Исследование элементов световодного тракта

Кафедра «Конструирование и технология электрической изоляции»

Лабораторная работа

по курсу «Оптические и электрические кабели связи»

"Исследование элементов световодного тракта"

2008

Общая характеристика установки

 

На базе данной установки могут быть выполнены следующие лабораторные работы.

1. Качественное исследование модового состава волоконных световодов.

2. Экспериментальное измерение числовой апертуры волоконных световодов.

3. Экспериментальное измерение потерь, вносимых изогнутым участком волоконного световода.

4. Качественное исследование эффекта скремблирования мод, распространяющихся в волоконных световодах.

5. Исследование зависимости степени когерентности лазерного диода от тока накачки.

Кроме того, данная установка позволяет не в полном объеме провести следующие измерения:

– исследование ватт-амперных характеристик лазерного диода.

– исследование поляризационных свойств лазерного диода.

Детальное исследование этих характеристик производится с помощью специально разработанной установки.

Выполнение перечисленных выше лабораторных работ позволяет:

– изучить зависимость степени когерентности излучения ЛД от тока накачки по анализу распределения интенсивности в поперечном сечении волоконных световодов, возбуждаемых ЛД;

– определить причину появления модовых шумов в волоконно-оптической линии связи;

– исследовать модовый состав волоконных световодов по распределению интенсивности в их поперечном сечении;

– экспериментально определить числовую апертуру волоконных световодов;

– оценить допустимые радиусы изгиба световодов и определить вносимый изгибом коэффициент затухания;

– изучить зависимость излученной полупроводниковым оптическим источником мощности от тока накачки (тока, протекающего через pn переход). Ниже эта зависимость называется ватт-амперной характеристикой;

– изучить зависимость коэффициента поляризации излучения ЛД от тока накачки.

Состав лабораторного макета и его функциональная схема

 

Функциональная схема лабораторного макета приведена на рис. 1. В его состав входят следующие элементы.

1. Источник оптического излучения – лазерный диод ЛД, обеспечивающий излучение на длине волны λ = 0,67 мкм. Мощность излучения зависит от тока накачки I_н и достигает величины 5мВт при I_н=50мА. ЛД размещается в специальной оправке, позволяющей крепить его к элементам юстировочного устройства.

2. Блок питания источника оптического излучения (БПЛ). ЛД подключается к нему с помощью шнура питания с разъемом РС4‑ТВ. Сам БПЛ питается от сети 220v/50Hz.

На рис. 2 показана лицевая панель блока. Блок предусматривает возможность:

– регулировки тока накачки с помощью потенциометров «грубо», «точно», ручки которых выведены на лицевую панель. Изменение тока накачки позволяет изменять мощность излучения лазерного диода;

– переключение пределов изменения тока накачки (3, 15, 60 мА);

– регистрация тока накачки с помощью стрелочного прибора, выведенного на лицевую панель.

Рис. 1. Функциональная схема лабораторного макета

Рис. 2. Лицевая панель блока питания источника оптического излучения

3. Фотодиод ФД для регистрации излучения на длине волны λ = 0,67 мкм размещенный в цилиндрическом корпусе на штативе и снабженный шнуром питания с разъемом РС4‑ТВ для подключения к блоку фотоприемника. В корпус фотодиода вставляется оправка, к которой крепится коннектор К исследуемого световода.

4. Фотоприемник ФП для регистрации излучения на длине волны λ = 0,67 мкм. На рис. 3 показана лицевая панель блока. Блок предусматривает возможность:

– тумблер «СЕТЬ» для включения питания блока;

– блочный разъем РС4ТВ «Оптический вход» для подключения одного из фотодиодов ко входу усилителя фототока фотоприемника;

– кнопочный переключатель «Вкл» в окне «Напряжение смещения». С его помощью производится подключение и отключение (перевод его в гальванический режим) напряжения смещения U_см к фотодиоду. Напряжение смещения подается на фотодиод в нажатом состоянии переключателя;

– ручка потенциометра в окне «Напряжение смещения». С её помощью осуществляется регулировка напряжения смещения на фотодиоде;

– стрелочный прибор для измерения напряжения смещения на фотодиоде;

– кнопочный переключатель «Калибровка» в окне «Оптическая мощность». С его помощью производится перевод фотоприемника в режим калибровки (нажатое состояние). При этом вход усилителя фотоприемника соединяется с землей, что соответствует нулевому току через его входную нагрузку;

– ручка потенциометра «Установка нуля» в окне «Оптическая мощность». С его помощью осуществляется калибровка фотоприемника – установка на нулевую отметку стрелки измерительного прибора расположенного в окне «Оптическая мощность»;

– стрелочный прибор, измеряющий уровень оптической мощности в относительных единицах;

– кнопочный трехпозиционный переключатель «пределы» – х1, х10, х100 служащий для изменения пределов измерения оптической мощности в относительных единицах;

– блочный разъем СР 50 «выход усилителя» для подключения выхода усилителя фотоприемника ко входу осциллографа при исследовании модулированного оптического сигнала. В данной работе этого не требуется и к разъему ничего не подключается.

Рис. 3. Лицевая панель фотоприемника

5. Три отрезка волоконных световодов ВС1, 2, 3:

– одномодовый световод без защитной оболочки (желтый цвет буферного покрытия) с коннекторами типа FC – UPS;

– многомодовый световод (оранжевый цвет защитной оболочки) с коннекторами типа FC – РС;

– многомодовый световод без защитной оболочки (прозрачное буферное покрытие). Для данного световода в качестве коннекторов использованы адаптеры для обнаженного волокна. Торцы световода зачищены до оболочки (диаметр 125 мкм) и сколоты с помощью стандартного скалывателя. Зачищенная до оболочки часть световода помещена в капилляр, образующий центральную часть оптического коннектора (адаптера). Волокно крепится в адаптере с помощью кнопочного пружинного фиксатора.

Внимание. Волокно с адаптером требует бережного обращения. Запрещается поднимать адаптер за волокно.

С элементами оптической схемы лабораторной установки коннекторы ВС соединяются с помощью специальных оправок (К), которые крепятся в узлах юстировочных устройств (их описание приводится ниже).

6. Телекамера с микрообъективом (ТК), которая служит для анализа излучения из торца исследуемого световода. В поле зрения телекамеры находится один из торцов исследуемого световода.

Телекамера имеет следующие характеристики:

– максимальное разрешение – 700 лин/мм;

– фокусное расстояние объектива F=4,2 мм.

При проведении измерений (измерение числовой апертуры, исследование модового состава, измерение степени когерентности источника) объектив телекамеры не используется.

7. Черно-белый монитор (ЧБМ), на экране которого наблюдается изображение формируемое телекамерой. В данной установке – это изображение светящегося торца исследуемого световода.

8. Блок выбора строки (БВС), с помощью которого производится выделение строки изображения формируемого телекамерой. Этот сигнал соответствует распределению интенсивности в поперечном сечении исследуемого световода.

На рис. 4. показана лицевая панель блока выделения строки. На ней имеются три кнопки, обозначенные символами «↑», «↓», «». С помощью кнопок «↑», «↓» осуществляется передвижение выделяемой строки вверх или вниз по изображению на экране монитора. Кнопка «» устанавливает выделяемую строку в середину изображения. Положение выделяемой строки контролируется по экрану монитора – на изображении она отмечена светлой линией.

На лицевой панели расположены два светодиода, контролирующих включение питания блока и наличие на его входе видеосигнала.

Рис. 4. Лицевая панель блока выбора строки

С видеовыходом монитора и входом осциллографа БВС соединяется с помощью кабелей с соответствующими разъемами. Блочные части разъемов расположены на задней панели блока.

9. Блок питания монитора (БПМ), который обеспечивает питание монитора от сети переменного тока 220v/50Hz. Питание телекамеры и БВС обеспечивается напряжениями, вырабатываемыми в мониторе.

10. Осциллограф (ОСЦ). На его вход поступает сигнал с БВС, который соответствует выделенной строке. Поскольку в поле зрения телекамеры находится торец исследуемого световода, в режиме выделения строки осциллограмма представляет собой распределение интенсивности в его поперечном сечении.

11. Два юстировочных устройства (ЮУ1, ЮУ2). Они обеспечивают:

– взаимную юстировку оправки для коннектора (К) торца исследуемого световода и источника ЛД (ЮУ1). Данная регулировка позволяет изменять уровень оптической мощности, вводимой в исследуемый световод, для обеспечения удобства проведения измерений;

– взаимную юстировку торца исследуемого световода и телекамеры (ЮУ2).

Упрощенный эскиз (соответствующий виду сверху) ЮУ1 и ЮУ2 приведен на рис. 5. Эти устройства отличаются только видом оправок, в которых закреплены необходимые элементы. Органы их управления одинаковы.

Основой юстировочных устройств служат основания 1 (рис. 5) На них расположены два узла. Один из них осуществляет линейное перемещение оправки с закрепленным элементом по трем взаимноперпендикулярным направлениям: линейное поперечное (ЛП), линейное продольное (ЛПР), линейное вертикальное (ЛВ).

Второй узел осуществляет угловое перемещение (поворот) оправки с закрепленным элементом в двух взаимноперпендикулярных плоскостях: вертикальной (УВ), и гоизонтальной (УГ).

Шаг резьбы микрометрических винтов, с помощью которых осуществляется перемещение в одном из 5 указанных выше направлений, одинаков и составляет 0,5 мм.

В состав узла, осуществляющего линейное перемещение, входят три подвижных платы (2, 3, 4), которые перемещаются в трех взаимноперпендикулярных направлениях, соответственно, микрометрическими винтами ЛПР1,2 (линейное продольное направление), ЛП1,2 (линейное поперечное направление), ЛВ1,2 (линейное вертикальное направление).

В состав узла, осуществляющего угловое перемещение, входят три вложенных друг в друга кольца 5, 6, 7. Внешнее кольцо 5 жестко связано с основанием 1. Кольца 6 и 7 закреплены так, что обеспечивается их вращение вокруг горизонтальной (6) или вертикальной (7) оси. Вращение осуществляется с помощью микрометрических винтов УГ (угловое горизонтальное перемещение) и УВ (угловое вертикальное перемещение).

Во внутреннем кольце 7 узла, осуществляющему угловое перемещение в юстировочном устройстве ЮУ1 (рис. 5), закреплена оправка 8 с лазерным диодом. На эскизе показан соединительный кабель, с помощью которого ЛД соединяется с блока питания БП «Источник оптического излучения».

К оправке 8 крепится поляризатор 17. Он вворачивается в оправку по резьбе на ее внутренней поверхности. Поворот поляризатора приводит к изменению уровня оптической мощности.

На плате 3 узла, осуществляющего линейное перемещение в юстировочном узле ЮУ1 (рис. 5), укреплен цилиндр 9 с внутренним отверстием. К нему крепится съемная оправка 10, в которой фиксируется коннектор FC исследуемого волоконного световода. Крепление оправки осуществляется с помощью фиксирующего винта ФВ1 (рис4).

В платах 3, 4 и цилиндре 9 имеются отверстия, через которые проходит исследуемый световод (рис. 5).

Рис. 5. Схема юстировочных устройств (ЮУ1 и ЮУ2)

Во внутреннем кольце 7 узла, осуществляющем угловое перемещение в юстировочном устройстве ЮУ2 (рис. 5), закреплен цилиндр 11 с центральным отверстием. В нем с помощью фиксирующего винта ФВ2 (рис. 2.3) крепится съемная оправка 12, в которой фиксируется коннектор FC исследуемого волоконного световода.

Исследуемый световод проходит через отверстия в крышке узла, осуществляющему угловое перемещение и цилиндре 11.

На плате 3 узла, осуществляющего линейное перемещение в юстировочном узле ЮУ2 (рис2.1, 2.3), укреплен цилиндр 14 с внутренним отверстием. В нем крепится телекамера 13. На внешней поверхности цилиндра 14 имеется резьба (М 40´0,5). По ней наворачивается оправка 16 с объективом 15. Перемещение оправки 16 по резьбе вдоль цилиндра 14 позволяет производить настройку изображения, формируемого телекамерой на экране монитора М (рис. 2.1) в том случае, если используется объектив телекамеры. На эскизе (рис. 5) показан кабель, соединяющий телекамеру с монитором.

Юстировочное устройство ЮУ2 служит для коррекции положения торца исследуемого световода относительно микрообъектива телекамеры.