录DATA利用记事本打开server.ini文件将serverip=后面的ip地址改成老师所提供的服务器ip地址;
5.返回上一级目录双击Netmanagement.exe文件进入软件系统.二软件退出单击主窗口右上角的X按钮或者利用文件菜单中的退出菜单项可以退出软件系统.退出时软件将会自动保存数据.三操作说明在本系统中管理对象有:整个工程局机架子框机盘网块段网元组每个管理对象在界面上都有相应的图标与之对应.
1.对管理对象的基本操作方法:一般每一个对象都对应了相关的操作菜单用鼠标右键点中图标可弹出一菜单再单击左键选中某菜单项可在此对象上进行相应的操作.
2.查询管理对象的告警在对象图标的弹出菜单中点中相应的告警菜单项即可.单击主创口中的告警按钮可以查看当前所有的告警信息.
413.查看对象的属性设置在对象图标的弹出菜单中点中相应的属性菜单项即可查看在增加对象时有关对象的一些属性设置;
4.修改对象属性软件中并没有提供此项功能在查看对象的属性时所有的属性项目是只读的.所以只能够删除对象后重建.所以在新建对象时一定要注意不要出现误操作.
5.有关对象的的内部操作对于网块局机架和机框可以通过对象图标的弹出菜单中点中相应的对象管理菜单项可以进行对象内部操作的对话框.目前暂不提供对网元和机盘的内部配置对于机盘和网元的配置只有建立对象时对相关属性的设置.
6.增加与删除管理对象删除:点中某管理对象的弹出菜单项中的删除项即可删除此对象;增加网块:点中工程的增加网块项添入相应项目再点应用按钮即可增加一网块;增加局:点中工程的增加局项添入相应项目点应用按钮时鼠标进入拖放状态再将其放入地图的某一点即可创建一新局;增加机架:点中局的增加机架项添入相应项目可增加一机架;增加网元:点中机架的增加网元项添入相应项目点应用按钮时鼠标进入拖放状态再将其放入网块子窗中的某一点即可创建一新网元;增加机盘:点中网元的增加机盘项在窗口中选插槽号16进制此对话框中即显示要插入的机盘类型点中类型框时类型框中将显示下一个可在此槽中插入的盘类型点应用按钮时即可插入此类型的机盘插槽号会自动变为下一个插槽号并显示出可插入下一个槽位的盘类型;
427.增加与删除管理对象连接关系局间和网元间有连接关系.在DEMS中局间连接关系为无方向的网元间关系有有向的和无向的但是在实验软件中均是无方向的.增加局间连接关系:点中某局的链接菜单项就会弹出一对话框在其中填上所要链接的局的局名并确定就会在这两个局之间出现一条连接线.删除局间连接关系:点中工程的断链菜单项在弹出的对话框中填入已链接好的两个局的局名确定后可以将这两个局之间的链接删除.如果填写出错或是无链接程序会提示错误信息.增加网元间连接关系:点中某网元的链接菜单项就会弹出一对话框在其中填上所要链接的网元的地址并确定就会在这两个网元之间出现一条连接线.网元的地址包括地址开关一和地址开关二的值之间使用-号连接.删除网元间连接关系:点中网元所属网块的断链菜单项在弹出的对话框中填入已链接好的两个网元的地址确定后可以将这两个网元之间的链接删除.如果填写出错或是无链接程序会提示错误信息.
3.4对管理对象的具体操作为了更好地理解对管理对象的具体操作先对管理对象有个概貌的了解.下面以华中科技大学光电子工程系光纤教研室的4×
2.5Gbit/s密集波分复用DWDM光传输系统为例介绍有关网管软件的具体操作.4×
2.5Gbit/sDWDM波分复用系统是由GBD2488-01型波分复用终端机和GBZ2488-01型光线路放大器组成.在逻辑结构上该系统包括了一个网块其中有三个网元分别实现光发送光放大和光接收三项功能.在物理结构上该系统设置了两个局每个局都只有一个机架.在其中一个机架中有两个机框分别对应于光发送模块和光接收模块.另一个机架包括了一个机框对应于光放大模块.光发送模块包括了两个TM光合路盘两个发送光转发盘一个43光监控信道盘一个光功放盘和一个WDM管理盘;光接收模块包括两个TM分路盘一个光监控分插盘一个光监控信道盘和一个WDM管理盘;光放大模块包括一个监控分插盘一个光信道分插盘一个OLA一个光监控信道盘和一个WDM管理盘.一对波分复用终端机的管理下图为4×
2.5Gbit/s波分复用终端机在某工程中应用的主窗口界面界面上对配套的SDH设备暂未示出.主窗口由主菜单网络拓扑图右边的选项图标告警警历史性能历史和选项按钮工程网块以及上下左右滚动条组成.
1.主菜单主菜单由文件语言系统用户管理消息和工具六个大的菜单项目组成.各项所包含的菜单条及说明如下:1文件a.登录用户通过键入口令进入自己的管理级别.点中此菜单项后会弹出一对话框如下图要求用户输入用户名和口令.如果正确则此用户进入自己的管理级别并44拥有相应的权限.否则系统拒绝用户的进入.本软件为安全管理起见对用户分为四级.b.退出单击退出或窗口右上角的X按钮即退出EMS管理界面.2系统a.属性可查看告警对应的颜色如下图示:——红色:紧急告警;——黄色:非紧急告警;——绿色:正常工作;——兰色:状态量;45——黑色:M通信中断;——褐色:网元通信中断;——橙色:BCT通信中断.b.设置服务器用户可以在软件运行期间修改服务器IP地址并重新连接.在网络出现异常后通信会出现中断.在通信恢复以后又可以通过此项重新连接服务器而不需要重新启动软件.在服务器的IP地址发生改变后也可以通过这一项功能重新设定不过一般最好修改对应的ini文件.c.新密码用户更改自己的密码.在如下子窗中输入新密码点应用即可修改用户自己的密码.使用guest登录的用户无法修改密码.为了安全起见修改密码的时候需要再次输入旧的密码.46d.版本显示当前软件的版本如下图:3用户管理a.增加用户增加用户只有超级用户4级才能增加和删除用户.在弹出的对话框中键入用户名和口令选一个用户级别即可增加一个用户.b.用户设置用户用户设置是对已有的用户进行重新设置只有超级用户才能执行此项目3级用户可以查看但是不能够修改.用户设置包括了修改密码修改级别和删除用户.Administrator为系统帐号级别是4不能能够修改此用户的级别和删除此用户.
472.对工程的操作1工程下拉菜单在主窗口工程按钮上单击左键弹出下拉菜单:属性告警告警历史性能历史删除增加网块增架局断链.a.单击属性弹出工程属性信息框其中工作站号为
1.b.单击告警弹出工程告警信息框可查明告警所发生的位置地址和告警类型.48c.软件暂时不提供对告警历史和性能历史的查询.d.单击增加网块弹出创建新网块对话框如下图所示.键入网块号等相应项目点确定则在主窗口上增加新网块按钮.网络周期:一个数据包在到达目的地之前允许被转发的最大次数.假设一个网块中有9个网元若设第一个网元为Ma则中间的某网元设为Mb网络周期一般为该网块中网元总数加
1.49e.单击增加局弹出创建新局对话框键入局名点确定则光标变为手拿文件光标拖放该光标至地图上再单击左键即成地图上的一个局图标.f.单击删除则该工程即被删除不要执行此项操作.g.单击断链用于断开两个局之间的链接.2对局的操作点击局菜单中的局管理项目可以打开局操作的对话框.在局管理对话框中包括了机架机框机架增加按钮和关闭按钮.a.增加机架点击增加机架按钮在弹出的对话框中填上机架号和机框数量然后点击确定按50钮.b.增加机框右键点击机架最上方可弹出机架菜单点击增加机框弹出增加机框的对话框.在创建新机框中键入网块号节点号组号框地址框号框类型再点确定即可在该机架中增加新机框.网块号节点号组号是该机框对应网元的属性.框地址框号是机框的标识.框类型的选择是在其复选框上单击右键弹出各自的选项菜单供用户选择填写在我们的系统中应该选择WDM_OMA.3机框内部操作右键点击机框并选择机框管理菜单项打开机框管理对话框.机框管理对话框中包括增加机盘按钮关闭按钮和机盘显示区.51c.增加机盘点击增加盘按钮弹出增加机盘对话框.在对话框中设置号槽号机盘类型网块号节点号和组号.槽号是机盘在机框中的位置类型指明机盘的种类网块号节点号和组号与机盘所在的机框相同.其它的设置一般使用缺省的就可以了.设置好所有属性后点击确定按钮就可以在机框的相应位置增加所需的机盘了.d.机盘配置鼠标右键点击某个机盘选择单盘菜单项可以下达单盘的配置命令.如果一切操作正确无误就会弹出通信成功的提示框;如果操作有误系统会提示通信失败并显示出告警提示.可以通过告警菜单项查看告警然后进行改正.
3.对网块的操作在工程界面上点击网块按钮在弹出的菜单中选择网块管理项就可以激活网块管理对话框.52a.增加网元单击网块管理对话框上的增加网元命令按钮弹出创建新网元对话框如下图所示.键入节点号等相应项目再点应用则光标变为小手光标拖放该光标至网块管理对话框中的网块拓扑图区单击左键即成一个网元图标.节点号是网元的逻辑编号地址开关一和地址开关二是该网元所表示的对象的物53理地址编号网元类型在我们的系统中设置成2488WDM16TM表示是
2.5G的终端复用设备.EMU类型是指网元管理盘的类型这里设置成为WDM-EMU表示是波分复用系统的网元管理.其它的设置使用缺省的.b.光连接创建好所有网元后在网元图标上单击右键则弹出下拉菜单单击光连接弹出网元连接对话框.在对话框中填入需要连接的网元的地址这里包括地址开关1和地址开关2的值之间用-号分开按下确定按钮就可以在两个网元之间建立新的连接.单击网块管理对话框上的断链命令按钮弹出断链对话框.在对话框中输入需要断链的两个网元的网元地址并确定即可断开网元之间的连接.地址的格式与建立光连接时输入的格式相同.c.删除网元在网元图标上单击右键则弹出下拉菜单单击删除弹出网元删除对话框.如果确实要删除点击确定按钮否则点击取消按钮.d.网元配置54单击网块管理对话框上的全配置命令按钮可以对已经设置好的网元进行配置.如果一切操作正确无误就会弹出通信成功的提示框;如果操作有误系统会提示通信失败并显示出告警提示.可以通过告警菜单项查看告警然后进行改正.55第三篇光学零件制造工艺实习指导书聂明局编光学与光纤通信实验基地第三篇第一章
1.1光学零件制造工艺光学零件制造工艺一般知识光学零件制造工艺的特点及一般过程制作光学零件的常见材料有三大类即光学玻璃光学晶体和光学塑料其中以光学玻璃特别是无色光学玻璃的使用量最大.虽然光学零件的加工按行业划分归入机械加工一类但由于加工对象的材料性质和加工精度要求显著地不同于金属材料因而加工工艺上也完全不同于金属工艺而具有特殊性.
1.
1.1光学零件的加工精度及其表示光学零件属于高精度零件.平面零件的加工精度主要有角度和平面面形;球面零件的加工精度要求主要有曲率半径和球面面形.高精度棱镜的角误差要求达到秒级.高精度平面面形精度可达到几十分之一到几百分之一波长.平面零件的平面性和球面零件的球面性统一称为面形要求.光学车间一般用干涉法计量用样板叠合观察等厚干涉条纹俗称看光圈.表示面形误差的光圈数符号是N不规则性或称局部误差符号是△N.除面形精度外光学零件表面还要有粗糙度要求.光学加工中各工序的表面粗糙度如表6-1所示.光学零件抛光表面粗糙度用微观不平十点高度表示为R2=
0.025um用轮廓算术平均偏差表示为R2=
0.025um用符号表示则为
0.008在此基础上还有表面疵病要求即对表面亮丝擦痕麻点的限制.
1.
1.2光学零件加工的一般工艺过程及特点光学零件加工的工艺过程随加工方式不同而异.光学零件的加工方式主要有两类:传统古典加工工艺和机械化加工工艺这里我们只介绍传统加工工艺.传统工艺的特点主要有:1使用散粒磨料及通用机床以轮廓成形法对光学玻璃进行研磨加工.操作中以松香柏油粘结胶为主进行粘结上盘.先用金刚砂对零件进行粗磨与精磨然后使用松香柏油抛光模与抛光粉主要是氧化铈对零件进行抛光加工.影响工艺的因素多而易变加工精度可变性也大通常是几个波长数量级.高精度者可达几百分之一波长数量级.2手工操作量大工序多操作人员技术要求高.对机床精度工夹磨具要求不那么苛刻适于多品种小批量精度变化大的加工工艺采用.传统加工工艺过程以一个透镜为例先后依次经过以下一些工序:1毛坯加工.包括按光学零件图选择合适的块料切割整平划分胶条滚圆开球面.开球面是单件进行的.2粗磨加工.使表面粗糙度及球面半径符合细磨要求.传统工艺中粗磨是单件进行的.一般采用传统工艺加工的工厂中粗磨车间往往包括毛坯加工.3上盘:粗磨之后经清洗将一个个透镜毛坯按同半径组合成盘.即依靠粘结胶把分散的透镜固定在球形粘结膜上应注意的是成盘时要使每一个透镜毛坯的被加工面都处于同一半径的球面上.4细磨抛光工序.在加工第一表面时细磨到抛光过程中一般是不需拆盘的即一次一盘完成.操作中先使用粒度依次变细的三至四道金钢砂将被加工面研磨到抛光要求的表面粗糙度然后清洗进行抛光.抛光是用一定半径的抛光模加抛光粉进行.一面加工完毕后涂上保护膜翻面再进行上盘.细磨抛光加工第二表面.15定心磨边工序.透镜加工过程中会出现光轴和定位轴偏离称为偏心.定心磨边的任务是消除偏心并使侧圆柱面径向尺寸达到装配要求.传统工艺的磨边常在光学定心磨边机上进行.6镀膜工序对表面有透光要求的透镜要加镀增透膜.球面反射镜要镀反射膜.有的还要镀其它性质的薄膜依使用要求由设计决定.7胶合工序.对成象质量要求较高的镜头往往采用几块透镜胶合而成.胶合应在镀膜以后进行.以上这些工艺过程可简略表示如下:选料——切割——整平——胶条——滚圆——开球面——粗磨球面——上盘——细磨——抛光——下盘;第二面上盘——细磨——抛光——下盘——定心磨边——镀膜
1.2光学工艺安全操作知识光学加工由于精度高加工对象特殊必须在专门的光学车间内进行.因此除了遵守一般的机械加工规则外还必须遵守光学加工所特有的安全操作要求.
1.
2.1光学车间的特点在光学零件加工过程中大多数工序对温度湿度尘埃振动光照等环境因素是敏感的特别是高精度零件和特殊零件的加工尤其如此.因此光学车间都是封闭形并要求恒温恒湿限制空气流动人工采光防尘.1温度对光学工艺的影响恒温是光学车间一个明显特点之一.这里包括恒温温度及波动范围两个问题.光学车间各工作场所由于要求不同对恒温温度及其波动范围的要求是各不相同的.1温度对抛光效率与质量的影响由于抛光过程中存在的化学作用随温度升高而加剧因而升温会提高抛光效率.但由于古典工艺中采用的抛光模制模用胶粘结胶等主要由松香和沥青按一定配比制成一定的配比只在一定的温度下使用.而且它们对温度的变化较为敏感温度过低抛光模具与零件吻合性不好;温度过高抛光模具抛光工作面变形.这两者将使加工零件的精度难以保证具体表现在光圈难以控制和修改.实践得出:抛光间的温度一般应控制在22℃±2℃为宜.2检验对室温的要求温度的波动直接影响检验精度.一方面因为精密光学仪器对温度的波动很敏感;另一方面被检零件不恒温时检具和零件间有温差会直接影响读数精度.所以检验室必须恒温并且也应控制在22℃±2℃范围内.2湿度对光学工艺的影响在光学零件加工过程中凡要求恒温或空调的地方均因控制湿度所需.因为水份蒸发速度直接影响湿度恒定状态.湿度过低易起灰尘零件表表清擦时也易产生静电而吸附灰尘影响其光洁度.特殊零件如晶体零件的加工以及光胶工艺等对湿度的要求尤为严格.光学加工过程中室内温度一般应控制在60%左右.3防尘由于光学零件对表面质量即表面光洁度和表面疵病有极高的要求所以光学车间的防尘问题也特别突出.灰尘在抛光时会使零件表面产生道子划痕亮丝;在镀膜时会使膜层出现针孔斑点灰雾;在刻划时会引起刻线位置误差断线等.灰尘来源主要有:外间空气带入;由工作人员衣物上落下粒径一般在l一5μm左右直径小于1μm的灰尘往往不能依靠自重降落而长时间悬浮于空气中影响产品质量;不洁净的材料辅料工夹具等带入;生产过程中产生的灰尘光学车间的净化条件若按2室内含尘的重量浓度要求应控制在毫克/米3的数量级.胶合室的要求更严一般以颗粒浓度作为要求达到粒数/升的数量级.
1.
2.2光学生产安全操作规则由于光学车间的特殊性和光学零件加工的高精度要求学生进入光学车间实习时必须遵守以下安全技术及操作规则:1进入光学车间特别是进入细磨抛光检验磨边胶合镀膜刻划等工作间时应穿白色工作服戴工作帽穿专用鞋子或干净拖鞋以防止将室外灰尘带入光学车间;2在操作过程中禁止用手指直接触摸光学表面需要拿起光学零件时手指也只能接触光学零件的侧面或非工作面.因为手指上留有汗渍各种有机酸盐类等对光学表面有害物质它们往往会使光学零件表面受到侵蚀.如果不小心触摸后必须立即用脱脂纱布或脱脂棉花蘸上酒精乙醚混合液擦拭干净;3为保持光学车间的恒温条件不能在一个工作场所聚集过量人员致使周围气温上升.门窗也不能随意打开;4开机前须先检查机床设备工夹具是否完好.发现电机有异常现象或其它机械毛病时应立即拉开电闸或停机检查.安装拆卸零件和夹具时机床主轴必须完全停止转动;5为了清洗光学零件和其它工作需要光学车间常常使用或临时存放多种易燃物质如溶剂汽油无水酒精乙醚等.因此光学车间必须严格注意防火加热设备必须远离上述物质.为了防火同时也为了空气卫生光学车间内严格禁止吸烟;6在加工过程中粗砂禁止带入细砂细砂禁止带入抛光区因此在换砂以后在磨砂完毕进入抛光前必须对工件工夹具工作台等进行彻底清洗以防砂子带入使工件表面出划痕亮丝破坏光洁度;7在上盘下盘或其它需要加热光学零件情况时不可使零件急热急冷.加热时应注意零件升高的温度必须控制在材料的退火温度以下.由于电炉表面温度已接近或超过许多材料的退火温度所以不能将光学零件直接放置在电炉盘上加热必须垫上衬垫;8在未了解实习所用机床及仪器设备的操作规范前不允许擅自开动机床试看试用有关的仪器设备.也不允许操作不在实习范围内的仪器与设备以免造成损坏和人身不安全事故.
1.3光学零件和光学零件图光学零件是光学制造最后完成的目标光学零件图是加工和检验的依据所以在加工之前必须熟悉光学零件图及相应的技术指标符号尺寸等的含义.
1.
3.1光学零件及有关术语符号光学工艺使用的图纸通常有光学零件图胶合部件图工序图毛坯图粗磨图抛光图等.其中光学零件图规定了加工时所必须的全部资料包括外形尺寸材料技术要求及其它需说明的各项内容如图1—11图1—12图1—13所示.其它工艺图纸均按光学零件图画出标注各工序完工后的尺寸和检验要求.绘制光学零件工艺图样的一般原则是:光学零件的光轴用点划线表示一般水平放置光线方向应自左向右零件一般对称于光轴放置圆零件只画出沿光轴剖开的剖面图.图纸左上角的表格依次列出对玻璃的要求和对零件的加工要求包括面形精度表面质量等.零件的外形尺寸有关技术要求在图上注明或在图纸下方用文字或符号注明.常用符号术语说明如下:N光圈数符号.表示被检的零件表面和样板标准表面曲率半径偏差时产生的干涉条纹数通称光圈数目;3ΔN光圈局部误差符号表示表面形状的局部误差;ΔR样板精度等级符号.即样板曲率半径实际值对名义值的偏差量符号;BP光学零件表面疵病符号也称为光洁度.光学零件工作表面的粗糙度一般都要求达到R1=
0.025μm旧标准为V
14.在此基础上还需限制表面上存在的亮丝擦痕麻点应与机械加工中的光洁度概念区分开.CX透镜偏心差符号亦称透镜的中心偏差符号.用透镜表面的球心对透镜定位轴的偏离量表示;π尖塔差符号.表示反射棱镜的棱向误差;θ平行差符号.玻璃平板两表面间的不平行度;S屋脊棱镜双角差符号.屋脊棱镜屋脊角有偏差时造成的双象差的程度;d透镜中心厚度;φ透镜的口径;镀膜符号:
④为增透膜
②为增反镜;Δnd玻璃材料折射率允许误差包括对标准值的允差和同一批玻璃中的一致性允差.ΔnF—nC色散允差与Δnd一样同样包括二项:4光学均匀性:玻璃内因折射率渐变造成的不均匀程度影响零件的鉴别率以鉴别率表示;双折射:玻璃存在应力时呈现各向异性产生双折射现象以双折射光程差表示;纹:玻璃中的化学不均匀区因折射率不同于主体而出现丝状或层状的疵病块料玻璃有从三个方向检查的也有二个或者一个方向检验的;气泡:玻璃体内残留气泡程度有大小与个数两项指标.
1.
41.
4.1光学零件的加工余量加工余量的基本概念在光学零件加工过程中为了从玻璃毛坯获得所需要零件的形状尺寸表面必须预留一定量的玻璃层这一定量的玻璃层就称为加工余量.加工余量的正确给出是十分重要的如果给出的余量小则加工不出符合技术要求的零件;如果余量太大又会造成材料与工时的浪费.根据光学零件加工工序零件的加工余量分为:锯切余量整平余量滚圆余量粗磨余量细磨及抛光余量定中心磨边余量;在每一工序之后给下一道工序留下的余量称为中5间工序的余量;由加工中各个中间工序的余量所组成的余量总和称为总加工余量;鉴于各工序的加工特点不同需要很好地研究如何合理地规定各道工序的加工余量.
1.
4.2确定加工余量的原则光学零件的绝大部分余量都是借助于散粒磨料或固着磨料磨除去的.在研磨过程中磨料对玻璃表面施加压力形成一定的破坏层往后的细磨抛光等各道工序就是要除去这一破坏层使玻璃表面形成符合要求的光学表面.因此确定加工余量的原则应该是每道工序中除去的余量等于上一道工序产生的破坏层深度Fn-1与本道工序产生的破坏层深度之差.玻璃经过第一道砂粗磨后表面产生凹凸层hc和破坏层Fc破坏层最深处以AA表示;当第二道砂粗磨时产生凹凸层h1和破坏层F1而破坏层深度应与AA线重合而其加工余量应为图中的△1显然△1等于Fc与F1之差.以后各道磨料的研磨加工余量均可类推最后一道磨料的精磨所产生的h与F都己相当细微因此应该使最后一道磨料中的F略微超出AA线.然后通过抛光除去残余的相当微细的破坏层.余量的表达式为:Δ1=FeF1Δ2=F1F2Δ=FFn1nn必须指出:根据上述原则计算的余量只是理论值实际上还应该结合加工的具体情况给予适当地放大.
1.
4.3各工序余量的确定1锯切余量与公差锯切余量与锯片的侧向振动锯片厚度锯切深度等因素有关可按表1—1选取.表1—1锯切余量锯切深度mm〈1010～65〉65散粒磨料锯切余量mm锯片厚度1mm
1.
52.
02.5锯片厚度2mm
3.
03.
23.6金刚石锯片锯切余量mm锯片厚度1mm
1.
51.
82.2锯片厚度2mm
2.
52.
73.0锯切的尺寸公差取±
0.2～
0.5mm.2整平余量整平时磨去玻璃层的厚度决定于毛坯玻璃的厚度表面不平程度及其它表面疵病大小一般加工中单面整平余量取
0.2～
0.6mm;3磨外圆加工余量与公差磨外圆余量是指将整平后的方料按其边长磨到圆直径之间的磨去量根据磨外圆的加工机床与零件尺寸不同可按表1-2确定磨外圆公差可按表1-3确定.表1-2磨外圆余量零件直径mm〈77～40加工种类无心磨床手搓滚圆外圆磨床改装车床外圆磨床改装车床
0.4～
0.
61.5～
2.
01.5～
2.
02.0～
2.
52.0～
3.
02.5～
4.0〉406表1—3磨外圆公差加工方法无心磨床手搓滚圆外圆磨床改装车床外圆公差mm
0.
050.
100.05~
0.
100.10~
0.20不同柱度mm
0.
010.01~
0.
100.
050.104研磨抛光余量与公差研磨的余量与被加工零件开关和尺寸毛坯的种类机床精度等因素有关.抛光余量十分微小它与精磨余量一起给出.1用散粒磨料研磨时粗磨余量参考表1-4:表1-4散粒磨料粗磨余量零件毛坯种类加工面形状凸面和凹面凸面凹面平面镜棱镜平面型料型料和锯料平面平面透镜直径或长方形零件边长mm单面余量0~251透镜球面型料块料
0.
220.325~
4010.
320.440~
6510.
420.6〉
6510.
620.60h
0.
20.
50.
40.50h
0.
30.
60.
50.60h
0.
40.
70.
60.70h
0.
60.
90.
90.92用固着磨料研磨时粗磨铣切余量参考表1—5对于棱镜考虑到修磨角度余量应当增大.表1—5固着磨料粗磨余量种类零件直径直径单面余量mm双凸透镜平凸透镜双凹透镜平凹透镜有平台无平台
0.
150.
07510.
10.
050.
200.
1000.
150.075直径3精磨抛光余量及公差精磨和抛光的余量:一般采用的数据为零件直径≤10mm时单面余量取
0.15~
0.20mm零件直径10mm时单面余量取
0.20~
0.25mm.高速精磨余量一般取
0.1mm.3定心磨边余量凹透镜的定心磨边余量参考表1—6选取.对于凸透镜当其直径与凹透镜尺寸相同时可选取比表1—6低一级的余量.7表1—6透镜直
1.5~
2.5径mm加工余
0.4量mm
2.5~
40.64~
60.8凹透镜定心磨边余量6~
101.010~
151.215~
251.525~
652.065~
1002.
510031.
4.4光学零件毛坯尺寸的计算各工序的加工余量确定之后就可计算出毛坯的尺寸.1透镜的毛坯尺寸计算对于双凸透镜可按下式计算:t=t0+2p1+p2对于凹凸透镜可按下式计算:t=t0+2p1+p2+h对于双凹透镜可按下式计算:t=t0+2p1+p2+h1+h2式中:t——毛坯的厚度;t0——透镜的中心厚度;p1——精磨抛光余量单面;p2——粗磨余量单面;h1h2――凹面的矢高.2棱镜的毛坯尺寸计算棱镜的种类虽多种多样但都可认为是若干个三棱镜的组合所以只需分析三棱镜毛坯尺寸的计算.第二章光学零件制造工艺实习
2.1光学零件的粗磨成型工艺
2.
1.1粗磨及其要求一概述1什么是粗磨将玻璃加工成透明的光学表面无论采用传统工艺还是机械化工艺均需要经过三大基本工序:即粗磨细磨精磨抛光.粗磨是将玻璃块料或型料毛坯加工成具有一定几何形状尺寸精度和表面粗糙度的工件的工序.按国内一般情况粗磨工序是包括毛坯加工分工序的而狭义的粗磨是仅指在已基本成型的毛坯上研磨表面使其表面形状如球面半径和表面粗糙度满足下一步上盘细磨要求的那一部分工作.这里所述粗磨则指较广的范围即从由块料加工毛坯开始因此它所包含的分工序相应地要比成型毛坯的多一些.2粗磨的要求粗磨的要求是随零件的种类不同而不同的.对于球面零件粗磨加工的要求是:一定的曲率半径中心厚度中心偏不超过某一范围;完工后的表面粗糙度要求达到
3.2R1=
3.2μm相当于旧标准光洁度等级为V5;对于平面零件粗磨加工的要求是:一定的角度厚度外形尺寸;完工后的表面粗磨度一般应比球面8零件的要求高一些.二粗磨工艺的机床设备与辅料传统工艺用机床采用散粒磨粒加工主要种类有:1割料机:主要结构为一高速旋转的铁片圆盘下置一个砂桶用手推动玻璃进行锯割俗称泥锯;2粗磨机:该机床由一电机通过皮带驱动主轴转动主轴上端装有平模或球模主轴转速可以利用塔轧变速研磨时可根据工件加工余量的大小向平模或球模添加不同粒度的磨料与水的混合物.玻璃的磨除量和表面凹凸层与磨料粒度磨料种类磨料供给量机床转速及压力等因素有关.该机只有一个主轴故又称单轴机若有两个主轴则称粗磨二轴机.三粗磨量具根据粗磨精度情况量具使用范围如下:1钢尺:用于划线切料核料测量;2分厘卡:0—25mm规格用于凸透镜中心厚度测量;25mm以下的外圆及棱镜尺寸测量;加装测量头还可测量凹透镜的中心厚度;25～50mm规格用于25—50内各种外圆尺寸棱镜尺寸测量;3游标卡尺:用于零件直径长度高度内径等大于50mm的尺寸测量;4百分表:测量零件深度平行度凹透镜中心厚度;5角尺:包括直角尺调整角尺角规万能角尺用于测量零件角度是棱镜加工的必备量具;6刀口尺:用于检验平面零件的平面性;以上量具校正时应用三级块规.四粗磨磨料粗磨磨料最常用的是金刚砂其主要成份为Al2O3SiO2Fe2O3等系天然矿物产品.磨料生产中对于粗细不同的磨料是用其粒度来表示的.按国家标准规定对用筛选法获得的磨料粒度号用一英寸长度上的筛孔数目命名如
6080120280.号数越大磨料越细;较细的磨料用水选法分级以实际尺寸命名粒度号.如W.W20Wo等号数越大磨料越粗.由于各种粒度的磨料实际上是一群粒径在一定范围内的混合体因此对磨料的质量还要求要有一定的粒度均匀性.五粘结材料用于粘结零件是一种零件粘结和装夹辅助材料常用的有柏油和松香.按一定比例配合熬制成的火漆松香和黄蜡配制的粘结胶等其主要指标是针入度和软化点.软化点越高针入度越小胶则越硬.对于粘结胶软化点约为上盘温度而适宜使用的室内温度则应低于此值粘结胶软化点应大于80℃.
2.
1.2粗磨磨具粗磨磨具包括加工用的研磨模倒角模和装夹粘结用的粘结模.加工模具又称工具多用铸铁制造;粘结模又称夹具常用铝合金或铸铝制成按其外形可分为球面和平面两类各种球面模具的主要差别在于球面半径精度和模具的矢高不同模具原则上不能通用.平面模具主要指标是其口径大小通用性较大.一球面零件的粗磨A球面零件粗磨工艺过程球面零件粗磨工艺过程根据所用毛坯的类型及加工方式的不同而不同.1块料毛坯:传统工艺下的球面零件粗磨工艺过程可由下列工序构成:1锯料切割:按零件毛坯尺寸进行锯切;92整平:磨去锯切时留下的不平痕迹;3切片或割方:按零件直径毛坯尺寸切片割方;4胶条:按零件厚度方向胶成长条;5滚圆:用手工方法将胶条磨去棱角再滚磨成圆柱或装在专用机床上直接按尺寸要求磨外圆;6拆胶清洗:胶条拆开获得若干单个圆形玻璃片;7磨球面俗称开R:将圆片平表面按图纸要求磨成球面;8倒角:磨去锋利的边缘;9清洗送检.2型料毛坯:型料毛坯一般是已具有圆片形状的玻璃料或是热压成型的球面玻璃料两种对于型料毛坯一般是采用机械化工艺加工其工序过程有:1型料检验型料是一定质量的光学玻璃经热加工后的产品其理化性质常有改变因此用料时一定要按图纸要求逐项检验合格方可使用;2上盘将型料上刚性盘装夹3铣磨球面用金刚石磨轮在铣磨机上进行铣削形成球面;4粗磨修整这一工序主要用于部分机械化工艺中即成盘铣磨好的球面零件下盘后要单只粗磨修整并倒角方能送古典式细磨工序加工.B主要工序操作方法1锯料切割:锯料的目的是将大块料锯切成小块或片状以利下道工序加工.可按以下步骤完成.1选料:根据图纸上对材料提出的各项指标要求认真细致地选择不可出错稍有差错加王后即成废品既费工又费料因为以后各道工序一般不再检查也很难检查.2划线:划线的尺寸是图纸上零件要求的名义尺寸总的加工余量与锯缝宽度三部分之和.双凸透镜划线尺寸计算:厚度划线尺寸:6图纸上名义尺寸+
0.3细磨抛光余量+
0.2粗磨余量+1整干余;量+2锯缝宽度=
8.
5.式中:单位是毫米mm直径划线尺寸:30图上名义尺寸+
1.5磨边余量+1滚圆余量+1磨方余量+2锯缝宽度=
35.
5.3锯切:在泥锯上锯切;先检查机床是否正常砂桶内有无合适的砂浆工作台是否可靠.然后开动机床手持玻璃沿靠板缓缓推进切割;对较薄的玻璃块为防止最后崩边可预先胶上一块保护玻璃再行切割.若在金刚石锯片切割机上切割先按操作说明书检查机床是否正常锯片装夹是否紧固冷却液是否流通.然后装夹玻璃调整好位置开动电机自动切割.4锯切操作注意事项a锯片不平直时:应先调整平直轴上安装要正确可靠;b进料时应对准锯缝锯片和玻璃接触线不应过长并应从玻璃边缘开始切割;c用手握住玻璃时不应有上下与左右方向的跳动切割开始与结束时用力要轻以防崩边;d锯大的玻璃块料时切到中间应调转180再切;e锯下的余料必须即时重新打印或者用玻璃铅笔写上原来的牌号及有关质量指标以防止以后不可辨认而成为废料.2整平:整平的目的是磨平锯切时留下的不平痕迹及破口以保证零件平行度控制尺寸提高表面光洁度.也有手工整平与机械整平两种方法.101手工整平方法手握工件使其在铸铁研磨盘上沿椭圆形路线运动运动方向应与磨盘转动方向相反同时加砂加水研磨时需要多磨的地方应加大压力如在凸出部形块的厚端部或者让需要多磨的部位在磨盘的边缘部分停留的时间较长些;2机械整平用平面磨床进行磨平或者用铣磨机床铣平一般是多块成盘加工;3整平操作注意事项手工整平时要防止在工件上加压不匀造成工件表面成凸起的弧形正确的加压方法是使工件始终贴紧磨盘表面运动同时不可一次加压过剧应从厚到薄逐渐过渡.3划方:划方是传统工艺中加工小尺寸球面零件时常见的工序方法.对于较薄lOmm时划后用小锤轻轻敲击划痕背面使之开裂.3磨球面开R这是球面光学零件的第一次成形加工.磨球面工艺的要求除加工出符合粗磨图纸上规定的球面半径值外还应该控制偏心差并使加工面具有一定的粗糙度.同样磨球面也有手工与机械两种方法.1手工法磨球面用手工法磨球面指用散粒磨料单件手工粗磨球面的方法.
①研磨盘以速度w1作逆时针方向转动工件用手指按住较小的工件可以用一木棒粘上沿磨盘表面上下移动.为防止产生较大偏心差工件还要依靠大拇指的推动不断围绕自身轴线以速度w2转动;
②粗磨球面一般要用从粗到细的三道磨料加工每一号磨料应有相应曲率半径的粗磨球模第一道磨料要根据单件矢高的大小选择不同的粒度矢高大于1毫米时用粒度180#磨料;矢高为
0.4~l毫米时用200～180#磨料矢高小于
0.4毫米的用小于200#的磨料;第二道选用280#磨料第三道选用W
40.或W2a磨料;
③为控制偏心和检验厚度磨完第一道磨料后应留出具一定尺寸的检验环凹球面和检验点凸球面用观察检验环是否对径等宽分布检验点是否位于中心来判断偏心的程度.磨完第二道磨料的中心厚度大于粗磨完工尺寸约
0.1毫米第三道磨料则磨到粗磨完工尺寸.
2.
1.3平面零件的粗磨一平面零件的粗磨对于具有一个侧圆柱面的一般平面零件如分划板度盘平面平晶平行平晶等传统工艺的工艺过程类似于球面零件的粗磨工序不同之处是无需磨制球面;平面零件粗磨表面质量比球面的要求高应比球面零件多磨一道细一号的砂同时要修改两表面的平行性.用散粒磨料粗磨平面时第一道砂根据工件的加工余量的不同选用不同的粒度.用粒度小于180#的砂研磨后厚度余量应比粗磨完工尺寸至少大
0.5毫米;用180#砂研磨后留余量
0.3毫米以上;用240#砂磨后留余量
0.25毫米以上;用280#砂磨后留余量
0.1毫米;最后用W40或W2s砂磨到粗磨完工尺寸粗磨完工的工件表面以中间略凹些为好.粗磨时检验工件和平模的平面性用刀口平尺根据平尺刃口下是否漏光的情况来判断面形.检验前应将表面擦净.平尺放到工件上后不要来回拖动以免使平尺刃口很快被磨损.1散粒磨料多片加工11工件尺寸小于150mm时可采用多片成盘加工工艺.具体操作过程是:将粘盘加热用石蜡或松香蜡将平面工件上盘粘盘中心要凹;2散粒磨料单件加工工件尺寸大于150mm时应用小平模粘结单件加工如外圆较规则可不必粘结装在套模内加工即可.
2.
22.
2.1光学零件的细磨精磨工艺概述一细磨工艺及其要求粗磨完工的零件表面是比较粗糙的其几何形状也与图纸要求差距较大还不能用来进行抛光加工为此零件的粗磨工序完工之后还必须设置细磨工序.其目的有两个一是通过细磨工序将零件的表面粗糙度提高到
0.8R1=
0.8μm左右相当于旧标准光洁度等级V7;二是使零件几何形状更加精确面形更为完善.所以细磨是粗磨与抛光之间的一道中间工序也是不可少的基本工序.鉴于以上原因细磨工艺过程并无严格的界限通常是指从280#或320#到W1W10等粒度的散粒磨料的加工.有的地方特别是采用金刚石丸片加工的机械化工艺场合通常把粗磨与抛光中间的工序叫精磨工序.其作用与要求与上述细磨相同.为便于区分以下把这一工序中用散粒磨料加工的叫细磨;用金刚石工具加工的叫精磨.二细磨工序的特点1细磨完工后工件表面粗糙度低凹凸层深度接近抛光剂颗粒尺寸面形基本接近图纸要求角度用测角仪检测应基本无误差;2细磨工序只要零件结构允许多是成盘加工.必须指出如果采用机械化工艺用金刚石磨轮铣磨金刚石丸片精磨的方式则往往在粗磨前即应完成成盘工作;3细磨所用机床工具应较粗磨时精密特别是平面研磨模球面研磨模等必须经过反复修改试磨检验符合要求后才能使用;4对清洁工作的要求更高粗砂绝对不可带入细砂.为此每道砂后都必须对工件磨具机床台面进行清洗.细磨完毕后用皂液作更精细地清洗.
2.
2.2上盘与下盘技术上盘是细磨精磨加工前的一道关键工序.无论用哪一种方法加工无论是单件或多件加工一般都要先上盘即把零件按一定要求固定在粘结模上.固定的方式有用胶粘结的也有不用胶粘结而依靠分子吸引力固定着的光胶.对于单件上盘只是要求把零件无偏心地固定在粘结模上;对于多件上盘则要求1所有零件在镜盘上加工面一致即要求球面镜盘上所有零件的加工面位于同一球面上.如果是平面镜盘则要求所有加工面处于同一平面内.2零件在镜盘上的排列必须符合可排片数多和磨损均匀的原则.由于机床功率限制和球面半径的约束每一镜盘上所能排列的镜片数量有一极限值.另外由于镜盘增大均匀磨损困难程度也随之增大所以每一镜盘上也不是排列的片数越多越好.因此上盘以前必须进行镜盘设计确定采用镜盘的排列方式和尺寸所用粘结模的尺寸等.然后方能进行上盘操作.镜盘设计一般由工艺人员完成.感兴趣者可查阅曹天宁等编《光学零件制造工艺学》第五章有关内容此处从略.
2.
2.3透镜的细磨工艺透镜的细磨方法有两种即用散粒磨粒细磨与金刚石工具高速精磨.12一用散粒磨料细磨球面用散粒磨料细磨时磨料在研磨磨具和零件之间处于松散的自由状态借助细磨所加压力通过模具磨料和零件之间的相对运动实现零件表面成型目的.细磨前应根据零件粗磨后的表面质量选择细磨用磨料粒度号.通常粗磨完工表面粗糙度为
3.2相当于用w28302#磨料加工的表面则细磨第一道磨料粒度号应选用W28302#.散粒磨料细磨的技术关键在于细磨磨具的面形精度研磨速度及压力调整.如细磨研磨模具面形精度达不到要求则应先修改研磨模具.1细磨模具的修改细磨模具的修改方法根据修改量的大小可有对磨法凹凸一对磨具对磨砂石或刮刀修改法.若表面误差太大时可在球面车床上进行修改.细磨模修改后工作表面曲率半径应符合要求表面且不允许有不规则的凹凸不平不允许有砂眼气孔大擦痕模具工作面相对镜盘旋转中心的跳动量应小于
0.1毫米.对磨修改球面研磨模操作方法:1凹模修改
①用凹模在细磨机上细磨一盘零件;
②洗净擦干用样板检查加工面光圈若出现低光圈凹模中心应多磨将凸模安装在主轴上凹模在上摆幅要大摆幅量是凹模直径的1/2左右;
③若零件表面出现高光圈则凹模边缘应多磨.修改方法:凹模在下凸模在上摆幅要大摆幅量是凸模直径的1/3左右;各道细磨用的研磨模具的修改顺序以最后一道磨料所用模具为基准逐步修改上一道磨料用的研磨模具.用擦贴度检验擦贴度为1/3～1/2即接触面积占1/3～1/2且接触区不应集中在零件中心.如细磨用302#302303#三道磨料相应有三对研磨模具.先修改303#磨料用模具用废零件试磨看光圈检验303磨料用模具修改好后修改302磨用模具亦用零件检验试磨后的零件在303#磨料模具上看擦贴度若合格最后修改302#磨料用研模具.2凸模修改
①试磨一盘零件.用件板检查被加工面是高光圈时应多磨模具边缘修改方法是凸模在下凹模在上加大摆幅摆幅量是凹模直径的1/2左右;
②用样板检查被加工面时若是低圈则应多磨模子中心凹模在下凸模在上.摆幅要大摆幅量是凸模直径的1/3;
③擦贴度观察方法为了方便而有效地观察擦贴度可在零件镜盘上哈气哈出的带有水汽的气体在玻璃表面冷凝成水膜贴合在模子上接触处形成水印.取下镜盘后看水印大小及分布状态即可判别擦贴度大小.2细磨操作过程散粒磨料在普通细磨机上细磨过程如下:1根据被加工零件的技术要求和镜盘大小选择机床.一般机床可加工的最大镜盘尺寸按平面镜盘尺寸千计算球面镜盘应进行换算.决定机床转速三角架摆幅铁笔的前后位置和高低.2分清磨料粒度号依次确定磨去余量分配.细磨余量根据磨料号.零件大小零件材料软硬程度确定.单面余量
0.15据此R已知可算出D要求的最小数值.2夹头的其它要求
①夹头轴与磨边机主轴同轴度应在
0.003—
0.005mm以内;
②夹头端面与几何轴垂直度在
0.003—
0.005mm以内;
③夹头壁厚lmm壁的端部呈锥面;
④与零件粘接部分粗糙度R:≤
0.05抛光面;
⑤材料的导热性要好耐磨变形小一般用黄铜制作.3夹头修整夹头如不符合上述要求应当修整.由于精度要求高一般是将夹头直接装在磨边机的主轴上.在磨边机导轨上安装刀架精车后用金相细砂纸研磨最后用棉花球上抛光液手工抛光用乙醚酒精混合液清洗.2球心象校正点位置确定所谓校正点就是透镜表面球心象所处的位置.当定心仪物镜前焦点置于校正点上时球心反射象可以在目镜分划板上清晰地观察到.透镜前表面非粘结面的校正点与它的曲率中心球心置于同一纵向位置.到前表面的距离x2=R2定心仪物镜顶焦距为LF到被定心透镜前面顶点距离L2为:L2=LF2+R2式中:凸面时R2取负值;凹面时R2取正值.透镜启表面定心一般靠夹头端面垂直度保证不需要观察球心象跳动当要检验时则要计算x1的值:Ll=LF一zl3定心仪物镜选择原则为适合不同曲率半径的透镜定心定心仪物镜分两部分最外面部分是可更换的可换物镜选择的原则是:1定心凸面时可换物镜顶焦距LF必须大于R2因为此时R2为负值;球心在透镜后面L2=LF-R2I0L2值一般不得少于lOmm否则会造成定心仪物镜可能撞击被定心透镜或物镜焦点根本落不到球心上.2保证一定的球心象跳动量为保证球心象有一定的跳动量要求可换物镜放大倍数要合适.过大象的跳动量大不易找象过小象的跳动范围小格值大精度低.4磨边胶特征及配比磨边胶用于将透镜粘接于夹头上.必须具备以下特征:1粘结强度大经得起砂轮磨削时的拉力;2稍热即软化便于移动透镜定心;3容易清洗去除;4中性不腐蚀玻璃无杂质.因为粘接面一般也是光学面不允许因磨边操作不慎而出现损伤使前面的各道工序前功尽弃.目前常使用的能满足上述各项特性的配方有:201松香+胶1:1配比;2松香+黄蜡90～95:10～5;3松香+矿物油86～95:14～
5.
3.
2.2定心磨边操作过程1按加工图纸要求准备好粘接夹头选配好合适的定心仪物镜;2用酒精灯加热夹头均匀地涂上磨边胶;3迅速粘上物镜注意使胶层均匀;4移动定心仪使其物镜前焦点落在校正点上在目镜视场内能清晰地看到球心反射象亮十字象;5用手转动夹头观察球心反射象的跳动量是否在规定范围内如偏大趁透镜在未完全固定前移动透镜在夹头上的位置贴着夹头端面稍加挤压直到球心反射象不跳动或跳动在规定的范围内.6开动机床移动砂轮拖板磨削外圆达到图纸规定尺寸.磨削时同时开通冷却液砂轮线速度以15—35m/s工件线速度
0.3～2m/s进刀量以
0.0l～
0.08mm为宜;7倒角用成型砂轮倒角或用倒角模倒角;8加热夹头拆下零件清洗擦干送下道工序或保存;9关闭机床清洗工作场所.
3.
2.3磨边中常见缺陷及克服方法在磨边过程中经常会出现各种缺陷必须及时进行原因分析和采取相应克服办法.1崩边破口产生原因1砂轮或磨轮表面不平或已磨钝后微孔堵塞砂轮以选中软硬度为宜;2砂轮粒度太租工件越小粒度越细见表3-1:表3—1常用砂轮种类砂轮种类碳化硅碳化硅碳化硅金刚石金刚石粒度号180240180120280240砂轮线速度m/s2528323234适用范围工件直径mm80503砂轮量太大或进给太快;4砂轮和工件轴的相对跳动太大;5砂轮或透镜转整选择不当;2透镜上径出现椭圆或锥度产生原因:1砂轮与工件的径向跳动太大;2夹头端面与工件轴不垂直;3往复运动方向与砂轮工作面不平行;3表面疵病等级下降.产生原因1夹头端面不光滑而划伤;2粘结胶不清洁或对透镜起腐蚀作用;3机械定中心时压力过大;4冷却液对玻璃起腐蚀作用;5倒角时擦伤;6清洗时擦伤.21第四章光学加工质量检验光学加工质量检验是指光学车间里各道工序后加工质量的检验主要内容有:1表面质量检验;2面形检验;3棱镜的角度检验;4几何尺寸的检验等.
4.
14.
1.1粗糙度及表面疵病检验粗糙度及检验方法粗糙度旧标准中称为光洁度系指研磨加工后零件表面的微观几何形状特性用符号表示.一般情况下零件粗磨完工后应达到
3.2Ra=
3.2;即细磨完工后应达到
0.8Ra=
0.8;即抛光完工后应达到
0.
008.即Ra=
0.
008.分别相当于用W40302W143031和抛光2粉加工过的表面对应于旧标准光洁度等级为57和
14.2粗糙度检验方法研磨件表面粗糙度通常是在60—100瓦的白炽灯照明下用目视进行观察其等级可与样品比较来确定.要求研磨面砂眼均匀不允许有下道工序中难以消除的划痕及麻点存在.检验过的零件要洗净擦干.
4.2表面疵病及检验方法表面疵病系指麻点擦痕开口汽泡破点及破边在图纸上用B表示.根据光学零件表面疵病尺寸和数量共分10级0~1—30级适用于位于光学系统象平面上及其附近的光学零件其允许疵病尺寸和数量如表4—2所示.表4—2疵病尺寸和数量疵病等级麻点麻点最大直径mm01—101—201—
300.
0050.
010.02444Dmm至2020~4040~6060允许的麻点数量个在规定的检验条件下不允许有任何疵病
6669991515150.
0020.
0040.
0060.5D
0.5D
0.5D疵病的尺寸及数量擦痕I~V11级适用于不位于光学系统象平面上的光学零件其允许疵病尺寸和数量如表4—3所示:表4—3I~VI级疵病的尺寸及数量疵病等级麻点直径mm总数量个粗麻点直径22疵病的尺寸及数量擦痕宽度mm总长度mm粗擦痕宽度mmIIIVVVIVII
0.002~
0.
050.004~
0.
10.015~
0.
20.015~
0.
40.015~
0.
70.1~
10.5D
0.8D1D
0.03~
0.
050.05~
0.
10.1~
0.
20.2~
0.
40.4~
0.
70.7~
10.002~
0.
0080.004~
0.
010.006~
0.
020.006~
0.
040.01~
0.
070.01~
0.12D
0.006~
0.
0080.008~
0.
010.01~
0.02002~
0.
040.04~
0.
070.07~
0.1注:各级表面粗麻点之数量不得超过允许麻点数量的10%粗擦痕总长度不得超过允许擦痕总长度的10%计算粗麻点数量时计算结果按四舍五入凑整.零件表面疵病的尺寸及数量虽未超过表4—3的规定但发现有疵病密集在一起的现象时还须补充测定表4—4各级所规定之限定内疵病的尺寸和数量.表4—4疵病的尺寸和数量疵病等级限定区直径mmIIIVVVII2351020零件表面任何一部分限定区内疵的尺寸及数量麻点总数量个2351020其中粗麻点数量个11123擦痕总长度mm其中粗擦痕长度mm461020402351020限定区内如滑粗麻点和粗擦痕则细麻点数量和细擦痕的长度允许按疵病换算后相应增加但整个表面允许疵病的尺寸及总数量不得超过表4—4的规定.1表面疵病检验方法1检验时应以黑色屏幕为背景光源为电压36V功率60W—100W的普通白炽灯在透射光和反射光下观察.为了便于发现疵病观察时允许朝任意方向转动零件怛在确定疵病大小时应以透射光为准在透射光下观察不出的疵病不予考核.透射光观察常用于检验各种透镜玻璃平板和小角度楔形镜;反射光观察常用于检验棱镜大角度的楔形镜以及便于使用反射光观察的其他零件表面.2各种表面疵病特征1麻点:是直径较小并且凹下的点状疵病呈灰白色或与抛光剂颜色相同.2擦痕:是条状疵病颜色与麻点的颜色相同.有些细擦痕在转动零件观察时带有闪光或呈彩色.3开口气泡:是由于气泡磨穿后形成的圆形或长圆形的点状疵病多与抛光剂颜色相同直径较大.4破点:不规则的点状损伤常带有闪光或同于抛光剂颜色.5破边:即零件边缘部分的缺损.6裂痕;伸向玻璃体内.的条状裂纹疵病带有闪光或呈彩色.7印迹:是凸起在零件表面上的粘附物或霉雾它们具有各种形状呈黑褐色其它颜色等.一般在自然光或用被薄形纸遮挡的灯光下用外反射光进行观察.3注意事项检验表面疵病时一股应注意;1检验中若用清洁方法不能擦掉的印迹应重新抛光;232裂痕疵病原则上不允许存在.若在有效孔径外可用油石磨毛但不得肴残留的裂痕痕迹;3对于小于标准所规定之疵病尺寸下限的聚焦麻点和擦痕在其内侧间距大于或等于麻点直径或擦痕宽度时应理解为明显分开-否则按密集处理;4由于工艺因素及玻璃化学稳定性差而产生的灰雾状疵病可根据零件疵病等级要求按选定的样品比较检验.观察中不允许使用方向特殊的光线;5为了便于发现疵病观察时允许将零件向任何方向转动但判断时应以正确的观察方向为准;6由于温差影响使零件表面造成雾气不便观察时可先在灯下烘烤消除雾气;7检验后不合格的零件应用专用铅笔或腊笔在疵病所在面上按规定符号作出标记.第五章光学零件真空镀膜根据光学零件的使用目的与要求在其表面镀上具有一定厚度与层数的光学薄膜称为光学零件镀膜.
5.1光学薄膜及镀制方法分类
5.
1.1光学薄膜分类光学薄膜根据不同的性能特点可归纳为六大类:增透膜也称减反射膜反光膜分光膜滤光膜偏振膜保护膜.光线从折射率为no的介质入射到折射率为n1的另一种介质在分界面上会产生反射.光线垂.直入射时反射率R是:增透膜也称减反射膜:完全增透膜部分增透膜;反光膜:金属反射膜介质反射膜;分光膜:中性分光膜二色分光膜;滤光膜:窄带干涉滤光片;偏振膜:透射P光Tp反射S光Rs;保护膜:增大机械强度.
5.
1.2光学薄膜镀制方法分类物理法真空镀膜:真空蒸发法一般蒸发法反应蒸发法溅射法阴极溅射磁控溅射离子镀膜离子辅助淀积IAD;化学法:溶液还原法气相反应法化学气相沉淀CVD.1真空镀膜法真空镀膜是将被镀零件和膜层材料以一定的相对位置放在一个真空空间采用一定的方法使膜料气化升华或溅射形成具有一定动能的分子原子或离子离开蒸发器飞向被镀零件表面在表面上经淀积形成薄膜.2射镀膜法用高能粒子电场加速的正离子撞击固体表面在与固体表面的原子或分子进行能量或动量交换后从固体表面飞出原子或分子的现象称为溅射.溅射出来的物质淀积到基片或工件表面形成薄膜的方法称为溅射镀膜.阴极溅射:装置如图所示采用平板电极结构膜料作成的大面积靶为阴极支持基片的-1-4基板为阳极安装于真空室内.先将真空室抽到小于10-10Pa的压强然后通过控制阀将24溅射工作气体一般为Ar送入真空室内维持在10—1Pa的特定压强和约数干伏电压的条件下进行溅射镀膜.磁控溅射:特点是电场和磁场的方向相互垂直.电子以轮摆线的形式沿着靶子表面向垂直于电场和磁场平面的方向前进电于被束缚在靶面阶近增加了同工作气体分子的碰撞几率提高了电子的电离效率使等离子体密度加大减少了电子在容器壁上的复合损耗致使磁控溅射速率数量级地提高.阴极溅射原理图3离子镀膜法它是真空蒸发与溅射相结合的工艺即利用真空蒸发来制作薄膜用溅射作用来清洁基片表面.因此它是在辉光放电中的蒸发法.离子镀膜装置如图所示.它是靠直流电场引起放电阳极兼作蒸发源基片放在阴极板上先—1—4—20将真空室的压强抽到10-10Pa的范围然后充入氮气使压强维持在10一l0Pa范围在基片和蒸发源间加上数百至数千伏的直流电压引起氮气电离产生辉光放电处于负高压的基片被溅射剥离清洗离于清洗.然后接通交流电使蒸发源中的膜料加热蒸发.蒸发出来的粒子通过辉光放电区时一部分被电离成正离子在电场作用下高速打到基片表面;大部分中性蒸发粒子在惯性作用下到达基片表面堆积成薄膜.离子辅助淀积技术IAD:用一宽束离子源在热蒸发膜料淀积的同时对基片施以某种气体ArNzOz等的离子轰击.由于离子束的能量密度和方向等参数独立可控并能实现—2高真空环境下10Pa淀积薄膜所以能有效地改善薄膜的性能形成致密牢固而又稳定的薄膜.25离子镀膜装置示意图4化学气相沉淀法CVD在一个加热的基片或物体表面上通过一种或几种气态元素或化合物并产生化学反应而形成不挥发的固态膜层或材料的过程叫化学气相沉积CVD.Si片PN结微细加工的CVD装置示意图等离子体化学气相沉积PECVD法:为了使化学反应能在较低的温度下进行利用等离子体的活性来促进反应这种CVD称为等离子体化学气相沉积PECVD是高频辉光放电物理过程和化学反应相结合的技术.为了产生等离子体必须维持一定的气体压力.26立式管状PECVD装置原理图
5.2真空蒸发镀膜原理真空镀膜:是将被镀零件和膜层材料以一定的相对位置放在一个真空空间采用一定的方法使膜料气化升华或溅射形成具有一定动能的分子原子或离子离开蒸发器飞向被镀零件表面在表面上经淀积形成薄膜.抽真空:降低膜料到达饱和蒸气压的温度;减少膜料与环境气体的化学反应;增大分子的平均自由程气体分子在两次碰撞中间所经路程的平均值:Lcm=
0.667/PPa热蒸发:阻蒸发电子枪薄膜形成:晶核的形成膜层的形成膜厚监控:薄膜厚度的监控是薄膜镀制过程中的关键技术.膜厚监控就是判定薄膜从生长至要求厚度时停止蒸镀.监控随厚度改变而变化的参量如:质量电阻反透射率.监控的方法有光电极值法直读光度法双色法微分法宽光谱扫描法波长扫描法狭缝振荡法石英晶体振荡法.此外还有借助观察薄膜反射光的干涉色来判定厚度的目测法等等.光电极值法是用得较为普遍的一种膜厚监控方法.生产的真空镀膜机大多数装有光电极值法监控系统.
5.3真空镀膜设备
5.
3.1真空系统真空系统由真空室机械泵分子泵油扩散泵管道阀门真空测量装置等部分组成.真空室即真空镀膜室真空镀膜的全部工作都在真空室中进行的要求它具有优良的密封性能.真空室内有蒸发器挡板离子轰击电极;安放零件的支架加热罩等部分.5-1机械泵:对真空室或管道抽低真空从10----10Pa;1-4分子泵:对真空室抽高真空从10----10Pa;低阀:连接机械泵和真空室;预阀:连接机械泵和分子泵;高阀:连接分子泵和真空室;放气阀:实现对真空室放气.
5.
3.2蒸发系统蒸发系统主要有两种方式:电阻蒸发电子枪蒸发.电阻蒸发:给高熔点金属舟通大电流产生高温;电子枪蒸发:主要由灯丝高压线圈偏转线圈坩埚等组成.
275.
3.3膜厚监控系统光电极值法膜厚监控系统主要由光源准直系统比较片单色仪光电倍增管膜厚控制仪及稳流稳压电源组成.
5.4真空镀膜基本工艺流程
5.5操作程序1镀膜前的准备工作:包括清洗真空室;准备蒸发源;处理膜料;擦洗零件;2开总电源空压机冷水机;开充气阀;3用吸尘器或刷子再次清洁真空室并用蘸有酒精的纱布擦洗各部件;4安装支架和夹具.经清洗烘干的支架与夹具用蘸酒精的纱布擦洗一遍装入真空室.5检查支架是否稳固转动是否灵活平衡;检查挡板移动是否灵活遮盖可靠;检查光路是否对准稳定;6在蒸发源中装盛膜料;将清洁后的基底装入夹具内;装比较片一般在中央;7关闭室门开动机械泵;-1-28当钟罩内真空度达到10―10帕时开始离子轰击;9分子泵开启后打开高真空阀门对真空室抽高真空;10接通烘烤电源对零件基底进行烘烤并转动零件支架逐步升温至所需温度;11预熔除气;12蒸镀;同时监视膜层厚度;13关闭真空测量系统和膜厚监控仪切断烘烤电源;14关闭高真空阀门停止分子泵;15冷却.镀膜零件经过离子轰击烘烤蒸镀一般温度较高必须待冷却至室温才能充气取出;16充气;17取出成品进行成品处理自检进检;18关上室门机械泵对真空室抽气片刻关闭预阀切断机械泵电源;19关闭冷水机空压机和总电源.28。
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