2003
Poznañskie Warsztaty TelekomunikacyjnePoznañ 11-12 grudnia 2003 Marcin Adamski Wydziaá Informatyki Politechnika SzczeciĔska Ul.ĩoánierska 49 71 – 210 Szczecin madamski@wi.ps.pl
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 technikiĞwiatáowodowej
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 wychyleniaĨródáa 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.
Rys 1. Rozkáad przestrzenny mocy [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.
Wszystkie cztery efekty prowadzą do straty propagowanej energii, bowiem przy rozpraszaniu czĊĞü energii kierowana jest poza kąt graniczny Ğwiatáowodu, a nastĊpnie tracona w páaszczu.
Rys 2. Przykáadowa zaleĪnoĞü táumiennoĞci jednostkowejĞwiatáowodu 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.
2. METODY POMIARÓW
Pomiar apertury numerycznej za pomocą zmiany kąta emitowanego sygnaáu
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]
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.
Naáawie 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 4. Manipulator z tarczą obrotową
Do fotodetektora podáączony jest miernik mocy optycznej, który jest podstawą do sporządzenia wykresu rozkáadu przestrzennego (Rys 5.).
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 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 odcinkaĞwiatáowodu, 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 7. WzglĊdny rozkáad przestrzenny mocy optycznej dla wáókna grubordzeniowego (skokowego)
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).
0 10 20 30 40 50 dáugi: krótki: DáugoĞü wáókna Warto Ğü mocy [uW] Pomiar 1 Pomiar 2 Pomiar 3
Rys 8. Pomiar mocy wyjĞciowej wáókna
Nr pomiaru: 1 2 3 dáugi: 25 26 20 krótki: 38 40 32 l [km] = 0,2 0,2 0,2 L = 1,818436 1,870866 2,0412 Ƚ [dB/km] = 9,092179 9,354332 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] Krzysztof Holejko: Podstawy telekomunikacji Ğwiatáowodowej, Francusko-Polska WyĪsza
Szkoáa Nowych Technik Informatyczno-Komunikacyjnych, PoznaĔ 1995.
[2] Jerzy Siuzdak: WstĊp do wspóáczesnej telekomunikacji Ğwiatáowodowej, Wydawnictwo
Komunikacyjne i àącznoĞci Warszawa 1997,1999.
[3] Jacek K. Zientkiewicz: Podstawy systemów
Ğwiatáowodowych. Politechnika Lubelska,
