(1)

Некоммерческое акционерное

общество

ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ В ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЯХ

Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов специальности

5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации

Алматы 2017

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра

телекоммуникационных сетей и систем

(2)

2

СОСТАВИТЕЛИ: Елизарова Е.Ю. Оптические системы связи в телекоммуникациях. Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов специальности 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации. – Алматы: АУЭС, 2017. – 47 с.

Методические указания, содержащие общие сведения о выполнении лабораторных работ, их оформлении и защите.

В работе приводятся описания установки измерительной аппаратуры.

Перед проведением лабораторной работы студент должен повторить разделы, необходимые для подготовки к работе. В каждой работе приведены функциональные блок-схемы лабораторных установок, приведены контрольные вопросы, представлен список литературы.

Методические указания предназначены для студентов, обучающихся в бакалавриате по специальности 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации.

Ил. 30, табл. 11, библиогр. – 12 назв.

Рецензент: Доцент кафедры «Электроники и робототехники».

А.М. Ауэзова

Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества

«Алматинский университет энергетики и связи» на 2017 г.

(3)

3

Содержание

1 Лабораторная работа №1. Сравнительное исследование ватт-мперных и вольт-амперных характеристик лазерного и светоизлучающего

диодов………... 3

2 Лабораторная работа №2. Исследование поляризационных

характеристик лазерного и светоизлучающего диодов………..…... 8 3 Лабораторная работа №3. Качественный анализ модовой структуры

волоконных световодов………...………. 12 4 Лабораторная работа №4. «Экспериментальное определение числовой

апертуры волоконных световодов»………..…... 15 5 Лабораторная работа №5. Исследование степени когерентности

лазерного диода………..… 21

6 Лабораторная работа №6. Исследование процессов импульсной

модуляции лазерного диода………..… 27 7 Лабораторная работа №7. Моделирование формы сигнала на приемном

конце реальной оптической линии связи………...…. 34 8 Лабораторная работа №8. Получение навыков работы с оптическим

рефлектометром……….…….... 39

Список литературы……….... 47

(4)

4

1 Лабораторная работа №1. Сравнительное исследование ватт- амперных и вольт-амперных характеристик лазерного и светоизлучающего диодов

Цель работы: исследовать ватт-амперные и вольт-амперные характеристики лазерного и светоизлучающего диодов.

1.1 Рабочее задание

1. Экспериментальное измерение ватт-амперной характеристики лазерного диода.

2. Экспериментальное измерение вольт-амперной характеристики лазерного диода.

3. Экспериментальное определение тока накачки, соответствующего началу генерации оптического излучения и порогового тока лазерного диода.

4. Экспериментальное измерение ватт – амперной характеристики светоизлучающего диода.

5. Экспериментальное измерение вольт-амперной характеристики светоизлучающего диода.

6. Сравнение ватт – амперных характеристик лазерного диода и светоизлучающего диода.

1.2 Подготовка к работе

Повторить разделы: источники излучения, ватт – амперные характеристики ЛД и СИД.

1.3 Используемое оборудование

1. Электронный блок питания БПИ (Блок питания излучателя).

2. Электронный блок (Фотоприемник).

3. Лазерный диод (ЛД).

4. Светоизлучающий диод (СД).

1.4 Краткие сведения

Под ватт – амперной характеристикой понимается зависимость мощности, излучаемой оптическим источником, от тока, протекающего через его pn переход (ток накачки I_н).

В современных ВОЛС в качестве источников света используются светоизлучающие диоды (СИД) и лазерные диоды (ЛД).

Между собой они отличаются шириной спектра излучения.

СИД. Принцип работы СИД основан на явлении рекомбинации носителей заряда в активном слое.

(5)

5

Рекомбинация – это явление, противоположное ионизации, то есть исчезновение свободных носителей заряда противоположных знаков при их столкновении.

Рисунок 1 – Конструкция СИД

При приложении прямого смещения к электронно-дырочному переходу электроны и дырки проникают в активный слой из прилегающих пассивных слоев и испытывают спонтанную рекомбинацию, сопровождающуюся излучением света. Свет распространяется по всем направлениям, поэтому излучение на выходе СИД является некогерентным и слабонаправленным.

Ширина спектра излучения Δλ = 20-40 нм.

ЛД является когерентным источником света. В основе его работы лежит спонтанное излучение полупроводника, охваченного объёмным резонатором.

Лазер состоит из активной среды (1), устройства накачки(2) и резонансной системы (3).

Рисунок 2 – Конструкция ЛД

В качестве активной среды в основном используется полупроводник. В качестве устройства накачки – электрическая энергия. В качестве резонансной системы – зеркала.

Под действием приложенного напряжения в полупроводнике происходит возбуждение носителей, из-за чего возникает излучение световой

(6)

6

энергии и появление потока фотонов. Этот поток, многократно отражаясь от зеркал резонансной системы, образует лазерный луч с остронаправленной диаграммой излучения.

Таблица 1 – Сравнительная таблица ЛД и СИД

Излучатель Мощность Ширина спектра Срок службы

ЛД (10 – 40) мВт (1-3)нм 10⁴-10⁵

СИД (5-20) мВт (30-50)нм 10⁵-10⁶

Диаграмма направленности Спектральная характеристика излучения СИД ЛД СИД ЛД

Рисунок 3 – Характеристики СИД и ЛД

Диаграмма направленности – это угловое распределение энергетической яркости (плотности) излучения источника. Яркость не остается постоянной в пределах пучка лучей. Она максимальна на оси пучка и убывает по определенному закону в направлениях, образующих возрастающие углы с осью.

1.5 Порядок выполнения работы

1.5.1 Подключить полупроводниковый лазерный диод ЛД к блоку питания БПИ и фотоприемнику (рисунок 4).

1.5.2 Установить:

- ручку потенциометра регулировки тока накачки на лицевой панели БПИ в крайнее положение против часовой стрелки;

- включить тумблер «сеть» на лицевой панели блока БПИ и Фотоприемник. При этом загорается его подсветка;

- кнопочный переключатель пределов изменения тока накачки БПИ – в положение 50 мА;

- на фотоприемнике установить кнопочный переключатель «Предел измерения Ропт» в положение 0,001 (максимальная чувствительность). В процессе измерений чувствительность приемника можно изменить.

(7)

7

1.5.3 Произвести измерение ватт-амперной характеристики оптического источника. Процесс измерения аналогичен для ЛД и СД. Поэтому ниже тип источника не указывается. Выполнить следующие операции:

- установить с помощью кнопочного переключателя «Регулировка»

«Пределы изменения I_н» тока накачки в нулевое положение, крайнее левое положение кнопки «Регулировка»;

- изменяя ток накачки от 0 до 25 мА, снять зависимость оптической мощности Р в относительных единицах от тока накачки Iн.

Отметить значение Iн, соответствующее началу генерации источника.

Ток накачки изменять с шагом, указанным преподавателем. Данные измерений занести в таблицу 2 и 3.

При необходимости произвести калибровку усилителя фототока, переключая пределы измерения оптической мощности «Диапазон» от 0,001 до положения 1.

Рисунок 4 – Схема подключения установки

1.5.4 Закончив измерения на на лицевой панели БПИ, ручку потенциометра «регулировки тока накачки» перевести в крайнее положение против часовой стрелки. Приборы выключить.

(8)

8

Таблица 2-Ватт-амперная характеристика СИДа

Iн (мА) 0 5 10 15 20 25

Р (от.ед.) Uд (V)

Таблица 3-Ватт-амперная характеристика ЛД

Iн (мА) 0 5 10 15 18 19 20 21 22 23 24 25 Р (от.ед.)

U_д (V)

1.5.5 Произвести обработку результатов измерений:

- по измеренным значениям построить зависимость оптической мощности Р в относительных единицах от тока накачки I_н для ЛД и СИД;

- посчитать по известным значениям мощности и тока накачки напряжение на источнике. Результаты занести в таблицу 2 и 3. По измеренным значениям построить зависимость напряжения на излучателях от тока накачки I_н для ЛД и СИД, вольт-амперную характеристику.

1.5.6 По графикам определить:

- значения токов накачки ЛД и СД, соответствующие началу генерации;

- значение порогового тока Iп1, соответствующее излому ватт-амперной характеристики лазерного диода;

- качественные отличия ватт-амперных характеристик ЛД и СД.

1.5.7 По результатам измерений сделать выводы. Сделать сравни- тельную характеристику ЛД и СИД по ватт-амперной характеристике, конструкции, диаграмме направленности и ширине спектра.

Контрольные вопросы:

1) Какие источники света вы знаете?

2) Принцип работы СИД.

3) Принцип работы ЛД.

4) Области применения источников.

5) Основные характеристики.

6) Сравнить два источника.

7) Дать определение тока накачки.

8) Дать определение порогового тока.

2 Лабораторная работа №2. Исследование поляризационных характеристик лазерного и светоизлучающего диодов

Цель работы: исследовать зависимость коэффициента поляризации источника излучения от тока накачки.

(9)

9 2.1 Рабочее задание

1. Экспериментальное измерение зависимости коэффициента поляри- зации лазерного диода от тока накачки I_н.

2. Экспериментальное измерение зависимости коэффициента поляри- зации светоизлучающего диода от тока накачки I_н.

Повторить материал о поляризации источников измерения.

2.3 Используемое оборудование 1. Электронный блок питания (БПИ).

2. Электронный блок «Фотоприемник».

3. Лазерный диод ЛД.

4. Светоизлучающий диод СД.

5. Поляризаторы П.

Одной из важнейших характеристик лазера являются поляризационные свойства его излучения, которые в полупроводниковых источниках излучения тесно связаны с величиной тока, протекающего через p-n переход.

Поляризация волн — характеристика поперечных волн, описывающая поведение вектора колеблющейся величины в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. В продольной волне поляризация возникнуть не может, так как направление колебаний в этом типе волн всегда совпадеют с направлением распространения. Поперечная волна характеризуется двумя направлениями: волновым вектором и вектором амплитуды, всегда перпендикулярным к волновому вектору. Волновой вектор показывает направление распространения волны, а вектор поляризации представляет собой вектор напряженности электрического поля. Так что в трёхмерном пространстве имеется ещё одна степень свободы — вращение вокруг волнового вектора. Причиной возникновения поляризации волн может быть: несимметричная генерация волн в источнике возмущения;

анизотропность среды распространения волн; преломление и отражение на границе двух сред. В общем случае для гармонических волн конец вектора колеблющейся величины описывает в плоскости, поперечной направлению распространения волны, эллипс, и такая поляризация называется эллиптической. Важными частными случаями являются линейная поляризация, при которой колебания возмущения происходят в какой-то одной плоскости. В таком случае говорят о «плоско-поляризованной волне», и круговая или циркулярная поляризация, при которой конец вектора

(10)

10

амплитуды описывает окружность в плоскости колебаний, круговая поляризация, в зависимости от направления вращения вектора, может быть правой или левой.

Как известно из литературных данных, излучение полупроводниковых источников частично поляризовано, и его можно представить (по крайней мере, формально) как совокупность естественного и линейно поляризованного излучения. Таким образом, можно считать, что исследуемое в работе излучение содержит две основные компоненты, одна из которых поляризована линейно, а вторая - неполяризована и не имеет постоянного соотношения фаз с линейно поляризованной компонентой. В этом случае степень поляризации излучения (Р) можно определить, используя следующую формулу:

Р = I_лин/ Iполн,

где Iлин - интенсивность линейно поляризованной компоненты излучения;

I_полн. - полная интенсивность излучения.

При проведении данного этапа работы необходимо использовать поляризационный светофильтр (ПС), который представляет собой анализатор поляризационных компонент излучения. При повороте ПС вокруг оптической оси происходит изменение интенсивности излучения, прошедшего ПС, которое регистрирует прибор М2. При этом степень поляризации излучения можно определить по формуле:

P = (Iмах - Iмin ) / Iмах,

где Iмах и Iмin соответствуют максимальному и минимальному значению интенсивности излучения, прошедшего ПС, при повороте ПС вокруг оптической оси.

В этом случае (I_мах - I_мin ) определяет интенсивность линейно поляризованной компоненты излучения, I_мin- интенсивность неполяризованной компоненты (ее интенсивность не изменяется при повороте ПС относительно оптической оси), а Iмах – полную интенсивность излучения, прошедшего поляризационный светофильтр.

(11)

11

Рисунок 5 – Схема установки 2.5 Порядок выполнения работы

2.5.1 Собрать схему, как показано на рисунке 5. Подключить блок питания, СИД, поляризатор и фотоприемник.

2.5.2 На приборах включить тумблер «сеть».

2.5.3 Установить на БПИ кнопочный переключатель пределов измене- ния тока накачки – в положение 50 мА.

2.5.4 Установить на фотоприемнике кнопочный переключатель «Предел измерения Р_опт» в положение 0,001.

2.5.5 С помощью «Регулировка» БПИ установить «ток накачки в нулевое положение.

2.5.6 Измерение зависимости коэффициента поляризации излучения q СИД от тока накачки I_н.

2.5.7 Установить фиксированное значение тока накачки Iн с помощью потенциометров «Регулировка» тока накачки.

2.5.8 При каждом фиксированном значении I_н вращать поляризатор, расположенный между оптическим источником и фотодиодом вокруг своей оси. При вращении поляризатора вокруг своей оси показания прибора

«Оптическая мощность в отн. ед.» будут изменяться. Отметить минимальные (Р_min) и максимальные (P_max ) показания измерительного прибора, соответствующее им значение тока накачки Iн и занести их значения в таблицу 4.

(12)

12

2.5.9 Изменяя значения тока накачки от 0 до мах, произвести измерения коэффициента поляризации .

2.5.10 При необходимости переключения пределов измерения оптической мощности необходимо производить калибровку усилителя.

Таблица 4- Зависимость коэффициента поляризации от тока накачки для СИД

I_н (мА) 0 5 10 15 20 25

Р_min(от.ед. ) Р_max ( от.ед. ) q

Таблица 5 - Зависимость коэффициента поляризации от тока накачки для ЛД

Iн (мА) 0 5 10 15 18 20 22 25

Рmin (от.ед. ) Рmax ( от.ед. ) q

2.5.11 Произвести измерение зависимости коэффициента поляризации излучения q от тока накачки Iн лазерного диода.

Собрать схему, как показано на рисунке 5. Подключить блок питания, ЛД, поляризатор и фотоприемник. Повторить все пункты по аналогии как для СИД.

2.5.12 Произвести обработку результатов измерений зависимости коэффициента поляризации излучения q от тока накачки I_н для ЛД и СИД.

Результаты занести в таблицу 3 и 4 .

По полученным экспериментальным значениям вычислить величину модуля коэффициента поляризации для всех значений тока накачки и построить зависимость его от I_н. Вычисления коэффициента поляризации производить по формуле:

q = (Рмак - Рмin) / (Р_мак + Рмin).

На построенном графике зависимости q (I_н ) для ЛД отметить значение тока Iп2, соответствующее появлению поляризационных свойств у генерируемого источником излучения (резкое увеличение коэффициента поляризации).

Сделать выводы по работе. Как влияют поляризаторы на мощность сигнала источника излучения СИД и ЛД? Почему результаты оказались разными?

1) Что такое поляризация?

2) Принцип работы поляризатора.

3) Как влияет поляризатор на мощность сигнала в СИДе?

4) Как влияет поляризатор на мощность сигнала в ЛД?

(13)

13 5) Где применяются поляртзаторы?

6) Как меняется коэффициент поляризации от тока накачки?

3 Лабораторная работа №3. Качественный анализ модовой структуры волоконных световодов

Цель работы: исследовать модовую структуру волоконных световодов.

1. Определить причину появления модовых шумов в волоконно-опти- ческой линии связи.

2. Исследовать модовый состав волоконных световодов по распреде- лению интенсивности в их поперечном сечении.

Повторить разделы: структура волоконно-оптической линии связи, источники излучения ЛД и СИД, модовую структуру световодов.

1. Электронный блок питания «Блок питания излучателя».

3. Юстировочные устройства ЮУ1 и ЮУ2.

4. Многомодовый волоконный световод ВС.

5. Электронный осциллограф.

Схема установки представлена на рисунке 6.

3.4 Краткие теоретические сведения

Электромагнитное (э-м) поле характеризуется совокупностью элек- трического и магнитного полей. Оно обладает энергией, массой и количест- вом движения. Масса э-м поля в единице объема определяется как частное от деления энергии поля на квадрат скорости света. Количество движения э-м поля, отнесенное к единице объема, равно произведению массы поля в еди- нице объема на скорость света.

Выбирая параметры световода таким образом, чтобы передаваемая частота была близка к критической, можно реализовать одномодовый режим распространения волны . Относительно нормированной частоты это условие может быть реализовано при V<2.405.

HE₁₁

(14)

14

С увеличением диаметра сердцевины и уменьшением длины волны число мод резко возрастает. Число мод может быть приближенно определено

как .

Рисунок 6 - Схема установки

Рисунок 7 – Трехмерные поверхности распределения, а также распределение интенсивности полей основной моды и мод высших порядков

N V ²

(15)

15 3.5 Порядок выполнения

3.5.1 С помощью соединительного кабеля подключить ЛД к БПИ.

Соединение осуществляется с помощью разъема РС 4 ТВ, блочная часть которого расположена на лицевой панели.

Внимание!! Торец кабеля аккуратно прикручивается к блоку питания, согласно инструкции преподавателя.

3.5.2 Включить тумблер «сеть» на лицевой панели блока БПИ. При этом загорается его подсветка. Кнопочный переключатель пределов изменения тока накачки – в положение 50 мА.

3.5.3 С помощью потенциометра, расположенного на лицевой панели БПИ, установить значение тока накачки лазерного диода I_н= 15 мА. Контроль тока накачки осуществляется по цифровому индикатору на лицевой панели.

3.5.4 Включить питание на осциллографе, нажав кнопочный переключатель на лицевой панели монитора. При этом после его прогрева наблюдается слабое свечение экрана монитора. В данной работе используется только монитор. Если свечения нет, обратитесь к преподавателю.

Самостоятельная настройка электронного осциллографа - ЗАПРЕЩЕНА.

3.5.5 При правильном выполнении всех юстировочных операций на экране монитора наблюдается распределение интенсивности в поперечном сечении исследуемого световода. Может оказаться, что яркость изображения чрезмерно высока, что затрудняет наблюдение деталей изображения. В этом случае следует уменьшить долю оптической мощности источника излучения, которая вводится в исследуемый световод.

3.5.6 Плавно увеличивать величину тока накачки с помощью

«Регулировка», следить за возникающим светящимся пятном на экране монитора. При токе накачки I_н, меньшим порогового значения, на экране монитора должно наблюдаться светящееся пятно с равномерной засветкой.

Картина стабильна, что свидетельствует об отсутствии интерференции между различными модами световода.

3.5.7 Дальнейшее увеличение тока накачки должно привести к появлению на экране монитора спекловой структуры - в пределах засвеченной световодом области должны наблюдаться отдельные мелкие светлые пятна, ограниченные темными областями. Положение их нестабильно и подвержено случайным флуктуациям. Это обусловлено когерентностью излучения ЛД.

3.5.8 Зафиксировать значение тока накачки I0 , которое соответствует появлению спекловой структуры излучения из торца световода.

3.5.9 Уменьшить до нуля значение тока накачки I_н «Регулировка» на лицевой панели БПИ. При этом светящееся пятно на экране монитора исчезнет, так как генерация излучения отсутствует.

В данном эксперименте используется источник с λ=0,67 мкм. Поэтому при использовании одномодового световода четкой картины появления одной моды проследить не возможно. В нем могут распространяться порядка 5 мод.

(16)

16

Это обстоятельство делает картину распределения интенсивности в поперечном сечении регулярной, в отличие от многомодового световода, рассмотренного ранее.

Зарисовать или сфотографировать все возможные картины распределения, которые могут быть получены при изменении положения входного торца световода относительно источника излучения.

3.5.10 По результатам эксперимента определить значение тока накачки, при котором на экране осциллографа получается четкое изображение спекл- картины оптического волокна. Измерить диаметр модового пятна.

1) Дать определение нормированной частоте.

2) При каком значении V наступает одномодовый режим ? 3) Что называется интерференцией?

4) Как определить модовое пятно в работе?

5) Интенстивность мощности света в ОВ больше в середине или у края сердцевины волокна?

6) Что такое мода высшего порядка?

7) Дать определение одномодового режима.

8) Дать определение многомодового режима.

4 Лабораторная работа №4. Экспериментальное определение числовой апертуры волоконных световодов

Цель работы: научиться по осциллограмме опредлять числовую апертуру.

1. Произвести экспериментальное определение числовой апертуры многомодового световода и исследовать как измениться числовая апертура при изменении мощности сигнала источника излучения.

Изучить раздел о прохождении света по волокну. Угол полного внутреннего отражения, критический угол, апертурный угол.

1. Электронный блок питания «Блок питания излучателя».

(17)

17 5. Электронный осциллограф.

Схема установки представлена на рисунке 11.

Под числовой апертурой NA волоконного световода понимается синус угла φ, под которым луч света, падающий на его торец, испытывает полное внутреннее отражение на границе раздела сердечник – оболочка. Для ее экспериментального определения исследуется расходимость излучения из торца световода. На рисунке 8 показан ход крайних лучей, выходящих из торца возбужденного световода. Угол φ, который они составляют с осью световода, и определяет значение числовой апертуры NA.

Для измерения числовой апертуры анализируется излучение из торца возбужденного оптическим источником световода. В качестве оптического источника может быть использован лазерный диод ЛД, если светоизлучающий диод СИД. Оба источника входят в состав поставляемой аппаратуры.

Рисунок 9 – Схема измерения φ

NA=sin φ

Рисунок 8 – Ход лучей

(18)

18

Рисунок 10 – Профиль показателя преломления

Выходной торец световода находится в поле зрения телекамеры, и на экране монитора возникает его изображение. Выделение строки изображения с помощью телевизионного осциллографа позволяют анализировать распределение интенсивности в его поперечном сечении.

На рисунке 9, показан торец световода С и лучи 1, 2, ограничивающие световой конус, в котором концентрируется излучение, выходящее из него.

Лучи попадают на матрицу М телекамеры, с помощью которой формируется телевизионный сигнал. На рисунке 10 отмечен диаметр светового пятна t, соответствующий излучению из торца световода на расстоянии F=2 мм от его торца, и горизонтальный размер матрицы T.

Изображение проекции светового конуса на матрицу М наблюдается на экране монитора в виде светлого пятна. С помощью осциллографа и блока выделения строки может быть выделена одна из строк телевизионного сигнала. Примерный вид осциллограммы, соответствующей строке, которая приходится на середину пятна.

(19)

19

Рисунок 10 б соответствует случаю возбуждения исследуемого светово- да с помощью лазерного диода ЛД. Вследствие когерентности его излучения на торце световода наблюдается интерференционная картина, которая образуется всеми возможными модами (спекл). В результате осциллограмма, соответствующая светящемуся пятну, сильно изрезана. Это может помешать проведению измерений.

Рисунок 10 в соответствует случаю возбуждения исследуемого светово- да с помощью светоизлучающего диода СИД. Его излучение некогерентно и интерференция между модами отсутствует.

Диаметру пятна соответствует размер t, отмеченный на осциллограмме.

Горизонтальному размеру матрицы D соответствует на осциллограмме расстояние между соседними строчными гасящими импульсами T. Поэтому может быть определен реальный размер пятна d путем измерений по осциллограмме величин t и T. Размер матрицы D на экране осциллографа можно получить путем измерения с помощью линейки светового пятна:

= ( ) d D t T

.

Значение числовой апертуры вычисляется из элементарных тригонометрических соображений по измеренному значению расстояния:

2 2

NA=sin( )= 2

( 2) d

d F

  .

4.5.1 Собрать схему, как показано на рисунке 11.

Рисунок 11 – Схема лабораторий установки

4.5.2 Установить ручку потенциометра регулировки тока накачки на лицевой панели БПИ в крайнее положение против часовой стрелки;

(20)

20

С помощью соединительного кабеля подключить ЛД или СИД к блоку БПИ. Соединение осуществляется с помощью разъема РС 4 ТВ, блочная часть которого расположена на лицевой панели.

ВНИМАНИЕ соединять источник и разъема РС 4 ТВ строго по инструкции преподавателя.

4.5.3 Включить тумблер «сеть» на лицевой панели блока БПИ. При этом загорается его подсветка.

Кнопочный переключатель пределов изменения тока накачки – в положение 50 мА.

С помощью потенциометра установить значение тока накачки лазерного диода I_н= 20 мА. Контроль тока накачки осуществляется по индикатору на лицевой панели.

4.5.4 Включить питание электронного осциллографа, нажав кнопочный переключатель на лицевой панели монитора. При этом после его прогрева наблюдается свечение экрана монитора. Если свечения нет, обратитесь к преподавателю. Самостоятельная настройка электронного осциллографа - ЗАПРЕЩЕНА.

Выходной торец световода расположен напротив телекамеры. Второй торец световода закреплен во втором юстировочном устройстве ЮУ2 .

При правильном выполнении всех юстировочных операций на экране монитора наблюдается распределение интенсивности в поперечном сечении исследуемого световода. Может оказаться, что яркость изображения черезмерно высока, что затрудняет наблюдение деталей изображения. В этом случае следует уменьшить долю оптической мощности источника излучения, которая вводится в исследуемый световод.

4.5.5 Плавно увеличивать величину тока накачки с помощью

«Регулировка», следить за возникающим светящимся пятном на экране монитора. При токе накачки Iн, меньшим порогового значения, на экране монитора должно наблюдаться светящееся пятно с равномерной засветкой.

Дальнейшее увеличение тока накачки должно привести к появлению на экране монитора спекловой структуры - в пределах засвеченной световодом области должны наблюдаться отдельные мелкие светлые пятна, ограниченные темными областями. Положение их нестабильно и подвержено случайным флуктуациям. Это обусловлено когерентностью излучения ЛД.

4.5.6 По шкале на микрометрическом винте ЛПР2 отметить значение расстояния F = 2 мм Данные измерений занести в таблицу 1.

Произвести измерение зависимости числовой апертуры от тока накачки оптического источника. Выполнить следующие операции:

- установить с помощью кнопочного переключателя «Регулировка»,

«Пределы изменения Iн» тока накачки в нулевое положение, крайнее левое положение кнопки «Регулировка»;

(21)

21

- изменяя ток накачки от 0 до 26 мА, снять зависимость числовой апертуры от тока накачки Iн.

Отметить значение I_н, соответствующее началу генерации источника.

Ток накачки изменять с шагом, указанным преподавателем. Данные измерений занести в таблицу 6.

Таблица 6 - Зависимость коэффициента поляризации от тока накачки для ЛД Iн (мА) 0 5 10 15 18 20 22 25 D (мм)

t (мм) T (мм) d (мм) NA

A (град)

16. По данным таблицы 6 определить размер светящегося пятна по формуле:

= ( ) d D t T

_.

Вычисленные значения занести в таблицу 6.

17. Вычислить значение числовой апертуры NA, считая отсчет рас- стояния F0 -2 мм:

2 2

NA=sin( )= 2

( 2) d

d F

  .

Рассчитать апертурный угол. А=56,7NA.

По результатам таблицы построить графики.

16. Рассчитать нормированную частоту:

2 2

1 2

2 2

а а NA

r r

V  n n 

  

 

и определить ориентировочное количество мод, распространяющихся по световоду по формуле:

2 2 N V .

(22)

22 Таблица 7 - Значения корней pnm

m N Тип

Волны

1 2 3

0 1 1 2 2

2,405 0,000 3,832 2,445 5,136

5,520 3,832 7,016 5,538 8,417

8,654 7,016 10,173 8,665 11,620

E0n, H0n

HE1n

EH1n

HE2n

EH_2n

По таблице 7 определить типы волн, распространяющихся по световоду.

4.5.7 Заменить лазерный диод на светоизлучающий диод. Используется только стенд 2, в лаборатории. Измерения повторить по методике, изложенной выше.

4.5.8 Произвести обработку результатов .

По результатам расчета построить зависимость числовой апертуры от тока накачки. Рассчить количество мод в исследуемом световоде.

4.5.9 Сделать выводы по работе: Как влияет ток накачки на числовую апертуру волокна? Как изменится числовая апертура волокна при изменении источника излучения? Как эти результаты повлияют на конечный сигнал?

1) Что называется числовой апертурой волокна?

2) Что называется апертурным углом?

3) Принцип распространения света в оптическом волокне.

4) Что такое критический угол ?

5) От каких параметров зависит апертурный угол?

6) Допустимые пределы апертурного угла для одномодового волокна.

7) Допустимые пределы апертурного угла для многомодового волокна.

8) На какие характеристики ОВ влияет апертурный угол?

5 Лабораторная работа №5. Исследование степени когерентности лазерного диода

Цель работы: изучить зависимость степени когерентности излучения ЛД от тока накачки по анализу распределения интенсивности в поперечном сечении волоконных световодов, возбуждаемых ЛД.

1. Изучить зависимость степени когерентности излучения ЛД от тока накачки по анализу распределения интенсивности в поперечном сечении волоконных световодов, возбуждаемых ЛД.

(23)

23

2. Определить причину появления модовых шумов в волоконно-опти- ческой линии связи.

3. Исследовать модовый состав волоконных световодов по распреде- лению интенсивности в их поперечном сечении.

Повторить разделы: структура волоконно-оптической линии связи, источники излучения ЛД и СИД, модовую структуру световодов.

1. Электронный блок питания БП «Блок питания излучателя».

2. Лазерный диод ЛД2.

5. Электронный осциллограф.

Для оптимизации процесса генерации в источниках, реализованных на практике, при изготовлении перехода добиваются, чтобы концентрация основных носителей в одном из полупроводников была бы существенно выше, чем в другом. Типичные значения величин следующие:

n _n+ =10 ²⁴ (1/ м³) ; pp =10 ²² (1/ м³).

Обычно разница в величинах n n+ и p p столь велика, что для практических расчетов можно считать, что ток накачки в основном обусловлен инжекцией электронов в ПП p типа. Инжекция дырок в сильнолегированный ПП n типа может привести к появлению большого числа неосновных носителей (дырок) вне обедненного слоя. Они будут рекомбинировать с электронами, не обеспечивая при этом заметного вклада в суммарное излучение. В результате, количество инжектируемых в обедненный слой электронов сокращается, и интенсивность излучения уменьшается.

Качество источника, характеризующее долю тока накачки, которая используется на создание излучения, принято характеризовать параметром

_инж , который носит название «эффективность инжекции». Для данного случая он определится отношением электронного тока через переход к полному току (электронному и дырочному). В реальных устройствах стремятся приблизить значение _инж к единице, для чего используются специальные технологические приемы, которые будут рассмотрены ниже.

(24)

24

Электроны, инжектированные в обедненный слой, рекомбинируют с дырками. Но не каждый акт рекомбинации приводит к рождению фотона.

Наряду с излучательными переходами электронов из зоны проводимости в валентную зону происходят и безизлучательные, при которых высвобождающаяся энергия тратится, например, на создание колебаний кристаллической решетки. В конечном итоге, все безизлучательные переходы ведут к повышению температуры обедненного слоя. Эффективность использования инжектированных в обедненный слой электронов характеризуется параметром эф, который носит название «внутренняя квантовая эффективность». Он определяется отношением количества фотонов, рожденных в единицу времени, к количеству актов рекомбинации за этот же временной промежуток.

Механизм излучения фотонов связан с их кванотово-механической природой. Особенность поведения этих частиц состоит в следующем.

Вероятность излучательной рекомбинации электрона и дырки и появления фотона с энергией Е_ф в некоторой области ПП тем выше, чем большее количество частиц с такой же энергией уже существует в окрестности этой точки. Акт рекомбинации совершается под воздействием уже имеющихся фотонов. Таким образом формируется индуцированное излучение.

Все излученные фотоны в этом случае будут иметь одинаковую энергию и импульс. Можно считать, что таким образом происходит выстраивание частиц друг за другом в цепочку. С волновой точки зрения они образуют отрезок оптической волны, который существует на конечном интервале времени _к. В пределах этого интервала ее можно считать «почти»

монохроматической, поскольку определены и неизменны во времени (в течение этого интервала) амплитуда, частота и фаза.

Значение _к определяет время когерентности источника излучения и является одним из основных его параметров. С ним связано понятие о длине когерентности lk , которая определяется как расстояние, которое проходит сформированный отрезок «почти» монохроматической волны за время когерентности:

lk = к ∙с, где с = 3 ∙10 ⁸ м/сек – скорость света.

Для исследования модового состава волоконных световодов по распределению интенсивности в их поперечном сечении выполнить следующие пункты.

5.5.1 Установить органы управления электронного блока «Блок питания излучателя» в исходное состояние.

(25)

25

5.5.2 Кнопочный переключатель «Пределы изменения Iн» установить в положение 50 мА.

5.5.4 Включить питание электронного осциллографа, нажав кнопочный переключатель на лицевой панели. При этом после его прогрева наблюдается слабое свечение экрана монитора.

5.4.5 Плавно увеличивать величину тока накачки с помощью потенциометров следить за возникающим светящимся пятном на экране монитора. При токе накачки Iн, меньшим порогового значения, определенного ранее, при выполнении предыдущих лабораторных работ, на экране монитора должно наблюдаться светящееся пятно с почти равномерной засветкой.

Рисунок 12 – Спекл картина

Дальнейшее увеличение тока накачки должно привести к появлению на экране монитора спекловой структуры - в пределах засвеченной световодом области должны наблюдаться отдельные мелкие светлые пятна, ограниченные темными областями. Положение их нестабильно и подвержено случайным флуктуациям. Это обусловлено когерентностью излучения ЛД.

Зафиксировать значение тока накачки I_п3 , которое соответствует появлению спекловой структуры излучения из торца световода. Сравнить измеренное значение с величиной порогового тока I_п1 и величиной I_п2 , соответствующей появлению поляризационных свойств лазерного излучения.

Эти величины были определены ранее в лабораторных работах. Все значения токов должны совпадать в пределах точности эксперимента.

5.5.6 Оценка степени когерентности излучения оптического источника производится по контрасту спекловой структуры, наблюдаемой на торце световода, возбужденного исследуемым источником. Оценка может проиводится по анализу картины излучения как из торца многомодового световода. Для анализа картины излучения используется осциллограф. В этом случае осциллограмма, наблюдаемая на его экране, повторяет закон распределения интенсивности в поперечном сечении. На рисунке 13 показано