Optoelektronika a optické komunikace

Ing. Břetislav Mikel, Ph.D.

Optoelektronika a optické komunikace Laboratorní cvičení

Vysoké učení technické v Brně 2011

Tento učební text byl vypracován v rámci projektu Evropského sociálního fondu č. CZ.1.07/2.2.00/07.0391 s názvem Inovace a modernizace bakalářského studijního oboru Mikroelektronika a technologie a magisterského studijního oboru Mikroelektronika (METMEL). Projekty Evropského sociálního fondu jsou financovány Evropskou unií a státním rozpočtem České republiky.

2

FEKT Vysokého učení technického v Brně

Obsah 1

Úvod ....................................................................................................................................4

2

Měření charakteristik OPTRONU HCPL – 2630...........................................................5

3

Měření na vláknových optických přenosových systémech...........................................10

4

Měření útlumu multimodového vlákna a spojek ..........................................................15

5

Měření útlumových charakteristik čelního styku vláknových vlnovodů....................19

6

Měření spektrální propustnosti vzorků .........................................................................23

7

Měření vysokých extinkcí vzorku...................................................................................28

8

Metody lámání a konektorizace vláken .........................................................................30

9

Metody spojování vláken.................................................................................................36

10 Měření směrových vyzařovacích charakteristik. ..........................................................39 11 Použitá literatura .............................................................................................................41

Digitální obvody a mikroprocesory_lab

3

Seznam obrázků Obr. 1: Zapojení přípravku pro měření charakteristik optronu. ................................................5 Obr. 2: Zapojení pro měření vstupní charakteristiky. ...............................................................6 Obr. 3: Zapojení pro měření výstupní charakteristiky...............................................................6 Obr. 4: Zapojení pro měření převodní charakteristiky. .............................................................7 Obr. 5: Zapojení pro měření mezní přenosové frekvence .........................................................7 Obr. 6: Typy optronů.................................................................................................................8 Obr. 7: Zapojení společné části přípravku...............................................................................10 Obr. 8: Zapojení přenosového řetězce 1..................................................................................10 Obr. 9: Zapojení přenosového řetězce 2..................................................................................11 Obr. 10: Zapojení přenosového řetězce 3................................................................................11 Obr. 11: Zapojení přenosového řetězce 4................................................................................11 Obr. 12: Optoelektronický přenosový řetězec.........................................................................12 Obr. 13: Zapojení přenosového řetězce...................................................................................15 Obr. 14: Zapojení přenosového řetězce...................................................................................17 Obr. 15:Typické průběhy útlumu moderních vláknových vlnovodů. SI – stepindexový vlnovod, GI – gradientní vlnovod, SM – jednomodový vlnovod.....................................18 Obr. 16: Zapojení přípravku. ...................................................................................................19 Obr. 17: Částečné odrazy na rozhraní, axiální a radiální posuv..............................................19 Obr. 18: Vychýlení os vláken..................................................................................................20 Obr. 19: Spektrometr. ..............................................................................................................23 Obr. 20: Schéma kompenzátoru. .............................................................................................24 Obr. 21: Části optického konektoru. .......................................................................................30 Obr. 22: Konektory s rozšířeným optickým svazkem. ............................................................31 Obr. 23: Konektory s rozšířeným optickým svazkem pro prašná a nečistá prostředí. ............31 Obr. 24: Konektory s pevnostní úpravou. ...............................................................................32 Obr. 25: Konektory s pevnostní úpravou. ...............................................................................32 Obr. 26: Konektory vícevláknové ...........................................................................................34 Obr. 27: Jiné typy konektorů (MPO a Lightwave MPX) ........................................................35 Obr. 28: Svařování optických vláken. .....................................................................................36 Obr. 29: Postup svařování optického vlákna...........................................................................37 Obr. 30: Příklady mechanických spojek..................................................................................37 Obr. 30: Princip měření. ..........................................................................................................39

4


1 Úvod Předložený text slouží jako základní studijní materiál a návody k jednotlivým úlohám do laboratorních cvičení. Laboratorní cvičení umožňují získat nezbytně nutné praktické zkušenosti a návyky při používání, návrhu a realizaci optoelektronických přenosových systémů. Jednotlivé úlohy jsou postaveny tak, aby pro měření nevyžadovali jiné znalosti než ty, které jsou obsaženy v teoretickém úvodu. Proto je nutné se před příchodem do laboratoře seznámit s obsahem měřené úlohy. Pokyny pro vypracování protokolů: Protokoly musí obsahovat následující části: 1. Zadání; 2. Schéma měření (pokud je přítomné); 3. Teoretický úvod; 4. Postup při měření; 5. Tabulky (pokud došlo ke konkrétnímu měření hodnot); 6. Příklad výpočtu (pokud bylo nutné při zpracovávání úlohy něco spočítat); 7. Závěr – zhodnocení dosažených výsledků, popř. možnosti jejich zlepšení.


2 Měření charakteristik OPTRONU HCPL – 2630 Zadání: 1. 2. 3. 4.

Změřte vstupní charakteristiku naprázdno Ii = f (Ui). Změřte výstupní charakteristiku I0 = f (U0). Změřte převodní charakteristiku U0 = f (Ii). Určete mezní kmitočet přenosu optronu fh.

Schéma:

Obr. 1: Zapojení přípravku pro měření charakteristik optronu.

5

6


Obr. 2: Zapojení pro měření vstupní charakteristiky.

Obr. 3: Zapojení pro měření výstupní charakteristiky.


7

Obr. 4: Zapojení pro měření převodní charakteristiky.

Obr. 5: Zapojení pro měření mezní přenosové frekvence

Teoretický úvod: Jednoduchá sestava, v níž je zdroj světla a některý fotoelektrický prvek v určité vzájemné vazbě, tvoří tzv. optronový pár. Je-li takový pár realizován v jediném konstrukčním celku, bývá označován jako optron.

8

FEKT Vysokého učení technického v Brně V optronu můžeme obecně hledat elektrickou vazbu zdroje světla a detektoru i optickou vazbu těchto elementů. V případě existence optické vazby lze optron zkoumat z hlediska typů přenosového prostředí a vyčlenit optrony s řízeným a neřízeným prostředím.

Obecně lze také provést rozdělení optronů dle typu použitých zdrojů. Známe pak optrony s luminiscenčními zdroji;, vyznačují se vyšší energetickou účinností přenosu, ale malou přenosovou rychlostí. Zdroj je nesnadno přímo modulovatelný, proto jsou konstruovány jako logické. Zdroj je též nesnadno buditelný. Další třídu tvoří z tohoto hlediska optrony s luminiscenčními diodami; mají vyšší přenosovou rychlost, jsou snadno přímo modulovatelné, mají však nižší energetickou účinnost přenosu. Podle druhu fotoelementu lze rozlišovat optrony s fotoodporem (citlivé, ale pomalé, fotoodpor spolupracuje většinou s luminiscenčním zdrojem), optrony s fotodiodou (využívají rychlé odezvy diody, zdroje tedy bývá Obr. 6: Typy optronů. LED) a optrony s vícepřechodovými prvky (tranzistor, tyristor, slouží buď ke zvýšení citlivosti nebo pro možnost přímé spolupráce s navazujícím elektrickým obvodem). Podle typu převodní charakteristiky je možno usuzovat na vlastnosti optronu při přenosu signálu a provést rozdělení na optrony lineární a logické. Nejčastějším způsobem dělení je však hledisko druhu a typu vazby mezi vstupními a výstupním obvody optronu. Obr. 6a ukazuje příklady optronů s přímou vnitřní optickou vazbou. Tento typ optronů je užíván jako oddělovací dvojbran v elektronických obvodech nejrůznějších typů. Využívá plně výhod oddělovacích schopností a jednosměrnosti fotonové vazby oproti vazbě galvanické. Příkladem lineárního optronu je prvek WK 164 16 v hermetickém pouzdru výrobce Tesly Blatná s infračerveným vysílačem GaAs Wk 164 05 zářícím na vlnové délce λ = 0,95 µm a fototranzistorem KPX 81. Optron může přenášet signály analogového i impulsního průběhu s dobou náběhu a doběhu min 3 µs . Lineární optron standardního provedení fy HP HCPL 2502 s přijímačem tvořeným PIN diodou a širokopásmovým videozesilovačem přenáší s rychlostí 1Mbit/s. Vzorem rychlého digitálního optronu je obvod HCPL 2601 s DHS luminiscenční diodou GaA1As-GaAs a detektorem PIN s přenosovou rychlostí 10Mbit/s.


9

Optron s přímou vnější optickou vazbou ukazuje Obr. 6b. Využívá se jeho možnosti řídit přenos změnou vlastností přenosového prostředí. Může být tedy použit jako čidlo ke sledování fyzikálních parametrů prostředí. Tyto optrony jsou konstruovány jako reflexní či transmisní sensory v provedení vláknovém či s prostorovou vlnou. Pracují s přenosovými vzdálenostmi několika mm až několika m. Vyrábějí se snímače mlhy, plynů, detektory odrazných objektů. Příkladem je reflexní sensor fy HP HEDS 1000, pracuje s GaP: ZnO luminiscenční diodou, jejíž záření je optickou soustavou fokusováno do bodu ve vzdálenosti 1 = 12mm a po odrazu promítáno na čip fotodiody. Optrony s vnitřní elektrickou vazbou jsou využívány ve speciálních aplikacích jako klopné obvody či jako stabilizátory toku zdroje. Obr. 6c ukazuje optron s přímou vnitřní elektrickou vazbou, Obr. 6d optron s přímou elektrickou a kladnou zpětnou optickou vazbou. Obr. 6e znázorňuje optron s přímou elektrickou a zápornou zpětnou optickou vazbou.

Postup měření: ad1. Vstupní charakteristiku měřte pro rozpojený výstup. Přípravek zapojte podle Obr. 2. ad2. Výstupní charakteristika se měří pro parametr Ii. Změřte alespoň tři výstupní charakteristiky. Přípravek je zapojen podle Obr. 3. ad3. Převodní charakteristiku měřte pro tři různé hodnoty rezistoru RZ. ad4. Pro určení mezního kmitočtu zapojte přípravek podle Obr. 5. Výstupní napětí generátoru bude po celou dobu konstantní – UG =2,5V. Přípravek je zapojen podle Obr. 4.

Závěr: Všechny charakteristiky vyneste do grafů. Zamyslete se nad použitím optronu v elektronických aplikacích a pokuste se navrhnout pomocí optických zdrojů světla a detektorů, zapojení logického obvodu AND.

10


3 Měření na vláknových optických přenosových systémech Zadání: Změřte a srovnejte maximální přenosové frekvence použitých typů optických řetězců: 1.

1. HFBR T-1501

HFBR R-2501

2.

2. HFBR 1201

HFBR 2201

3.

3. WK 164 41

WK 164 42

4.

4. HFBR 1002

HFBR 2001

Schéma:

Obr. 7: Zapojení společné části přípravku.

Obr. 8: Zapojení přenosového řetězce 1.





11

12


Teoretický úvod:

Obr. 12: Optoelektronický přenosový řetězec.

V této úloze vás čeká bližší seznámení s optickými vláknovými přenosovými systémy, které jsou určeny pro přenos digitálních signálů na kratší vzdálenosti (jednotky km). V přenosové soustavě je elektrický signál přeměněn na optický, který je posléze veden v příslušném vlnovodném prvku (optickém vlákně) a na přijímací straně je opět převeden na elektrický. Optoelektronický přenos informací má mnoho zajímavých vlastností, vyznačuje se řadou předností proti klasickým přenosovým systémům. Má také některé omezení, jejichž znalost je důležitá pro to, aby bylo možno přednosti co nejširší měrou využít. Obr. 12 ukazuje optoelektronický přenosový řetězec ve zjednodušené podobě, kde: i2 = P2

e hν

Kde: m

S 2 N 2 = (mi2 ) itot2 2

; poměr signál šum

;

je modulační faktor optického výkonu P.

Z hlediska přenosových vlastností optoelektronického systému jsou důležité zejména tyto otázky: •

v jaké formě je modulační signál nesen optickou vlnou

•

jakou roli hrají šumy při přenosu a jaké jsou příčiny jejich vzniku

•

jaké přenosové pásmo poskytuje optický kanál a co je ovlivňuje.

Při měření maximálních přenosových frekvencí jsou limitujícími prvky vysílač, přijímač a v neposlední řadě pomocné obvody. S rozvojem technologií výroby, se maximální přenosová frekvence těchto elektronických obvodů blíží maximální přenosové frekvenci vlákna. V přenosových systémech dnešní doby, při používání stále lepších optických vláken, je však třeba věnovat těmto obvodům neustále velkou pozornost. Výhody a možnosti použití: •

přenos dat v průmyslových provozech s vysokou úrovní elmag. rušení.

•

pro spojení různých míst s rozdílnými potenciály, odstraňuje problémy zemních smyček

•

pro vedení ve velmi nebezpečných prostředích (např. benzínové výpary), při poruše nedojde k jiskření

Měřené přenosové systémy: 1. HFBR T- 1501 , T - 2501


13

•

jednoduchý plastový vláknový přenosový systém na velmi krátké vzdálenosti (desítky metrů)

•

konektory i moduly jsou plastové

•

přenosová rychlost 5 Megabaudů

•

vysílač emituje záření na vlnové délce 665 nm, která je optimální pro použité vlákno

•

přijímač má vysokou šumovou imunitu

•

kompatibilní s TTL

•

Použité optické vlákno :

•

útlum pro vlnovou délku 650 nm je 0,25 dB

•

materiál jádra je polymethyl metakrylát

•

pracovní teploty od –40°C do 85°C

•

minimální ohybový poloměr 17mm

- průměr 1 mm, délka 5m PMMA

2. HFBR 1201 , HFBR 2201

•

miniaturní vláknový optický přenosový systém

•

moduly jsou opatřeny kovovými konektory

•

vysílač emituje záření na vlnové délce 820 nm

•

přenosová rychlost 5 Megabaudů

•

kompatibilní s TTL

•

maximální délka kabelu 1600m

Použité optické vlákno HF 3200: - průměr 100/140 µm, Si vlákno • -šířka pásma 40 MHz /1 km Délka 50 m •

útlum pro vlnovou délku 820 nm je 5,5 dB

•

pracovní teploty od –20°C do 85°C

•

minimální ohybový poloměr 20mm

•

kabel je opatřen kovovými konektory typu HFBR 4000 pro pracovní teploty od 70°C do -20°C

3. WK 16441 WK 16442

•

el. moduly jsou vyrobeny pomocí tlustovrstvé hybridní integrace

•

přenosová rychlost 10 Mbit /s, je zde použita rychlá GaAs/GaAlAs LED

•

pomocí kódování je zajištěn přenos rytmického i arytmického signálu

•

pro vzdálenosti do 1000m

•

přijímač je opatřen vývodem LINK MONITOR, je zde integrován obvod, který sleduje střední úroveň intenzity světla ve vlákně za určitou dobu a při poklesu

14

FEKT Vysokého učení technického v Brně pod minimální mez indukuje tento stav změnou úrovně napětí právě na tomto vývodě. Použité optické vlákno: - průměr 200/380 µm Si •

útlum 10 dB/km, délka 1600m

•

konektor SMA s útlumem menším 3,5 dB, v celokovovém provedení

•

minimální poloměr ohybu 30mm

4. HFBR 1002 HFBR 2001 • Vlastnosti a parametry téměř stejné jako u 3. •

Optické vlákno: délka 50m, typ stejný jako u 3.

Postup měření: Pulsní generátor PGP 5A nastavte následovně: •

výstup bude periodický signál se střídou1:1 pomocí tlačítka T/2

•

pro nastavené periody použijte potenciometr PERIOD (s) a sadou tlačítek pod ním

•

výstup odebírejte z konektoru BNC vpravo, VÝSTUP MÁ HORNÍ ÚROVEŇ 0

•

OFFSET zůstává ve stavu OFF

•

amplitudu napětí nastavte pro použití v TTL obvodech, zkontrolujte měřením

Ze stabilizovaného zdroje TSZ 75 použijte napětí ±5V. Výstupní signál z generátoru přivádějte postupně na svorky UI1,2,3,4. Mezivýstupy 1,2,3,4 jsou vždy spojeny s příslušným uzlem X1,2,3,4, podle měřeného páru. Výstupní signál je vždy odebírán ze svorky U0. Přepínač modů, který se nachází na přípravku slouží pro přepínání modů vysílače. Pro měření prvních dvou přenosových řetězců měřte pouze v modu 1, v dalších dvou případech měřte pro oba mody. Maximální přenosovou frekvenci určete pro úroveň TTL: •

úroveň L nepřekročí 0,4V

•

úroveň H neklesne pod 2,4V

Závěr: Uveďte do přehledné tabulky změřené a katalogové přenosové frekvence. Srovnejte přenosové řetězce mezi s sebou.


15

4 Měření útlumu multimodového vlákna a spojek Zadání: Změřte útlum optického multimodového kabelu pro vlnové délky 1300 a 850 nm. Měřte jednotlivé úseky kabelu pomocí kabelových vláknových spojek a na závěr odvoďte ze změřených hodnot jednotkový útlum vlákna a spojky. Schéma:

Obr. 13: Zapojení přenosového řetězce. Teoretický úvod: Již dlouho je dobře známo, že světlo může být vedeno tenkými dielektrickými vrstvami a vlákny po libovolně zakřivené dráze prostřednictvím totální vnitřní reflexe. Až donedávna však světelné ztráty v jakýchkoliv známých transparentních dielektrikách v pevné či kapalné fázi byly tak vysoké, že bylo možno překlenout při přenosu světla jen vzdálenosti několika metrů. Firma Gorning Glass Co. otevřela v roce 1970 etapu vývoje extrémně nízkoztrátových skel, které bylo možno použít pro přípravu skutečných vláknových vlnovodů použitelných pro komunikaci na vzdálenost několika kilometrů. Z počátečních 20 dB/km na vlnové délce 0,85 µm dosažených u stepindexového křemenného vlnovodu firmou Gorning Glass Co. se v roce 1975 u téhož druhu vlnovodu snížily ztráty na pouhých několik decibelů na km, v roce 1978 je na délce vlny 1,3 µm dosaženo útlumu několika desetin dB/km. Dnes je v oblasti třetího okna, tj. na vlně 1,55 µm , dosahován útlum menší než 0,1 dB/km (Sumitomo Electric Industries). Podobně se rychle zlepšují i další důležité parametry vlnovodů. Dobré mechanické vlastnosti jsou zajišťovány opláštěním ultrafialově vytvrditelnými pryskyřicemi. Šířka přenášeného pásma se během posledních deseti let zvětšila z počátečních několika megahertzů na kilometr délky u stepindexových mnohamodových vlnovodů na několik desítek a stovek GHz/km u jednovidových vlnovodů. Na tomto vývoji se podílelo zejména vypracování nových technologií pro přípravu preforem se zvláště vysokou čistotou a s optimálním profilem indexu lomu. Nepřímo se na něm ovšem uplatnil i pokrok při výzkumu

16


zdrojů záření a detektorů, který dovolil přejít z vlnových délek 0,8 až 0,9 µm tvořících tzv. první okno útlumu křemenných vlnovodů do oblasti 1,3 µm , popřípadě 1,55 µm , kde jsou nejen menší ztráty Rayleighovým rozptylem, ale leží zde i minimum materiálové disperze. Rychlý rozvoj prvkové základny pro optické vláknové spoje je v současné době provázen stejně rychlým růstem projektů a realizací optických spojových systémů. Podle současných poznatků je možné předpokládat, že prakticky veškeré pozemské komunikační služby budou v průběhu 90 let a prvních desetiletí příštího století realizovány sítěmi s optickými vláknovými spoji. Projektují se a prakticky ověřují podmořské kabely, které umožní přenosy velkého množství informací, jak na kratší vzdálenosti, tak i mezi Evropou a Amerikou. Předpokládá se při tom podstatné zredukování počtů zesilovačů, případně i jejich úplné vyloučení. Zavedení integrované optiky do optických spojových systémů vede k dalšímu zlepšení jejich funkce, zvýšení spolehlivosti i k další úspoře energie. Prochází-li optické záření sklem s indexem lomu n = 1,5, pohybuje se fázovou a grupovou rychlostí nižší než je rychlost světla ve vakuu c: vg = v f =

c = 200 000 km s = 200 m µs = 0,2 m ns n

Dopadá-li záření na rovinné rozhraní materiálů s indexy lomu n1 a n2 ze strany prostředí opticky hustšího (n1 > n2 ) pod úhlem ϕ ke kolmici dopadu, pak nastává pro všechny ϕ > ϕ k tzv. totální odraz vlny, přičemž pro kritický úhel ϕ k platí: sin ϕ k =

n1 n2

Na této skutečnosti je založena konstrukce nejjednodušších vláknových vlnovodů, tzv. stepindexových vláken, jejichž válcové jádro ze skla či polymeru s průměry od 50 µm do 1 mm a s indexem lomu n1 je opatřeno pláštěm s indexem lomu n2, který je přibližně o 0,1 – 10 % menší než index lomu jádra. Každý světelný paprsek navázaný do jádra takového vlákna se může šířit ve vláknu se směrovou odchylkou od osy nepřesahující úhel γ k = π 2 − ϕ k . Abychom při buzení vlákna zaručili tuto nejvyšší přípustnou odchylku vedeného paprsku od směru osy, je nutné přivádět paprsky záření na čelo jádra světlovodu uvnitř kužele, jehož poloviční vrcholový úhel nepřesahuje tzv. akceptanční úhel θ A . Pro akceptanční úhel θ A platí: sin θ A =

n1 1 cos ϕ k = nv nv

n12 − n22 = NA

Sinus akceptančního úhlu θ A je označován jako numerická apertura NA. Situaci ukazuje předchozí vztah. Spolu s průměrem jádra se veličina NA, jak ukážeme, podílí na účinnosti vazby záření do jádra a má také souvislost s útlumem. Časté hodnoty apertury se pohybují mezi 0,25 a 0,1. Pro NA = 0,2 je hodnota akceptačního úhlu jen 12. Je zřejmé, že vazební účinnost světla do vláknového vlnovodu poroste s růstem průměru jádra a s růstem akceptančního úhlu. S růstem průměru jádra však prudce roste výrobní cena vlákna. Růst akceptančního úhlu θ A lze zajistit jen zvyšováním n1 prostřednictvím vyšší dotace základního materiálu (křemenného skla), což vede ke zvýšení útlumu vlnovodu. Útlum ve vlnovodu způsobuje pokles výkonu záření navázaného do jádra P(O) podle exponenciálního zákona s délkou vlákna 1:


P(l ) = P(0) ⋅ 10

−

17

αl 10

10 P(0) . log l P(l ) Činitel měrného útlumu α je závislý na vlnové délce, jeho průběh je ovlivněn poklesem Rayleighova rozptylu s λ−4 při rostoucí vlnové délce, vzrůstem foton fononové absorpce s λ2 při rostoucí λ , selektivní molekulární absorpcí na hydroxylových skupinách OH- a přítomností elektronové absorpce kysličníků kovů modifikujících index lomu materiálu jádra i pláště vlnovodu. Moderní křemenné vláknové vlnovody s nízkými úrovněmi příměsí a nečistot vykazují velmi nízký útlum zejména ve třech vlnových oblastech, tzv. oknech 0,8 ÷ 0,9 µm , 1,25 ÷1,35 µm a 1,5 ÷1,6 µm , viz 0. Nejnižší útlumy pro SiO2 vlnovody jsou dosahovány v oblasti třetího okna , tj. λ = 1,55 µm , kde α = 0,1 dB/km. Kde> α =

Jsou

hledány materiály s α = 0,01 ÷ 0,001 dB/km.

s minimem

útlumu

ve

vzdálenější

IR

oblasti

Velkou nevýhodou stepindexových vláken (SI vláken) je jejich malá šířka pásma při přenosu signálu. Důvodem je zejména rozdílná rychlost jednotlivých modů elektromagnetického záření samostatně se šířících vláknem. Energie jednotlivých modů vybuzených ve vlnovodu vstupním signálem se šíří vláknem pod různými úhly ϕ ∈ 0; 90 − ϕ k vzhledem k ose. Tyto rozdílné úhly znamenají různou optickou dráhu průchodu záření každého modu vláknem. Poměr zpoždění nejrychlejšího τ gf a nejpomalejšího τ gs modu je přibližně shodný s poměrem indexů lomů n2 a n1 materiálů vlákna: τ gf n2 = τ gs n1 Rozdíl modových zpoždění ∆τ gl je pak dán vztahem:

∆τ gl =

τ gs − τ gf l

=

1 (n1 − n2 ) = n1∆ c c

Kde: ∆ = (n12 − n22 ) 2n12 =&

n1 − n2 je relativní diference indexů lomů. n1

Obr. 14: Zapojení přenosového řetězce.

18


Obr. 15:Typické průběhy útlumu moderních vláknových vlnovodů. SI – stepindexový vlnovod, GI – gradientní vlnovod, SM – jednomodový vlnovod.. Systém FLT 4 FLT4 je testovací sada určená pro diagnostiku a měření optických vláknových přenosových systémů a kabelů. Používá se zejména v telekomunikacích, kabelových televizích datových sítích a průmyslových sběrnicích. FLT4 měří absolutní výkon (dBm) a útlum (dB). Absolutní výkon je výkon vztažený k optickému výkonu 1mW (0dBm=1mW). Měření dBm je užitečné zejména pro verifikaci výstupního výkonu vysílače a stanovení systémových ztrát. Při měření se vždy přesvědčte, že FLT4-M měří vlnovou délku , kterou máte nastavenou na FLT4-S. Seznam zařízení: FLT4-S, FLT4-M měřící systém Optický multimodový kabel o délce 117m, s konektory typu ST Sada vláknových spojek ST 2 kabely ST-ST o délce 1m – jumper cable Postup měření: 1. Zapněte obě části systému FLT4. Zkontrolujte čistotu zakončení vláken. Připojte jeden kabelů ST-ST mezi FLT4-S a FLT4-M. Nastavte FLT4-M do modu dBm. Na displeji by se měla zobrazit informace o vlnové délce a hodnota -20dBm ±1dB při použití multimodového vlákna. Pokud zobrazená hodnota nebude odpovídat tolerančním mezím očistěte konce vlákna. V opačném případě na přijímači stiskněte tlačítko SET REF až do okamžiku zobrazení HOLD. Přijímač je tím vynulován a můžete začít s měřením útlumu v dB. 2. Odpojte kabel od FLT4-M připojte druhý ST-ST kabel. Měření začněte změřením útlumu při spojení těchto dvou kabelů. V dalším kroku připojte mezi tyto dva kabely pomocí vláknových spojek první vlákno měřeného kabelu. Postupně připojujte ostatní. Závěr: Na závěr odvoďte útlum celého kabelu, spojky a průměrný útlum jednoho vlákna.


19

5 Měření útlumových charakteristik čelního styku vláknových vlnovodů Zadání: 1. Změřte a vypočítejte závislost útlumu čelního styku vláknových vlnovodů na radiální odchylce os vláken b = f (Lr) 2. Změřte a vypočítejte závislost útlumu čelního styku vláknových vlnovodů na axiální odchylce čel souosých vláken b = f (La) Schéma:

Obr. 16: Zapojení přípravku.

Obr. 17: Částečné odrazy na rozhraní, axiální a radiální posuv.

20


Obr. 18: Vychýlení os vláken. Teorie měření: Vzhledem k miniaturním rozměrům všech optických prvků používaných ve spojových systémech, je vzájemné propojování těchto jednotlivých elementů speciální technologický problém. jedná se o tento řetěz přechodů: zdroj - jádro, jádro – jádro, jádro – detektor. V této úloze se budeme podrobněji zabývat přechodem jádro – jádro a to v rozebíratelném provedení (tzn. konektor). Základní požadavky na konektorové spoje jsou: •

čelní plocha jádra přísně rovinná a kolmá k ose vlákna.

•

snadná manipulovatelnost.

•

spolehlivá reprodukovatelnost spojení.

•

co nejmenší vazební ztráty.

•

cena apod.

Z teorie odrazu na rozhraní dvou prostředí vyplývá, že při průchodu záření z vlákna do volného prostředí a opačně, dochází k částečným odrazům světla, viz. obr.2, způsobující určitý minimálně dosažitelný útlum procházejícího záření. Pro úhly blížící se kolmému dopadu platí: P2/P1 = P4/P3 = (1 - (n1 – n2)2/( n1 + n2)2 ) pro konkrétní hodnoty:

n1 = 1 n2 = 1,45 P2/P1 = 0,966

Dvojnásobný částečný odraz na čelech vláken tedy znamená minimální útlum čelního styku: bmin = 2.bmin1 = -2x10xlog (1 - (n1 – n2)2/( n1 + n2)2 ) pro konkrétní hodnoty: bmin = 0,30 db


21

Celkový útlum čelního styku lze tedy stanovit změřením maximálního přenosového výkonu Pmax při téměř nulové axiální La a radiální odchylce Lr, při konstantním buzení. b = bmin + 10.log (Pmax/Pmin) (pozn.: Výkony jsou úměrné měřenému napětí na přijímači) Celkový útlum b je tedy funkcí La, potom mluvíme o závislosti útlumu na axiální odchylce čel vláken a funkcí Lr potom se jedná o závislost útlumu na radiální odchylce os vláken. Parametry použitého optického vlákna: Kabel s průměrem jádra D=200µm a průměrem pláště 380µm je opatřen sekundární ochranou a konektory typu SMA. Je to kabel starší české výroby a svými rozměry je neslučitelný s kabely zahraničními. Postup měření: Přípravek je zapojen podle obr.1, dodržte napájecí napětí. Konektor je viditelně označen. Při použití RC generátoru nastavte kmitočet na 1 kHz a výstupní napětí na 400mV. Pro měření délky posuvu v osách X a Y, jsou na přípravku k tomu určenému, umístěny dvě ručková měřidla, s rozlišením 10µm na dílek. Před započetím měření nastavte pomocí tří kalibračních šroubů osy vláken tak, aby přenášený výkon byl maximální. Při měření pak používejte pouze šrouby pro posuv v osách X a Y. ad1) Radiální závislost b = f (Lr) měřte pro 3 různé hodnoty vzdálenosti La ( La zde vystupuje jako parametr) a to: La = 0 , D , 2D POZOR: při nastavování La = 0 , čela vláken by se neměla dotýkat. D... průměr jádra, v našem případě 200µm Pro radiální směr volte interval: Lr = ( -y ; + y) -y volte tak, aby rozdíl Un-1 – Un byl ještě měřitelný. +y volte tak, aby v intervalu ( -y ; + y) bylo naměřeno cca 20 hodnot, postupujte způsobem: velké změny U ⇒ menší vzdálenosti jednotlivých vzorů a naopak. protože konce vláken mohou být vychýleny z osy viz. obr.3 provádějte měření na obě strany tzn. +y, - y. Po změření příslušných napětí vypočítejte útlumy b a vyneste na milimetrový papír závislost b = f (Lr) a parametrem La. ad2. Zjistíte-li zanedbatelné vychýlení os vláken z měření v bodě 1, můžete postupovat následujícím způsobem: Lr = 0 ( tzn. maximální U).

22

FEKT Vysokého učení technického v Brně La = ( 0 ; + x) pro výběr x platí odborné pokyny jako pro y v bodě 1.

Po změření vypočítejte příslušné útlumy b a vyneste jednak celou závislost b = f (La) na zvláštní část milimetrového papíru a jednak její část do grafu z bodu 1. Závěr a zhodnocení: Srovnejte naměřené a vypočtené závislosti, jasně formulujte, které geometrické vychýlení os kabelu způsobuje větší přenosové ztráty.


6 Měření spektrální propustnosti vzorků Zadání: Změřte propustné spektrální charakteristiky předložených vzorků. Schéma:

Obr. 19: Spektrometr.

23

24


Obr. 20: Schéma kompenzátoru.

Teoretický úvod: Světlo ze zdroje záření ( žárovka s wolframovým vláknem ) se v monochromátoru rozkládá na spektrální složky. Monochromatické záření procházející výstupní štěrbinou prostupuje absorbující zkoušený vzorek a dopadá na fotonku (Obr. 19). Fotonka dodává proud IPH, jehož velikost je úměrná dopadajícímu zářivému toku Φ a spektrální citlivosti fotonky. Úbytek napětí na rezistoru RA UPH = IPH*RA (Obr. 20) se kompenzuje regulovatelným napětím UK. Vyrovnaný stav je indikován na stupnici galvanometru se zesilovačem. Při měření propustnosti T vzorku se měří poměr zářivého toku ΦM, který prochází vzorkem k zářivému toku bez vloženého vzorku ΦV:

T=

φM φV

Na základě lineárního vztahu mezi proudem fotonky a kompenzačním napětím platí:

T=

U KM U KV

Kompenzátor (přepínač 30) se skládá z potenciometrů:

•

kompenzace temného proudu ( přepínač v poloze

•

nastavení prázdné (vztažné) hodnoty RV ( přepínač v poloze

•

měření RM ( přepínač v poloze 1, 2 nebo 3)

Ovládací prvky:

) )


25

1. Potenciometr proudu za temna ( otočný knoflík 2) Slouží ke kompenzaci temného proudu fotodetektoru při poloze přepínače vzorků 30 v poloze tj. na detektor nedopadá žádné záření. Nastavuje se vždy před měřením a občas se kontroluje i během měření. . Tlačítko měření 29 stlačeno. 2. Potenciometr prázdné hodnoty ( otočný knoflík 37) Kompenzuje napětí vyvolané vztažným zářivým tokem při poloze přepínače vzorků 30 v poloze . Nastavuje se pro každou novou hodnotu vlnové délky. Tlačítko měření 29 stlačeno. (otočný knoflík 35) 3. Potenciometr měření Při zařazeném vzorku tj. při poloze přepínače vzorků 30 v polohách 1, 2 a 3 se kompenzuje napětí zmenšené v důsledku absorpce světla ve vzorku a na stupnici 4 se odečítá propustnost (transparence) T v %. Provádí se pro každou novou hodnotu vlnové délky. Tlačítko měření 29 stlačeno. Potenciometr měření je rozdělen do následujících čtyř měrných rozsahů propustnosti: 105% - 24%

I II

27% - 1%

III

10,5% - 2,4%

IV

2,7% - 0,1%

Při použití měrných rozsahů svítí pod stupnicí 4 signální světélko, které upozorňuje na to, že odečtené hodnoty propustnosti se musí násobit 0,1. 4. Přepínač měrného rozsahu ( přepínač 36) Pomocí něj se nastavuje jeden ze 4 rozsahů měření. V poloze nula je Galvanoměr zkratován. Do této polohy je nutné přepínač po skončení měření vždy nastavit. 5. Přepínač fotodetektorů ( přepínač 12 ) Možnost volby měřeného rozsahu podle měřené vlnové délky

6.

•

modrý bod – fotonka MQVS

200 – 650 nm

•

červený bod – fotonka MV

630 – 1100 nm

Přepínač zdrojů ( přepínač 31 ) Slouží k přepínání optických zdrojů

Postup měření: 1. Příprava přístroje k měření Pozn.: V případě, že přístroj nebude zapojen zavolejte vyučujícího aby tak učinil. NIKDY nezapínejte spektrální fotometr sami. 1.1

Nastavení nulového bodu zesilovače

26


Nulové vyrovnání elektrometrického zesilovače se provádí dvojitými otočnými knoflíky pro nastavování nulového bodu 28 při nejvyšším vstupním zesílení elektrometrického zesilovače. Přepínač vzorků 30 umístěte do jedné z poloh 1, 2, nebo 3 a přepínač měrného rozsahu (přepínač 36), do polohy I. Bez stisknutého tlačítka 29, umístěte značku galvanometru oběma otočnými knoflíky pro nastavování nulového bodu 28 mezi dvojitou čárku na stupnici 3. Poté uveďte přepínač měrného rozsahu 36 do polohy IV a opakujte proces vyrovnávání (malý otočný knoflík hrubě a velký otočný knoflík jemně). 1.2 Nastavení nulového bodu galvanometru Pro nastavení nulového bodu zesilovače umístěte přepínač vzorků 30 do polohy . Výchylku značky galvanometru na stupnici 3 se anulujte přestavením mechanické nulové polohy galvanometru na nastavovacím kotouči 5 ( konzultujte s vyučujícím ). U velkých odchylek je nutné opakovat odstavec 1.1. 1.3 Volba fotobuňky a žárovky Dbejte na to aby jste měli správně nastaven zdroj záření ( přepínač 31 )a správnou detekční jednotku ( přepínač 12 ). V případě zdroje záření je přepínač v poloze červený bod ( žárovka ), v případě detekce se řiďte kapitolou 5 v teoretickém úvodu. Postup měření vzorku 2.1 Nastavení vlnové délky Požadovaná vlnová délka se nastavuje na bubínku vlnových délek 38 podle stupnice vlnových délek 7. 2.2 Vyrovnávání proudu za temna Přepínač vzorků 30 nastavte do polohy , stlačte se tlačítko 29 a výchylku, kterou ukazuje světelná značka na stupnici 3 se anulujte potenciometrem proudu za temna na obou otočných knoflících (hrubě, jemně). Tento postup opakujte postupně pro různá nastavení přepínače měrného rozsahu 36. Zakončete doladěním na rozsahu IV, kde je citlivost nejvyšší. Vždy začínejte na rozsahu I, v jiném případě by mohlo dojít ke zničení galvanometru. 2.3 Vyrovnávání prázdné hodnoty Přepínač vzorků 30 nastavte do polohy a stlačte tlačítko 29. Výchylku na stupnici 3 . Při kompenzujte přestavením dělícího bubínku 1 a potenciometrem prázdné hodnoty 37 tom dejte prázdné hodnotě na příslušném potenciometru ( malý otočný knoflík ) určitý předstih ( na stupnici 3) kompenzujte zhruba nastavením šířky štěrbiny (otočný knoflík 1) a jemně potenciometrem prázdné hodnoty ( velký otočný knoflík ). Pozn.: Šířka štěrbiny nesmí být nulová. Obecně pro co největší přesnost platí nastavit co největší hodnotu nastavení potenciometru prázdné hodnoty 37. Tato hodnota by se měla pohybovat okolo 10-ti nejméně však 5. Vyrovnání prázdné hodnoty provádějte po každé změně vlnové délky, příp. změně vzorku. 2.4 Nastavení hodnoty měření


27

Přepínač vzorků 30 nastavte do polohy 1, 2 nebo 3 podle zadání vyučujícího, tím zapojíte vzorek do dráhy paprsků. Výchylku na stupnici 3 kompenzujte při stisknutém tlačítku 29 nastavením potenciometru měření 35. Měrný rozsah volte na přepínači 36 podle stávající propustnosti vzorku. Při měření na rozsahu III a IV by hodnota na potenciometru prázdné hodnoty 37 měla být blízká 10-ti.

Závěr: Změřené závislosti vyneste do grafu. Pokuste se z nich určit možné použití vzorku.

28


7 Měření vysokých extinkcí vzorku Zadání: Použijte vzorek, který jste měřili v předchozí úloze, vyberte úsek, ve kterém je útlum vzorku nejmenší a změřte jej podle tohoto návodu. Vyhodnoťte rozdíl mezi původními a současnými hodnotami.

Teoretický úvod K úloze se vztahuje teoretický úvod předchozí úlohy. Měření vysokých extinkcí S přepnutím na měrné rozsahy II, III, IV je spojeno zvýšení citlivosti indikace pro vyrovnávání proudu za temna a hodnoty měření, takže v měrném rozsahu IV se dosáhne meze postřehu fotobuňky. Proto dochází v měrném rozsahu IV k určitému neklidu nulového indikátoru (jak jste si mohli všimnout při předchozím měření). Kromě toho je nutné mít na zřeteli, že po relativně silném osvitu fotobuňky při vyrovnávání prázdné hodnoty je proud za temna buňky poněkud větší a v cca 30 sekundách se sníží na svou původní hodnotu. Způsob práce se proto musí změnit.

Postup měření: 1. Příprava přístroje k měření Pozn.: V případě, že přístroj nebude zapojen zavolejte vyučujícího aby tak učinil. NIKDY nezapínejte spektrální fotometr sami. Vzorek, který jste měřili v předchozím měření vyjměte z aktuální polohy a vložte jej na místo označené číslem 1 9 (V zásobníku 12). Provádějte pod dohledem vyučujícího. 1.1 Nastavení nulového bodu zesilovače Nulové vyrovnání elektrometrického zesilovače se provádí dvojitými otočnými knoflíky pro nastavování nulového bodu 28 při nejvyšším vstupním zesílení elektrometrického zesilovače. Přepínač vzorků 30 umístěte do polohy 1 a přepínač měrného rozsahu (přepínač 36), do polohy I. Bez stisknutého tlačítka 29, umístěte značku galvanometru oběma otočnými knoflíky pro nastavování nulového bodu 28 mezi dvojitou čárku na stupnici 3. Poté uveďte přepínač měrného rozsahu 36 do polohy IV a opakujte proces vyrovnávání (malý otočný knoflík hrubě a velký otočný knoflík jemně). 1.2 Nastavení nulového bodu galvanometru Pro nastavení nulového bodu zesilovače umístěte přepínač vzorků 30 do polohy . Výchylku značky galvanometru na stupnici 3 anulujte přestavením mechanické nulové polohy galvanometru na nastavovacím kotouči 5 ( konzultujte s vyučujícím ). U velkých odchylek je nutné opakovat odstavec 1.1. 1.3

Volba fotobuňky a žárovky


29

Dbejte na to aby jste měli správně nastaven zdroj záření ( přepínač 31 ) a správnou detekční jednotku ( přepínač 12 ). V případě zdroje záření je přepínač v poloze červený bod ( žárovka ), v případě detekce se řiďte kapitolou 5 v teoretickém úvodu. Postup měření vzorku 2.5 Nastavení vlnové délky Požadovaná vlnová délka se nastavuje na bubínku vlnových délek 38 podle stupnice vlnových délek 7. 2.6 Vyrovnávání proudu za temna Přepínač vzorků 30 nastavte do polohy , stlačte se tlačítko 29 a výchylku, kterou ukazuje světelná značka na stupnici 3 se anulujte potenciometrem proudu za temna na obou otočných knoflících ( hrubě, jemně ). Tento postup opakujte postupně pro různá nastavení přepínače měrného rozsahu 36. Zakončete doladěním na rozsahu IV, kde je citlivost nejvyšší. Vždy začínejte na rozsahu I, v jiném případě by mohlo dojít ke zničení galvanometru. 2.7 Vyrovnávání prázdné hodnoty Přepínač vzorků 30 nastavte do polohy a stlačte tlačítko 29. Výchylku na stupnici 3 kompenzujte přestavením dělícího bubínku 1 a potenciometrem prázdné hodnoty 37 . Při tom dejte prázdné hodnotě na příslušném potenciometru ( malý otočný knoflík ) určitý předstih ( na stupnici 3) kompenzujte zhruba nastavením šířky štěrbiny (otočný knoflík 1) a jemně potenciometrem prázdné hodnoty ( velký otočný knoflík ). Pozn.: Šířka štěrbiny nesmí být nulová. Obecně pro co největší přesnost platí nastavit co největší hodnotu nastavení potenciometru prázdné hodnoty 37. Tato hodnota by měla být nejméně 10. Vyrovnání prázdné hodnoty provádějte po každé změně vlnové délky, příp. změně vzorku. Po vyrovnání prázdné hodnoty zapojte přepínací pomocný kontakt znovu na a pozorujte při stisknutém knoflíku na galvanometru, jak se proud za temna blíží své původní hodnotě ( případně značku galvanometru nastavte pomocí potenciometru proudu za temna na nulový bod). Teprve poté následuje bod 2.4. 2.8 Nastavení hodnoty měření Přepínač vzorků 30 nastavte do polohy 1, tím zapojíte vzorek do dráhy paprsků. Výchylku na stupnici 3 kompenzujte při stisknutém tlačítku 29 nastavením potenciometru měření 35. Měrný rozsah volte na přepínači 36 podle stávající propustnosti vzorku. Závěr: Změřené závislosti vyneste do grafu.

30


8 Metody lámání a konektorizace vláken Zadání: 1. Zlomte připravená multimodová vlákna a) Pomocí safírové destičky. b) S pomocí lámačky vláken s diamantovým kotoučem. c) S pomocí lámačky vláken s diamantovým nožem. 2. Proveďte konektorizaci vámi zlomených vláken.

Teoretický úvod: 1. Seznam typu konektoru vláken pro jednovidová a mnohovidová vlákna (singlemod, multimod), doplněny obrázky nebo schématy. Optické konektory • nízký vložný útlum (0,2 – 0,3 dB) • umožňuje opakovaný systém spojení vláken • chrání konce vláken před poškozením • necitlivé na prach a vlhkost • opětovné spojení a rozpojení • jednoduché spojování Vnější části optického konektoru

Obr. 21: Části optického konektoru.


31

Ferule optického konektoru • nejpřesnější část konektoru s nejpřísnějšími tolerancemi • ve středu ferule je válcový otvor o průměru větším než je vnější průměr pláště vlákna • vlákno se do ferule zasouvá a lepí speciálním epoxidovým lepidlem • je nutné zajistit, aby vlákno nebylo příliš utopené ve feruli nebo naopak nepřesahovalo • ferule se vyrábí z - kovu (dříve) - keramických matriálů (dnes často) - kompozitních plastů ( dnes se začíná) • ferule se do žádaného tvaru vybrušují manuálně nebo strojově • na kvalitě a způsobu zabroušení ferule silně závisí optické parametry konektoru Typy zabroušení ferule:

•

NPC -non physical contact- kolmé zabroušení

•

PC -physical contact- sférické zabroušení

•

SPC -super physical contact- sférické zabroušení

•

UPC -ultra physical contact- sférické zabroušení

•

APC -angled physical contact- úhlově sférické zabroušení

Obr. 22: Konektory s rozšířeným optickým svazkem.

Obr. 23: Konektory s rozšířeným optickým svazkem pro prašná a nečistá prostředí.

32


Obr. 24: Konektory s pevnostní úpravou. Konektory s pevnostní úpravou (Obr. 24): • primární aplikace vojenská technika • mají větší útlum při spojení cca kolem 1,2 dB • jsou větší a robustnější než klasické vláknové konektory

Obr. 25: Konektory s pevnostní úpravou. Typy optických vláknových konektorů FC konektor - fiber connector Optický konektor určený pro spojení MM a SM vláken. Používá standardní feruli o průměru 2,5mm vyrobenou ze stříkaného pastu nebo nerez kovu. Spolehlivou polohu ferule při spojení zaručuje válcové tělo konektoru s perem. Dodávají se také s ferulemi typu APC. Používají se velice často u telekomunikačních zařízení, CCTV nebo CATV aplikacích. ST konektor Optický konektor určený pro spojení MM a SM vláken. U nás se s ním setkáme především v LAN rozvodech, kde se používá MM-GI vlákno. Používá standardní feruli o průměru 2,5mm. Patří k velmi rozšířeným typům konektorů. K mechanickému zajištění využívá bajonetový princip. Tělo může být jak z plastu, tak i z keramiky.

Digitální obvody a mikroprocesory_lab Konektor E2000 Konektor určení především pro spojení SM vláken, popř. jiných komponent. Většinou se u něj používá keramická ferule. Co do návrhu je podobný konektorům typu LC. Pro spojení používá princip zasuň a vysuň - není třeba šroubovat (na rozdíl od FC, ST). Je svou konstrukcí předurčen do rozvodů s velkým počtem konektorů na jednotku plochy. Na čele konktoru je krytka bránící vniku částic prachu k feruli. SC konektor Optický konektor určený pro jednovidová vlákna s kompozitní nebo keramickou ferulí - PC modrý, APC zelený. Je vyroben z plastu a po mechanické stránce používá systém zasuň a vysuň. Lze snadno vytvořit duplexní typ. Doporučený EIA-TIA 568B. Kónický konektor Jednovidový konektor, má tělo skosené do kónusu a k mechanickému zajištění používá závit. Ferule může být jak keramická, tak i z nerez kovu. Používal se ve starších zařízeních, dnes není v klasických telekomunikacích moc rozšířen. Je považován obecně za konektor s většími ztrátami. Konektor D4 Jednovidový konektor s dlouhou ferulí o průměru 2mm, válcovým tělem opatřeným závitem. Je velice podobný co do tvaru a funkce konektoru FC. Dnes je považován za zastaralý typ konektoru. Dříve používaný v armádě a některých vládních organizacích v USA. V evropě se s ním dnes nesetkáme. FDDI konektor Konektor určený standartem pro MAN sítě FDDI. Patří do třídy duplexních konektorů spojujících dvě vlákna v jednom těle. Mechanické upevnění používá metody zasuň a vysuň. Nosná plastová část konektoru je značně velká a zajišťuje tzv. polarizaci vláken zamezení křížového propojení vláken (Tx a Rx). LC konektor Jednovidový konektor s malou 1,25mm ferulí. Tělo konektoru je většinou z plastu a používá mechanickou fixaci podobnou RJ konektoru s jazýčkem. Vzhledem ke svým malým rozměrům je předurčen pro aplikace s nároky na malou plochu a velký počet spojení. Dále lze snadno pomocí dvou konektorů tohoto typu realizovat duplexní spojení. Je ideální v aplikacích, kde je zapotřebí spojit vlákno s koncovými pracovními stanicemi nebo terminály. U nás se však příliš nepoužívá.

33

34


Konektor SMA Konektor určený pro jednovidová vlákna, obvykle s metalickou ferulí. Tělo konektoru je také většinou z kovu a se závitem. Existují dva typy těchto konektorů, SMA 905 s přímou válcovou ferulí a SMA 906 s odskočenou ferulí. S oběma těmito konektory se lze setkat ve starších vojenských instalacích a na univerzitách. Dnes se s nimi již nesetkáváme. MU konektor Optický konektor určený pro jednovidová vlákna s keramickou ferulí. Tělo konektoru je většinou z vysokotlakého plastu. Mechanické zajištění používá metodu zasuň a vysuň. Tento konektor je menší verzí známého SC konektoru. MT-RJ Optický konektor se dvěma vlákny a monolitickou ferulí vyrobenou z kompozičního plastu. Tělo konektoru je také většinou plastové s mechanismem uchycení typu zasuň a vysuň. Tento konektor byl vytvořen s cílem se svými rozměry přiblížit ke klasickým metalickým RJ konektorům. Díky malým rozměrům a duplexnosti konektoru se hodí pro aplikace s vysokým počtem konektorů na malou plochu. Optický JACK konektor Optický dvouvláknový konektor se dvěma ferulemi. Tělo konektoru je vyrobeno z tvrdého plastu a používá mechnickou fixaci typu zasuň a vysuň. Tento typ konektoru byl vyvinutý fy Panduit. Vyžaduje pro spojení proprietární propojovací kabely. Volition VF-45 konektor Dvouvláknový typ konektoru s monoliticým typem fenule. Tělo konektoru je vyrobeno z plastu s mechanickým upevněním podobným konektoru RJ-45. Rozhraní mezi konektorem a zásuvkou je realizováno na bázi V-drážky. Výrobek fy 3COM.

Obr. 26: Konektory vícevláknové


35

Obr. 27: Jiné typy konektorů (MPO a Lightwave MPX)

Postup měření: 1.

S použitím návodu u jednotlivých lámaček vláken zlomte připravená vlákna. Pomocí mikroskopu zkontrolujte tvar zakončení vlákna po zlomení jednotlivými typy lámaček.

2.

Nejvydařenější zlomení použijte pro napojení na připravený konektor. Dále si schovejte další dvě vlákna pro použití v příští úloze.

3.

Pomocí návodu u kitu určeného pro konektorování vláken toto vlákno vybavte konektorem a následně změřte jak se změní útlum takového vlákna. Uvažujte, že konektor na druhé straně vlákna má nulový útlum.

Závěr: Zpracujte přednosti jednotlivých metod lámání vláken a popište postup lámání. Uveďte dosažený utlum vámi vytvořeného konektoru a uveďte možnosti jeho snížení. Uveďte postup vaší práce. Uveďte jednotlivé možnosti použití všech tří druhů lámaček s ohledem na složitost procesu lámání a kvalitu výsledného lomu.

36


9 Metody spojování vláken Zadání: 1. Zlomte připravená multimodová vlákna a) Pomocí safírové destičky. b) S pomocí lámačky vláken s diamantovým kotoučem. c) S pomocí lámačky vláken s diamantovým nožem. 2. Proveďte konektorizaci vámi zlomených vláken.

Teoretický úvod: Metody konektorizace a spojovani vlaken pro pro jednovidova a mnohovidova vlakna (single mod, multi mod), zakladni parametry, srovnani narocnosti Vláknové spojky • permanentní spojky • nižší vložný útlum (< 0,1 dB) než konektory • metody pevných spojek - svařování - mechanické spojky

Obr. 28: Svařování optických vláken.


37

Obr. 29: Postup svařování optického vlákna.

Obr. 30: Příklady mechanických spojek. Stejně jako mechanické spojky na Obr. 30 vypadají i spojky pro rozebíratelná spojení vláken. Pouze k zafixování v žádané poloze se nepoužívá tvrdnoucí gel ale přikládají se pomocí mechanického šroubovacího spojení. V takovém případě se používá netvrdnoucí gel a lze spojku znovu nedestruktivně rozdělit.

Postup měření: 1. Použijte dvě zlomená vlákna s předchozí úlohy a pomocí návodu, který je přiložen u rozebíratelných spojek je spojte tak, aby vznikl co nejmenší útlum spojení. Umístění konců vláken v průhledné skleněné kapiláře si průběžně kontrolujte pomocí mikroskopu.

38


2. Změřte útlum takto vzniklého optického kabelu a opakovaným spojením konců vláken se snažte dosáhnout co nejmenšího útlumu. Závěr: Do závěru uveďte postup, který jste provedli při spojování vláken, včetně nákresů umístění obou konců ve skleněné kapiláře. Uveďte poznatky, ke kterým jste došli a možnosti snížení útlumu vámi vytvořeného spojení. K čemu lze takového spojení využít.


39

10 Měření směrových vyzařovacích charakteristik. Zadání: Změřte a graficky zpracujte vyzařovací diagram předložených luminiscenčních diod: a) HLMP 3400 s difůzní zálivkou b) b) HLMP 3416 s čirou zálivkou c) HLMP 1503 s sdifůzní zálivkou

Schéma:

Obr. 31: Princip měření.

Teoretický úvod: Směrová charakteristika zdroje je dána závislostí zdroje na směrovém úhlu vlnového vektoru záření, udává ji průběh normované plošné hustoty výkonu zdroje na kulové ploše jednotkového poloměru se středem v geometrickém středu plochy zdroje. Znázorňuje se jako závislost normované intenzity světla na směrových úhlech průvodiče bodu měření vedeného ze středu zdroje. Podle velikosti poloměru měřící kulové plochy vzhledem k rozměrům plochy zdroje rozlišujeme směrovou charakteristiku blízkého pole, která lépe postihuje nehomogenity rozložení intenzity záření na plošce zdroje, směrová charakteristika vzdáleného pole pak vypovídá zejména o směrových vlastnostech emise energie zdrojem chovajícím se jako bodový zářič. Analýza obou těchto charakteristik současně dává poznatek o prostorové koherentnosti zdroje záření. Směrová charakteristika diody bude ovlivněna poměrně malou čelní zářivou plochou. I když jde o zdroj prostorově nekoherentní, bude směrová charakteristika páskových LED užší než charakteristika plošně emitujících zdrojů. Směrové charakteristiky LED jsou dány především tvarem a velikostí plošky emitující světlo, prostorovou koherencí zdroje a závisí na optických elementech podílejících se na zpracování výstupního svazku záření. Plošně emitující LED se v podstatě chová jako nekoherentní izotropní plošný kosinový zářič, jehož směrová funkce intenzity je popsána závislostí:

40

FEKT Vysokého učení technického v Brně I (ϑ ) = I 0 cos m ϑ

Kde: Konstanta m je závislá na konstrukčním uspořádání diody, pohybuje se v rozmezí m ∈ 1;6 .

Postup měření: 1. Vložte diodu do měřícího přípravku. Nastavte její úhel vzhledem k detektoru a vložte přípravek do temné komory. Změřte proud pikoampérmetrem. Opakujte minimálně pro 15 – 20 hodnot. 2. Opakujte pro každou diodu dle zadání.

Závěr: Vyneste graf směrovou charakteristiku pro každou diodu do grafu a spočtěte akceptanční úhel.


41

11 Použitá literatura [1] Gowar John, Optical Communication Systéme, Pretence-hall international, London, ISBN 0-12-638056 5, 1984. [2] Optoelektronika a optické komunikace, skripta. [3] Bahaa E., A., Saleh, Malvin Carl Teich, Základy fotoniky, Matfyzpress, ISBN 80-8586300-6, 1994..

Optoelektronika a optické komunikace

Recommend Documents