6A. Měření spektrálních charakteristik zdrojů optického záření Zadání: 1. Změřte spektrální charakteristiky předložených elektroluminiscenčních diod (červená, zelená, žlutá, modrá, bílá, IR, atd.), 2. Změřte spektrální charakteristiky laserové diody (780nm) pro různé proudy IF, IF < ITH – spontánní emise, IF > ITH – stimulovaná emise. 3. Výsledky měření zpracujte grafickou formou do jednoho obrázku zvlášť pro LED a zvlášť pro LD. Otázky pro přípravu: 1) Popište funkci elektroluminiscenční diody. 2) Vysvětlete princip činnosti hranolového spektrometru. Použité přístroje:
Popis úlohy a použité měřicí přístroje: V této laboratorní úloze je použit kompaktní spektrometr napájený a řízení pomocí PC prostřednictvím sběrnice USB. Princip měření je patrný z obr. 1.
Obr. 1 Uspořádání hlavních komponentů spektrometru Přístroj se skládá z následujících komponentů: 1 – optovláknový konektor SMA, 2 – štěrbina obdélníkového tvaru, která je součástí konektoru a řídí intenzitu vstupního světla, 3 – filtr, který reguluje rozsah vlnových délek přicházejících do optického systému, 4 – kolimační zrcadlo, které zaostřuje světlo přicházející do optického systému na mřížku, 5 – mřížka, vychylující světlo přicházející z kolimačního zrcadla a směřující vychýlené paprsky ne zaostřující zrcadlo, 6 – zaostřující zrcadlo, které přijímá světlo z mřížky a zaostřuje je přímo na CCD detektor nebo sběrnou čočku (závisí na typu spektrometru), 7 – sběrná čočka je použita pro přizpůsobení světelného svazku na krátké pixely detektoru, 8 – CCD detektor (UV, VIS, NIR) sbírá světlo odražené zaostřujícím zrcadlem (nebo přes
sběrnou čočku) a převádí světlo na elektrický proud. Každý pixel detektoru odpovídá vlnové délce dopadajícího světla a vytváří odezvu v digitálním tvaru. Digitální signál je přenášen do PC pomocí speciálního software. Spektrální charakteristika je zobrazena na obrazovce PC, všechna sejmutá data mohou být zapsána do paměti a použita později např. s použitím tabulkového procesoru Excel pro zakreslení více grafů do jednoho obrázku. Spektrometr je připojen k PC (notebooku) pomocí USB portu. Napájení je provedeno přímo z PC bez nutnosti zvláštního zdroje. Polovodičový zdroj světla je umístěn ve stojánku, umožňujícím nastavení světla proti štěrbině spektrometru. Zapojení součástek a přístrojů pro měření spektrálních charakteristik ELD a LD je uvedeno na obr. 2. Pracovní proud IF je nastaven pomocí ss napájecího zdroje a měřen digitálním miliampérmetrem. Ve většině případů není potřeba použít čočku pro zaostření světla do spektrometru. Hodnota IF je doporučena podle typu ELD, pro LD je vhodné ukázat, jak se mění spektrální charakteristika se změnou pracovního proudu vzhledem k prahovému proudu, při kterém přechází LD z e spontánního do stimulovaného režimu. Toto měření je vhodné provádět současně s měřením výkonové vyzařovací charakteristiky pro určení vhodného pracovního bodu k dosažení optimální spektrální charakteristiky. Nastavení pracovního bodu je patrné z obr. 3. Také závislost vyzáření vlnové délky na pracovním proudu je zajímavá při aplikacích LD s modulací.
Obr. 2 Uspořádání pracoviště pro měření spektrální charakteristiky ELD a LD
Obr. 3 Výkonové vyzařovací charakteristiky ELD a LD s vybranými pracovními body Výsledky měření a jejich zpracování Výsledky měření jsou okamžitě patrné na obrazovce PC a lze je zaznamenat v rámci programu spektrometru. Pokud je potřeba porovnat různá spektra v jednom grafu, je vhodné použít tabulkový procesor Excel. Typické spektrální charakteristiky ELD a LD jsou uvedeny na obr. 4, 5 a 6. Na obr. 4 jsou spektrální charakteristiky zelené, žluté, červené a infračervené ELD. Studenti mohou porovnat také typický optický výkon pro stejné pracovní proudy. Na obr. 5 je uvedena spektrální charakteristika laserové diody pro dvě hodnoty pracovního proudu v oblasti stimulované emise a na obr. 6 je typická spektrální charakteristika LD pro pracovní bod pod prahem, kde LD pracuje ve spontánním režimu.
Obr. 4 Spektrální charakteristiky vybraných ELD
Obr. 5 Spektrální charakteristiky laserové diody pro různé pracovní proudy
Obr. 6 Spektrální charakteristiky laserové diody pod prahovým pracovním bodem
6. B. Měření parametrů optických vláken Zadání: 1) Měření výkonu zdrojů optického záření a) Změřte optický výkon zdroje ELS-100 a PROLITE-80 na všech vlnových délkách, které poskytují s využitím spojovacích modulů 50/125 μm, 62,5/125 μm a 9/125 μm. b) Ověřte měřič optického výkonu přepínáním vlnových délek na něž je přístroj cejchován a porovnejte výsledky. 2) Změřte útlum předloženého optického vlákna metodou vložných ztrát na všech vlnových délkách, které máte k dispozici. 3) Ověřte předložené optovláknové komponenty: a) Změřte útlum optických atenuátorů 5, 10, 20 a 30 dB. b) Změřte základní parametry děliče výkonu (dělicího poměru a vložného útlumu) na všech vlnových délkách. Otázky pro přípravu 1. Vysvětlete princip měřicí metody vložných ztrát 2. Vysvětlete princip šíření světla optickým vláknem Popis pracoviště a postup měření Při měření je využívána souprava Mikrokom OPTEL Profi a dále dva páry měřicích přístrojů sestávající ze zdroje záření a měřiče optického výkonu. Pohled na základní kufr s potřebnými OV komponenty je uveden na obr. 1.
Obr.1 Souprava pro měření optických vláken OPTEL Profi
Ad 1) Měření optického výkonu Základní úlohou je změření optického výkonu zdrojů záření ELS-100 (na vlnové délce 850 a 1300nm) a PROLITE 80 ( na vlnové délce 1310 a 1550 nm) viz obr.2 a), b). 1) Propojíme zdroj optického záření a měřič optického výkonu EPM-100 krátkým spojovacím modulem (50/125 μm). – viz obr. 3. 2) Nastavíme postupně λ=850 a 1300 nm na zdroji optického záření ELS-100 i měřiči optického výkonu a odečteme naměřenou hodnotu [μW; dBm]. 3) Odpojíme zdroj ELS-100 a připojte zdroj PROLITE 80. Nastavíme postupně λ=1310 a 1550nm na zdroji i měřiči optického výkonu a odečteme naměřenou hodnotu [μW; dBm]. 4) Potom změříme totéž pro spojovací modul 62,5/125 a 9/125 μm. 5) Přesvědčíme se co měří přístroj na jiné zvolené délce mimo cejchovanou. Nastavujeme postupně všechny hodnoty λ= 850, 1300, 1310, 1490, 1550, 1625 nm na měřiči optického výkonu při zvolené hodnotě vlnové délky zdroje. Vysvětlete nutnost cejchování detektoru.
Tabulka naměřených hodnot Pout [μW] λ [nm] 850 1300 1310 1550
λ [nm] 850 1300 1310 1550
850
850
1300
1310
1490
1550
1625
1300
Pout [dBm] 1310 1490
1550
1625
Ad 2. Měření útlumu metodou vložných ztrát Metoda je založena na porovnání útlumu krátkého referenčního vlákna a měřeného vlákna. Obě vlákna jsou opatřena stejnými konektory a jsou stejného typu. 1) Podle typu měřeného vlákna zvolíme vhodný krátký spojovací modul (50/125 μm). Propojíme jeden spojovací modul se zdrojem záření a měřičem optického výkonu. Změříme výstupní výkon na všech vlnových délkách (850, 1300, 1310 a 1550 nm). 2) Odpojíme spojovací modul od vysílače a připojíme dlouhý měřený modul (1 km). K propojení s měřičem optického výkonu použijeme stejný krátký modul jako u zdroje záření.
3) Změříme hodnoty výstupního výkonu na všech vlnových délkách jako v bodu 1. Z naměřených hodnot v obou případech stanovíme útlum měřeného modulu a činitel útlumu [dB/km]. Tabulka naměřených hodnot Pout [μW] λ [nm] 850 1300 1310 1550
850
1300
1310
1490
1550
1625
Ad 3. Měření optovláknových komponentů 3.1 Optické atenuátory 1) Zapojte jeden konec spojovacího modulu GI50/125 (modul č. 1) do zdroje záření ELS-100. druhý konec připojte přes konektorovou spojku na spojovací modul č. 2, jehož druhý konec připojte na měřič optického výkonu EPM-100. Nastavte měřič optického výkonu na vlnovou délku 1300 nm. Tento optický výkon si poznamenejte jako referenční hodnotu Lref do tabulky. Tabulka naměřených hodnot Jmenovitá hodnota útlumu [dB] 5 10 20 30
Referenční výkon Lref [dBm]
Měřený výkon [dBm]
Vložný útlum [dB]
L5 L10 L20 L30
2) Rozpojte konektor v místě spojení obou spojovacích modulů a připojte měřený optický atenuátor o jmenovité hodnotě vložného útlumu 5 dB. 3) Odečtěte optický výkon L5 na měřiči optického výkonu a poznamenejte ho do tabulky. 4) Vypočítejte vložný útlum optického atenuátoru A5= Lref- L5. 5) Opakujte měření pro každou další jmenovitou hodnotu útlumu atenuátoru, tj. 10, 20 dB a výsledky poznamenejte do tabulky.
3.2 Dělič optického výkonu (vazební člen) Úkolem je změřit základní parametry děliče výkonu, tj. dělicího poměru a vložného útlumu. Přístroje zapojíme podle schéma na obrázku. Měření provedeme na vlnových délkách 1310 a 1550 nm s použitím zdroje záření PROLITE 80 a měřičem výstupního výkonu EPM-100. Vstupní optické záření změříme s použitím spojovacího modulu FC-ST a poté připojíme zdroj k bráně č. 1 (bílé vlákno). Změříme hodnotu výstupního výkonu na bráně č. 2 a 3. Měřič optického záření připojíme postupně pomocí vhodných modulů přizpůsobujících konektory typu FC a ST. Z naměřených hodnot vypočítáme dělicí poměr jako P2/(P2+P3) a vložný útlum jako P1- (P2+P3). Vstupní optické záření změříme s použitím spojovacího modulu FC-ST a poté připojíme zdroj k bráně č. 1 (bílé vlákno).
Změříme hodnotu výstupního výkonu na bráně č. 2 a 3. Měřič optického záření připojíme postupně pomocí vhodných modulů přizpůsobujících konektory typu FC a ST. Z naměřených hodnot vypočítáme dělicí poměr jako P2/(P2+P3) a vložný útlum jako P1- (P2+P3). Skutečné provedení sestavy je patrné z obr. 5.
Obr. 4 Schéma zapojení pracoviště pro měření parametrů optovláknového děliče výkonu Tabulka naměřených hodnot Brána Měřený výkon [μW]
Měřený výkon [dBm]
5 10 20 30
Zpracování výsledků: Tabulky doplňte hodnotami získanými výpočtem.
Dělící poměr
Vložný útlum [dB]
6 C. Měření útlumu optických vláken manipulátorem OPTEL Zadání: Metodou vložných ztrát změřte: 1. Útlum vazby vlákno – vlákno (útlum spojení optických kabelů) a. podélná odchylka vláken b. úhlová odchylka vláken 2. Změny útlumu vlákna vlivem ohybů a. makroohyby b. mikroohyby 3. Vlastnosti optického atenuátoru Použité přístroje:
Otázky pro přípravu 1. Vysvětlete princip měřicí metody vložných ztrát 2. Vysvětlete princip šíření světla optickým vláknem Zapojení měřícího pracoviště Manipulátor OPTEL je jednoduchý manipulační stolek. Umožňuje sestavit z optických a mechanických prvků řadu praktických úloh z vláknové optiky a optoelektroniky. Každé úloze odpovídá určitá optická sestava prvků. Jejich poloha není většinou pevně dána, ale lze ji ve vodorovné rovině na manipulátoru měnit pomocí vhodně navržených posuvů. Těmito posuvy je možné optickou sestavu nastavovat (tzv. justovat), popřípadě po nastavení na ní provádět různá měření. Konektor s optickým kabelem lze umístit do čtyř různých pozic, které odpovídají čtyřem měřicím sondám. Pozice Al a B1 jsou využity k lineárnímu a rotačnímu posuvu měřicích sond. Tímto způsobem je možno sledovat lineární nebo úhlové závislosti, například vliv podélné a úhlové odchylky na útlum spojení dvou optických vláken. Pozice A2 a B2 dovolují příčný posuv měřicích sond, což je využito například při sledováni vlivu příčné odchylky na útlum spojení dvou vláken. Pokud jsou optické kabely v pozicích A2 a B2, lze rovněž do optické dráhy mezi čela vláken vkládat různé optické elementy, jako jsou například útlumové filtry, optické závory, barevné filtry. K nastavení správné polohy takovýchto elementů slouží posuv měřených vzorků. Tímto způsobem jsou demonstrovány principy optického atenuátoru, optické závory a dalších optických vláknových senzorů. Univerzální držáky, které jsou součásti příslušenství, dovolují vkládat různé vzorky dle vlastního uvážení a rozšířit tak soubor úloh o vlastní nápady a experimenty. Metody detekce při měření útlumu: 1. Detekce optického signálu měřičem optického výkonu (stejnosměrná detekce) Pro měření použijeme desku analogového optického vysílače (č. 3) a desku zdroje (č. 0). Pro měření optického výkonu použijeme měřič EPM-100. Přístroj propojíme s manipulátorem (B2) optickým kabelem a podobně vstup A1 manipulátoru s deskou vysílače. Pro měření útlumu nastavte ramena manipulátoru do jedné přímky a tuto polohu zajistěte aretační maticí. Na ramenech posuvů nastavte počáteční polohu 0 mm, odečtěte hodnotu
optického výkonu P0 na měřiči a zaznamenejte ji do tabulky jako počáteční (referenční) hodnotu. Posuvem vzdalujte od sebe optické kabely po krocích uvedených v tabulce a zaznamenejte měřený výkon Px. Zpracování výsledků Vypočítejte útlum podle vztahu:
A 10 log
P0 [dB] PX
2. Detekce optického signálu analogovým přijímačem (stejnosměrná detekce) Metoda je vhodná pro případ, že nemáme k dispozici měřič optického výkonu. Vysílací systém připravíme stejně jako v úloze 1.1. Přijímací systém připravíme tak, že propojíme další zdrojovou desku (č. 0) s deskou analogového přijímače (č. 4). Všechny potenciometry nastavte na maximum. Desky propojte podle obr. 5, místo měřiče optického výkonu zapojte analogový optický přijímač s voltmetrem. Místo výkonu zaznamenáváme hodnoty napětí U0 a Ux.
Obr. 1 Základní deska manipulátoru OPTEL
Postup měření: 1. Útlum vazby vlákno – vlákno (útlum spojení optických kabelů) Tato úloha demonstruje vliv podélné, příčné a úhlové odchylky os optických vláken při spojování optických kabelů na celkový útlum optické trasy. 1A) Sledování efektu oddalování konců Budeme sledovat vliv oddalování konců optických vláken v rozsahu 0 až 30mm. Výsledky budeme zapisovat do tabulky. Závislost optického výkonu a útlumu na vzdálenosti konců vláken zpracujte graficky. Vzdálenost konců kabelů x [mm] 0 0,5 1,0 1,5 2,0 3,0 5,0 10,0 20,0 30,0
Optický výkon Px [μW]
Útlum spojení A [dB]
Tab. 1 Efekt oddalování konců
1B) Sledování efektu úhlové odchylky os vláken Konce kabelů vrátíme do konektorů A1 a B1 na levém a pravém posuvu manipulátoru. Odaretujeme otočný stolek povolením matice. Pravý posuv nastavíme do polohy 0. Levým posuvem vzdálíme konec druhého vlákna na 5 mm. Levé rameno nastavíme do počáteční polohy 0°. Pozorujeme, jak se mění přenášený signál s úhlovou odchylkou, když se mění úhel mezi oběma konci optických kabelů. Optický výkon pro jednotlivé úhly natočení zapište do tabulky. Úhel odchylky α [°] 0 5 10 15 20 25 30 35 40 50 60 70 80 90
Optický výkon Pα [μW]
Tab. 2 Efekt úhlové odchylky
Útlum A [dB]
Výsledky vyneste také graficky jako závislost Pα a útlumu na úhlové odchylce. 2. Vliv ohybů na útlum vlákna Ohyb vlákna vede k přídavným ztrátám záření a tím i ke zvětšení jeho útlumu. Při ohybu vlákna se mění úhel dopadu paprsků na rozhraní mezi jádrem a pláštěm. V důsledku toho již některé paprsky nesplňují podmínku totálního odrazu a vyšší vidy jsou vyzařovány z jádra vlákna a dále pak z vlákna ven. K simulaci ohybu budeme používat ohybové válečky různého průměru. Pracoviště zapojíme podle sestavy na obr. 8. Použijeme optické vlákno bez ochrany, volně uložené a změříme na výstupu počáteční (referenční) hodnotu výkonu Po [μW]. Hodnotu si poznamenáme pro další výpočet.
2A) Sledování efektu makroohybů vlákna Vlákno odpojíme od měřiče výkonu, navineme 5 závitů na ohybový váleček o průměru 5 cm a vlákno zajistíme. Konec vlákna připojíme k měřiči výkonu a zaznamenáme hodnotu Px. Postup opakujeme pro válečky o průměru 4cm, 3cm, 2cm, 1.5cm, 1cm a údaje zapíšeme do tabulky. Průměr válečku D [cm] 0 (reference) 5 4 3 2 1,5 1
Optický výkon Px [μW]
Přídavný útlum A [dB]
Tab. 3 Efekt makroohybů Výsledky zakreslíme do grafů závislosti Px a A na D. 2B) Vliv mikroohybů na útlum vlákna Mikroohyby znamenají periodicky se opakující změnu zakřivení osy optického vlákna s malou amplitudou ohybu. Vznikají při kabelování optického vlákna a mohou značně zvýšit jeho útlum. Naopak princip mikroohybů se s úspěchem používá v některých amplitudových vláknových senzorech, kde měřená veličina (síla, tlak) působí na podložku, která vyvolává mikroohyby ve vlákně. Útlum způsobený mikroohybovými ztrátami je měřen některou z metod měření útlumu a z výsledku je vyhodnocována velikost snímané veličiny. Měřené vlákno upneme mezi mikroohybové podložky č. 1. Při nulovém tlaku na podložku odečteme referenční hodnotu optického výkonu P0 a zaznamenáme ji do tabulky. Postupně zvyšujeme tlak na vlákno a sledujeme změny na měřiči výkonu
3. Optický atenuátor Atenuátor v této úloze pracuje na principu neutrálního útlumového filtru, vloženého do cesty optickému svazku mezi dvěma optickými vlákny. Neutrální filtr má konstantní útlum v široké oblasti vlnových délek. Barevně se lidskému oku jeví jako šedý, proto se též používá označení šedý filtr. Sestava pracoviště pro měření útlumu šedých filtrů je na obr. 14. Příčný posuv nastavíme na nulu (to odpovídá vzdálenosti konců vlákna 2 mm) a pravý posuv do výchozí polohy na maximální hodnotu výkonu. Tuto hodnotu si zaznamenáme jako Pmax. Otáčením šroubu na pravé straně manipulátoru přesuneme posuv měřených vzorků do pravé krajní polohy a upevníme do něho sadu neutrálních filtrů tak, aby její potisk byl orientován směrem k sondě 2B. Otáčením posuvu měřených vzorků nastavíme sadu neutrálních
filtrů tak, aby pozice č. 1 byla mezi kabely. Hodnota optického výkonu musí být stejná jako v předchozím kroku. Odečtěte hodnotu optického výkonu a zaznamenejte ji do tabulky jako referenční údaj. Nyní posouváme sadou filtrů vlevo na další pozice a každou hodnotu zaznamenáme do tabulky. V každé pozici se snažíme nastavit maximální hodnotu výkonu. P0=_____[μW] Číslo pozice 1 2 3 4 5 6 7
Optický výkon Px [μW]
Útlum A [dB]
Tab. 4 měření optického atenuátoru Útlum vypočítáme podle vztahu:
A 10 log
P0 [dB] PX
kde P0 je referenční optický výkon, kde dráha optického svazku je bez filtru (pozice č. 1) Px je optický výkon s filtrem.
Zpracování výsledků: Tabulky doplňte hodnotami získanými výpočtem a (kde je to možné) vyneste do grafu.
