1
Ćwiczenie nr 1a
Pomiar tłumienności światłowodów
Do podstawowych parametrów włókien światłowodowych należą tłumienność oraz
apertura numeryczna. Poniżej przedstawiono sposób w jaki należy dokonywać pomiaru tych
parametrów.
Wykonywane ćwiczenie pozwala między innymi na:
• zapoznanie się z przyczynami powstawania tłumienności w światłowodach
•
pomiar tłumienności dla typowych światłowodów
1.Wstęp
Do wytwarzania światłowodów telekomunikacyjnych używa się szkieł kwarcowych,
których głównym składnikiem jest syntetyczna krzemionka (SiO
2
). W celu otrzymania
wymaganego profilu współczynnika załamania w rdzeniu światłowodu dodawane są
odpowiednie domieszki, najczęściej tlenki GeO
2
, P
2
O
5
, B
2
O
3
i F
2
.
Podstawowe zjawiska fizyczne, które powodują tłumienie światłowodów to absorpcja
materiałowa (strukturalna i wynikającą z zanieczyszczeń) oraz rozpraszanie energii.
Rozpraszanie energii powstaje na niejednorodnościach struktury materiału na poziomie
cząsteczkowym (wtrącenia krystaliczne, separacja faz, dyslokacje siatki krystalicznej)
i makroskopowym ( nieregularności powierzchni granicznej rdzeń - płaszcz oraz geometrii).
Jednoczesne występowanie zjawisk powodujących pochłaniania i rozpraszanie światła
podczas jego propagacji w rdzeniu światłowodu daje efekt sumaryczny w postaci spektralnej
zależności tłumienności od długości fali, charakterystycznej dla danego rodzaju włókna. Dla
światłowodów kwarcowych istnieje obszar niewielkiej tłumienności, zawierający długości fali
zwane oknami transmisyjnymi, ograniczony dla fal krótszych przez zjawisko rozpraszania,
a dla fal dłuższych przez pochłanianie w podczerwieni.
Światłowody stosowane w systemach telekomunikacyjnych powinny charakteryzować
się niską tłumiennością sygnału optycznego, ponieważ tłumienność i dyspersja to główne
parametry, na podstawie których można wyznaczyć dopuszczalną długość toru
transmisyjnego. Długości fali, dla których osiągane są możliwie najmniejsze tłumienności
światłowodów nazwano oknami transmisyjnymi. Okna te występują przy długościach fali
0.85
µ
m, 1.3
µ
m i 1.55
µ
m. Tłumienność światłowodu jest podstawowym kryterium wyboru
włókna do określonego zadania. W telekomunikacji, z powodu stosunkowo niskiej
tłumienności, stosowane są włókna kwarcowe, najczęściej jednomodowe i wielomodowe
gradientowe.
Włókna jednomodowe wykorzystywane w zakresie drugiego (1.3
µ
m) i trzeciego okna
transmisyjnego (1.55
µ
m), charakteryzują się niską tłumiennością (poniżej 0.3 dB/km w tym
zakresie) i wykorzystywane są do dalekosiężnych połączeń międzymiastowych. Straty takie
można osiągnąć dla włókien kwarcowych, domieszkowanych tlenkiem germanu GeO
2
.
W paśmie 0.8-0.9
µ
m, nazywanym pierwszym oknem transmisyjnym straty włókien
jednomodowych są stosunkowo wysokie.
Włókna gradientowe wielomodowe są używane w sieciach lokalnych, do budowy
połączeń światłowodowych na niewielkich odległościach, przeważnie w obrębie miasta. Do
przesyłania informacji dla tych światłowodów wykorzystywane są długości fali 0.85
µ
m
i 1.3
µ
m dla których tłumienności są odpowiednio równe 2.5 dB/km i 0.6dB/km.
Włókna wielomodowe o skokowym profilu współczynnika załamania i kwarcowym
rdzeniu (step-index) są używane coraz rzadziej w systemach transmisyjnych.
PDF created with pdfFactory trial version
www.pdffactory.com
2
2. Pomiar tłumienności włókien w funkcji długości fali
Tłumienność światłowodu A(
λ
) dla danej długości fali świetlnej
λ
definiujemy
następująco:
( )
[ ]
km
dB
P
P
L
A
=
2
1
log
10
1
λ
P
P (
λ)
P (
λ)
W
łókno
L
z
z
0
1
2
0
1
2
Rys. 1. Schemat ideowy pomiaru wyznaczania tłumienności światłowodów
gdzie L jest długością światłowodu, P
1
(λ) jest mocą wiązki wprowadzaną do włókna, P
2
(λ)
jest mocą wiązki wyprowadzaną z włókna.
Sposób pomiaru tłumienności włókien w funkcji długości fali należy wykonać zgodnie
z metodą odcięcia określoną w normie międzynarodowej IEC 793-1. Norma ta zaleca, aby dla
określonej długości fali zmierzyć moc światła P
2
(
λ
) na wyjściu długiego odcinka światłowodu
(od kilku do kilkuset metrów), a następnie po obcięciu włókna zmierzyć moc P
1
(
λ
)
w odległości kilku metrów od początku włókna. Przy tak zastosowanej procedurze pozostają
nie zmienione warunki sprzężenia światła ze światłowodem. Należy zadbać o to by przy
wprowadzaniu wiązki świetlnej do światłowodu uzyskać stabilny rozkład mocy dla
wszystkich modów prowadzonych. Stabilny rozkład mocy dla wszystkich modów uzyskuje
się przez ciasne nawinięcie początkowego odcinka włókna na pręt o średnicy około 20-30 mm
lub przez zastosowanie długiego rozbiegowego włókna.
4. Układ pomiarowy
Na rysunku 2 przedstawiony jest schemat blokowy układu pomiarowego do pomiaru
tłumienności światłowodów oraz współczynnika sprzężenia sprzęgaczy w funkcji długości
fali. Do pomiarów tłumienności włókien w funkcji długości fali należy zastosować na wyjściu
jeden detektor, połączony z miernikiem homodynowym. W przypadku pomiaru sprzęgaczy
należy zastosować jako odbiorniki dwa detektory i dwa mierniki homodynowe, co daje
możliwość równoczesnego pomiaru sygnałów wyjściowych sprzęgacza.
PDF created with pdfFactory trial version
www.pdffactory.com
3
Monochromator
Ob
M
P
F
D
Wzmacniacz
Miernik
homodynowy
L
Rys. 2. Schemat układu pomiarowego.
Szerokopasmowe źródło światła (żarówka halogenowa) odwzorowywana jest na
szczelinie wejściowej monochromatora. Wybór określonej długości fali światła
wprowadzanego do światłowodu jest dokonywany przez obrót pokrętła monochromatora.
W celu wprowadzenia światła o wybranej długości z monochromatora do mierzonego włókna
stosowany jest obiektyw mikroskopowy i stolik justerski. Na końcu włókna umieszczony jest
detektor mierzący moc wyjściową z testowanego włókna. Detektor ten jest połączony za
pomocą ekranowanego kabla z przedwzmacniaczem, a następnie z nanowoltomierzem
homodynowym. Szerokość szczeliny decyduje o zdolności rozdzielczej monochromatora,
zdolność rozdzielcza maleje wraz ze wzrostem długości fali. Ustawienie szerokości szczeliny
wejściowej jak i wyjściowej monochromatora odbywa się za pomocą śruby mikrometrycznej.
Widmowy współczynnik transmisji monochromatora zależy przede wszystkim od materiału
z jakiego jest wykonany pryzmat. W pomiarach wykorzystuje się pryzmat ze szkła
flintowego, przeźroczysty dla zakresu promieniowania 0,36 do 1,8
µ
m.
W technice pomiarów parametrów tłumienności światłowodu ważnym zagadnieniem
jest odpowiednio przygotowana powierzchnia końca światłowodu, nie rozpraszająca światła.
Uzyskuje się to przez odpowiednie przełamanie lub szlifowanie i polerowanie światłowodu.
Zastosowane w układzie pomiarowym fotodiody germanowe APYP 42 obejmują
swym zakresem detekcji całe widmo stosowane w transmisji światłowodowej. Maksimum
czułości fotodiod germanowych wypada w pobliżu 1,55
µ
m i wynosi 0.7A/W.
5.Zalecane pomiary:
Wyznaczyć tłumienność światłowodu typu PCS (kwarcowo-polimerowego),
kwarcowego światłowodu gradientowego (wielomodowego) lub jednomodowego. Wyniki
pomiarów przedstawić na wykresie.
Literatura
1. John E. Midwinter, Światłowody telekomunikacyjne, WNT, 1983
2. Josef C. Palais, Zarys telekomunikacji światłowodowej, WKŁ, 1991
3. Mieczysław Szustakowski "Elementy techniki światłowodowej", WNT, 1992
PDF created with pdfFactory trial version
www.pdffactory.com