1
Laboration
Innehåll
1
Förberedelseuppgifter2
LaborationsuppgifterFiberoptik
Optiska fibrer och komponenter för fiberoptisk kommunikation
Fiberoptisk överföring av information har under de senaste årtiondena revolutionerat kommunikationsteknologin. I denna laboration ska du få bekanta dig med optiska fibrer. Bland annat kommer du att studera skillnader mellan singelmod- och multimodfibrer, mäta den våglängdsberoende dämpningen i en optisk fiber samt experimentera med ett Fiber Bragg-gitter (FBG), en fiberoptisk komponent som används bl. a. som bandspärrfilter och för multiplexing av signaler, men också som sensor för exempelvis töjning och temperatur.
Redogörelsen
Till denna laboration skall Du lämna in en fullständig laborationsredogörelse över de moment Du utfört och de resultat Du kommit fram till. Rapporten ska förses med ett försättsblad (mall finns på kurshemsidan) och ska antingen skickas som pdf-fil till handledarens e-post adress (finns på laborationsschemat) eller läggas i handledarens fack (på bottenvåningen i H-huset, Fysikum) senast 1 vecka efter laborationen utförts. Om ni väljer att lämna in rapporten via e- post, se till att också skicka en kopia till din labpartner så att ni båda får ta del av all korrespondens. Det skall också framgå av ärenderaden (subject) vilken kurs (CD Fotonik) och vilken laboration rapporten avser samt laboranternas namn.
Förberedelser
Läs i ”Våglära och optik”, Göran Jönsson om
Totalreflektion (Kap. 12, sid 206-207) Fiberoptik (Kap. 12, sid 208-210)
Läs i ”Tillämpad Atomfysik”, Göran Jönsson om
Halvledarlaser (Kap. 11, sid 284-286)
Läs i ”Introduction to Fiber Optics”, John Crisp om
Windows (Kap. 3, sid 20-21)
Numerical aperture (NA) (Kap. 4, sid 31) Decibels (Kap. 5, sid 40-43)
Modes (Kap. 7, sid 63-64)
Connecting optic fibers – the preparation (Kap. 9, sid 91-95) Light sources and detectors (Kap. 14, sid 147-154)
Läs igenom laborationshandledningen och lös förberedelse- uppgifterna. Lösningarna lämnas renskrivna vid laborationens början till handledaren.
Riskanalys
Då optiska fibrer (speciellt singelmodfibrer) är väldigt tunna, finns risk för sticksår och skärsår vid arbete med dessa. En optisk fiber som punkterar huden riskerar också att brytas av med följden att flisor av fibern kan bli kvar i kroppen. Flisor som uppstår vid klyvning av optiska fibrer kan också fastna på händer och kläder med risk för att hamna i ögonen om man exempelvis kliar sig. Använd därför alltid skyddsglasögon då ni klyver fiber, tvätta händerna efteråt och se till att alla fiberrester läggs i därtill avsedd behållare. Mer att läsa om detta finns på sidan 91 i ”Introduction to Fiber Optics”.
Den diodlaser som används under denna del av laborationen har en total uteffekt på ungefär 20 mW och en våglängd på 1550 nm. Detta innebär att du inte kan se laserljuset med blotta ögat, men det har fortfarande en tillräckligt hög effekt för att orsaka allvarliga ögonskador. Det är därför viktigt att ni följer de regler som presenteras under Lasersäkerhet i laborationsinstruktionerna nedan.
Förberedelseuppgifter
1. Numerisk apertur (NA). Fibern som visas i Figur 1 har den numeriska aperturen 0,27 och dess kärna är tillverkat av ett material med brytningsindex 1,5. Vad är brytningsindex för materialet som fiberns mantel är tillverkat av?
Svar: 1.48
2. Multimodfiber. Antag att fibern från uppgift 1 är en stegindexfiber och att dess kärndiameter är 62,5 m. Beräkna det ungefärliga antalet moder som kan propagera i fibern för en våglängd på 633 nm.
Svar: 3500 moder
3. Singelmodfiber. Vilken är den kortaste våglängd för vilken en fiber med en kärndiameter på 4 m och en numerisk apertur på 0,11 fortfarande är en singelmodfiber?
Svar: 575 nm
4. Fokuseringsoptik. En He-Ne laser har en våglängd på 633 nm och en stråldiameter på D=10 mm (se Figur 2).
a) Om du använder en lins med en brännvidd f=40 mm, vad är linsens numeriska apertur?
b) Vad blir strålfläckens storlek i fokus för denna lins?
c) Om du istället använder ett mikroskopobjektiv med en brännvidd på 16 mm, vad är dess numeriska apertur samt strålfläckens storlek i fokus?
d) Vilken av dessa linser skulle vara lämplig att använda för inkoppling av ljuset i en singelmodfiber med en kärndiameter på 4 m och den numeriska aperturen 0,11?
Svar: a) 0,12 ; b) 6,4 m ; c) 0,30 och 2,6 m ; d) Ingen av dem egentligen, antingen den numeriska aperturen för stor eller är strålfläcken i fokus större än kärnan.
5. Förluster. För en 10 meter lång fiber där kärnan har brytningsindex 1,46.
a) Beräkna transmissionen genom fibern om du bara inkluderar reflektionsförluster vid in- och utkoppling. Ange också dämpningen i decibel.
b) Vad blir den totala dämpningen i fibern om du också tar hänsyn till den interna dämpningen. Dämpningskoefficienten för fibern är 15 dB/km.
Svar: a) 0,93 eller 0,31 dB ; b) 0,47 dB Figur 1 Den maximala
acceptansvinkeln för en fiber ges av vinkeln .
Figur 2 Lins med den numeriska aperturen NA=n·sin
Figur 3 En positiv lins som fokuserar ljus med en stråldiameter D till ett
fokus med
strålfläcksdiametern d.
Ledning till uppgift 4: Det som sätter gränsen för hur väl ljus kan fokuseras är böjning eller diffraktion. Diffraktionsgränsen ges av d=1,22·/NA där d är strålfläckens diameter i fokus (se Figur 3) och ljusets våglängd.
5
Laborationsuppgifter
Linjering och inkoppling av ljus i en optisk fiber
I denna del av laborationen kommer du att lära dig hur man klyver en optisk singelmodfiber på ett kontrollerat sätt och hur man kopplar in ljus i den. Vidare kommer du att studera hur effektiv inkopplingen av ljus i fibern är, och vad som skiljer en singelmod- och en multimodfiber åt vad gäller egenskaperna hos det ljus som de kan överföra. Du kommer att använda en singelmodfiber från Newport och en multimodfiber från Ericsson, vars specifikationer finns i Tabell 1.
Tillverkare Newport Ericsson
Typ Singelmod Multimod
Kärna/Mantel Ø [µm] 4/125 100/140
Material kvarts/kvarts glas/glas
Ytterdiameter [µm] 400 300
Dämpning @ 850nm [dB/km] 2.2 15
Numerisk apertur 0.11 (0.1) 0.31
Klyvning av fiber
Under laborationen kommer du att prova på att klyva en singelmodfiber, medan färdigklyvda fibrer (singelmod och multimod) finns tillgängliga för själva övningen.
Det finns flera metoder för att klyva fiber (se t.ex. sid 91-95 i
”Introduction to Fiber optics”) och under laborationen kommer du att använda en Ericsson EFC11 fiberklyvare. Oavsett metod är det viktiga att man får en slät ändyta, eftersom en ojämn yta eller en yta med defekter kommer att påverka kvalitén på vågfronten då ljuset kopplas in i eller ut ur fibern. Fiberklyvaren som används har en diamantklinga som används för att göra ett litet jack i fiberns mantel och kärna, vilket är tillräckligt för att fibern skall klyvas och få en slät snittyta. Denna metod fungerar i regel bra för små fibrer, medan man för större fibrer ofta polerar ytan slät med med sandpapper.
Utförande
1. Klyvning av singelmodfiber
Använd naglarna till att försiktigt skala av det skyddande höljet på fibern ungefär 5 cm in på fibern. Om det är knepigt hjälper det att lägga fiberänden i aceton i ungefär en halv minut innan du försöker skala av höljet.
Tabell 1 Specifikationer för de fibrer som används för momentet linjering och inkoppling av ljus i en optisk fiber.
Placera fibern i fiberklyvaren.
Sätt fast och sträck fibern enligt instruktionerna på fiberklyvaren.
Klyv fibern genom att trycka på knappen på fiberklyvaren.
Studera den resulterande ändytan under ett mikroskop och jämför den med en fiber som kapats med en vanlig sax. Här kan ni använda det färdigpreparerade mikroskopobjektiv med två fibrer som finns tillgängligt.
Nu är det dags att koppla in ljus i fibern och undersöka dess egenskaper. För att koppla in ljus i fibern använder du en uppställning enligt Figur 4. Som fokuseringsoptik finns två olika mikroskopobjektiv. Nedanstående uppgifter ska utföras med båda mikroskopobjektiven, först för multimodfibern och i mån av tid för singelmodfibern, och resultaten för de olika kombinationerna ska jämföras och diskuteras.
2. Koppla in ljus i fibern
Använd effektmätaren och mät laserljusets effekt före fibern (efter mikroskopobjektivet). Kontrollera med ett papper var fokus för mikroskopobjektivet finns. Montera fiberänden och flytta denna med translationssteget så att maximalt med ljus kopplas in i fibern. Detta kan vara ganska knepigt och kräver lite övning. En lämplig procedur för linjeringen presenteras i Figur 5.
3. Inkopplingsförluster
Använd effektmätaren och mät laserljusets effekt efter fibern och räkna fram inkopplingseffektiviteten. Här kan du försumma både dämpningen i fibern samt de reflektionsförluster som fås vid in- och utkoppling ur fibern. Är det någon skillnad i inkopplingseffektiviteten då du använder olika mikroskopobjektiv för samma fiber, och i så fall varför?
Figur 4 Experimentuppställning bestående av en He-Ne laser, två linjeringsspeglar, fokuseringsoptik samt ett translationssteg för fibern.
Figur 5 Linjeringsprocedur: Börja med fiberänden bakom fokus och flytta fiberänden fram mot fokus medan du för varje steg justerar positionen i sidled och höjdled så att maximalt med ljus kopplas in i fibern.
7
4. Mätning av den numeriska aperturen
Genom att flytta translationssteget en given sträcka och mäta hur storleken på fläcken ändras kan du bestämma under vilken maximal vinkel som ljuset lämnar fibern och därmed räkna fram fiberns numeriska apertur. Vad är det som begränsar den numeriska aperturen, fibern eller fokuseringsoptiken? Vad händer om du använder fokuseringsoptik med större numerisk apertur än den numeriska aperturen hos fibern?
Mätning av dämpningen i en fiber
Dämpningen i fibrer är kraftigt våglängdsberoende, och är anledningen till att optisk fiberkommunikation utnyttjar vissa specifika våglängder för vilka dämpningen är liten. Trans- missionen genom en fiber med längden L kan skrivas:
10 /
0 10 L
P
P
där P och P0 är effekten före och efter fiberlängden L och är dämpningskoefficienten. Dämpningen beror främst antingen på spridning eller absorption. För korta våglängder dominerar Rayleigh-spridning på grund av små oregelbundenheter i fibern.
Dämpningskoefficienten för Rayleighspridning är starkt våglängdsberoende och skrivs: /40 där 0 är våglängden och är en materialkonstant. Vid långa våglängder i det infraröda området domineras dämpningen av absorption, antingen i fibermaterialet eller föroreningar som t. ex. vatten.
Ett typiskt dämpningsspektrum visas i Figur 6. I denna del av laborationen kommer du att mäta och undersöka dämpningen i en fiber för några olika våglängder. Fibern du kommer att använda är en gradientindex multimodfiber från Ericsson med en längd på ungefär 100 m. Specifikationerna för den använda fibern ges i Tabell 2.
Tillverkare Ericsson
Typ Graded-Index
Kärna/Mantel Ø [µm]
62.5/125
Material kvarts/kvarts Ytterdiameter
[µm]
300
Dämpning @ 850 nm [dB/km]
2.8
Numerisk apertur 0.27
Tabell 2 Specifikationer för fibern som används för förlustmätningar.
Figur 6 Typisk dämpningsprofil för en optisk fiber.
Kopplingsförluster i fiberoptiska system
Förutom dämpning uppstår även förluster då två optiska fibrer kopplas ihop och ljuset propagerar från den ena fibern till den andra. Det finns många mekanismer som kan leda till förluster i en fiberkoppling, varav några visas i Figur 7.
Förlustmätningar
Då flera fibrer av samma typ kopplats samman kan vi anta att kopplingsförlusen är identiska i alla fiberkontakterna. Den transmitterade effekten kan då skrivas:
10 / 10
/
0 10 L 10 N
P
P
där P och P0 är effekten före och efter den totala fiberlängden L,
är dämpningskoefficienten, är kopplingsförlusten och N är antalet kopplingar. Genom att mäta transmissionen genom fibersystem med olika L och N kan vi bestämma och . Modutjämning
För att den föreslagna metoden skall ge ett bra resultat krävs två saker. Fibern måste ha en kort modutjämningslängd, dvs. det ljus som skickas in måste snabbt fördelas över de tillgängliga moderna i fibern. Det är också viktigt att det ljus som i slutändan inte kommer att guidas i fibern (dvs. ljus som inte transporteras i en av fiberns moder) snabbt försvinner från fibern. För att uppnå detta skickar vi först ljuset genom en modutjämningsfiber som är hundra meter lång och har samma numeriska apertur som den fiber vi vill mäta på. Efter denna modutjämningsfiber kopplar vi sedan in den fiber vi vill mäta på.
Utförande
Uppgiften går ut på undersöka våglängdsberoendet hos kopplingseffektiviteten och dämpningen. Ni kommer använda två fiberkopplade diodlasrar med våglängderna 403 nm respektive 640 nm för att mäta den transmitterade effekten för två olika våglängder. Förutom modutjämningsfibern har ni tillgång till två fibrer, av samma typ (se specifikationerna i Tabell 2) men med olika längd (3 m och 100 m). För att mäta det transmitterade ljuset används en fiberkopplad effektmätare.
Notera att man måste ange våglängden för att effektmätaren ska ge ett korrekt kalibrerat mätvärde.
1. Identifiering av komponenter
Identifiera de komponenter ni skall använda under laborationen.
Figur 7 Några källor till kopplingsförluster.
9
2. Mätning av dämpning och kopplingsförlust
Koppla in modutjämningsfibern och mät effekten på det transmitterade ljuset. Fundera ut vilka mätningar ni behöver göra för att bestämma både dämpningen och kopplingsförlusten.
Koppla ihop de fibrer ni vill mäta på och mät effekten på det transmitterade ljuset. Gör alla mätningar för båda våglängderna.
Använd era mätningar för att bestämma dämpningskoefficienten
, uttryckt i dB/km, samt kopplingsförlusten , uttryckt i dB. Hur beror dämpningen på ljusets våglängd? Jämför med kurvan i Figur 6 och förklara vad ni ser.
Fiber Bragg-gitter (FBG)
Ett Fiber Bragg-gitter är en fiberoptisk komponent som används bl. a. som bandspärrfilter och för multiplexing av signaler, men också som sensor för exempelvis töjning och temperatur. Ett FBG är en optisk fiber där man introducerat en periodisk variation av kärnans brytningsindex, som visas i Figur 8. Då ljus propagerar genom Bragg-gittret reflekteras en liten del av ljuset vid varje ändring av brytningsindex. Även om reflektansen för varje enskild reflektion är liten, kan den totala reflekteransen (superpositionen av de enskilda bidragen) bli väldigt hög om ljus som reflekteras från olika ställen i gittret är i fas, vilket sker för en specifik våglängd. Principen är därmed precis densamma som för ett vanligt reflektions- eller transmissionsgitter. Således kommer ett Bragg-gitter att fungera som ett bandspärrfilter, dvs. det reflekterar ljus inom ett smalt våglängdsintervall medan övriga våglängder transmitteras. Den våglängd för vilken reflektion sker kallas för Braggvåglängden och ges av B = 2n där n är medelvärdet av brytningsindexena n2 och n3 och är gittrets periodicitet (se Figur 8).
Figur 8 Ett Fiber Bragg-gitter med brytningsindexprofil samt dess spektrala transmission.
I denna del av laborationen skall du undersöka funktionen hos ett FBG. Vi kommer att använda en diodlaser (DFB-1550) och genom att variera drivströmmen till denna kan vi skanna våglängden hos ljuset och mäta hur mycket ljus som transmitteras respektive reflekteras i gittret.
OBS! Fiber Bragg-gittret är mycket ömtåligt, hantera det med stor försiktighet!
Lasersäkerhet
Den diodlaser som används under denna del av laborationen har en total uteffekt på ungefär 20 mW och en våglängd på 1550 nm. Detta innebär att du inte kan se laserljuset med blotta ögat, men det har fortfarande en tillräckligt hög effekt för att orsaka allvarliga ögonskador. Det är därför viktigt att ni följer följande regler då ni använder dessa lasrar:
Titta aldrig in i en fiberände.
Starta inte diodlasern förrän laborationshandledaren instruerat er och gått igenom utrustningen.
Starta aldrig diodlasern utan att kontrollera att alla fiberkontakter i systemet antingen är anslutna eller blockerade på ett sådant sätt att inget ljus kan sändas ut ur fibern, till exempel med en skyddsplugg eller med ett IR-kort för att kunna observera laserljuset.
Stäng alltid av lasern innan ni gör ändringar i laborationsuppställningen.
Uppgifter
Figur 9
Experimentuppställning för FBG.
11
Starta temperaturkontrollern (TED200C). Ställ in diodlaserns temperatur enligt instruktionerna på kontrollern. Håll ett IR-kort framför fibern som kopplar ut ljuset ur lasern medan din labkamrat slår på diodlaserdrivaren (”Laser On”) och långsamt vrider upp drivströmmen till lasern. Observera vad som händer.
3. Splitter
a) Koppla in splittern till diodlasern. Starta diodlasern och kontrollera att du nu får ljus ut ur båda utgångarna på splittern. Anslut fotodioden (PD2) till splitterns ena utgång så att denna blockeras. Signalen från denna fotodiod skall användas som referens för den totala intensiteten från lasern.
b) Observera signalen från referensfotodioden (PD2) i programmet Diode Laser Control medan ni sakta vrider upp drivströmmen till diodlasern. Verifiera att ni ser tröskeln för lasring för samma drivström som tidigare.
c) Programmet mäter drivströmmen till diodlasern och använder en kalibreringsfil för att räkna om denna till våglängd.
Undersök inom vilket våglängdsområde det går att skanna lasern genom att variera drivströmmen.
4. Cirkulator
a) Undersök hur cirkulatorn fungerar genom att koppla in en port i taget till splitterns andra utgång och observera eventuellt ljus ut ur cirkulatorns övriga portar.
b) Bestäm vilken färg på cirkulatorns fibrer som svarar mot vilket portnummer. Cirkulatorn släpper igenom ljus från port 1 till 2 och från port 2 till 3, men blockerar ljus från port 2 till 1 och från 3 till 2.
c) Koppla in ljuset från splittern till port 1 på cirkulatorn.
5. Fiber Bragg-gitter
a) Koppla in Fiber Bragg-gittret till port 2 på cirkulatorn och koppla in fotodioden (PD1) efter gittret. Med denna fotodiod skall vi mäta den transmitterade intensiteten.
b) Ställ in drivströmmen så att ni befinner er precis över tröskeln för lasring. Klicka på knappen Scan i programmet för att kontinuerligt skanna drivströmmen till lasern och mäta signalen från fotodioderna som funktion av våglängd. De olika kurvorna som visas i programmet är signalen till fotodioderna (PD1 & PD2) samt kvoten mellan dem (PD1/PD2). Beskriv vad ni ser!
c) Flytta fotodioden (PD1) till port 3 på cirkulatorn för att istället mäta det reflekterade ljuset från FBG. För vilken våglängd fås maximal reflektion från FBG och hur bred är reflektionsprofilen? Spara mätningen till en fil och plotta reflektionsprofilen som en figur i laborationsrapporten.
d) Prova att lägga fingret försiktigt på FBG, eller prova att andas på det. Vad händer med reflektionsspektrat? Förklara!
e) Medelvärdet för brytningsindex i kärnan på FBG är n=1,47.
Vad är periodiciteten, , hos FBG?
