Optické komunikace II Měření numerické apertury NA optických vláken

Transkript

1 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB-TU Ostrava Optické komunikace II Měření numerické apertury NA optických vláken Datum: Autor: Tomáš Škařupa, SKA0092 Kontakt: ska0092@vsb.cz Předmět: Optoelektronika II Cvičící: Ing. Jan Látal Segment: Spojování optických vláken Místnost: KrP 203 Laboratoř přenosových médií

2 1. Teoretický úvod Numerická apertura NA Jedná se o bezrozměrný parametr, který nepřímo určuje rozsah vstupního úhlu optického vlákna pro účinnost vazby mezi zdrojem optického záření a optickým vláknem. Velikost numerické apertury má také vliv na sířící se módy optického vlákna, přičemž pod pojmem mód optického vlákna si představujeme vlnově ustálenou konfiguraci elektromagnetického pole ve vlákně. Geometricky se jedná o počet paprsků šířících se v optickém vlákně. Je zřejmé, že čím je numerická apertura větší, tím lépe je schopno optické vlákno do sebe navázat optické záření ze svého okolí.[1] Základní matematická definice numerické apertury NA má tvar: [ ], (1) kde n 0 je index lomu prostředí, ze kterého navazujeme optické záření do vlákna a θ max je maximální úhel pro navázání optického záření, jak je uvedeno v obr. 1. Obrázek 1 Numerická apertura NA - navázání max. úhlu Na rozhraní čela optického vlákna a prostředí, ze kterého navazujeme optické záření do vlákna, nastává situace: [ ], (2) kde n1 je index lomu jádra optického vlákna a θ1 je úhel optického záření svíraný s osou vlákna v jeho jádře.[1] Hodnoty numerických apertur se může u jednotlivých výrobců nepatrně lišit. Obrázek č. 2 ukazuje NA od firmy Interlink (odkaz č.3).

3 Obrázek 2 parametry určitých typů optických vláken Určení numerické apertury NA Určení indexu lomu jádra n1 a pláště n2 je někdy velmi obtížné, zjišťuje se numerická apertura z průběhu vyzařovací charakteristiky na výstupu krátkého úseku rovnoměrně buzeného optického vlákna, a to ze šířky vyzařovací charakteristiky v úrovni 5% z maximální hodnoty (dle doporučení IEC i EIA viz obr. 1). Efektivní numerická apertura se zjišťuje stejným způsobem na dostatečně dlouhém úseku optického vlákna s ustálenou distribucí vidů (resp. s ustáleným rozložením vidů) a přibližně činí 50% až 70% hodnoty teoretické numerické apertury.[1] Obrázek 3 ukázka průběhu vyzařovací charakteristiky optického vlákna V současnosti se diskutuje, zda odečítat hodnotu numerické apertury (NA) ze šířky vyzařovací charakteristiky v 5% maximální intenzity, což reprezentuje pokles optického výkonu oproti maximální hodnotě o 13 db, nebo ze šířky v 10% maximální intenzity, což reprezentuje pokles optického výkonu oproti maximální hodnotě o 10 db. Měření je nutné provádět v tzv. vzdálené oblasti, tj. ve vzdálenosti z značně větší, než je průměr měřeného optického vlákna. Pro vzdálenou oblast musí platit následující podmínka, definovaná vztahem: [m; m, m], (3) kde d je průměr jádra optického vlákna a λ je pracovní vlnová délka zdroje optického záření.

4 Optické vlákno je navázáno k optickému vysílači (LASER nebo LED) prostřednictvím vhodného vazebného členu. Na výstupu optického vlákna je na otočném rameni pevně upevněn optický přijímač (fotodioda), která snímá intenzitu záření v závislosti na velikosti daného úhlu měřeného od osy optického vlákna. Metoda pro měření NA je znázorněna na obrázku níže.[2] Obrázek 4princip měření numerické apertury Počet vedených vidů M (u vláken typu SI a GI) lze vypočítat pomocí tzv. normované frekvence, která se značí písmenkem V. [-;m, m], (5) kde d je a průměr jádra a 0 je vlnová délka vlákna.[2] Pro 1 je pro SI a pro GI, (6) Z vidové teorie optických vláken plyne rovněž podmínka jednovidovosti. Pro optické vlákno typu SI se jedno-vidovost zajistí při V <2,405. Pak jde odvodit podmínku pro průměr jádra: Pro výpočet odrazů ve vlákně slouží následující vzorce[4]: Popis parametrů: K počet odrazů paprsku v optickém vlákně l délka vlákna d průměr jádra s délka paprsku α úhel, pod kterým paprsek dopadá na čelo materiálu jádra α úhel, pod kterým se paprsek lomí materiálem jádra [4] (7)

5 [ ; m, m], (8),[-; m, m ] (10) (9) Pro určení délky vedeného paprsku pod úhlem využívá vzorců: [4] s Délka paprsku v jádře Úhlu dopadu paprsku na rozhraní β (11) (12) 2. Zadání protokolu Cílem laboratorní úlohy bylo seznámit se hlouběji s numerickou aperturou v rámci jejího měření u tři patchcordů (OV). Úkoly: Určit numerickou aperturu z naměřených hodnot. Určit normalizovanou frekvenci V a počet vedených vidů ve vlákně Určení počtu odrazů K ve vlákně Určení délky paprsků s ve vlákně, jestliže dopadá pod úhlem 3. Schéma zapojení Blokové schéma zařízení pro měření numerické apertury je uvedené na obr. 3. Hlavní částí je krokový motorek, na jehož ose (rotoru) je umístněno rameno s fotodetektorem (měřící část). Krokový motorek je ovládaný driverem, ke kterému přistupujeme prostřednictvím ovládacího rozhraní.[2] Obrázek 5 blokové schéma pro měření NA

6 Obrázek 6 vyfocené schéma pro měření numerické apertury Nejdůležitější částí zařízení určeného pro měření numerické apertury z hlediska uživatele je ovládací rozhraní viz obr. 7. Prostřednictvím něho udává uživatel pokyny driveru, který ovládá přímo krokový motorek.[1] Obrázek 7 ovládací rozhraní pro měření NA Kombinací přepínačů SW4, SW5 a SW6 dle tabulky č. 1 lze nastavit velikost úhlu natočení jednoho kroku.

7 Obrázek 8 kombinace switchů Použité měřicí přístroje Měřící aparatura: OV vlákna: Zdroje záření: driver krokového motorku M415B napájecí zdroj PS 150/36V krokový motorek 57HS09P měřící detektor PM1000D SM 9/125 MM 50/125 a 62,5/125 SM OLS1 DUAL MM OLS2 DUAL Vedlejší použité pomůcky: Šuplera Čistící sada na OV

8 4. Tabulka naměřených a vypočítaných hodnot Tabulka 1 Naměřené hodnoty intenzity pro jednotlivá vlákna Singlemode (9 μm) Multimod (50 μm) Multimod (62,5 μm) vlnová délka vlnová délka vlnová délka vlnová délka vlnová délka vlnová délka 1310 (nm) 1550 (nm) 850 (nm) 1300 (nm) 850 (nm) 1300 (nm) Intenzita Intenzita Intenzita Intenzita Intenzita Intenzita , ,4 7,5 53 8, ,4 7,6 7,5 53,5 8,2 2,1 4 24,3 9,1 7,6 54,1 8,3 2,1 5 28,7 10,8 7,6 54,9 8,3 2,1 6 33,5 12,6 7,6 55,2 8,2 2,2 7 40,6 15,6 7,7 57,1 8,3 2, ,3 7,8 59,2 8,5 2,3 9 55,2 21,1 7,7 61 8,6 2, ,8 24,6 7,9 63,2 8,5 2, ,9 28,8 8 62,2 8,6 2, ,4 8 70,1 8,8 2, ,7 36,9 8,2 75,2 8,8 2, ,1 40,5 8,2 74,6 9 2, ,2 44,4 8,3 78,6 9 2, ,8 48,3 8,4 81,6 9,1 2, ,1 51,1 8,4 84,7 9,3 2, ,2 53,3 8,4 87,1 9, ,1 56,8 8,5 93,1 9,3 3, ,4 59,6 8,6 97 9,5 3,3, ,3 61,1 8, ,6 3, ,5 8,8 103,3 9,7 3, ,4 64 8,9 110,1 9,8 3, ,3 64,9 9,1 115,3 10,1 3, ,7 65,5 9,2 120,6 10 3, ,2 66,2 9,2 124,6 10, ,8 66,7 9,2 127,1 10,2 4, ,8 67,1 9,5 137,1 10,3 4, ,1 68,3 9,6 141,2 10,5 4, ,5 69,4 9,6 147,2 10,6 4, ,9 70,2 9,7 153,3 10,6 4, ,8 70,2 9,8 159,5 10,7 4, ,4 69, ,9 10,7 4, ,4 69, ,9 10,9 5, ,1 10,1 175,4 11 5, ,4 70,3 10,2 180,3 11,3 5,3 číslo měření

9 37 137,7 70,3 10,3 185,7 11,3 5, ,4 70,3 10,3 191,2 11,4 5, ,5 70,3 10,3 197,2 11,4 5, , ,4 206,3 11,5 5, ,9 69,5 10, ,5 5, , , ,4 5, ,4 68,5 10,4 220,3 11,6 5, ,6 67,3 10,3 223, ,2 67,3 10,3 226,5 11,6 6, ,1 67,3 10,4 228,1 11, ,2 66,9 10, ,3 6, , ,2 233,1 11,5 6, ,8 65,8 10,2 234,1 11,3 6, ,2 66,3 10,5 236,3 11,2 6, ,5 62,4 10,4 236,4 11 6, ,5 60,2 10, ,6 6, ,5 59,5 10, ,4 6, ,3 57,5 10,1 236,3 11,6 6, ,7 54, ,2 11,9 6, ,4 51,5 9,9 234,4 11,7 6, ,4 48,6 9,8 231,7 11,8 6, ,3 43,9 9,8 228,9 11,7 6, ,5 40,1 9,8 226,3 11,6 6, ,8 39 9,7 223,7 11,5 6, ,1 33,5 9,6 219,9 11,5 6, ,4 28,3 9, ,4 6, ,3 25,3 9,4 211,5 11, ,6 19,2 9, , ,4 15,2 9,1 204,7 11,3 5, ,2 12, ,9 11,2 5, ,5 10,7 9,4 191,4 11,3 5,8 68 9,7 8, ,2 11,2 5,6 69 8,2 7,4 8,8 183,5 11 5,6 70 6,9 6 8,8 177,8 11 5,5 71 5,7 5 8,6 171,3 11 5,4 72 4,8 4,3 8,5 165,9 10,9 5,3 73 4,3 3,5 8, ,8 5,2 74 3,8 2,9 8,4 155,4 10,7 5,1 75 3,4 2,5 8,1 148,2 10, ,1 2,2 8,1 141,2 10,6 4,8 77 2,9 1,9 8,1 137,3 10,5 4,7 78 2,8 1,7 8, ,3 4,6 79 2,7 1, ,4 10,1 4,4 80 2,6 1, ,3 4,2

10 Vzdálenost z 1 cm 3 cm 4 cm Aby se z tabulek dala vyčíst NA tak došlo k přepočtům hodnot v rámci intenzity, kdy maximální intenzita je rovna 1. Tabulka 2 Naměřené hodnoty vláken převedené do jednotkového grafu úhel natočení [ ] Singlemode 9 μm Multimod 50 μm Multimod 62,5 μm vlnová délka vlnová délka vlnová délka vlnová délka vlnová délka vlnová délka 1310 nm 1550 nm 850 mn 1300 nm 850 nm 1300 nm Intenzita Intenzita Intenzita Intenzita Intenzita Intenzita -18 0, , , , , , ,55 0, , , , , , ,1 0, , , , , ,375-16,65 0, ,13 0, , , ,375-16,2 0, , , , , ,375-15,75 0, ,18 0, , , , ,3 0, , , , , , ,85 0, , ,75 0, , , ,4 0, , , , , , ,95 0, , , , , , ,5 0, , , , , , ,05 0, , , , , , ,6 0, , , , , , ,15 0, , , , , , ,7 0, , , , , ,5-11,25 0, ,69 0, , , ,5-10,8 0, ,73 0, , , , ,35 0, , , , , , ,9 0, , , , , , ,45 0, , , , , , , , , , , , ,55 0, , , , , ,625-8,1 0, , , , , , ,65 0, , ,875 0, , , ,2 0, , , , , , ,75 0, , , , , , ,3 0, , , , , ,75-5,85 0, , , , , , ,4 0, , , , , , ,95 0, , , , , , ,5 0, , , , , , ,05 1, , , , , ,857143

11 -3,6 1, , , , , ,875-3,15 1, , , , , , ,7 1, , , , , , ,25 1, , , , , , ,8 0, , , , , , ,35 1, , , , , , ,9 1, , , , , , , ,9 0, , , , , , ,35 0, , , , , ,8 0, , , , , , ,25 0, , , , , , ,7 0, , , , , ,15 0, , , , , , ,6 0, , , , , ,05 0, , , , , , ,5 0, , , , , , ,95 0, , , , , ,4 0, , , , , , ,85 0, , , , , , ,3 0, , , , , , ,75 0, , , , , , ,2 0, , , ,1109 1, , ,65 0, , , , , , ,1 0, , , , , , ,55 0, , , , , , , , , , , ,45 0, , , , , ,9 0, , , , , , ,35 0, , , , , , ,8 0, , , , , , ,25 0, , ,875 0, , , ,7 0, , , , , , ,15 0, , , , , , ,6 0, , , , , , ,05 0, , , , , , ,5 0, , , , , , ,95 0, , , , , , ,4 0, , , , , , ,85 0, , , , , , ,3 0, , , , , , ,75 0, , , , , , ,2 0, , , , , ,842105

12 16,65 0, , , , , , ,1 0, , , , , , ,55 0, , , , , , , , , , , , Pro přehlednost, byly všechny výsledky uvedené do tabulky č.3. Tabulka 3 přehled výsledků tabulka výsledku Singlemode 9 μm Multimod 50 μm Multimod 62,5 μm vlnová délka vlnová délka vlnová délka vlnová délka vlnová délka vlnová délka 1310 nm 1550 nm 850 mn 1300 nm 850 nm 1300 nm úhel θmax 10,75 10,9-8,55-11,4 numerická apertura - NA 0,187 0,189-0,147-0,198 normal. f. - V 4,04 3,448-17,762-22,203 počet vidů 8,145 5,943-78, ,239 počet odrazů ve vlákně - K délka parsku ve vlákně -s Příklad výpočtů Výpočet úhlu θ max dle hodnot na grafu a následné spočítání NA viz graf č. 1 : Určení normalizované frekvence V: Počet vedených vidů ve vlákně:

13 Výkon P Katedra telekomunikační techniky 5. Grafické zpracování naměřených a vypočtených hodnot Grafy pro SM Na grafu č. 1 a č. 2 je zobrazeno jakým způsobem se došlo k hodnotám úhlu θ max. Vyzařovací charakteristika signl. mod. vlákna pro 1310 nm 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 Intezita 50 % výkonu + delta max - delta max úhel θ [ ] graf 1 vyzařovací charakteristika u single-módu pro λ=1310 nm

14 Výkon P Výkon P Katedra telekomunikační techniky Vyzařovací charakteristika signl. mod. vlákna pro 1550 nm 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 Intezita 50 % výkonu + delta max - delta max úhel θ [ ] graf 2 vyzařovací charakteristika u single-módu pro λ=1550 nm Grafy pro MM 50 (μm) Vyzařovací charakteristika OV, jádro 50 μm, pro λ =850 nm 1,2 1 0,8 0,6 0,4 Intezita 0, úhel θ [ ] graf 3 vyzařovací charakteristika u multi-módu pro λ=850 nm

15 Výkon P Výkon P Katedra telekomunikační techniky Vyzařovací charakteristika OV, jádro 50 μm, pro λ=1300 nm 1,2 1 0,8 0,6 0,4 Intezita 0, úhel θ [ ] graf 4 vyzařovací charakteristika u multi-módu pro λ=1300 nm Grafy pro MM 62,5 (μm) Vyzařovací charakteristika OV, jádro 62,5 μm, pro λ 850 nm 1,2 1 0,8 0,6 0,4 Intezita 0, úhel θ [ ] graf 5 vyzařovací charakteristika u multi-módu pro λ=850 nm

16 Výkon P Katedra telekomunikační techniky Vyzařovací charakteristika OV, jádro 62,5 μm, pro λ 1300 nm 1,2 1 0,8 0,6 0,4 Intezita 0, úhel θ [ ] graf 6 vyzařovací charakteristika u multi-módu pro λ=1300 nm

17 6. Závěr měření Cílem měření bylo prohloubit své znalosti v oblasti optických komunikacích a to především v rámci měření numerické apertury. Během měření se vyskytlo několik negativních faktorů, které do značné míry ovlivnily výsledky měření. Prvním negativním faktorem, se kterým se museli vyrovnat, byla porucha krokového motorku, díky které se neotáčel optický přijímač. Po konzultaci s vyučujícím a následném zjišťování chyby se ukázalo, že v jednom spoji k sobě nedoléhaly kontakty. Po odstranění této chyby krokový motorek už fungoval tak jak měl. Po naměření dat u multi-módového vlákna s průměrem jádra 50 μm jsme zjistili, že koncovka má vadnou feruli a tudíž se ze získaných dat špatně konstruovaly grafy. Výsledek měření si lze prohlédnout v grafu č. 3 a grafu č. 4. Bohužel z grafu č. 3 (měření pro λ= 850 nm) nebylo možné určit numerickou aperturu vlákna a tím i další parametry jakými byly: normalizovaná frekvence, počet vedených vidů ve vlákně, počet odrazů a délku paprsku v jádře. Z naměřených dat pro multi- módové vlákno s průměrem jádra 62 μm při vlnové délce 850 nm se podobně jako u předcházejícího multi-módového vlákna nedala určit numerická apertura a tím i následně další parametry. V tabulkách č. 1 a č. 2 jsou zobrazeny hodnoty jen pro tři optická vlákna. Chybí zde záznam hodnot pro 4 vlákno (EZBEND). Toto vlákno se bohužel našim kolegům po velkém snažení nepodařilo zkonstruovat. Celé měření bylo ovlivněné i tím, že měření neprobíhalo při absolutní tmě, takže nám sluneční paprsky a světlo ze světelného zdroje na stropě působily negativní vliv na optický detektor. U grafu č. 4 a č. 6 si lze povšimnout, že maximum není v hodnotě 1, ale o něco větší (např. v hodnotě 1,1). Je to z toho důvodu, že jsme neměli při začátku měření přesně nastavený kolmý směr mezi optickým vláknem a detektorem. Z tohoto důvodu byla maximální intenzita světla detekována pod úhlem 1. Záznam naměřených hodnot si lze prohlédnout v tabulce č. 1. Výsledky výpočtů jsou zapsány do tabulky č. 3. Jak již bylo řečeno v tabulce výsledků (tabulka č. 3) chybí údaje pro multimód s šířkou jádra 50 μm a 62,5 μm pro λ=850 nm. V tabulce i chybí údaje o počtech odrazů ve vlákně a uraženou délku paprsku v jádře vlákna. Je to z toho důvodu, že jsme si při měření nepoznačili délku požitých vláken. Pokud bychom dané parametry znali, byly by k dopočítání daných parametrů použity vzorce (8) - (12). Pro singl-mód nám bohužel vyšla normalizovaná frekvence > 2,405. Byla tímto porušena podmínka single-módu a z toho důvodu je jasné, že měření bylo nepřesné.

18 Odkazy [1] KOUDELKA, Petr. Měření numerické apertury NA optických vláken [online]. Ostrava, 2011 [cit ]. Dostupné z: Návod k měření. VSB. [2] MAREJKA, Martin. Měření numerické apertury optických vláken [online]. Ostrava, 2010 [cit ]. Dostupné z: Bakalářská. VSB. Vedoucí práce Koudelka. [3] VEJMOLA, Tomáš. MĚŘENÍ NUMERICKÉ APERTURY [online]. BRNO, 2011 [cit ]. Dostupné z: T.VEJMOLA.pdf?sequence=1. Bakalářská práce. VUT. [4] Optické vlákno. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, [cit ]. Dostupné z:

19 Seznam obrázků Obrázek 1 Numerická apertura NA - navázání max. úhlu... 1 Obrázek 2 parametry určitých typů optických vláken... 2 Obrázek 3 ukázka průběhu vyzařovací charakteristiky optického vlákna... 2 Obrázek 4princip měření numerické apertury... 3 Obrázek 5 blokové schéma pro měření NA... 4 Obrázek 6 vyfocené schéma pro měření numerické apertury... 5 Obrázek 7 ovládací rozhraní pro měření NA... 5 Obrázek 8 kombinace switchů... 6

20 Seznam Tabulek Tabulka 1 Naměřené hodnoty intenzity pro jednotlivá vlákna... 7 Tabulka 2 Naměřené hodnoty vláken převedené do jednotkového grafu... 9 Tabulka 3 přehled výsledků... 11