АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ 

Кафедра телекоммуникационных систем

 

 

Оптические системы связи в телекоммуникациях

Методические указания к выполнению лабораторных работ

для студентов специальности 5В0719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации

 

 

Алматы 2010

СОСТАВИТЕЛИ: Темырканова Э.К., Абишева Т.А. Оптические системы связи в телекоммуникациях. Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов специальности 5В0719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации. – Алматы: АИЭС, 2010. – 45с. 

Методические указания, содержащие общие сведения о выполнении лабораторных работ, их оформлении и защите.

В работе приводятся описания установки измерительной аппаратуры. Перед проведением лабораторной работы студент должен повторить разделы, необходимые для подготовки к работе. В каждой работе приведены функциональные блок-схемы лабораторных установок, приведены контрольные вопросы, представлен список литературы.

Методические указания предназначены для студентов, обучающихся в бакалавриате по специальности 5В0719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации.

 

1 Лабораторная работа. Сравнительное исследование ватт-амперных характеристик лазерного и светоизлучающего диодов

 

1.1            Цель работы: Исследовать ватт-амперные характеристики лазерного и светоизлучающего диодов

 

1.2            Рабочее задание

 

- экспериментальное измерение ватт-амперной характеристики лазерного диода;

         - экспериментальное определение тока накачки, соответствующего началу генерации оптического излучения и порогового тока лазерного диода;

         - экспериментальное измерение ватт – амперной характеристики светоизлучающего диода;

         - сравнение ватт – амперных характеристик лазерного диода и светоизлучающего диода;

         - исследование зависимости чувствительности ФД и темнового тока I_т от напряжения смешения U_фд (дополнительное задание, проводится по указанию преподавателя);

         - измерение зависимости темнового тока I_т ФД от напряжения смешения U_см (дополнительное задание, проводится по указанию преподавателя).

 

1.3            Подготовка к работе

 

Повторить разделы: источники излучения, ватт – амперные характеристики ЛД иСИД, приемники оптического излучения, основные характеристики ФД.

 

1.4           Используемое оборудование

 

а) электронный блок питания БП «Источник оптического излучения»;

б) электронный блок «Фотоприемник»;

в) лазерный диод ЛД1;

г) светоизлучающий диод СД;

д) поляризаторы П.

 

1.5            Краткие сведения

 

Под ватт – амперной характеристикой понимается зависимость мощности, излучаемой оптическим источником, от тока, протекающего через его pn переход (ток накачки I_н).

В современных ВОЛС в качестве источников света используются полупроводниковые (ПП) источники излучения - светоизлучающие диоды (СИД) и лазерные диоды (ЛД). Технология производства и химический состав материалов, из которых они изготовлены, определяют основные характеристики:

-длину волны излучения l (мкм);

-оптическую мощность Р (Вт);

-степень когерентности оптического излучения;

-коэффициент поляризации оптического излучения q ;

-ширину спектра оптического излучения Dl (мкм) и его состав;

-угловую расходимость ( ширину диаграммы направленности ) в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Основой для любого ПП излучателя является область контакта двух материалов с различными типами проводимости. В простейшем случае - это обычный pn -переход, который образован за счет введения донорных и акцепторных примесей в исходный материал подложки.

Любой ПП материал принято характеризовать энергетической диаграммой (рис.1), на которой указываются уровни соответствующие:

- нижней границе зоны проводимости Е_п ;

- верхней границе валентной зоны Е_в ;

- уровню Ферми Е_f, вероятность заполнения которого равна 0,5.

Параметром материала является также ширина запрещенной зоны:

 

Е_g= Е_п - Е_в .

 

Из дальнейшего изложения будет ясно, что излучение формируется за счет перехода электронов с энергетических уровней, находящихся вблизи нижнего края зоны проводимости на уровни у верхнего края валентной зоны. Высвобождающаяся при этом энергия Е_ф обеспечивает рождение фотона.  Длина волны l, соответствующая этому фотону, определяется соотношением:

 

l = 1.24 / Е_ф.

 

В этой формуле длина волны выражена в микрометрах, а энергия - в электрон-вольтах. Ясно, что Е_ф ³ Е_g, поэтому для обеспечения генерации излучения в требуемом спектральном диапазоне длин волн необходимо подбирать материалы с соответствующей шириной запрещенной зоны. Это обеспечивается выбором их химического состава.

Для обеспечения генерации в области первого окна прозрачности волоконного световода (l = (0.8 - 0.9) мкм) используют соединения на основе арсенида галлия ( GaAs ) , а для следующих окон прозрачности (l = 1.3 мкм и l = 1.5 мкм) соединения на основе фосфида индия (InP ).

Лабораторная установка приведена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Лабораторная установка

 

1.6             Порядок выполнения работы

 

1.6.1 Установить ручки потенциометров регулировки тока накачки БП (см. рисунок 1.1) положение против часовой стрелки.

1.6.2 Кнопочный переключатель пределов изменения тока накачки – в положение 30мА.

1.6.3  Подключить ЛД1 к блоку «Источник оптического излучения».

1.6.4 Установить «Фотоприемник» в исходное положение:

- ручки потенциометров «грубо», «точно» регулировки напряжения смещения– в крайнее положение против часовой стрелки;

- кнопочный переключатель «вкл» включения напряжения смещения – нажать;

- кнопочный переключатель «вкл» включения калибровки фотоприемника – нажать;

- кнопочный переключатель «пределы» выбора пределов измерения оптической мощности в относительных единицах – в положение х100.

1.6.5 С помощью соединительного кабеля подключить ФД1  к блоку.

1.6.6 Включить тумблеры «сеть» на лицевых панелях блоков «Источник оптического излучения» и «Фотоприемник».

1.6.7 С помощью  потенциометров регулировки напряжения смещения на фотодиоде "грубо", "точно", установить его величину U_см= 7v.

1.6.8 Установить максимальную величину тока накачки I_н лазерного диода ЛД1, обеспечивающую измерение его ватт-амперной характеристики.  Это достигается  поворотом поляризатора П, расположенного между ЛД1 и ФД1. В данном эксперименте поляризатор выполняет роль аттенюатора. Выполнить следующие операции:

         а) произвести калибровку усилителя фототока. Для этого нажать кнопочный переключатель «вкл» в окне «Оптическая мощность»  на лицевой панели блока «Фотоприемник» После этого с помощью потенциометра «установка нуля» на лицевой панели установить нулевые показания стрелочного прибора, измеряющего оптическую мощность. После выполнения всех операций  кнопку «вкл» отжать;

         б) на лицевой панели блока «Источник оптического излучения» установить значение тока накачки I_н лазерного диода, при котором стрелка измерительного прибора в окне «Оптическая мощность, отн. ед» на лицевой панели «Фотоприемника» установится  на отметку «1»;

         в) если значение тока накачки лазерного диода I_н < 20 мА, следует вращать поляризатор П вокруг своей оси по направлению, в котором происходит уменьшение показаний измерительного прибора в окне «Оптическая мощность, отн. ед» на лицевой панели «Фотоприемника». Вращением поляризатора установить стрелку измерительного прибора на отметку 0,75;

         г) повторять операции, описанные в пунктах (б) и (в) до тех пор, пока не будет установлено значение тока I_н > 20 мА. После этого можно приступать к измерению встт-амперной характеристики ЛД1.

         1.6.9 Произвести измерение ватт-амперной характеристики оптического источника. Процесс измерения аналогичен для ЛД1 и СД. Поэтому ниже тип источника не указывается.  Выполнить следующие операции:

a)                повернуть ручки потенциометров блока «Источник оптического излучения» в крайнее положение против часовой стрелки. При этом устанавливается нулевое его значение. Переключить предел изменения тока накачки на лицевой панели  блока «Источник оптического излучения», установив его равным 15мА;

b)               установить кнопочный переключатель выбора пределов измерения оптической мощности в положение х1 (максимальная чувствительность). Произвести калибровку усилителя фототока в соответствии с пунктом (а);

c)                изменяя ток накачки от 0 до 15мА, снять зависимость оптической мощности Р в относительных единицах от I_н. Отметить значение I_н, соответствующее началу генерации. Ток накачки изменять с шагом 2,5 мА. Данные измерений занести в таблицу 1.1;

d)               повернуть ручки потенциометров регулировки I_н на лицевой панели блока «Источник оптического излучения» в крайнее положение против часовой стрелки. После этого переключить предел изменения тока накачки установив его равным 30мА;

e)                продолжить измерения ватт-амперной характеристики.  При необходимости переключения пределов измерения оптической мощности (с помощью кнопочного пекреключателя пределы на лицевой панели электронного блока «Фотоприемник») необходимо производить калибровку усилителя фототока в соответствии с пунктом 1.4.8. (а). Данные измерений занести в таблицу 1.1. Закончить измерения следует при достижении стрелки измерительного прибора «оптическая мощность отн.ед.» отметки 1 при минимальной чувствительности – кнопочный переключатель пределы – в положении х10, х100.

 

Таблица 1.1 – Ватт–амперная характеристика оптического источника

Iн (мА)
Р (от.ед.)

 

1.6.10 Произвести измерение ватт-амперной характеристики светоизлучающего диода. Произвести измерения в соответствии с пунктом 1.6.9 данного описания.

1.6.11 По измеренным значениям построить зависимость оптической мощности Р от тока накачки I_н.   По построенным зависимостям определить:

-значения токов накачки ЛД1 и СД, соответствующие началу генерации;

-значение порогового тока I_п1, соответствующее излому ватт-амперной характеристики лазерного диода.   

-качественные отличия ватт-амперных характеристик ЛД1 и СД.

1.6.12  Измерение зависимости чувствительности ФД и темнового тока I_т от напряжения смешения U_фд (дополнительное задание, проводится по указанию преподавателя).

Значения оптической мощности, попадающей на чувствительную площадку фотодиода, и его тока прямо пропорциональны друг другу. Поскольку характеристика усилителя фототока линейна, чувствительность ФД будет пропорциональна напряжению на его выходе. Это напряжение фиксируется (в относительных единицах) стрелочным измерительным прибором в окне «Оптическая мощность, отн. ед» на лицевой панели «Фотоприемника». Изменение чувствительности при изменении напряжения смещения имеет тот же закон, что и изменение напряжения на выходе усилителя. Измерения проводятся для любого из двух источников оптического излучения –ЛД1 или СД и соответствующего ему фотодиода – ФД1 или ФД2. Для измерения зависимости чувствительности ФД от напряжения смешения U_фд выполнить следующие операции.

1.6.13 Установить значение тока накачки I_н=10мА на лицевой панели блока «Источник оптического излучения». Если при этом требуется переключить пределы изменения тока накачки, перед нажатием кнопки выбора предела необходимо повернуть ручки потенциометров «грубо», «точно» в крайнее положение против часовой стрелки.  Контроль тока производится с помощью стрелочного прибора на лицевой панели. После этого величину I_н не изменять, что соответствует постоянному уровню излучаемой мощности.

1.6.14 Изменяя напряжение смещения ФД от 1,5V до максимально возможного значения (10V) с шагом 2,5V, снять зависимость оптической мощности Р от напряжения смещения U_см. Величины U_см и Р определяются по показаниям стрелочных приборов на лицевой панели блока «Фотоприемник» в окнах «Напряжение смещения» и  «Оптическая мощность в отн. ед.». Данные измерений занести в таблицу 1.2.

1.6.15 Для определения оптической мощности Р при напряжении смещения U_см=0 (гальванический режим работы фотодиода) следует отжать кнопочный переключатель «вкл» в окне «Напряжение смещения» блока «Фотоприемник». При этом на фотодиод не подается напряжение смещения (U_см=0 ). После проведения данного измерения кнопку «вкл» нажать. Данные измерений занести в таблицу 1.2.

 

Таблица 1.2 – Зависимость чувствительности фотодиода от напряжения смещения

Uсм    (В )
Р(от.ед. )
S/Smax

 

1.6.16 Вычислить нормированную зависимость чувствительности от напряжения смещения на фотодиоде. Поскольку спектральная чувствительность S  изменяется так же, как измеряемая оптическая мощность, величину S/S_max можно определить следующим образом:

 

S/S_max = Р/Р_max.

 

Здесь Р_max – максимальное значение оптической мощности, которое было получено в результате измерений.

1.6.17 Построить зависимость S/S_max от U_см и по ней определить оптимальное значение напряжения смещения, соответствующее максимальной величине напряжения на выходе усилителя (U_{см 0}).

1.6.18 Измерение зависимости темнового тока I_т ФД от напряжения смешения U_см (дополнительное задание, проводится по указанию преподавателя).

Поскольку характеристика усилителя фототока линейна, темновой ток I_т фотодиода  будет пропорционален напряжению на его выходе. Это напряжение фиксируется (в относительных единицах) стрелочным измерительным прибором в окне «Оптическая мощность, отн. ед» на лицевой панели «Фотоприемника».  Изменение темнового тока при изменении напряжения смещения имеет тот же закон, что и изменение напряжения на выходе усилителя. Измерения проводятся для любого из двух фотодиодов – ФД1 или ФД2. Для измерение зависимости  темнового тока ФД от напряжения смешения U_фд выполнить следующие операции.

1.6.19. Повернуть ручки потенциометров против часовой стрелки. После этого выключить его питание тумблером «сеть».

1.6.20 Отжать кнопочный переключатель «вкл» в окне «Напряжение смещения» блока «Фотоприемник». При этом на фотодиод не подается напряжение смещения (U_см=0).

1.6.21 Установить предел измерения оптической мощности  с помощью кнопочного переключателя «пределы» в окне «Оптическая мощность, отн. ед» на лицевой панели электронного блока «Фотоприемник», при котором наблюдается заметное отклонение стрелки измерительного прибора «Оптическая мощность, отн. ед». При необходимости провести калибровку усилителя фототока. Занести значение измереной оптической мощности в таблицу 1.3, в графу U_см=0. После проведения данного измерения кнопку «вкл» в окне «Напряжение смещения» блока «Фотоприемник» нажать.

1.6.22 Изменяя напряжение смещения ФД от 1,5V до  максимально возможного значения с шагом 1,5V , снять зависимость оптической мощности в относительных единицах (в этом случае она пропорциональна темновому току I_т) от напряжения смещения  U_см . Данные измерений занести в таблицу 1.3.

 

Таблица 1.3 – Зависимость темнового тока I_т ФД от напряжения смешения U_см

Uсм    (В )
Р( от.ед. )
Iт/ Iт мах

 

1.6.23 Вычислить зависимость нормированного значения темнового тока от напряжения смещения на фотодиоде. Поскольку темновой ток изменяется так же, как измеряемая оптическая мощность, величину I_т/I_тмах можно определить следующим образом:

 

I_т/ I_{т мах} = Р/Р_max.

 

Здесь Р_max – максимальное значение оптической мощности, которое было получено в результате измерений.

1.6.24 Построить зависимость I_т/ I_{т мах} от U_см.

 

 

1.7             Выводы по лабораторной работе

 

Произвести качественное сравнение ВАХ оптических источников: СИД и ЛД. Объяснить условие возникновения генерации.

 

1.8            Контрольные вопросы

 

1.8.1 Как называется источник, в котором преобладает спонтанное излучение?

1.8.2 Дать характеристику СИД и ЛД.

1.8.3 Их достоинства и недостатки?

1.8.4 Чему равна ширина спектра СИД?

1.8.5 Чему равна ширина спектра ЛД?

1.8.6 Дать определение темнового тока.

1.8.7 Как зависит оптическая мощность от напряжения смещения в ФД?

 

 

2  Лабораторная работа. Исследование поляризационных характеристик лазерного и светоизлучающего диодов

 

2.1           Цель работы: исследовать поляризационные характеристики лазерного и светоизлучающего диодов

 

2.2  Рабочее задание

 

- экспериментальное измерение зависимости коэффициента поляризации лазерного диода от тока накачки I_н;

- экспериментальное измерение зависимости коэффициента поляризации светоизлучающего диода от тока накачки I_н.

 

2.3 Подготовка к работе

 

Повторить разделы: поляризация света, поляризаторы, источники оптического сигнала ЛД и СИД, характеристики параметров оптического сигнала.

 

2.4  Используемое оборудование:

 

а) электронный блок питания БП «Источник оптического излучения»;

б) электронный блок «Фотоприемник»;

в) лазерный диод ЛД1;

г) светоизлучающий диод СД;

д) поляризаторы П.

2.5  Краткие сведения

 

Под поляризационной характеристикой понимается зависимость коэффициента поляризации излучения оптического источника от тока, протекающего через его pn переход (ток накачки I_н).

Источник, в котором преобладает спонтанное излучение, принято называть светоизлучающим диодом (СИД). Для него ширина спектра составляет обычно величину:

 

Dl = ( 30 -50 ) нм.

 

Сформированное с помощью СИД излучение является немонохроматичным, что необходимо учитывать при использовании его в реальных схемах.

Еще одной особенностью такого источника является его некогерентность. Физический смысл этого понятия будет пояснен ниже при анализе работы лазерного диода. Кроме того, излучение СИД неполяризовано. Все эти обстоятельства обуславливают использование  его в системах связи только совместно с многомодовым волокном.

 

2.6 Порядок выполнения работы

 

2.6.1 Установить ручки потенциометров регулировки тока накачки "грубо", "точно" на лицевой панели электронного блока питания БП «Источник оптического излучения» в крайнее положение против часовой стрелки.

2.6.2 Кнопочный переключатель пределов изменения тока накачки – в положение 3мА.

2.6.3 С помощью соединительного кабеля подключить ЛД1 к блоку «Источник оптического излучения».

2.6.4 Установить органы управления электронного блока «Фотоприемник» в исходное положение:

- ручки потенциометров «грубо», «точно» регулировки напряжения смещения– в крайнее положение против часовой стрелки;

- кнопочный переключатель «вкл» включения напряжения смещения – нажать;

- кнопочный переключатель «вкл» включения калибровки фотоприемника – нажать;

- кнопочный переключатель «пределы» выбора пределов измерения оптической мощности в относительных единицах – в положение х10.

2.6.5 С помощью соединительного кабеля подключить ФД1  к блоку. 2.6.6 Включить тумблеры «сеть» на лицевых панелях блоков «Источник оптического излучения» и «Фотоприемник». При этом загораются их подсветки.

2.6.7 С помощью потенциометров регулировки напряжения смещения на фотодиоде "грубо", "точно", расположенных на лицевой панели блока «Фотоприемник» установить его величину U_см= 1.5v.

2.6.8 Измерить зависимость коэффициента поляризации излучения оптического источника (ЛД1 или СД) от тока накачки. Для этого выполнить следующие операции:

а) повернуть ручки потенциометров «грубо», «точно» регулировки тока накачки в крайнее положение против часовой стрелки. При этом устанавливается нулевое его значение;

б) произвести калибровку усилителя фототока. Для этого нажать кнопочный переключатель «вкл» в окне «Оптическая мощность»  на лицевой панели блока «Фотоприемник» После этого с помощью потенциометра «установка нуля» на лицевой панели установить нулевые показания стрелочного прибора, измеряющего оптическую мощность. После выполнения всех операций  кнопку «вкл» отжать;

в) изменять ток накачки I_н  от 0 до значения, при котором стрелка измерительного прибора «оптическая мощность отн.ед.» на лицевой панели блока «Фотоприемник» достигнет отметки 1 при минимальной чувствительности – кнопочный переключатель пределы – в положении х100. При каждом фиксированном значении I_н вращать поляризатор, расположенный между оптическим источником и фотодиодом вокруг своей оси. При вращении поляризатора вокруг своей оси на угол, превышающий 180 градусов, в случае, если излучение источника поляризовано, показания прибора «оптическая мощность в отн. ед.» в окне «Оптическая мощность» на лицевой панели блока «Фотоприемник», будут изменяться. Отметить минимальные (Р _min) и максимальные (P_max ) показания измерительного прибора, соответствующее им значение тока накачки I_н и занести их значения в таблицу 2.1. Измерения поводить, меняя ток накачки с шагом, указанным в таблице 2.1;

г) при необходимости переключения пределов изменения тока накачки, необходимо предварительно повернуть ручки потенциометров «грубо», «точно» регулировки I_н на лицевой панели электронного блока «Источник оптического излучения»в крайнее положение против часовой стрелки. При этом устанавливается нулевое его значение. После этого переключить предел изменения тока и установить необходимое его значение;

д) при необходимости переключения пределов измерения оптической мощности необходимо производить калибровку усилителя фототока в соответствии с пунктом (б);

  

Таблица 2.1 - Зависимость коэффициента поляризации излучения оптического источника (ЛД1 или СД) от  тока накачки

Iн      (мА)	2	5	10	15	20
Рmin   (от.ед. )
Рmax ( от.ед. )
q

 

е) вычислить величину модуля коэффициента поляризации для всех значений тока накачки и построить зависимость его от I_н. Вычисления коэффициента поляризации производить по формуле:

 

q = (Р_мак - Р_мin) / (Р_мак +  Р_мin);

 

ж) на построенном графике зависимости q (I_н ) отметить значение тока I_п2, соответствующее появлению поляризационных свойств у генерируемого источником излучения (резкое увеличение коэффициента поляризации).

 

2.7 Экспериментальное исследование поляризационных характеристик светоизлучающего диода

 

2.7.1 Установить ручки потенциометров регулировки тока накачки "грубо", "точно" на лицевой панели электронного блока питания БП  «Источник оптического излучения» в крайнее положение против часовой стрелки. После этого выключить его питание тумблером «сеть». Выключить питание  блока «Фотоприемник» тумблером «сеть.

2.7.2 С помощью соединительного кабеля подключить светоизлучающий диод СД к блоку «Источник оптического излучения».

2.7.3 С помощью соединительного кабеля подключить ФД2 к блоку «Фотоприемник».

2.7.4 Включить тумблеры «сеть» на панелях «Источник оптического излучения» и «Фотоприемник».

2.7.5 Произвести измерения  и обработку результатов в соответствии с пунктом 2.5.8 данного описания.

 

2.8 Выводы по лабораторной работе

 

Сравнить изменения коэффициента поляризации от тока Iн для различных источников света: лазерного диода и светоизлучающего диода. Представить причины резкого увеличения коэффициента поляризации.

 

2.9  Контрольные вопросы

 

2.9.1 Объяснить явление поляризации света.

2.9.2 Что такое поляризаторы и принцип их работы?

2.9.3 Объяснить разницу между поляризацией ЛД и поляризацией СИД?

2.9.4 Как зависит процесс поляризации света от тока накачки?

2.9.5 При каком условии происходит полная поляризация отраженного луча?

 

 

3 Лабораторная работа. Качественный анализ модовой структуры волоконных световодов. Исследование степени когерентности лазерного диода».

 

3.1           Цель работы: изучение модовой структуры многомодового оптического световода и определение степени когерентности лазерного диода.

 

3.2           Рабочее задание

 

- 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.

 

3.3           Подготовка к работе

 

Повторить разделы: когерентность излучения ЛД, ток накачки, модовые шумы

 

3.4           Используемое оборудование

 

а) электронный блок питания БП «Источник оптического излучения»;

б) лазерный диод ЛД2;

в) юстировочные устройства ЮУ1 и ЮУ2;

г) многомодовый  волоконный световод ВС;

д) телекамера с микрообъективом;

е) черно-белый монитор;

ж) телевизионный осциллограф.

 

3.5           Краткие сведения

 

Для оптимизации процесса генерации в источниках, реализованных на практике, при изготовлении перехода добиваются, чтобы концентрация основных носителей в одном из полупроводников была бы существенно выше, чем в другом.   Типичные значения величин следующие:

 

n _n+   =10 ²⁴   (1/ м³  ) ;    p_p   =10 ²²  (1/ м³  ).

 

Обычно разница в величинах n _n+  и p _p столь велика, что для практических расчетов можно считать,  что ток накачки в основном обусловлен инжекцией электронов в ПП p типа. Инжекция дырок в сильнолегированный ПП n  типа может привести к появлению большого числа неосновных носителей  (дырок) вне обедненного слоя. Они будут рекомбинировать с электронами, не обеспечивая при этом заметного вклада в суммарное излучение. В результате количество инжектируемых в обедненный слой электронов сокращается и интенсивность излучения уменьшается. 

Качество источника, характеризующее долю тока накачки, которая используется на создание излучения, принято характеризовать параметром h_инж , который носит название "эффективность инжекции". Для данного случая он определится отношением электронного тока через переход к полному току (электронному и дырочному). В реальных устройствах стремятся приблизить значение h_инж  к единице, для чего используются специальные технологические приемы, которые будут рассмотрены ниже.

Электроны, инжектированные в обедненный слой, рекомбинируют с дырками. Но не каждый акт рекомбинации приводит к рождению фотона. Наряду с излучательными переходами электронов из зоны проводимости в валентную зону происходят и безизлучательные, при которых высвобождающаяся энергия тратится, например, на создание колебаний кристаллической решетки. В конечном итоге все безизлучательные переходы ведут к повышению температуры   обедненного слоя. Эффективность использования инжектированных в обедненный слой электронов характеризуется параметром h_эф, который носит название "внутренняя квантовая эффективность". Он определяется отношением количества фотонов, рожденных в единицу времени, к количеству актов рекомбинации за этот же временной промежуток.

Механизм излучения фотонов связан с их кванотово-механической природой. Особенность поведения этих частиц состоит в следующем. Вероятность излучательной рекомбинации электрона и дырки и появления фотона с энергией Е_ф в некоторой области ПП тем выше, чем большее количество частиц с такой же энергией уже существует в окрестности этой точки. Акт рекомбинации совершается под воздействием уже имеющихся фотонов. Таким образом формируется индуцированное излучение.

Все излученные фотоны в этом случае будут иметь одинаковую энергию и импульс. Можно считать, что таким образом происходит выстраивание частиц друг за другом в цепочку. С волновой точки зрения они образуют отрезок оптической волны, который существует на конечном интервале времени t_к.  В пределах этого интервала ее можно считать "почти" монохроматической, поскольку определены и неизменны во времени (в течение этого интервала)  амплитуда, частота и фаза.

Значение  t_к  определяет время когерентности источника излучения и является одним из основных его параметров. С ним связано понятие о  длине когерентности l_k , которая определяется как расстояние, которое проходит сформированный отрезок "почти" монохроматической волны  за время когерентности:

 

l_k = t_к ∙с;             с = 3 ∙10 ⁸ м/сек – скорость света.

 

3.6           Порядок выполнения работы

 

Исследовать модовый состав волоконных световодов по распределению интенсивности в их поперечном сечении.

         Лабораторная установка приведена на рисунке 3.1.

3.6.1 Установить:         

         - ручки потенциометров регулировки тока накачки "грубо", "точно" на панели блока «Источник оптического излучения» в крайнее положение против часовой стрелки;

         - кнопочный переключатель пределов изменения тока накачки – в положение 30мА;

         - с помощью соединительного кабеля подключить ЛД  к блоку «Источник оптического излучения».

         3.6.2 Включить тумблер «сеть».

3.6.3 Включить питание монитора М и телекамеры ТК. При этом после его прогрева наблюдается слабое свечение экрана монитора.

3.6.4 С помощью потенциометров "грубо", "точно", расположенных на лицевой панели блока «Источник оптического излучения», установить значение тока накачки лазерного диода I_н= 15мА. Контроль тока накачки осуществляется по стрелочному прибору на лицевой панели.

3.6.5 Выходной торец световода расположен напротив микрообъектива телекамеры. Оба элемента закреплены во втором юстировочном устройстве. Добиться четкого изображения на экране монитора.

3.6.6 Исследуемый в данном эксперименте лазерный диод расположен  в узле юстировочного устройства ЮУ2, осуществляющем угловое перемещение. Добиться появления на выходном торце световода светового

 

Рисунок 3.1

 

пятна, которое наблюдается на экране монитора. Регулировку положения источника и входного торца световода производить методом последовательных приближений, добиваясь максимальной яркости наблюдаемого пятна.

3.6.7 При правильном выполнении всех юстировочных операций на экране монитора наблюдается распределение интенсивности в поперечном сечении исследуемого световода. Может оказаться, что яркость изображения черезмерно высока, что затрудняет наблюдение деталей изображения. В этом случае следует уменьшить долю оптической мощности источника излучения, которая вводится в исследуемый световод. Для этого необходимо сместить входной торец световода относительно ЛД2. Смещение может производиться как с помощью микрометрических винтов УВ1, УГ1 (по углу ввода излучения в световод), так и с помощью микрометрических винтов ЛПП1, ЛВ1 (линейное смещение торца световода относительно источника). Используя эти возможности, добиться появления на экране монитора спекловой структуры  - в пределах засвеченной световодом области должны наблюдатся отдельные мелкие светлые пятна, ограниченные темными областями. Положение их нестабильно и подвержено случайным флуктуациям. Это обусловлено когерентностью излучения ЛД.

3.6.8 После выполнения всех юстиовочных операций, не меняя пределов изменения тока накачки, уменьшить его до нуля, установив ручки потенциометров регулировки тока накачки "грубо", "точно" на лицевой панели электронного блока «Источник оптического излучения» в крайнее положение против часовой стрелки. При этом светящееся пятно на экране монитора исчезнет, так как генерация излучения отсутствует.

3.6.9 Плавно увеличивать величину тока накачки с помощью потенциометров «грубо», «точно» и следить за возникающим светящимся пятном на экране монитора. При токе накачки I_н,  меньшим порогового значения, определенного ранее при выполнении предыдущих лабораторных работ, на экране монитора должно наблюдаться светящееся пятно с равномерной засветкой. Картина стабильна, что свидетельствует об отсутствии интерференции между различными модами световода.

3.6.10 Дальнейшее увеличение тока накачки должно привести к появлению на экране монитора спекловой структуры - в пределах засвеченной световодом области должны наблюдаться отдельные мелкие светлые пятна, ограниченные темными областями. Положение их нестабильно и подвержено случайным флуктуациям. Это обусловлено когерентностью излучения ЛД.

3.6.5.11 Зафиксировать значение тока накачки I_п3, которое соответствует появлению спекловой структуры излучения из торца световода. Сравнить измеренное значение с величиной порогового тока I_п1 и величиной I_п2, соответствующей появлению поляризационных свойств лазерного излучения. Эти величины были определены ранее в лабораторных работах 1 и 2. Все три значения токов должны совпадать в пределах точности эксперимента.

3.6.12 Уменьшить  до нуля значение тока накачки I_н, установив ручки потенциометров регулировки тока накачки "грубо", "точно" на лицевой панели электронного блока «Источник оптического излучения» в крайнее положение против часовой стрелки. При этом светящееся пятно на экране монитора исчезнет, так как генерация излучения отсутствует.

 

3.7 Исследование зависимость степени когерентности излучения ЛД от тока накачки по анализу распределения интенсивности в поперечном сечении волоконного световода

 

Оценка степени когерентности излучения оптического источника производится по контрасту спекловой структуры, наблюдаемой на торце световода, возбужденного исследуемым источником. Оценка может приводится по анализу картины излучения многомодового световода. Для анализа картины излучения используется осциллограф с блоком  выделения строки ( осц и БВС ). В этом случае осциллограмма, наблюдаемая на экране осциллографа, повторяет закон распределения интенсивности в поперечном сечении. На рисунке 3.2 показано качественно изображение светящегося торца световода, наблюдаемого на экране монитора, и отмечены выделяемые строки изображения. Здесь же приведены соответствующие выделяемым строкам осциллограммы, наблюдаемые на экране осциллографа. Изменяя положение выделяемой строки с помощью кнопок «↓,↑» на лицевой панели БВС, можно просканировать изображение, наблюдаемое на экране монитора, по вертикали (см. рисунок 3.2). Качественная оценка степени когерентности излучения лазерного диода ЛД2 может производиться с помощью ногомодового световода.

 

3.7.1 Включить питание осциллографа, блока выделения строки и монитора.

3.7.2 Установить выделяемую строку в центр изображения на экране монитора. Для этого нажать кнопку «+» на лицевой панели БВС. Положение выделяемой строки отмечается на экране монитора светлой линией. При необходимости для удобства проведения измерений изменить положение выделяемой строки с помощью кнопок «↓,↑» на лицевой панели БВС.

3.7.3 Измерить степень когерентности следует по контрасту интерференционной картины, наблюдаемой на экране монитора. Она является результатом интерференции отдельных мод световода, каждая из которых попадает на торец, пройдя отличный от других путь. Следует помнить, что любая, даже самая незначительная деформация световода, приводит к изменению этого пути, что приводит к изменению результата интерференции. В результате интерференционная картина не остается стабильной. Поэтому при проведении измерений следует стремиться к исключению воздействий на исследуемый световод. Выполнить следующие операции.

3.7.4 Установить значение тока накачки лазерного диода, равным 20мА с помощью потенциометров регулировки тока накачки "грубо", "точно" на лицевой панели электронного блока «Источник оптического излучения». Контроль тока накачки осуществляется по стрелочному прибору на лицевой панели. При этом его излучение становится заведомо когерентным, и на экране монитора должна наблюдается спекл-картина.

3.7.5 На экране осциллографа при этом должна наблюдаться осциллограмма, примерный вид которой показан на рисунке 3.3а. Если наблюдается чрезмерный контраст изображения, вид осциллограммы будет соответствовать рисунку 3.3б.

 

Рисунок 3.3

3.7.5 Ручкой «В/дел», находящейся на лицевой панели осциллографа, установить удобный для измерения вертикальный масштаб изображения. В дальнейших измерениях положение ручки не менять.

         3.7.6 Ручкой «сек/дел», находящейся на лицевой панели осциллографа, установить удобный для измерения горизонтальный масштаб изображения.

3.7.7 Отметить на осциллограмме положение уровня «черного» (см. рисунок 3.3а) и отсчитать от него уровень, соответствующий минимальной р_min и максимальной р_max яркости изображения в пределах светящегося пятна на торце световода. Отсчет проводить в делениях, нанесенных на экран осциллографа. Данные измерений занести в таблицу 3.1.

Занести значение I_н в первую графу таблицы 3.1.

 

Таблица 3.1 – Измерение степени когерентности лазерного диода

Iн (мА)	15 мА
рmin (дел)
рmах (дел)
γ

 

3.7.8 Изменять величину тока накачки в сторону уменьшения с шагом 1,5 мА. При каждом фиксированном значении I_н определять р_min и р_max. Отсчет проводить в делениях, нанесенных на экран осциллографа. Данные измерений занести в таблицу 5. При уменьшении тока накачки яркость изображения также уменьшается. При необходимости увеличить яркость изображения за счет увеличения мощности, вводимой в световод.

3.7.9 По данным измерений вычислить величину степени когерентности по формуле:

 

γ = (р_max - р_min )/ (р_max + р_min )

 

и построить зависимость γ(I_н).

 

3.8 Выводы по лабораторной работе

 

Обратить внимание студентов на причину появления модовых шумов в волоконно оптических линиях связи. Сделать выводы по анализу распределения интенсивности в поперечном сечении волоконных световодов.

 

3.9 Контрольные вопросы

 

3.9.1 Какой параметр принято характеризовать как «Эффективность инжекции»?

         3.9.2 Пояснить понятие «Внутренняя квантовая эффективность».

         3.9.3 Как меняется эффективность инжекции h_эф за счет роста тока накачки?

         3.9.4 Немонохроматическое излучение свойственно для СИД или ЛД, пояснить?

         3.9.5 Причина возникновения модовых шумов?

 

 

4 Лабораторная работа. Экспериментальное определение числовой апертуры волоконных световодов

 

4.1 Цель работы: изучение основных параметров волоконных световодов и экспериментальное определение числовой апертуры

 

4.2 Рабочее задание

 

- произвести экспериментальное определение числовой апертуры многомодового световода.

                            

4.3 Подготовка к работе

 

Повторить разделы: лучевая теория передачи по световодам.

 

4.4 Используемое оборудование

 

а) электронный блок питания БП

«Источник оптического излучения»;     

         б) лазерный диод ЛД2;

         в) юстировочные устройства ЮУ1 и ЮУ2;

         г) многомодовый волоконный световод ВС;

         д) телекамера с микрообъективом;

         е) черно-белый монитор;

         ж)  телевизионный осциллограф.

 

4.5 Краткие сведения

 

Волоконный световод является главным элементом любой оптической системы связи. Вдоль него распространяются оптические волны, и благодаря малому затуханию обеспечивается  передача информации на расстояния до 100км без ретрансляции.

С электродинамической точки зрения волоконный световод представляет собой разновидность диэлектрического волновода круглого сечения. Его эскиз приведен на рисунке 4.1, где указаны основные его параметры:

- диаметр сердцевины W;

- диаметр оболочки D;

- коэффициент преломления сердцевины n₁;

- коэффициент преломления оболочки n₂.

Распространение волн в таком световоде возможно за счет явления полного внутреннего отражения, возникающего на границе раздела сердцевина - оболочка. Для этого необходимо обеспечить условие n₁ > n₂. На практике величина скачка коэффициента преломления n= n₁ - n₂    » 10^-2¸10³.

Качественный анализ процесса распространения волн по световоду можно проводить, используя законы геометрической оптики. Плоская волна падает на границу раздела сердцевина- оболочка под углом q. Если он превышает критическое значение q_К (угол полного внутреннего отражения), то волна распространяется вдоль световода без потерь по сложному зигзагообразному пути (см. рисунок 4.1).

Для того чтобы волны испытывали полное внутреннее отражение необходимо, чтобы на торец световода (см. рисунок 4.1) они падали под углами, не превышающими некоторое значение j. Последнее определяется параметрами световода n₂ и n₁. Величина NA=sinj носит название числовой апертуры и является одним из основных параметров волокна.

Волны, падающие на границу раздела, сердцевина – оболочка под углом, q >q_К, называются направляемыми.

 

Более строгий анализ показывает, что процесс их распространения возможен при выполнении дополнительного условия фазового самосогласования. Оно "выбирает" из всех возможных зигзагообразных путей только некоторые. В результате направляемые волны образуют дискретный спектр, каждой составляющей которого соответствует своя, свойственная только ей, структура поля (закон изменения составляющих электромагнитного поля в поперечном сечении световода). В литературе такая составляющая спектра носит название  "собственных волн световода", "типов волн" или "мод".

Особенностью процесса распространения волн по световоду является то, что зигзагообразный путь, проходимый волнами, различен. Более того, форма пути зависит от длины волны источника, возбуждающего световод. Следовательно, отрезок световода конечной длины каждая мода будет проходить за различное время. С точки зрения передачи информации по волоконной линии, этот процесс порождает ее искажения за счет волноводной дисперсии - каждая составляющая этого спектра проходит отрезок волновода за различное время, и на его выходе между ними возникают неустранимые фазовые сдвиги.

Количество мод, распространяющихся по световоду, связано, прежде всего, с размерами его поперечного сечения. Условно световоды можно разделить на:

         - многомодовые (W » 50мкм);

- одномодовые (W » 10мкм).

Наличие большого числа мод в световоде без принятия специальных мер приводит к появлению специального источника шумов в волоконной линии (модовый шум).

На практике используются два типа источников для возбуждения световодов:

         - когерентный (лазер, лазерный диод);

         - некогерентный (светоизлучающий диод).

 

 

При работе волокна совместно с лазером на выходном торце волокна все моды имеют за счет когерентности источника стабильное значение фазового набега. В результате они интерференционно складываются, образуя известную "спекл- картину". Если световод многомодовый, то она достаточно сложна и представляет собой  практически случайное чередование темных и светлых областей. Качественно она показана на рисунке 6.

За счет любого, сколь угодно малого, изменения характеристик распространения волн по волокну (колебания температуры, механическая деформация и др.) "спекл-картина"на торце световода меняется. Поскольку именно она наблюдается на чувствительной площадке фотоприемника, регистрирующего оптический сигнал, этот процесс и вносит дополнительный источник шума.

Подобный процесс не будет  наблюдаться, если используется некогерентный источник возбуждения. При этом моды на выходном торце волокна уже не когерентны и не могут интерферировать. Они складываются по мощности, образуя равномерную засветку чувствительной площадки

фотоприемника. Распределение интенсивности этой засветки не подвержено никаким случайным изменениям.

Второй вариант, устраняющий "модовый шум" в волоконной линии, - использование одномодового световода. При этом картинка засветки также стабильна, поскольку она образуется только одной модой, распространяющейся по световоду. Интерференции и в этом случае нет.

 

4.6 Порядок выполнения работы

 

4.6.1Установить:

         - ручки потенциометров регулировки тока накачки "грубо", "точно" на лицевой панели электронного блока питания БП (см. рисунок 1.1) «Источник оптического излучения» в крайнее положение против часовой стрелки;

         - кнопочный переключатель пределов изменения тока накачки – в положение 30мА.

         - с помощью соединительного кабеля подключить ЛД2 (см. рисунок 3.1) к блоку «Источник оптического излучения». Соединение осуществляется с помощью разъема РС 4 ТВ, блочная часть которого расположена на лицевой панели.

         4.6.2 Включить тумблер «сеть» на лицевой панели блока «Источник оптического излучения». При этом загорается его подсветка.

4.6.3 Включить питание монитора М и телекамеры ТК (см. рисунок 1.1), нажав кнопочный переключатель на лицевой панели монитора. При этом после его прогрева наблюдается слабое свечение экрана монитора.

         4.6.4 С помощью потенциометров "грубо", "точно", расположенных на лицевой панели блока «Источник оптического излучения» установить значение тока накачки лазерного диода I_н= 15мА. Контроль тока накачки осуществляется по стрелочному прибору на лицевой панели.

         4.6.5.Выходной торец световода расположен напротив микрообъектива телекамеры. Оба элемента закреплены во втором юстировочном устройстве ЮУ2 (см. рисунок 3.1). Цилиндр 14, в которой закреплена телекамера 13, предусматривает возможность линейного продольного перемещения оправки 16 с микрообъективом 15 относительно телекамеры.

         4.6.6 Исследуемый в данном эксперименте лазерный диод расположен в узле юстировочного устройства ЮУ2, осуществляющем угловое перемещение (см. рисунок 3.1).

         4.6.7 В юстировочном устройстве ЮУ2 предусмотрена возможность продольного перемещения телекамеры относительно торца световода с помощью микрометрического винта ЛПР2. При этом изменяется линейный масштаб изображения, наблюдаемого на экране монитора. Перемещая телекамеру в продольном направлении с помощью микрометрического винта ЛПР2, приближая ее к выходному торцу световода , следует добиться четкого изображения светящегося торца световода на экране монитора. Изображение должно занимать приблизительно половину экрана монитора. Изменяя угловое положение торца световода относительно микрообъектива телекамеры и перемещая телекамеру по двум поперечным направлениям с помощью соответствующих микрометрических винтов, необходимо добиться того, чтобы изображение светящегося пятна находилось в центре экрана монитора и при этом имело бы форму окружности.

         4.6.8 При правильном выполнении всех юстировочных операций на экране монитора наблюдается распределение интенсивности в поперечном сечении исследуемого световода. Может оказаться, что яркость изображения черезмерно высока, что затрудняет наблюдение деталей изображения. В этом случае следует уменьшить долю оптической мощности источника излучения, которая вводится в исследуемый световод. Для этого необходимо сместить входной торец световода относительно ЛД2. Смещение может производиться как с помощью микрометрических винтов УВ1, УГ1 (по углу ввода излучения в световод), так и с помощью микрометрических винтов ЛПП1, ЛВ1 (линейное смещение торца световода относительно источника). Используя эти возможности, добиться появления на экране монитора спекловой структуры - в пределах засвеченной световодом области должны наблюдатся отдельные мелкие светлые пятна, ограниченные темными областями. Положение их нестабильно и подвержено случайным флуктуациям. Это обусловлено когерентностью излучения ЛД.

         4.6.9 Включить питание осциллографа, блока выделения строки и монитора.

         4.6.10 Установить выделяемую строку в центр изображения на экране монитора. Для этого нажать кнопку «+» на лицевой панели БВС. Положение выделяемой строки отмечается на экране монитора светлой линией. При необходимости для удобства проведения измерений изменить положение выделяемой строки с помощью кнопок «↓,↑» на лицевой панели БВС.

         4.6.11 С помощью органов управления разверткой осциллографа установить длительность развертки таким образом, чтобы на осциллограмме наблюдались строчные импульсы (см. рисунок 4.1). Расстояние L между строчными импульсами соответствует размеру ПЗС площадки телекамеры, равному J = 1/4 дюйма. Измеряя расстояние  осциллограммы определить масштабный коэффициент m = L/J (cм/клетка).

         4.6.12 Выбрать отсчетный уровень, относительно которого в дальнейшем будут определяться линейные размеры пятна (см. рисунок 4.1).

         4.6.13 Измерив размер D пятна относительно отсчетного уровня в делениях, нанесенных на экран осциллографа, пересчитать его в абсолютные величины

 

d = D m (mm).

 

Занести измеренное значение в таблицу 4.1.

 

     Таблица 4.1 – Измерение числовой апертуры волоконного световода

d (mm)
R (mm)

 

 

4.6.14 Отметить по шкале микрометрического винта соответствующий данному размеру пятна отсчет R и занести измеренное значение в таблицу 4.1.

         4.6.15 Переместить телекамеру относительно торца световода с помощью микрометрического винта. При этом размер пятна изменяется. Изменяя угловое положение торца световода относительно микрообъектива телекамеры и перемещая телекамеру по двум поперечным направлениям с помощью соответствующих микрометрических винтов, необходимо добиться того, чтобы изображение светящегося пятна находилось в центре экрана монитора и при этом имело бы форму окружности.

         4.6.16 Изменить положение выделяемой строки с помощью кнопок «↓,↑» на лицевой панели БВС так, чтобы размер наблюдаемого на осциллограмме импульса D был бы максимальным. Это положение выделяемой строки соответствует центру светящегося пятна.

         4.6.17 Определить значения d и R по методике, описанной в пунктах 4.6.13, 4.6.14, и занести их в таблицу 4.1. Повторить измерение этих параметров для нескольких отсчетных точек (по указанию преподавателя).

         4.6.18 По данным таблицы 4.1 построить график зависимости d (R). Если измерения проведены верно, то эта зависимость имеет вид прямой линии. При необходимости аппроксимировать полученную зависимость прямой линией. Угловой коэффициент этой прямой соответствует числовой апертуре исследуемого волоконного световода.

 

         4.7 Выводы по лабораторной работе

 

Сделать выводы по лабораторной работе, обратить внимание студентов на изменение интерференционной картины при различных значениях тока Io.

 

4.8  Контрольные вопросы

 

4.8.1 Перечислите основные параметры волоконных световодов.

         4.8.2 Объясните принцип работы световода.         

4.8.3 Под каким углом будут распространяться лучи без потерь внутри сердцевины ОВ?

4.8.4 Какой угол называется критическим?

 

 

5 Лабораторная работа. Исследование процессов импульсной модуляции лазерного диода

 

5.1 Цель работы: изучить процесс импульсной модуляции лазерного диода      

 

5.2 Рабочее задание

- исследование процесса модуляции интенсивности лазерного диода и влияния на форму оптического сигнала положения рабочей точки на ватт-амперной характеристике;

         - исследование зависимости коэффициента модуляции интенсивности лазерного диода от положения рабочей точки на ватт-амперной характеристике;

         - исследование зависимости коэффициента модуляции интенсивности лазерного диода от напряжения смещения фотодиода.

 

 

5.3 Подготовка к работе

 

Повторить разделы: импульсная модуляция лазерного диода.

 

5.4 Используемое оборудование

 

а) электронный блок «Источник оптического сигнала»;

б) «Фотоприемник»;

в) одномодовый  волоконный световод ВС;

д) телевизионный осциллограф.

 

5.5 Краткие сведения

 

Основные способы модуляции основаны на модуляции интенсивности оптического излучения. Модуляция интенсивности относится не к амплитуде колебаний поля, а к мощности оптического излучения. При одномодовом излучении это соответствует модуляции квадрата амплитуды, а при многомодовом – суммы квадратов амплитуд всех мод (типов колебаний), составляющих поле переносчика. Импульсные виды модуляции: импульсная модуляция интенсивности (ИМИ), фазоимпульсная модуляция (ФИМ), частотно-импульсная модуляция (ЧИМ) и др. в цифровых системах используются модуляция интенсивности с дискретными изменениями информационного параметра, например, уровня интенсивности света в импульсе и тактовом интервале (дискретная ИМИ) либо временного положения на тактовом интервале (дискретная ФИМ или позиционно – импульсная модуляция – ПИМ).

 

5.6 Порядок выполнения работы

 

5.6.1 Установите в исходное положение органы управления электронного блока «Источник оптического сигнала»:

         - ручки потенциометров «грубо», «точно» регулировки токов I₀, I₁ – в крайнее положение против часовой стрелки;

         - кнопочный переключатель «вкл» включения токового ключа I₀ – нажать;

         - кнопочный переключатель «ручная установка» тока  I₀ – отжать;

         - кнопочный переключатель «вкл» включения токового ключа I₁ – нажать;

            - кнопочный переключатель «вкл»  включения внешнего источника сигнала модулирующего аналогового сигнала – отжать.

         - ручку потенциометра «Дисперсионные искажения» - в крайнее положение против часовой стрелки;

         - кнопку «вкл» включения генератора шума – отжать;

         - ручку потенциометра «Уровень шума» - в крайнее положение против часовой стрелки;

         - кнопку «вкл» включения источника сигнала модулирующего аналогового сигнала – отжать;

            - ручку потенциометра «Амплитуда» - в крайнее положение против часовой стрелки,  включить тумблер «сеть».

         5.6.2 Установите органы управления электронного блока «Фотоприемник» в исходное положение:

         - ручки потенциометров «грубо», «точно» регулировки напряжения смещения– в крайнее положение против часовой стрелки;

         - кнопочный переключатель «вкл»  напряжения смещения – нажать;

         -кнопочный переключатель «вкл» включения калибровки фотоприемника – нажать;

         - кнопочный переключатель выбора пределов измерения оптической мощности в относительных единицах – в положение х 100, включить тумблер «сеть»;  

- ручками потенциометров «грубо», «точно» регулировки напряжения смещения установить его значение по стрелочному прибору на лицевой панели, равное U_см = 3 V.

         5.6.3 При необходимости соедините оптический выход электронного блока «Источник оптического сигнала» с оптическим входом электронного блока «Фотоприемник» с помощью одномодового волоконного шнура (желтый цвет защитной оболочки).

         5.6.4 С помощью коаксиальных кабелей, входящих в состав лабораторного макета, выполните следующие соединения:

         - гнездо «кт 3» на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала» соедините со входом первого канала осциллографа;

         - гнездо «синхронизация осциллографа» на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала» соедините со входом  канала синхронизации осциллографа;

         - гнездо «вых» на лицевой панели электронного блока «Фотоприемник» соедините со входом второго канала осциллографа.

         5.6.5 Используя результаты исследования ватт – амперной характеристики, полученные в предыдущей работе, установить с помощью потенциометров «грубо», «точно» на лицевой панели блока «Источник оптического сигнала» значение тока I₀, равное пороговому значению (I₀ = I_п).

         5.6.6 Плавно увеличивать значение I₁ с помощью вращения по часовой стрелке ручек потенциометров «грубо», «точно» на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала». При этом ток накачки лазерного диода и излучаемая им оптическая мощность модулированы импульсным сигналом. Величина  I₁ определяет амплитуду этого сигнала. Используя органы управления разверткой осциллографа (период развертки, усиление, центровка изображения по горизонтали и вертикали), получить устойчивое изображение сигнала модуляции на первом канале осциллографа.

         5.6.7 Установить переключатель «В/дел» второго канала  в положение 0,5. С помощью потенциометров «грубо», «точно», регулирующих величину тока I₁ (вращая их по часовой стрелке и увеличивая тем самым его величину),  установить значение тока I₁, обеспечивающее появление сигнала на выходе фотоприемника. Затем, увеличивая значение тока I₁, доведите значение амплитуды принимаемого оптического сигнала до максимально возможного значения. При необходимости менять положение переключателя «В/дел» второго канала. Примерный вид осциллограммы показан на рисунке 5.1.

5.6.8 Для удобства дальнейших измерений с помощью регулировки вертикального положения сигнала 1 канала (↨) переместить его за пределы экрана. На экране наблюдается сигнал 2 канала, поступающий с выхода электронного блока «Фотоприемник».

5.6.9 Установить на экране осциллографа нулевую отсчетную линию, соответствующую нулевому току фотодиода. Для этого выполнить следующие операции:         

- установить ручки потенциометров «грубо», «точно» регулировки тока I₁ на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала» в крайнее положение против часовой стрелки. При этом амплитуда модулирующего сигнала равна нулю – модуляция отсутствует;

 

        

- на лицевой панели электронного блока «Фотоприемник» кнопочный переключатель «вкл» включения калибровки фотоприемника – нажать. При этом вход усилителя фототока соединяется с землей, что соответствует нулевому значению тока фотодиода. Следует запомнить положение отсчетной линии на экране;

         - на экране осциллографа наблюдается прямая линия. С помощью регулировки вертикального положения сигнала 2 канала (↨) переместить ее в положение, совпадающее с нижней линией градуировочной сетки, нанесенной на экране осциллографа (сплошная линия на рисунке 5.2);

         - нажать кнопочный переключатель «вкл» включения калибровки фотоприемника – при этом линия, соответствующая сигналу на втором канале осциллографа, переместиться вверх. В данном случае положение отсчетной линии определяется темновым током фотодиода I_т (сигнал модуляции отсутствует и значение тока I₀ выбрано равным пороговому значению).

5.6.10 Плавно увеличить значение I₁ с помощью вращения по часовой стрелке ручек потенциометров «грубо», «точно» на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала» до получения максимальной амплитуды сигнала. Контроль производится по экрану осциллографа.

         5.6.11 Исследовать зависимость глубины модуляции лазерного излучения импульсным сигналом от величины тока I₀. Для этого выполнить следующие операции:

         - с помощью потенциометров «грубо», «точно» регулировки амплитуды модулирующего тока I₁ на лицевой панли электронного блока «Источник оптического сигнала» установить ее значение I₁ = 20 мА;

 

 

- с помощью потенциометров «грубо», «точно» регулировки тока I₀ на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала» установить текущее его значение;

         - откорректировать величину I₁, которая может измениться за счет работы схемы стабилизации положения рабочей точки;

         - по наблюдаемой на экране осциллограмме произвести отсчет величин Р_min и Р_мах (см. рисунок 5.3), которые соответствуют минимальному и максимальному уровням фиксируемого фотодиодом сигнала;

         - данные измерений занести в таблицу 5.1;

         - повторить измерения для значений I₀ с шагом 2 мА.

 

Рисунок 5.3 – Измерение коэффициента модуляции по осциллограмме

 

Таблица 5.1 – Зависимость коэффициента модуляции от тока I₀

I0 (мА)
Рmin (мм)
Рmах (мм)
M

        

         5.6.12 По экспериментальным данным вычислить значение коэффициента модуляции по формуле:

 

m = ( Р_mах - Р_min ) / ( Р_mах + Р_min ).

 

         5.6.13 Построить зависимость коэффициента модуляции m от тока I₀.

         5.6.14 Исследовать зависимость глубины модуляции лазерного излучения импульсным сигналом от  напряжения смещения на фотодиоде U_cм. Для этого выполнить следующие операции:

         - установить значение тока I₀ , равное пороговому, с помощью потенциометров «грубо», «точно» регулировки I₀ на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала»;

         - установить значение амплитуды модулирующего тока I₁ = 20мА  с помощью потенциометров «грубо», «точно» регулировки амплитуды модулирующего тока I₁ на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала»;

         - установить ручки потенциометров «грубо», «точно» регулировки напряжения смещения фотодиода на лицевой панели электронного блока «Фотоприемник» в крайнее положение против часовой стрелки;

         - отжать кнопочный переключатель «вкл» включения напряжения смещения на лицевой панели электронного блока «Фотоприемник». При этом на фотодиод не подается напряжение смещения, и он работает в гальваническом режиме;

         - по наблюдаемой на экране осциллограмме произвести отсчет величин Р_min и Р_мах (см. рисунок 5.3), которые соответствуют минимальному и максимальному уровням фиксируемого фотодиодом сигнала;

         - данные измерений занести в таблицу 6 для  U_см =0;

         - нажать кнопочный переключатель «вкл» включения напряжения смещения на лицевой панели электронного блока «Фотоприемник». При этом на фотодиод  подается напряжение смещения;

         - изменяя U_см от минимально возможного (соответствующего повороту ручек потенциометров «грубо», «точно» в крайнее положение против часовой стрелки) до 5 V с шагом 1V, произвести измерение величин Р_min и Р_мах для всех значений U_см. Данные измерений занести в таблицу 5.2.

 

Таблица 5.2 – Зависимость коэффициента модуляции от напряжения смещения U_см

Uсм (V)
Рmin (мм)
Рmах (мм)
M

 

         5.6.15 По экспериментальным данным таблицы 4.1 вычислить значение коэффициента модуляции по формуле, приведенной в пункте 5.4.12.

         5.6.16 Построить зависимость коэффициента модуляции m от напряжения смещения на фотодиоде U_cм.

         5.6.17 Установить значение величин I₀ и I_1, заданных преподавателем.  С помощью регулировки вертикального положения сигнала 1 канала (↨) вывести сигнал модуляции на экран. Органы регулировки положения сигнала на втором канале должны при этом оставаться в исходном положении, чтобы не изменилось положение нулевого отсчетного уровня. Зарисуйте осциллограммы модулирующего сигнала, наблюдаемого по первому каналу, и принимаемого фотоприемником сигнала, наблюдаемого по второму каналу. На осциллограмме отметить положение нулевого уровня.

         5.6.18 После проведения измерений используемые приборы отключить.

 

5.7  Выводы по лабораторной работе

 

Обратить внимание студентов на формы полученных кривых с выхода фотоприемника при различной интенсивности лазерного диода. 

 

5.8           Контрольные вопросы

 

5.8.1 Дать определение импульсной модуляции ЛД.

5.8.2 Пояснить определение «рабочая точка».

5.8.3  Как влияет модуляция интенсивности лазерного диода на форму оптического сигнала и положение рабочей точки на ватт-амперной характеристике?

5.8.4 Как зависит коэффициент модуляции интенсивности лазерного диода от положения рабочей точки на ватт-амперной характеристике?

 

 

         6 Лабораторная работа. Исследование процессов аналоговой модуляции лазерного диода

 

6.1 Цель работы: изучить процесс аналоговой модуляции лазерного диода

 

6.2 Рабочее задание

 

-исследование процесса модуляции интенсивности лазерного диода и влияния на форму оптического сигнала положения рабочей точки на ватт-амперной характеристике;

         -исследование зависимости коэффициента модуляции интенсивности лазерного диода от положения рабочей точки на ватт-амперной характеристике.

 

6.3 Подготовка к работе

 

Повторить разделы: аналоговая модуляция лазерного диода.

 

6.4 Используемое оборудование

 

а) электронный блок «Источник оптического сигнала»;

б) «Фотоприемник»;

в) одномодовый  волоконный световод ВС;

д) телевизионный осциллограф.

 

6.5 Краткие сведения

 

Аналоговые способы модуляции удобно использовать для передачи нескольких широкополосных сигналов (н-р, нескольких ТВ программ) по одному оптическому волокну. Аналоговые ВОСП находят применение в системах контроля, кабельного ТВ, телеметрии и управления. Простейшим видом аналоговой модуляции является модуляция интенсивности или непосредственная модуляция оптического излучения аналоговым электрическим сигналом, при котором выходная мощность излучателя возрастает или уменьшается относительно некоторого среднего значения пропорционально величине передаваемого сигнала. При большой глубине модуляции лазерных диодов возникают большие нелинейные искажения, ухудшающие качественные показатели передачи, возможность уменьшения- выбор положения несущих частот телевизионных и радиовещательных каналов на оси частот, при котором имеющие наибольший уровень продукты нелинейности второго и третьего порядков не попадают в полосы частот передаваемых сигналов. Поэтому основным источником излучения в аналоговых ВОСП является светоизлучающий диод.

 

6.6 Порядок выполнения работы

 

6.6.1 Соедините оптический выход электронного блока «Источник оптического сигнала» с оптическим входом электронного блока «Фотоприемник» с помощью одномодового волоконного шнура (желтый цвет защитной оболочки) .

         6.6.2 Установите в исходное положение органы управления электронного блока «Источник оптического сигнала»:

         - ручки потенциометров «грубо», «точно» регулировки токов I₀, I₁ – в крайнее положение против часовой стрелки;

         - кнопочный переключатель «вкл» включения токового ключа I₀ – нажать;

         - кнопочный переключатель «ручная установка» тока  I₀ – отжать;

         - кнопочный переключатель «вкл» включения токового ключа I₁ – отжать;

         - кнопочный переключатель «вкл»  включения внешнего источника сигнала модулирующего аналогового сигнала – отжать.

         - ручку потенциометра «Дисперсионные искажения» - в крайнее положение против часовой стрелки;

         - кнопку «вкл» включения генератора шума – отжать;

         - ручку потенциометра «Уровень шума» - в крайнее положение против часовой стрелки;

         - кнопку «вкл»  включения источника сигнала модулирующего аналогового сигнала – нажать;

         - ручку потенциометра «Амплитуда» - в крайнее положение против часовой стрелки;

         - включить тумблер «сеть». При этом загорается его подсветка.

         6.6.3 Установите органы управления электронного блока «Фотоприемник» в исходное положение:

            - ручки потенциометров «грубо», «точно» регулировки напряжения смещения – в крайнее положение против часовой стрелки;

         - кнопочный переключатель «вкл» включения напряжения смещения – нажать;

         - кнопочный переключатель «вкл» включения калибровки фотоприемника – нажать;

         - кнопочный переключатель выбора пределов измерения оптической мощности в относительных единицах – в положение х 100;

         - включить тумблер «сеть». При этом загорается его подсветка;

         - ручками потенциометров «грубо», «точно» регулировки напряжения смещения установить его значение по стрелочному прибору на лицевой панели равное U_см = 3 V.

         6.6.4 С помощью коаксиальных кабелей, входящих в состав лабораторного макета, выполните следующие соединения:

         - гнездо «кт 3» на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала» соедините со входом первого канала осциллографа;

         - гнездо «синхронизация осциллографа» на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала» соедините со входом  канала синхронизации осциллографа;

         - гнездо «вых» на лицевой панели электронного блока «Фотоприемник» соедините со входом второго канала осциллографа.

         6.6.5 С помощью потенциометров «грубо», «точно» регулировки тока I₀ на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала» установить текущее его значение I₀ = 10мА.

         6.6.6 Установить на экране осциллографа нулевую отсчетную линию для сигнала на втором канале осциллографа. Она соответствует нулевому току фотодиода. Для этого выполнить следующие операции:

         - проверить установку ручки потенциометра «Амплитуда», на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала» в крайнее положение против часовой стрелки. При этом амплитуда модулирующего сигнала равна нулю – модуляция отсутствует;

         - на лицевой панели электронного блока «Фотоприемник» кнопочный переключатель «вкл» включения калибровки фотоприемника – нажать. При этом вход усилителя фототока соединяется с землей, что соответствует нулевому значению тока фотодиода.

         - на экране осциллографа наблюдается прямая линия. С помощью регулировки вертикального положения сигнала 2 канала (↨) переместить ее в положение, совпадающее с нижней линией градуировочной сетки, нанесенной на экране осциллографа. Следует запомнить положение отсчетной линии на экране;

         - нажать кнопочный переключатель «вкл» включения калибровки фотоприемника – при этом линия, соответствующая сигналу на втором канале осциллографа, переместиться вверх. В данном случае положение отсчетной линии определяется темновым током фотодиода I_т и постоянным уровнем излучения лазерного диода, который определяется током I₀ = 10мА.

         6.6.7 Вращая по часовой стрелке ручку потенциометра «Амплитуда» на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала», добиться появления синусоидальных сигналов на первом и втором каналах осциллографа. Установить максимальную амплитуду аналогового сигнала, повернув ручку потенциометра до упора. По первому каналу наблюдается модулирующий сигнал, по второму – сигнал с выхода фотоприемника. Зарисовать осциллограммы сигналов. Для сигнала с выхода фотоприемника (второй канал) обязательно отметить нулевой уровень.

         6.6.8 Уменьшая с помощью потенциометров «грубо», «точно» регулировки тока I₀ на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала» его значение, добиться появления искажений сигнала на выходе фотоприемника. Зарисовать осциллограммы сигналов с отметкой нулевого уровня для сигнала с выхода фотоприемника.

         6.6.9 Для удобства дальнейших измерений с помощью регулировки вертикального положения сигнала 1 канала (↨) переместить его за пределы экрана. На экране наблюдается сигнал 2 канала, поступающий с выхода электронного блока «Фотоприемник».

         6.6.10 Исследовать зависимость глубины модуляции лазерного излучения аналоговым синусоидальным сигналом от величины тока I₀. Для этого выполнить следующие операции:

         - с помощью потенциометров «грубо», «точно» регулировки тока I₀ на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала» установить текущее его значение;

         - откорректировать амплитуду модулирующего сигнала, вращая ручку потенциометра «Амплитуда» на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала» так, чтобы не возникали искажения формы сигнала на выходе фотоприемника;

         - по наблюдаемой на экране осциллограмме произвести отсчет величин Р_min и Р_мах , которые соответствуют минимальному и максимальному уровням фиксируемого фотодиодом сигнала;

         - данные измерений занести в таблицу 6.1;

         - повторить измерения для значений I₀  с шагом 1 мА.

 

Таблица 6.1 – Зависимость коэффициента модуляции от тока I₀

I0 (мА)
Рmin (мм)
Рmах (мм)
M

        

         6.6.11 По экспериментальным данным вычислить значение коэффициента модуляции по формуле:

 

m = ( Р_mах - Р_min ) / ( Р_mах + Р_min ).

 

Построить зависимость коэффициента модуляции m от тока I₀.

 

         6.7 Выводы по лабораторной работе

 

Сделать выводы по лабораторной работе, обратить внимание студентов на получение коэффициента модуляции m при различных значениях тока Io, зафиксировать условие появления искажения формы сигнала на выходе фотоприемника.

        

6.8 Контрольные вопросы

 

6.8.1 Дать определение аналоговой модуляции.

         6.8.2 Как влияет процесс модуляции интенсивности лазерного диода  на форму оптического сигнала  и положение рабочей точки на ватт-амперной характеристике?

 

 

7 Лабораторная работа. Моделирование формы сигнала на приемном конце реальной оптической линии связи»

 

7.1 Цель работы: моделирование формы сигнала на реальной оптической линии связи

 

7.2 Рабочее задание

 

- расчет реальных параметров оптического сигнала по заданным характеристикам линии связи;

         - моделирование на лабораторной установке формы реального сигнала в линии на основании проведенных расчетов.

 

7.3 Подготовка к работе

 

Повторить разделы: оптоэлектронные компоненты, источник оптического сигнала, характеристики параметров оптического сигнала, характеристики оптической линии связи.

 

7.4  Используемое оборудование

 

а) источник оптического сигнала;

         б) фотоприемник;

         в) двухканальный осциллограф;

г) постоянный и переменный аттенюатор;

д) волоконные соединительные и переходные шнуры.

 

7.5 Порядок выполнения работы

 

         7.5.1 Исходными данными для моделирования сигнала являются задаваемые преподавателем параметрам оптической линии связи:

         - длина линии L (км);

         - тип световода (ММ или SM);

         - коэффициент дисперсии τ (псек/км) для многомодового световода или τ (псек/км∙нм) для одномодового световода;    

         - ширина спектральной линии лазерного диода ∆λ (нм) для одномодового световода;

         - скорость передачи В(мБит/сек).

         Коэффициент затухания световода α (дБ/км) определяется в ходе измерений.

         7.5.2Рассчитать дисперсионное уширение оптического импульса ∆t на приемном конце линии связи. Для многомодовой линии связи величина ∆t  определяется соотношением:

 

∆t(псек) = τ(псек/км) L(км),

 

а для одномодовой – соотношением:

 

∆t(псек) = τ(псек/км нм) ∆λ (нм)  L(км).

 

         7.5.3 Рассчитать величину шумовой составляющей напряжения на нагрузке усилителя фототока. Моделирование сигнала осуществляется в предположении, что шумы на приемной стороне определяются  среднеквадратичным значением шумовой составляющей фототока  I_шф:

 

(I_шф )² = 2е Р_ср S Df

 

и среднеквадратичным значением шумовой составляющей темнового тока I_шт

 

(I_шт )² = 2е I_т Df.

 

 - Р_ср – среднее значение ( постоянная составляющая ) оптической мощности на входе ФД, которое при любом способе модуляции отлично от нуля;

         - S – значение спектральной чувствительности фотодиода, вычисленное в пункте 10  предыдущего раздела;

         - I_т – паспортное значение темнового тока фотодиода, соответствующее напряжению смещения на фотодиоде U_см = 5V : I_т = 10^-9 А;

         -е – заряд электрона: е = 1,6 10^-19 Кул;

         -Df – полоса частот, занимаемая передаваемым по линии сигналом Df=2В.

         Амплитуда шумовой составляющей напряжения на нагрузке  усилителя, определяется соотношением:

 

U_ш = К_т(√(I_шф )²+(I_шт )²  ).

 

Величина К_т – коэффициент пропорциональности между током на входе усилителя и напряжением на его нагрузке: К_т = 2000.

         7.5.4 Установите в исходное положение органы управления электронного блока «Источник оптического сигнала»:

         - ручки потенциометров «грубо», «точно» регулировки токов I₀, I₁ – в крайнее положение против часовой стрелки;

         - кнопочный переключатель «вкл» включения токового ключа I₀ – нажать;

         - кнопочный переключатель «ручная установка» тока  I₀ – отжать;

         - кнопочный переключатель «вкл» включения токового ключа I₁ – нажать;

         - кнопочный переключатель «вкл»  включения внешнего источника сигнала модулирующего аналогового сигнала – отжать.

         - ручку потенциометра «Дисперсионные искажения» - в крайнее положение против часовой стрелки;

         - кнопку «вкл» включения генератора шума – отжать;

         - ручку потенциометра «Уровень шума» - в крайнее положение против часовой стрелки;

         -кнопку «вкл» включения источника сигнала модулирующего аналогового сигнала – отжать;

         - ручку потенциометра «Амплитуда» - в крайнее положение против часовой стрелки;

         - включить тумблер «сеть». При этом загорается его подсветка.

         7.5.5 Установите органы управления электронного блока «Фотоприемник» в исходное положение:

         - ручки потенциометров «грубо», «точно» регулировки напряжения смещения– в крайнее положение против часовой стрелки;

         - кнопочный переключатель «вкл» включения напряжения смещения – нажать;

         - кнопочный переключатель «вкл» включения калибровки фотоприемника – нажать;

- кнопочный переключатель выбора пределов измерения оптической мощности в относительных единицах – в положение х 100;

         - включить тумблер «сеть». При этом загорается его подсветка;

         - ручками потенциометров «грубо», «точно» регулировки напряжения смещения установить его значение по стрелочному прибору на лицевой панели равное U_см = 5 V.

         7.5.6 Провести измерение коэффициента затухания световода. Для этого выполнить следующие операции.

         7.5.6.1.Соединить оптический выход электронного блока «Источник оптического сигнала» с оптическим входом электронного блока «Фотоприемник».

         7.5.6.2 С помощью коаксиальных кабелей, входящих в состав лабораторного макета, выполнить следующие соединения:

         - гнездо «кт 3» на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала» соединить со входом первого канала осциллографа;

         - гнездо «синхронизация осциллографа» на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала» соединить со входом  канала синхронизации осциллографа;

         - гнездо «вых» на лицевой панели электронного блока «Фотоприемник» соединить со входом второго канала осциллографа.

         7.5.6.3 Включить питание осциллографа. Установить переключатели входов обоих каналов в положение (=) – открытый вход для обеспечения наблюдения сигналов с постоянной составляющей. После прогрева на  экране осциллографа появляются осциллограммы модулирующего (первый канал) и принимаемого фотоприемником (второй канал) сигналов. С помощью органов управления осциллографа добиться их устойчивого изображения. При необходимости откорректировать изображение линий с помощью изменения яркости, фокусировки и центровки изображения по вертикали и горизонтали.

         7.5.6.4 Установить значение тока I₀ , равное пороговому, с помощью потенциометров «грубо», «точно» регулировки I₀ на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала».

         7.5.6.5 Плавно увеличивая значение амплитуды модулирующего тока I₁ с помощью потенциометров «грубо», «точно» регулировки амплитуды модулирующего тока I₁ на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала», добиться максимально возможного значения амплитуды сигнала на выходе фотоприемника. Контроль амплитуды осуществляется по осциллограмме.

         7.5.6.6 Измерить амплитуду сигнала U₀ на выходе фотоприемника по осциллограмме. Отметить положение кнопочного переключателя «пределы» на лицевой панели фотоприемника и положение переключателя «В/дел» на лицевой панели осциллографа. Значение амплитуды сигнала (положение ручек потенциометров регулировки тока I₁) после этого не менять.

         7.5.6.7 Отсоединить волоконный шнур, соединяющий фотопремник и источник.

         7.5.6.8 Открыть крышку нормализующей катушки и извлечь из нее два конца световода в защитной оболочке, снабженных коннекторами типа FC.

         7.5.6.9 Соединить источник сигнала и фотоприемник с помощью волоконного световода нормализующей катушки.

         7.5.6.10 Используя кнопочный переключатель пределы на лицевой панели фотоприемника и переключатель «В/дел» на лицевой панели осциллографа, получить устойчивое изображение сигнала на выходе фотоприемника. Измерить по осциллограмме его амплитуду U₁, с учетом изменения положения переключателей.

         7.5.6.11 Вычислить коэффициент затухания световода по формуле:

 

α = 10Lg (U₀/ U₁) (дБ/км).

 

Здесь учтено, что длина отрезка световода составляет 1 километр.

         7.5.7 Вычислить амплитуду сигнала U₂ на выходе фотоприемника, соответствующую моделируемой линии, используя заданное значение ее длины L:

 

W = α L (дБ),

 

U₂ = 10^{(α L/10).}

 

         7.5.8 Используя входящие в состав макета оптические аттенюаторы (ступенчатый  на 20 дБ и переменный) и включая их в состав линии между источником и приемником, получить значение амплитуды сигнала на выходе фотоприемника равного U₂.

         7.5.9 Установить определенное в пункте 7.5.2 дисперсионное уширение импульса ∆t. Для этого выполните следующие операции:

         - измерить длительность импульса T(мм) по линейной шкале на экране осциллографа;

         - вычислить уширение импульса ∆Т(мм) из соотношения:

 

∆Т(мм) = Т(мм) (∆t 2 B);

 

         - вращая ручку потенциометра «Дисперсионные искажения» на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала», установить требуемое уширение импульса ∆Т(мм) по экрану осциллографа. Для этого может быть использован любой из наблюдаемых сигналов.

         7.5.10 Установить амплитудное значение шумовой составляющей напряжения на нагрузке  усилителя, определенное в пункте 7.5.3. Для этого выполнить следующие операции:

         - отжать кнопку «вкл» включения токового ключа I₁ а лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала». При этом исчезнут сигналы, наблюдаемые на экране осциллографа;

         - включить генератор шума, нажав кнопочный переключатель на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала»;

         - вращая ручку потенциометра «Уровень шума», установить сигналу, наблюдаемому на втором канале осциллографа, требуемый уровень шума.

         7.5.11 Нажать кнопку «вкл» включения токового ключа I₁ а лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала». При этом появляются сигналы, наблюдаемые на экране осциллографа. Сигнал,  наблюдаемый на первом канале, соответствует смоделированному. Зарисовать его осциллограмму.

         7.5.12 После проведения измерений:

         - ручки потенциометров «грубо», «точно» регулировки напряжения смещения на лицевой панели электронного блока «Фотоприемник» установить в крайнее положение против часовой стрелки в исходное положение:

         - ручки потенциометров «грубо», «точно» регулировки токов I₀, I₁ электронного блока «Источник оптического сигнала» установить в крайнее положение против часовой стрелки;

         -выключить тумблеры «сеть» на обоих электронных блоках.

 

         7.6 Выводы по лабораторной работе

 

Сделать выводы по результатам моделирования

 

7.7  Контрольные вопросы

 

7.7.1 Какие основные параметры волоконно-оптической линии вы знаете?

         7.7.2 Основные параметры оптического сигнала. 

7.7.3 От каких параметров зависит ширина спектра?

7.7.4 Как связана полоса пропускания с уширением импульса?

 

 

Список литературы 

1.     Убайдуллаев Р.Р. Волоконно – оптические сети. ЭКО – ТРЕНДЗ, Москва, 2000.

2.     Семенов Н.А. Оптические кабели связи. – М.: Радио и связь, 1981.

3.     Гроднев И.И., Курбатов Н.Д. Линии связи. – М.:Связь, 1980.

4.     Справочник. Волоконно-оптические системы передачи и кабели.\под редакцией И.И. Гроднева. – М: Радио и Связь,1993

5. Фриман Р. Волоконно – оптические системы связи. ТЕХНОСФЕРА, Москва, 2006.

6. Бутусов М.М., Верник С.М. Волоконно – оптические системы связи. Москва – 1992.

 

Содержание

1. Лабораторная работа №1. Сравнительное исследование ВАХ лазерного и светоизлучающего диодов  

2. Лабораторная работа №2. Исследование поляризационных характеристик лазерного и светоизлучающего диодов    

3. Лабораторная работа №3. Качественный анализ модовой структуры волоконных световодов. Исследование степени когерентности лазерного диода  

4. Лабораторная работа №4. Экспериментальное определение числовой апертуры волоконных световодов   

5. Лабораторная работа №5. Исследование процессов импульсной модуляции лазерного диода     

6. Лабораторная работа №6. Исследование процессов аналоговой модуляции лазерного диода      

7. Лабораторная работа №7. Моделирование формы сигнала на приемном конце реальной оптической линии связи     

Список литературы