Marcin Adamski - Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne

Marcin Adamski
Wydziaá Informatyki
Politechnika SzczeciĔska
Ul. ĩoánierska 49
71 – 210 Szczecin
[email protected]
2003
Poznañskie Warsztaty Telekomunikacyjne
Poznañ 11-12 grudnia 2003
POMIAR APERTURY NUMERYCZNEJ I TàUMIENIA WàÓKNA
ĝWIATàOWODOWEGO
Streszczenie: W artykule przedstawiono stanowiska
laboratoryjne
pozwalające
na
badanie
dwóch
podstawowych zagadnieĔ związanych z wáóknem
Ğwiatáowodowym, mianowicie: apertury numerycznej
(NA) i táumiennoĞci. Opisano urządzenia potrzebne do
przeprowadzenia laboratorium, metody pomiarów, jak
równieĪ przykáadowe wyniki dziĊki nim uzyskane. Celem
dydaktycznym stanowisk jest zapoznanie studentów z
najistotniejszymi zagadnieniami techniki Ğwiatáowodowej
1. WSTĉP
Apertura numeryczna i táumiennoĞü są
wielkoĞciami charakteryzującymi medium optyczne
jakim jest kaĪde wáókno Ğwiatáowodowe. Pierwsze z
pojĊü wskazuje nam na moĪliwoĞci propagacyjne
wáókna. Znając wartoĞü apertury numerycznej moĪliwe
jest okreĞlenie zdolnoĞci Ğwiatáowodu do prowadzenia
uĪytecznej energii Ğwietlnej, czyli maksymalnego
wychylenia Ĩródáa Ğwiatáa wzglĊdem czoáa wáókna, aby
wiązka Ğwietlna mogáa byü wprowadzona do medium
transmisyjnego. Kiedy promieĔ pada pod kątem spoza
przedziaáu akceptacji, jest gubiony w páaszczu lub
odbija siĊ od czoáa. Wszystkie promienie wchodzące
nieosiowo niosą mniejszą moc niĪ osiowe.
Przykáadową zaleĪnoĞü mocy od kąta padania
przedstawia Rys. 1.
WartoĞü apertury numerycznej dla poszczególnych
rodzajów stosowanych w telekomunikacji wáókien jest
okreĞlony i ksztaátuje siĊ nastĊpująco:
x ok. 0,1 dla jednomodowych,
x 0,2 dla wáókien wielomodowych oraz
x ok. 0,4 dla grubordzeniowych.
Táumienie w Ğwiatáowodach, choü bardzo maáe, to
jednak istnieje i w znaczący sposób wpáywa na dáugoĞü
transmisji. Przyczyna wystĊpowania tego zjawiska jest
związana z materiaáem, z którego wykonane jest
wáókno. ĝwiatáowody wáókniste wykonywane są ze
szkáa kwarcowego (Si02 - krzemionka) z róĪnymi
domieszkami innych pierwiastków. PoniewaĪ szkáo
jest przecháodzoną cieczą wystĊpują w nim fluktuacje
gĊstoĞci materiaáu i mikroskopijnych niejednorodnoĞci
wspóáczynnika
zaáamania.
Na
tych
maáych
niejednorodnoĞciach foton jest wcháaniany i bez straty
energii
natychmiast
wypromieniowany
w
przypadkowym kierunku. Jest to tzw. rozpraszanie
Rayleigha. Jego udziaá w caákowitej táumiennoĞci moĪe
wynosiü nawet 90%. WáasnoĞcią tego typu
rozpraszania jest to, Īe moc rozproszona jest
proporcjonalna do (1/O)4. NaleĪy tutaj zaznaczyü, Īe
domieszkowanie, np. dla uzyskania wyĪszego
wspóáczynnika zaáamania, zwiĊksza to rozpraszanie.
Táumienie wywoáywane jest przez cztery efekty [1]:
x Absorpcja, czyli pocháanianie energii przez
cząstki skáadające siĊ na Ğwiatáowód.
Szczególnie silna w podczerwieni i
nadfiolecie.
x Rozpraszanie
energii
spowodowane
fluktuacjami gĊstoĞci materiaáu rdzenia
związanymi z budową struktury atomowej
rdzenia.
x Rozpraszanie
wywoáane
fluktuacjami
struktury powstającymi w procesie stygniĊcia.
x Rozpraszanie
energii
spowodowane
niejednorodnoĞciami
wáókna
Ğwiatáowodowego takimi jak: mikropĊkniĊcia,
zagiĊcia i spawy.
Rys 1. Rozkáad przestrzenny mocy [1]
Wszystkie cztery efekty prowadzą do straty
propagowanej energii, bowiem przy rozpraszaniu czĊĞü
energii kierowana jest poza kąt graniczny Ğwiatáowodu,
a nastĊpnie tracona w páaszczu.
Przyjmując, Īe 4 jest miarą poáowy kąta akceptacji, do
obliczeĔ numerycznych moĪna posáuĪyü siĊ prostym
wzorem:
NA = sin (4)
(1)
Przedstawione zostanie teraz wyposaĪenie
stanowiska laboratoryjnego do przeprowadzenia
pomiarów omówioną metodą.
Na áawie optycznej umieszczone są w kolejnoĞci:
nadajnik (laser He – Ne), manipulator z tarczą
obrotową i zaciskiem na wáókno (Rys 4.), fotodetektor
umieszczony przy drugim koĔcu Ğwiatáowodu.
Rys 2. Przykáadowa zaleĪnoĞü táumiennoĞci
jednostkowej Ğwiatáowodu od dáugoĞci fal. [2]
Na Rys 2. przedstawia dwa minima krzywej
Rayleigha umiejscowione w okolicach dáugoĞci fali
równej 1,3 Pm oraz 1,55 Pm. Tworzą one tzw. drugie i
trzecie okno transmisyjne. Pierwsze okno przypisuje
siĊ falom o dáugoĞci 0,85Pm. Typowymi wartoĞciami
táumienia Ğwiatáowodu w oknach transmisyjnych
wynoszą:
x I okno – 3 dB/km,
x II okno – 0,4 dB/km,
x III okno – 0,2 dB/km.
Rys 4. Manipulator z tarczą obrotową
2. METODY POMIARÓW
Pomiar apertury numerycznej za pomocą zmiany
kąta emitowanego sygnaáu
Do fotodetektora podáączony jest miernik mocy
optycznej, który jest podstawą do sporządzenia
wykresu rozkáadu przestrzennego (Rys 5.).
Sposób ten polega na przemieszczaniu czoáa
wáókna i zmienianiu tym samym jego poáoĪenia w
stosunku do osi nadajnika. Za pomocą detektora
tworzona jest charakterystyka mocy w zaleĪnoĞci od
kąta padania. Jako kąt akceptacji przyjmuje siĊ te
wartoĞci kąta, dla których moc jest wyĪsza od mocy
granicznej. Na podstawie [3] w laboratorium przyjĊto
próg 10% mocy maksymalnej.
Rys 3. Pomiar apertury numerycznej za pomocą zmiany
kąta emitowanego sygnaáu. [3]
Rys 5. Miernik mocy optycznej
Pomiar táumienia metodą transmisyjną
Pomiar táumienia metodą transmisyjną polega na
pomiarze spadku mocy na wyjĞciu dáugiego (kilkaset
metrów) odcinka Ğwiatáowodu. Aby na pomiar nie
wpáynĊáy straty mocy wynikające np. ze sprzĊgania (o
rząd wielkoĞci wyĪsze), do porównania posáuĪy krótki
(do 1 m) odcinek wáókna. RóĪnica mocy pomiĊdzy
nimi bĊdzie spadkiem mocy nie obarczonym
sprzĊĪeniem czy innymi czynnikami.
Aby maksymalnie zbliĪyü warunki pomiarów
krótkiego i dáugiego odcinka, po pomiarze caáej szpuli
odcina siĊ krótki fragment pomiĊdzy nadajnikiem a
szpulą, aby zachowaü niezmienione parametry záącza
nadajnika z wáóknem.
Rys 7. WzglĊdny rozkáad przestrzenny mocy optycznej
dla wáókna grubordzeniowego (skokowego)
Rys 6. Pomiar táumienia metodą transmisyjną
Do numerycznych obliczeĔ metody transmisyjnej sáuĪą
wzory na wartoĞü táumienia (2) oraz wspóáczynnik
táumienia (3).
L [dB] = -10*log(P/ / P2) (2)
gdzie P1 to optyczna moc wyjĞciowa dla dáugiego
odcinka Ğwiatáowodu, a P2 – krótkiego.
Ƚ [dB/km] =L / l
(3)
gdzie L to táumienie otrzymane z wzoru (2), a l –
dáugoĞü wáókna.
Stanowisko laboratoryjne w budowie jest niemal
identyczne. RóĪnicą jest zastosowanie manipulatora
bez tarczy obrotowej (rys 7) oraz szpula z wáóknem
Ğwiatáowodowym o dáugoĞci kilkuset metrów.
3. WYNIKI POMIARÓW
Pomiar
apertury
numerycznej
zostanie
przedstawiony w formie wykresów znormalizowanych,
w ten sposób áatwo okreĞliü próg mocy granicznej i
tym samym maksymalny kąt wychylenia wiązki
Ğwietlnej.
Znormalizowane wykresy rozkáadu przestrzennego
mocy optycznej poszczególnych wáókien wyglądają
nastĊpująco:
Rys 8. WzglĊdny rozkáad przestrzenny mocy optycznej
dla wáókna wielomodowego (gradientowego)
Korzystając ze wzoru (1) otrzymujemy wartoĞci
apertury numerycznej:
x dla wáókna skokowego (grubordzeniowego):
kąt akceptacji = 20º + 22º = 42º
NA = sin 21º ~ 0,36
x
dla wáókna wielomodowego (gradientowego):
kąt akceptacji = 10º + 12º = 22º
NA = sin 11º ~ 0,19
W przypadku pomiarów táumienia naleĪy zwróciü
uwagĊ na Ĩródáo Ğwietlne jakim jest laser He – Ne
generujący falĊ o dáugoĞci 932,8 nm. Z krzywej
Rayleigha
odczytaü
moĪna,
Īe táumiennoĞü
jednostkowa ksztaátuje siĊ w granicach 9 – 10 dB/km.
Na Rys 8. przedstawione zostaáy wyniki uzyskane w
trzech niezaleĪnych pomiarach, a nastĊpnie obliczenia
wykorzystujące wzory (2) i (3).
WartoĞü mocy [uW]
50
40
Pomiar 1
30
Pomiar 2
20
Pomiar 3
10
0
dáugi:
krótki:
DáugoĞü wáókna
Rys 8. Pomiar mocy wyjĞciowej wáókna
Nr pomiaru:
1
2
dáugi:
25
26
krótki:
38
40
l [km] =
0,2
0,2
L=
1,818436 1,870866
Ƚ [dB/km] = 9,092179 9,354332
3
20
32
0,2
2,0412
10,206
4. PODSUMOWANIE
Uzyskane wyniki są zbliĪone do ogólnie
przyjĊtych wartoĞci, zatem przedstawione pomiary
laboratoryjne są wiarygodne. Przeprowadzenie badania
pomaga studentom zrozumieü znaczenie pojĊü apertury
numerycznej i táumiennoĞci, które podawane są przez
producentów wáókien Ğwiatáowodowych. MoĪliwoĞü
wáasnorĊcznego przygotowania wáókna do pracy
pozwala równieĪ uĞwiadomiü róĪnicĊ pomiĊdzy
medium miedzianym, a medium szklanym. Omówione
stanowiska mogą stanowiü równieĪ bazĊ do kolejnych
badaĔ opartych bądĨ to na innych metodach bądĨ teĪ
innych
zjawiskach
towarzyszących
transmisji
optycznej.
SPIS LITERATURY
[1]
[2]
[3]
Krzysztof Holejko: Podstawy telekomunikacji
Ğwiatáowodowej, Francusko-Polska WyĪsza
Szkoáa Nowych Technik InformatycznoKomunikacyjnych, PoznaĔ 1995.
Jerzy Siuzdak: WstĊp do wspóáczesnej
telekomunikacji Ğwiatáowodowej, Wydawnictwo
Komunikacyjne
i
àącznoĞci
Warszawa
1997,1999.
Jacek K. Zientkiewicz: Podstawy systemów
Ğwiatáowodowych.
Politechnika
Lubelska,
Lublin 1997