–азработка учебного модул€ "»змерительные источники оптического излучени€"

 














ƒ»ѕЋќћЌјя –јЅќ“ј

–азработка учебного модул€ «»змерительные источники оптического излучени€»


¬ведение


¬олоконно-оптические линии св€зи (¬ќЋ—) €вл€ютс€ в насто€щее врем€ наиболее перспективными направл€ющими системами св€зи. ќсновой ¬ќЋ— €вл€ютс€ оптические кабели, параметры передачи которых определ€ютс€ используемыми в них волоконными световодами (¬—).

Ўирокое внедрение волоконно-оптических линий св€зи в магистральных и внутризоновых сет€х, а так же в компьютерных локальных сет€х обеспечивает посто€нный рост пропускной способности современных сетей св€зи.  ак следствие, увеличиваетс€ количество и качество услуг телекоммуникаций. —оответственно, вопросы внедрени€ новых технологий в строительство ¬ќЋ— и в техническую эксплуатацию линейно-кабельного хоз€йства ¬ќЋ— станов€тс€ всЄ более актуальными.

¬ажнейшей составл€ющей технической эксплуатации ¬ќЋ— €вл€етс€

метрологическое обеспечение, то есть измерение основных технических параметров ¬ќЋ—.— этой целью при технической эксплуатации ¬ќЋ— используетс€ широкий парк оптических измерительных приборов:

оптические тестеры;

оптические рефлектометры;

оптические анализаторы спектра оптических сигналов;

оптические измерители хроматической дисперсии;

оптические измерители пол€ризационной модовой дисперсии.

¬ этих измерительных приборах важнейшими функциональными элементами

€вл€ютс€ измерительные источники оптического излучени€ (»ќ»), которые во многом определ€ют такие важнейшие технические характеристики как точность измерений, чувствительность приборов, погрешность измерений.

ƒл€ объективной оценки качества строительных работ и успешной последующей эксплуатации ¬ќЋ— нуждаютс€ в поддержании технических параметров, а, следовательно, и в периодических измерени€х своих характеристик, на основании которых и делаютс€ выводы о состо€нии тех или иных ее участков и магистрали в целом. ќдним из наиболее важным таким параметров €вл€етс€ затухание оптического волокна. ѕоэтому изучение приборов дл€ измерени€ данного параметра и различных методов измерени€ затухани€ оптических волокон €вл€етс€ важной учебной составл€ющей при обучении студентов по специальности «‘изика и техника оптической св€зи». »змерение оптической мощности €вл€етс€ метрологической основой волоконной оптики, а измерительные источники оптического излучени€ (»ќ») в той или иной форме используютс€ практически в каждом средстве измерени€ параметров световой волны.

¬ св€зи этим в данной дипломной работе рассмотрены принципы построени€ и функционировани€ современных измерительных источников оптического излучени€ (»ќ»).–ассмотрены различные методы построени€ измерительных источников оптического излучени€, их основные технические характеристики, выполнен сравнительный анализ технических характеристик измерительных источников оптического излучени€ реализованных с использованием различных методов построени€ и различной элементной базы. ѕриведены примеры серийно выпускаемых измерительных источников оптического излучени€ и их основные технические характеристики. –азработаны тесты и задачи дл€ проведени€ практических зан€тий со студентами по данной тематике.  раткие теоретические сведени€, тесты и задачи оформлены в виде учебного модул€ дл€ проведени€ практического зан€ти€ по дисциплине «ћетрологи€ в оптических телекоммуникационных системах».


1. Ќазначение измерительных источников оптического излучени€


.1ќбщие сведени€ об измерительных источниках оптического излучени€

оптический диод измерительный

¬ процессе технической эксплуатации оптических систем св€зи часто возникает необходимость измерить основные параметры передаваемых оптических сигналов:

уровень передачи оптических сигналов;

уровень приЄма оптических сигналов;

затухание оптических сигналов.

C этой целью дл€ измерений этих параметров используютс€ специальные измерительные оптические приборы:

измерительные источники оптического излучени€ (»ќ»);

измерители оптической мощности (»ќћ).

Ёти измерительные оптические приборы конструктивно могут быть оформлены в виде отдельных приборов, или объединены в одном приборе и тогда они называютс€ оптическими тестерами.


–исунок - 1. ѕростейша€ схема оптического тестера

“акже измерители оптической мощности (»ќћ) и измерительные источники оптического излучени€ (»ќ») могут находитьс€ в составе специальных оптических измерительных приборов, таких как:

оптические рефлектометры;

оптические анализаторы спектра оптических сигналов;

оптические измерители хроматической дисперсии;

оптические измерители пол€ризационной модовой дисперсии.

ќсновным назначением измерительных источников оптического излучени€ »ќ» €вл€етс€ формирование измерительных оптических сигналов

ƒл€ измерени€ таких основных параметров оптических сигналов, как:

уровень передачи оптических сигналов;

уровень приЄма оптических сигналов;

затухание оптических сигналов.

Ќапример, на рисунке 2 показан внешний вид измерительного источника оптического излучени€ из комплекта оптического тестера OLP-55 (фирмы JDSU), который выполнен в виде отдельного измерительного прибора. —ам оптический тестер состоит из трЄх отдельных приборов:

измерительного источника оптического излучени€;

измерител€ оптической мощности;

переменного оптического аттенюатора.


–исунок 2 - ¬нешний вид измерительного источника оптического излучени€ комплета OLP-55 (фирмы JDSU)

Ќа рисунке 3 показан внешний вид оптического тестера FOD 1203, в котором совмещены измерительный источник оптического излучени€ (»ќ») и измеритель оптической мощности (»ќћ).


–исунок 3 - ¬нешний вид оптического тестера FOD 1203


Ќа рисунке 4 показан внешний вид измерительного источника оптического излучени€ типа «јлмаз-11».


–исунок 4 »змерительный источник оптического излучени€ типа «јлмаз-11»


Ќа рисунке 5 приведен пример многоканального оптического тестера ќ“-2-4 производства »нститута информационных технологий (Ѕеларусь) в составе которого имеетс€ 8 независимых измерительных источников оптического излучени€ и 8 независимых измерителей оптической мощности.

–исунок 5 ћногоканальный оптический тестер ќ“-2-4


ћощность оптического излучени€ может измер€тьс€ в единицах мощности (¬т) или измер€тьс€ в логарифмических единицах (уровн€х передачи) р (дЅм) по отношению к мощности 1 м¬т. ƒл€ измерени€ мощности излучени€ используют специальные приборы - измерители оптической мощности или оптические ваттметры.

»змерители оптической мощности (»ќћ) используютс€ дл€ определени€ уровней передачи или приЄма, а также дл€ измерени€ мгновенных, средних и максимальных значений мощности в различных точках оптических систем св€зи. »спользуютс€ следующие единицы измерени€ мощности оптического излучени€:

линейные - м¬т (милливатт)

логарифмические - дЅм (децибелы мощности)

ћощность в дЅм представл€ет собой логарифмическое отношение измеренной мощности P по отношению к опорной (эталонной) мощности P0 в один милливатт:


P(дЅм) = 10 lg (P/ P0). (1)


—оответственно одна и та же мощность в дЅм и м¬т выражаетс€ отношением:


P(дЅм) = 10 lg P(м¬т). (2)


Ћогарифмические единицы удобны дл€ одновременного использовани€ мощности и затухани€. «атухание в децибелах €вл€етс€ разностью мощностей в дЅм - опорного P0 на входе оптического тракта и измеренного P на выходе тракта.

Ўироко используетс€ при измерени€х и расчЄтах следующа€ формула:

уровень передачи по мощности:


.


- измеренна€ мощность электрического или оптического сигнала в какой-то точке сети св€зи.

- эталонна€ мощность 1 м¬т.

»змерительные источники оптического излучени€ должны формировать на своЄм выходе измерительные оптические сигналы с определЄнными оптическими параметрами:

заданный уровень передачи (дЅм);

заданна€ длина волны оптического излучени€ (мкм или нм);

заданна€ форма оптического сигнала (аналогова€ или цифрова€).

—уществует следующа€ классификаци€ измерительных источников оптического излучени€:

стандартные измерительные источники оптического излучени€;

измерительные источники оптического излучени€ типа «”казка»;

стабилизированные измерительные источники оптического излучени€.


1.2 »змерение затухани€ оптического волокна с использованием измерительных источников оптического излучени€ и измерителей оптической мощности


»змерительные источники оптического излучени€ и измерители оптической мощности выполненные в виде отдельных измерительных приборов или в составе оптических тестеров наиболее часто примен€ютс€ дл€ измерени€ величины затухани€ оптических волокон (ќ¬) на элементарных кабельных участках ¬ќЋ— (Ё ” ¬ќЋ—).

»змерение затухани€ ќ¬ на Ё ” производитс€ в следующей последовательности:

1. »змер€етс€ уровень передачи оптического излучени€ на выходе оптического соединительного шнура ќ—Ў (который также называетс€ патч-кордом), подключенного к измерительному источнику оптического излучени€ (»ќ») оптического тестера.

. ƒл€ этого необходимо один конец патч-корда подключить к интерфейсу измерительного источника оптического излучени€ (»ќ»), а другой конец к интерфейсу измерител€ оптической мощности (»ќћ) этого же тестера. Ќа входе интерфейса »ќћ регистрируетс€ значение измеренного уровн€ передачи .

. »змер€етс€ уровень приЄма оптического излучени€ на выходе ќ—Ў, подключЄнного к измерителю оптической мощности на противоположном конце ќ¬, как показано на рисунке 7. ƒл€ этого, использу€ тот же патч-корд, которым измер€лс€ уровень передачи, оптический тестер подключаетс€ к измер€емому ќ¬ через оптический адаптер оптического кросса, создава€ оптическое разъЄмное соединение (ќ–—). Ќа другом конце оптическое волокно Ё ” через оптический адаптер противоположного оптического кросса и второй патч-корд подключаетс€ к »ќћ другого оптического тестера, который регистрирует измеренный уровень приема. ѕри этом подразумеваетс€, что уровень передачи оптической мощности на входе торца ќ¬ не изменилс€ и равен

–асчет затухани€ ќ¬ на данном Ё ” можно провести, использу€ следующую формулу:


= , дЅ


где,затухание ќ¬ на Ё ” (от порта ODF до порта ODF),

затухание оптических соединительных шнуров и ќ–—,

истинный уровень передачи на выходе »ќ»,

измеренный уровень приема на входе »ќћ.


1.3 ќбща€ структурна€ схема измерительных источников оптического излучени€


ќсновным элементом измерительного источника оптического излучени€ €вл€етс€ светоизлучающий элемент. ¬ современных измерительных источниках оптического излучени€ дл€ оптических систем св€зи используютс€ два типа светоизлучающих элементов:

лазерные диоды (LD);

светодиоды (LED).

Ћазерный диод LD (или светодиод LED) создаЄт непрерывное оптическое излучение с определЄнной длиной волны и определЄнной выходной мощностью (уровнем передачи).

ѕростейшие измерительные источники оптического излучени€ не имеют возможностей перестраивать длину волны оптического излучени€ и регулировать выходную мощность.

¬ то же врем€ разработаны различные типы измерительных источников оптического излучени€ с расширенными возможност€ми:

перестройки длины волны оптического излучени€ в определЄнном диапазоне;

регулировки выходной мощности оптического излучени€.

ƒл€ этого в измерительных источниках оптического излучени€ имеютс€ устройства дл€ перестройки длины волны и переменные оптические аттенюаторы дл€ регулировки выходной мощности.

ƒл€ того, чтобы приблизить параметры выходного измерительного

ќптического сигнала к реальным цифровым оптическим сигналам в не-

которых типах измерительных источников оптического излучени€ предусматриваетс€ возможность модулировать непрерывное оптическое излучение от лазерного диода (или светодиода) цифровым сигналом с различной частотой.

ƒл€ этого в схему »ќ» ввод€т генератор цифрового сигнала. ќбычно такие генераторы создают цифровые сигналы с тактовой частотой 0,5 к√ц, 1 к√ц, 2 к√ц и определЄнной скважностью импульсов.

Ќепрерывное оптическое излучение с заданной длиной волны и выходной мощностью непосредственно выводитс€ на оптический адаптер (розетку), к которому подключаетс€ тестируемое оптическое волокно.

“аким образом, на выходе измерительных источников оптического излучени€ могут быть сформированы оптические измерительные сигналы разных видов:

непрерывное оптическое излучение с заданной длиной волны и заданной оптической мощностью;

оптический цифровой сигнал с заданной длиной волны, заданной оптической мощностью и с заданной частотой цифровой модул€ции.


1.4 »змерительные источники оптического излучени€ типа «”казка»


ќтдельно выдел€ют группу источников оптического излучени€, котора€ среди профессионалов носит название «указка». Ёто источники видимого оптического излучени€ работающие в диапазоне длин волн 640-660 нм, то есть в диапазоне длин волн, воспринимаемом человеческим глазом как красный свет. Ёти источники предназначены дл€ визуального контрол€ за состо€нием оптических кабелей и патч-кордов волокон на узлах св€зи. ѕри просвечивании оптического кабел€ источником видимого оптического излучени€ в местах неоднородностей оптических волокон возникает €рко-красное свечение.


1.5 —табилизированные измерительные источники оптического излучени€


ƒл€ выполнени€ измерений с повышенной точностью используютс€ стабилизированные измерительные источники оптического излучени€.

—табилизированные источники оптического излучени€ (Stabilized Light Source - SLS) выполн€ют роль ввода в оптическую линию сигнала с повышенной точностью установки выходной мощности и длины волны. »ногда в качестве стабилизированных источников оптического сигнала используютс€ источники оптических сигнала оптического линейного оборудовани€. Ёто имеет место в уже развернутой работающей сети.

—труктурна€ схема SLS представлена на рисунке 9.

ќсновным элементом SLS €вл€етс€ стабилизированный излучатель - источник оптического сигнала. —табильность генерируемого сигнала излучател€ поддерживаетс€ путем регулировани€ тока излучател€ по сигналу рассогласовани€ источника опорного напр€жени€ и напр€жени€ эталонного фотоприемника. ‘отоприемник служит дл€ контрол€ мощности, генерируемой излучателем. ƒл€ этого часть излучаемого оптического сигнала через оптический ответвитель подаетс€ на эталонный фотоприемник. —табилизаци€ рабочей точки излучател€ осуществл€етс€ компаратором. “емпературный режим работы излучател€ поддерживаетс€ термостабилизатором. ¬ р€де методик измерени€ параметров оптических систем передачи используютс€ модулированные оптические сигналы, дл€ обеспечени€ генерации которых в состав SLS включаетс€ коммутатор, обеспечивающий модул€цию оптического сигнала за счет управлени€ током излучател€ от внешнего или внутреннего генератора.


.

–исунок 9 —труктурна€ схема стабилизированного измерительного источника оптического излучени€


1.6 ќсновные требовани€ к техническим характеристикам измерителей оптической мощности


¬ зависимости от области применени€ измерительные источники оптического излучени€ (»ќ») должны обеспечивать измерение средней оптической мощности и затухани€ оптических сигналов совместно с измерител€ми оптической мощности (»ќћ) многомодовых и / или одномодовых оптических компонентов ¬ќ—ѕ и оптических волокон ќ¬.

»змерительные источники оптического излучени€ (»ќ») предназначенные дл€ работы с внешними средствами вычислительной техники (в том числе дл€ работы в автоматизированных измерительных комплексах), должны удовлетвор€ть требовани€м по взаимодействию через стык —2 (RS-232/V.24) - по √ќ—“ 18145 и √ќ—“ 23675 и / или через другие интерфейсы, определ€емые услови€ми их применени€.

¬ приборе может быть предусмотрена возможность сохранени€ параметров установленных режимов (например, во внутренней энергонезависимой пам€ти), а также возможность сохранени€ результатов измерени€. “ехнические данные средств дл€ сохранени€ информации (встроенных или внешних) должны указыватьс€ в технической документации на прибор.

“ребовани€ к конструкции

»змерительные источники оптического излучени€ (»ќ») могут состо€ть из единого блока дл€ всех применений или из базового блока и сменных блоков дл€ измерени€ характеристик разных типов оптических компонентов на разных длинах волн.

ѕрибор может быть выполнен в виде модул€, встраиваемого в базовый блок других приборов (например, тестеров, универсальных рефлектометров и т.д.).

ƒл€ приборов, состо€щих из единого блока, рекомендуетс€ малогабаритное исполнение.

ѕриборы (кроме встраиваемых модулей) должны быть выполнены в корпусе, обеспечивающем защиту от внешних механических воздействий. ѕриборы вместе с их принадлежност€ми могут укладыватьс€ в футл€р (укладочный €щик), дополнительно см€гчающий внешние механические воздействи€. ‘утл€р может быть снабжен ручкой или ремнем дл€ переноски.

¬страиваемые модули могут иметь конструкцию, определ€емую услови€ми их применени€ в приборах, в составе которых они примен€ютс€.

ћасса и габариты прибора должны соответствовать значени€м, указанным в технической документации на прибор. ћасса и габариты встраиваемых модулей, не имеющих самосто€тельного применени€, могут не указыватьс€.

ѕриборы должны иметь средства индикации установленных режимов и результатов измерени€.

ѕараметры средств индикации могут указыватьс€ в технической документации на прибор.

ѕрибор должен быть снабжен оптическим соединителем типа FC (Fiber Contact) и / или других типов (SC, DIN, ST, DIAMOND, SMA и др., в том числе универсальными адаптерами) дл€ подключени€ ќ¬.

 онструкци€ оптического соединител€ (или самого прибора) должна обеспечивать защиту от попадани€ пыли, когда к нему не подключено ќ¬.

“ребовани€ к основным параметрам и характеристикам

ƒиапазоны длин волн излучаемой оптической мощности и длины волн калибровки должны соответствовать значени€м, установленным в технической документации на прибор.

–екомендуемые значени€ диапазонов длин волн излучаемой оптической мощности дл€ соответствующих спектральных диапазонов ¬ќ—ѕ не менее: (800 - 900), (1250-1350), (1500-1600), (1600-1700) нм. «начени€ длин волн калибровки могут выбиратьс€ из р€да: 850, 1300, 1310, 1550, 1625 нм.

≈диницы измерени€ должны индицироватьс€ на дисплее.

«начение излучаемой оптической мощности может отображатьс€ на дисплее приборов в следующих единицах измерени€: дЅм, дЅ и ¬т (м¬т, мк¬т, н¬т).

ƒиапазон мощности оптического излучени€ должен соответствовать значени€м, установленным в технической документации на прибор.

–екомендуемые значени€ диапазона мощности оптического излучени€ не менее:

минус 6 - плюс 4,7 дЅм дл€ одноканальных ¬ќ—ѕ;

минус 7 - плюс 4,7 дЅм дл€ многоканальных ¬ќ—ѕ.

–азрешение по шкале мощности оптического излучени€ должно быть не более 0,1 дЅ (рекомендуемое значение не более 0,01 дЅ).

ќсновна€ погрешность мощности оптического излучени€ должна соответствовать значени€м, установленным в технической документации на прибор. ѕри этом в технической документации могут указыватьс€ услови€, при которых допускаетс€ нормирование других видов основной погрешности.

¬ приборе могут быть обеспечены следующие функциональные возможности:

индикаци€ выхода мощности оптического излучени€ за пределы диапазона измерений;

автоматическа€ коррекци€ нул€;

коррекци€ спектральной характеристики;

усреднение результатов измерени€ по нескольким значени€м;

режим формировани€ оптического цифрового сигнала, модулированного по амплитуде цифровым сигналом (меандром) с номинальной частотой повторени€ импульсов, соответствующей одному или нескольким значени€м из р€да: 270, 330, 1000, 2000 √ц.

“ребовани€ к электропитанию

Ёлекторопитание прибора должно осуществл€тьс€ от одного или нескольких источников электрической энергии:

от встраиваемых или внешних источников посто€нного тока;

от сети переменного тока с номинальным напр€жением 220 ¬.

ѕрибор должен сохран€ть основные нормируемые характеристики при следующих услови€х применени€ в отношении источников электропитани€:

при питании от встраиваемых источников посто€нного тока в течение времени, не менее установленной в технических услови€х продолжительности работы дл€ встраиваемых источников посто€нного тока конкретного типа при указанных услови€х (режимах) работы;

при питании от внешних источников посто€нного тока, параметры которых (напр€жение, сила максимального потребл€емого тока и пульсации) дл€ рабочих условий соответствуют установленным в технических услови€х;

при питании (в том числе через сетевой адаптер) от сети переменного тока частотой 50 √ц напр€жением (220 +/ - 22) ¬ согласно √ќ—“ 22261.

ѕри питании от встраиваемых источников посто€нного тока в приборе должна быть обеспечена индикаци€ разр€да встраиваемых источников питани€. ƒополнительно может быть предусмотрена функци€ автовыключени€. ѕри использовании в качестве внешнего источника посто€нного тока сетевого адаптера (преобразовател€-выпр€мител€ сетевого напр€жени€ в требуемое напр€жение питани€ посто€нного тока), вход€щего в комплект прибора, напр€жение, сила максимального потребл€емого тока и пульсации могут не указыватьс€.


2. —ветоизлучающие элементы в измерительных источниках оптического излучени€


.1 ќбщие сведени€


ќсновным элементом измерительного источника оптического излучени€ €вл€етс€ светоизлучающий элемент. ¬ современных измерительных источниках оптического излучени€ дл€ оптических систем св€зи используютс€ два типа светоизлучающих элементов:

лазерные диоды (LD);

светодиоды (LED).

Ѕазовыми материалами дл€ изготовлени€ таких источников излучени€ €вл€ютс€ следующие материалы:

арсенид галли€ GaAs;

фосфид инди€ InP;

трех и четырехкомпонентные соединени€ на их основе - GaAlAs (арсенид галли€ и алюмини€), GaInAsP (фосфид галли€ инди€ и арсенида), InGaAs (арсенид инди€ и гали€).

Ћазерные источники (LD) и светодиодные источники (LED)

отличаютс€, главным образом, характеристикой добротности источника - шириной полосы излучени€. Ћазерные источники имеют высокую добротность и узкую полосу излучени€ (пор€дка 0,1 - 4 нм, светодиодные источники имеют низкую добротность и широкую полосу излучени€ (пор€дка 50 - 200 нм).

Ќа рисунке изображена классификаци€ современных источников оптического излучени€ используемых в оптических системах св€зи.


–исунок 10  лассификаци€ источников оптического излучени€ в оптических системах св€зи


2.2 —ветодиодные источники оптического излучени€


ѕринцип действи€ светодиодных источников оптического излучени€ (светодиодов LED) основан на €влении электролюминесценции, то есть излучени€ света некоторыми материалами под действием электрического пол€. »злучение фотонов обеспечиваетс€ инжекционной электролюминесценцией.

ѕростейша€ схема p-n-перехода в кристалле полупроводника приведена на рис. Ќосители электрического зар€да (электроны и дырки) могут перемещатьс€ в полупроводнике под действием электрического или магнитного полей.

Ќа рисунке 11 показана область полупроводника n - типа, электрический ток в которой проводитс€ отрицательно зар€женными частицами (электронами);

ƒруга€ область - это область p-типа, электрический ток в которой проводитс€ положительно зар€женными частицами (дырками);

Ѕез внешнего электрического пол€ в p-n переходе носители p-области (дырки) диффундируют (перемещаютс€) в n-область, зар€жа€ ее положительно. Ќосители n-области (электроны) диффундируют в p-область, создава€ в ней отрицательный зар€д. “ака€ встречна€ диффузи€ будет продолжатьс€ до тех пор, пока возникающее электрическое поле U0 не остановит дальнейшее увеличение диффузионного тока.

¬ плоскости контакта p-n перехода возникает разность потенциалов - потенциальный барьер eU0, преп€тствующий диффузии электронов в р-область и дырок в n-область.


–исунок 11 —хема p-n-перехода и его энергетическа€ диаграмма


ƒл€ практического применени€ используют более сложные конструкции p-n переходов, которые получили название гетеропереходы √етеропереход - это переход между различными област€ми полупроводника, образованный между материалами со сходной кристаллической структурой, но обладающими разной шириной запрещенной зоны и показател€ми преломлени€.

–азличают три структуры LED с использованием гетеропереходов: - с поверхностным излучением;

с торцевым излучением;

суперлюминесцентные светодиоды (—Ћƒ).

¬ LED с поверхностным излучением оптический сигнал выводитс€ с поверхности активного сло€ в перпендикул€рной ему плоскости. ќптическое волокно присоедин€етс€ к поверхности светодиода через специальную выемку в полупроводниковой подложке, что обеспечивает эффективный ввод мощности спонтанного излучени€ в оптическое волокно.

¬ качестве примера на рисунке 12 показана конструкци€ светоизлучающего диода LED с поверхностным оптическим излучением трЄхслойного типа.

—ветодиод имеет трехслойную структуру: пассивные слои и активный слой. ¬ n-области свободные электроны занимают разрешенные уровни в зоне проводимости, а в p-области дырки занимают соответствующие уровни в валентной зоне.


–исунке 12.  онструкци€ светоизлучающего диода LED с поверхностным оптическим излучением трЄхслойного типа


ѕри приложении пр€мого смещени€ с использованием внешнего источника напр€жени€ наблюдаетс€ односторонн€€ инжекци€ (перемещение) электронов и дырок в активный слой. ¬ысока€ концентраци€ носителей в активном слое обеспечиваетс€ скачком потенциала D на границе гетероперехода. ¬ активном слое наблюдаетс€ рекомбинаци€ неосновных носителей с выделением избыточной энергии в виде фотонов света. —»ƒ функционирует на основе спонтанного излучени€ и формирует некогерентные волны с длиной волны:

(1)

—оотношение показателей преломлени€ активного и пассивного слоев n2>n1 обеспечивает волноводный эффект и повышает  ѕƒ источника.

Ќа рисунке 13 приведена конструкци€ LED с торцевым излучением.


–исунок 13  онструкци€ LED с торцевым излучением


¬ торцевом LED излучение выводитс€ с одного торца активного сло€ в параллельной к нему плоскости. ƒругой торец активного сло€ выполн€етс€ в виде зеркала. »злучающий торец согласуетс€ с оптическим волокном линзовой системой.

¬ суперлюминесцентных светодиодах (—Ћƒ) последовательно действуют два процесса генерации света: первичное излучение возникает в результате спонтанной рекомбинации электронно-дырочных пар и вторичное - вынужденное излучение - €вл€етс€ основой механизма усилени€ спонтанного излучени€ в активной среде. јктивна€ среда в —Ћƒ обладает высоким оптическим коэффициентом усилени€, оптический резонатор в —Ћƒ отсутствует и такой излучатель, в целом, можно рассматривать как однопроходный усилитель света. ѕо конструкции —Ћƒ соответствует торцевому —»ƒ, но работает при более высоких токах инжекции от 50 до 100 мј.

¬ светодиодных источниках используетс€ принцип спонтанного излучени€ света, поэтому сигнал светодиода €вл€етс€ некогерентным и спектрально более однородным.

»з-за спонтанного излучени€ светодиоды имеют широкий спектр излучени€, обычно в пределах 50-200 нм.

ƒл€ стабилизации уровн€ выходной мощности LED достаточно стабилизировать цепь питани€ источника, поэтому светодиодные источники отличаютс€ повышенной стабильностью выходного уровн€. ќни дешевле лазерных и часто примен€ютс€ дл€ анализа потерь в оптических кабел€х малой длины. ќднако использование их дл€ измерени€ значительных величин затуханий оптического волокна, когда нужна значительна€ мощность передаваемого измерительного оптического сигнала, нецелесообразно, так как выходна€ мощность оптического излучени€ у них значительно меньше чем у лазерных диодов.

ѕри разработке конструкций —»ƒ необходимо уменьшать поглощение фотонов полупроводником и обеспечить эффективный ввод излучени€ в оптическое волокно.


2.3 ѕринцип действи€ и конструкци€ лазерных диодов


ѕолупроводниковый лазер - это излучающий полупроводниковый прибор, предназначенный дл€ непосредственного преобразовани€ электрической энергии в энергию когерентного оптического излучени€.

¬ основе принципа действи€ лазера лежат три физических €влени€: - инверси€ населенности;

вынужденное излучение;

положительна€ обратна€ св€зь.

Ћазер состоит из трех основных элементов:

активной среды (активного элемента), в которой создаетс€ инверси€ населенности;

источника накачки;

устройства, обеспечивающего положительную обратную св€зь (оптический резонатор).

ќбща€ структурна€ схема лазера приведена на рисунке 14


–исунок 14 ќбща€ структурна€ схема лазера


јктивна€ среда

¬ качестве активной среды в инжекционных лазерах используют полупроводниковый кристалл с p-n переходом. ѕри этом p-n переходом называетс€ условна€ граница раздела двух областей кристалла, одна из которых имеет дырочный тип проводимости, а друга€ - электронный.

¬ электронике дл€ изготовлени€ p-n переходов чаще всего используетс€ один полупроводниковый материал (как правило, это кремний) и поэтому такие переходы называют иногда гомопереходами. ¬ оптоэлектронике, в частности при изготовлении лазеров, возникает необходимость создани€ p-n переходов с использованием различных полупроводниковых материалов. ѕереходы, в которых используетс€ более одного полупроводникового материала, называют гетеропереходами.

“ак как показатель преломлени€ полупроводниковых материалов, используемых в лазерной технике, обычно более 2,5, а в активной лазерной среде превышает 3,5, то коэффициент отражени€ на границе полупроводниковый кристалл - воздух достаточно высок (0,3Е0,6).

ќднородный полупроводник при любом уровне легировани€ остаетс€ электрически нейтральным, но в сло€х, с двух сторон примыкающих к p-n-переходу, электронейтральность отсутствует. ¬ результате диффузии дырок из p-области в n-область и электронов в обратном направлении около p-n-перехода создаетс€ область объемного зар€да q, а нейтральными будут только удаленные участки диода. ќбъемный зар€д в p-области - отрицательный, а в n-области - положительный. Ётот объЄмный зар€д создает внутреннее электрическое поле eвнутр направленное из n-области в p-область.


–исунок 15 ќбразование объемного зар€да и внутреннего пол€ в p-n переходе


Ёто означает, что с переходом из p-области в n-область электростатический потенциал электрона возрастает, а в нейтральных област€х диода он посто€нен.

»зменение потенциальной энергии электрона вблизи p-n-перехода приводит к искривлению энергетических зон полупроводника. ћежду p и n област€ми диода при отсутствии внешнего воздействи€ устанавливаетс€ термодинамическое равновесие и распределение электронов и дырок характеризуетс€ одним уровнем ‘ерми EF.

≈сли к лазерному диоду приложить электрическое напр€жение в пр€мом направлении (плюс к p-области), то искривление зон уменьшитс€, поскольку внешнее электрическое поле направлено против внутреннего электрического пол€ eвнутр, и снизитс€ потенциальный барьер, созданный внутренним полем.


–исунок 16 ѕолупроводниковый переход без внешнего пол€


Ёлектроны и дырки будут двигатьс€ навстречу друг другу. »х квазиравновесное распределение по энерги€м характеризуетс€ двум€ квазиуровн€ми ‘ерми Fn и Fp.

ѕри этом в некотором слое полупроводника может оказатьс€, что

Fn - Fp > Eg, т.е. выполн€етс€ условие инверсной населенности.



–исунок 17 ѕолупроводниковый переход при наложениипр€мого внешнего пол€

ѕри одинаковой концентрации электронов и дырок квазиуровень ‘ерми в n-области заходит глубже в зону проводимости, чем в валентную зону в p-области, так как плотность состо€ний в зоне проводимости обычно меньше, чем в валентной зоне. ¬ результате этого активный слой смещен в p-область диода.

ѕри преходе электронов с более высоких энергетических уровней на более низкие происходит излучение квантов света.

¬ активной области полупроводникового кристалла могут быть следующие электронные состо€ни€:

поглощение фотонов атомами кристалла;

спонтанное излучение фотонов;

стимулированное излучение фотонов.

¬ услови€х термодинамического равновеси€ населЄнность электронами нижнего уровн€ N1 всегда больше населЄнности верхнего N 2. ѕоэтому электромагнитна€ волна тер€ет больше энергии, чем приобретает, то есть имеет место поглощение света.

„тобы создать услови€ дл€ усилени€ света необходимо, чтобы излучаемые волны в результате вынужденных переходов электронов с верхних уровней на нижние уровни по частоте, направлению распространени€, пол€ризации и фазе были тождественны первичной волне и, следовательно, когерентны друг другу. »менно когерентность вынужденного излучени€ приводит к усилению световой волны в среде с инверсией населЄнностей, а не просто к дополнительному излучению новых волн.

ƒл€ усиление излучени€ необходимо, чтобы на верхнем уровне в расчете на одно квантово-механическое состо€ние было частиц(электронов) больше, чем на нижнем.

ќптический резонатор

ƒл€ возникновени€ генерации в усиливающей среде необходима обратна€ св€зь. “акую св€зь осуществл€ют с помощью оптического резонатора.

ќптическим резонатором называетс€ система отражающих, преломл€ющих, фокусирующих, дисперсионных и других оптических элементов, в пространстве между которыми могут возбуждатьс€ определенные типы колебаний электромагнитного пол€ оптического диапазона, называемые собственными колебани€ми, или модами резонатора.

ѕростейшим оптическим резонатором €вл€етс€ плоский резонатор (интерферометр ‘абри-ѕеро), состо€щий из двух плоскопараллельных пластин, расположенных на рассто€нии l друг от друга. ¬ качестве одной пластины можно использовать «глухое» зеркало, коэффициент отражени€ которого близок к единице. ¬тора€ пластина должна быть частично прозрачной, чтобы генерируемое излучение могло выйти из резонатора. ƒл€ увеличени€ коэффициента отражени€ пластин на них обычно нанос€т многослойные диэлектрические отражающие покрыти€. »ногда их нанос€т непосредственно на плоскопараллельные торцы стержней активной среды.


–исунок 18 —труктура оптического резонатора


¬виду высокого коэффициента усилени€ дл€ получени€ оптического резонатора в полупроводниковых лазерах не требуетс€ специальных зеркал. ƒостаточно сделать два торца диода параллельными друг другу и перпендикул€рными к p-n-переходу.

ѕри малых токах накачки в активной области, подобно светодиоду, возникает спонтанное излучение. ѕри этом активна€ область излучает спонтанные фотоны (—ѕ‘) во все стороны и больша€ часть эту область покидает. „асть фотонов спонтанного излучени€ отраз€тс€ от зеркала оптического резонптора и пройдут строго в плоскости активной области к противоположному зеркалу.

—понтанное излучение одного из возбуждЄнных атомов активной среды (т.е. атома, наход€щегос€ на уровне Eс), прежде чем оно выйдет из объЄма V резонатора, может вызвать вынужденные переходы других возбуждЄнных атомов и вследствие этого усилитс€.

”силение зависит от пути, проходимого волной в среде, то есть от направлени€. ≈сли поместить активную среду в простейший оптический резонатор, то в наиболее благопри€тные услови€ попадает волна, распростран€юща€с€ вдоль его оси.

‘отоны, сталкива€сь с электронами, отдают им кванты энергии. ѕолучив дополнительную энергию, некоторые электроны, наход€щиес€ на энергетических уровн€х в зоне проводимости, рекомбинируют с дырками валентной зоны. ¬новь возникают фотоны, но в отличие от спонтанных, они €вл€ютс€ стимулированными (—“‘).  огерентные волны, распростран€€сь вдоль оси резонатора, будут отражатьс€ от зеркал перпендикул€рно их поверхности, и интерферировать между собой.

»нтерференцией волн называетс€ €вление наложени€ волн, при котором происходит устойчивое во времени их взаимное усиление в одних точках пространства и ослабление в других в зависимости от отношени€ между фазами этих волн. »нтерферировать могут только когерентные волны, которым соответствуют колебани€, совершающиес€ вдоль одного и того же или близких направлений.

ƒлина резонатора выбираетс€ такой, чтобы на ней укладывалось целое число полуволн:

(5)


где q = 1,2,3Е - число полуволн;

¬ результате каждого «прохода» интенсивность волны увеличиваетс€, так как число —“‘ растет лавинообразно, а поскольку число электронно-дырочных пар в единице объема, не мен€етс€, стимулированное излучение начинает преобладать над спонтанным. ѕри некотором пороговом токе накачки спонтанное излучение окончательно подавл€етс€, в резонаторе устанавливаетс€ сто€ча€ волна, а сквозь полупрозрачные зеркала выходит поток когерентного излучени€. Ётот режим называют режимом генерации лазера.

¬ резонаторах могут возбуждатьс€ колебани€ только определенных длин волн и определенной структуры, образующие сто€чую волну. „астоты этих колебаний называютс€ резонансными или собственными частотами резонатора, а колебани€ модами резонатора.

–езонатор лазера дл€ системы оптической св€зи должен быть сконструирован таким образом, чтобы в нем сохран€лось небольшое число мод, а остальные должны гаситьс€. ƒл€ этого резонаторы делаютс€ открытыми.

Ќакачка

—реду с инверсией населЄнностей какой-либо пары уровней, способную усиливать излучение, обычно называют активной или лазерной. ѕроцесс возбуждени€ среды с целью выполнени€ услови€ N2 > N1 называетс€ накачкой, а внешний источник возбуждени€ - источником накачки.

¬ полупроводниках активную среду возможно создавать;

) инжекцией носителей тока через электронно-дырочный переход;

) оптическим возбуждением

¬ технике оптических систем св€зи источником накачки полупроводниковых материалов €вл€етс€ источник электрического тока.

¬ полупроводниковых лазерах преобладающим видом накачки €вл€етс€ инжекци€ тока через p-n переход с использованием гетероструктур.


2.4 —равнительный анализ основных технических характеристик светодиодов и лазерных диодов


ќсновными характеристиками полупроводниковых лазеров и светодиодов €вл€ютс€:

выходна€ мощность и ватт-амперна€ характеристика;

спектральна€ характеристика выходного оптического излучени€;

модовый состав оптического излучени€;

диаграмма направленности оптического излучени€;

быстродействие источников оптического излучени€.

¬ыходна€ мощность и ватт-амперна€ характеристика

«ависимость выходной мощности оптического излучени€ светодиода или лазерного диода от величины тока накачки называетс€ ватт-амперной характеристикой. “ипична€ ватт-амперна€ характеристика светодиода (—»ƒ) и лазерного диода (Ћƒ) приведена на рисунке 19.


–исунок 19 ѕример ватт-амперной характеристики светодиода (—»ƒ) и лазерного диода (Ћƒ)


¬ыходна€ мощность светодиода возрастает примерно линейно с увеличением тока накачки. ¬ыходна€ мощность лазерного диода возрастает примерно линейно с увеличением тока накачки до порога генерации I пор, а затем увеличиваетс€ лавинообразно в несколько раз до величины тока накачки I 3, при котором наступает перегрев кристалла и его разрушение. јналогичное ограничение по току накачки имеет и светодиод.

–абочий участок лазера, это квазилинейный участок от I пор до I 2, на этом участке производитс€ цифрова€ модул€ци€ оптического излучени€ лазера.

¬ыходна€ мощность оптического излучени€ лазерного диода в дес€тки раз больше выходной мощности оптического излучени€ светодиода.

—ерьЄзным недостатком лазерных диодов по сравнению со светодиодами €вл€етс€ значительно меньшее врем€ деградации, которое определ€етс€ как врем€ в течении которого уменьшаетс€ излучаема€ оптическа€ мощность в два раза при одном и том же токе накачки.

“ак как Ћƒ работают при более высоких плотност€х тока накачки, это приводит к более быстрой деградации полупроводникового сло€.

—пектральна€ характеристика выходного оптического излучени€

ќдним из основных параметров светоизлучающих элементов €вл€етс€ ширина спектра излучени€, т.е. диапазон частот или длин волн, который охватывает излучение данного оптического прибора

Ћазеры €вл€ютс€ когерентными источниками, обладающими узкой спектральной шириной излучени€ (0,1-3 нм). —ветодиодные оптические источники имеют более широкий спектр излучени€, обычно в пределах 50-200 нм. —пектральна€ характеристика оптического излучени€ лазерного и светодиодного источника представлены на рисунке 20.


–исунок 20 —пектральна€ характеристика оптического излучени€ лазерного и светодиодного источников


Ўирина спектра оптического излучени€ источника (Dl) обычно определ€етс€ на уровне 0,5 от максимальной мощности излучени€ (Pumax).

ѕримеры спектральных характеристик оптического излучени€ дл€ светодиодов и разных типов лазеров приведены на рисунке 21


–исунок 21 —пектральные характеристики оптического излучени€


ќптическое излучение на выходе светодиодов €вл€етс€ многомодовым.

ћодовый состав оптического излучени€

—остав оптического излучени€ на выходе лазерных диодов зависит от конструкции лазерного диода. ¬ насто€щее врем€ в оптических системах св€зи наиболее широкое применение нашли следующие типы полупроводниковых лазеров: ќптическое излучение на выходе светодиодов €вл€етс€ многомодовым.

—остав оптического излучени€ на выходе лазерных диодов зависит от конструкции лазерного диода. ¬ насто€щее врем€ в оптических системах св€зи наиболее широкое применение нашли следующие типы полупроводниковых лазеров:

лазеры ‘абри - ѕеро (FP, многомодовые);

лазеры с распределЄнной обратной св€зью (DFB, одномодовые);

лазеры с распределЄнным брэгговским отражением (DBR, одномодовые).

лазеры с вертикальным резонатором (VCSEL, одномодовые).

¬ оптических тестерах и оптических рефлектометрах широко используютс€ лазеры ‘абри - ѕеро, так как их стоимость намного меньше других типов лазеров.  онструкци€ лазерного диода ‘абри-ѕеро (FP) с двойной гетероструктурой приведена на рисунке 22.


–исунок 22  онструкци€ лазера с резонатором ‘абри-ѕеро


ƒиаграмма направленности оптического излучени€

ƒиаграмма направленности оптического излучени€ показывает распре - деление оптической мощности в пространстве на выходе светоизлучающего элемента. Ќа рисунке 23 показаны примеры диаграмм направленности дл€ лазерных диодов (Ћƒ) и светодиодов (—»ƒ) при вводе оптического излучени€ в оптичекое волокно.


–исунок 23 ƒдиаграмма направленности: оптического излучени€ при вводе в оптическое волокно; а) —»ƒ, б) Ћƒ


ƒл€ —»ƒ в параллельной и перпендикул€рной плоскости: углы отклонени€ по вертикали и горизонтали jx,jy - 90о-180о, дл€ Ћƒ: jх=20-30о jy=30-60о.

“аким образом, на выходе лазерных диодов формируетс€ более узкий пучок оптического излучени€, который легче вводить в оптическое волокно.

Ѕыстродействие источников оптического излучени€

Ѕыстродействие источников оптического излучени€ определ€ет врем€ преобразовани€ электрического сигнала в оптический сигнал.

Ќа выходе источника импульс считаетс€ преобразованным, если его мощность достигла значени€ 0,9 Pumax. Ѕыстродействие характеризуетс€ через врем€ нарастани€ переднего фронта tн - это врем€ в течение, которого амплитуда импульса измен€етс€ от уровн€ 0,1 до 0,9 от максимальной мощности (Pumax).


–исунок 24 Ѕыстродействие источников оптического излучени€


¬рем€ нарастани€ переднего фронта tн определ€ет максимальную частоту модул€ции источника. ”среднЄнные данные о величинах быстродействи€ светодиодов и лазерных диодов приведены в таблице.


“аблица 1 —равнительные данные о быстродействие источников оптического излучени€ (светодиодов —»ƒ и лазерных диодов Ћƒ).

ƒл€ —»ƒƒл€ Ћƒtн³5 нсtн=0,15 нсf = 70ћ√цf = 2,5√√ц

3. ќсновные эксплуатационные характеристики серийных измерительных источников оптического излучени€ и их сравнительный анализ


¬ насто€щее врем€ различными фирмами выпускаютс€ значительное количество различных типов серийных измерительных источников оптического излучени€.


–исунок 25 ќбща€ классификаци€ серийных измерительных источников оптического излучени€


—ерийные измерительные источники оптического излучени€ выпускаютс€ следующих типов:

на одну фиксированную длину волны оптического излучени€ с одним выходным интерфейсом;

на две фиксированные длины волны оптического излучени€ с двум€ выходными интерфейсами;

с перестройкой длин волн оптического излучени€ с одним выходным интерфейсом;

с регулировкой выходной оптической мощности;

без регулировки выходной оптической мощности.

»змерительные источники оптического излучени€ (»ќ») и измерители оптической мощности (»ќћ) конструктивно могут быть оформлены в виде отдельных приборов, или объединены в одном приборе и тогда они называютс€ оптическими тестерами.

ќсновными эксплуатационными характеристиками измерительных источников оптического излучени€ (»ќ») €вл€ютс€:

диапазон длин волн оптического излучени€;

возможность перестройки длины волны оптического излучени€;

выходна€ мошность и возможность регулировки выходной мощности;

ширина спектра оптического излучени€:

возможность цифровой модул€ции оптического излучени€ вспомогательными цифровыми сигналами;

тип оптических выходных интерфейсов (оптических адаптеров);

электропитание (сухие элементы, аккумул€торы, адаптеры на 220 ¬).

—равнительные эксплуатационные характеристики измерителныхисточников оптического излучени€ различных предпри€тий-производителей приведены в таблице 2.


“аблица 2. —равнительные эксплуатационные характеристики серийных измерительных источников оптического излучени€

ѕроизводительЋќЌ»»– Ѕ¬ѕWavetekANDOEXFOћарка«јлмаз11»FOD 2107OLS-6AQ4251FOT 700“ип источникаЋазерЋазерЋазерЋазерЋазерƒлина волны, нм850 1310 155015501310 15501310 15501310 1550”ровень выходного сигнала, дЅбольше или равно -3-3-7-7-4Ќестабильность выходного уровн€, дЅ0,10,05Ќ/д0,05 (за 5 минут)0,1 (за 8 часов)Ўирина спектра излучени€, нмменьше или равно 5Ќ/дЌ/дменьше или равно 5меньше или равно 5¬рем€ непрерывной работы от одного комплекта источников, ч3024Ќ/д15195√абариты, мм195х100х41150х90х30185х95х49265х88х43227х110х64¬ес, гЌ/д300500450860


4. –азработка учебного модул€ «»змерительные источники оптического излучени€»


.1 ќбщие сведени€ по учебному модулю

оптический диод измерительный

÷елью данной дипломной работы €вл€етс€ разработка учебного модул€ «»змерительные источники оптического излучени€ дл€ систем оптической св€зи» по дисциплине «ћетрологи€ в оптических телекоммуникационных системах», котора€ изучаетс€ в рамках специальности «‘изика и техника оптической св€зи».

ƒл€ изучени€ данной темы в учебном плане дисциплины отводитс€ 2 часа дл€ практического зан€ти€ и 2 часа дл€ лабораторного зан€ти€.

¬ св€зи с этим данный учебный модуль должен быть реализован в виде единого методического руководства к практическому зан€тию (2 часа) и лабораторному зан€тию (2 часа).


4.2 —одержание методического руководства к учебному модулю «»змерительные источники оптического излучени€ дл€ систем оптической св€зи»


ћетодическое руководство к учебному модулю «»змерительные источники оптического излучени€ дл€ систем оптической св€зи» имеет следующее содержание:

–аздел 1. ÷ель практического и лабораторного зан€тий.

–аздел 2.  раткие теоретические сведени€ о принципах построени€ и функционировани€ измерительных источников оптического излучени€ дл€ систем оптической св€зи.

–аздел 3. —одержание лабораторного зан€ти€

–аздел 4. —одержание практического зан€ти€.

–аздел 5. —писок использованных источников.

ћетодическое руководство должно иметь электронную версию и печатную версию, которую преподаватель выдаЄт группам студентов во врем€ зан€тий.

–аздел 1. ÷ель практического и лабораторного зан€тий

÷ель практического зан€ти€

. »зучить принципы построени€ и функционировани€ измерительных источников оптического излучени€,

. »зучить основные технические характеристики измерительных источников оптического излучени€,

. »зучить методы использовани€ измерительных источников оптического излучени€ в услови€х технической эксплуатации дл€ производства измерений.

. ќтветить на вопросы теста.

. –ешить задачи по вариантам, заданным преподавателем.

÷ель лабораторного зан€ти€

. »зучить конструкцию и технические характеристики измерительных источников оптического излучени€ серийного производства (в составе оптических тестеров FOD 1203).

. ѕолучить навыки подключени€ измерительных источников оптического излучени€ к измер€емым объектам. ѕолучить навыки управлени€ измерительными источниками оптического излучени€, научитьс€ выбирать режимы работы.

. »зучить требовани€ к выбору оптических соединительных шнуров дл€ проведени€ различных измерений.

. ¬ыполнить измерение необходимых уровней передачи и приЄма дл€ определени€ затухани€ оптического волокна на Ё ” учебной волоконно-оптической линии св€зи заданной конфигурации использу€ методы измерени€ изученные на практическом зан€тие;

. ¬ыполнить расчЄт величины затухани€ оптического волокна и коэффициента затухани€ оптического волокна по результатам измерений использу€ методику и расчЄтные формулы изученные на практическом зан€тие;

. —делать выводы по результатам измерений и расчЄтов.

–аздел 2. —одержание кратких теоретических сведений о принципах построени€ и функционировани€ измерительных источников оптического излучени€ дл€ систем оптической св€зи.

1. ќбщие сведени€ об измерительных источников оптического излучени€.

. ѕринципы построени€ и функционировани€ измерительных источников оптического излучени€

. ќсновные требовани€ к эксплуатационным характеристикам измерительных источников оптического излучени€.

. ѕринципы построени€ светодиодов и лазерных диодов в измерительных источниках оптического излучени€

. —равнительный анализ основных характеристик светодиодов и лазерных диодов дл€ применени€ в измерительных источниках оптического излучени€

–аздел 3. —одержание лабораторного зан€ти€

1) »зучить конструкцию оптического тестера FOD 1203 (B, —, D).

) »зучить основные технические характеристики выбранного типа оптического тестера.

) ¬ыбрать необходимый тип оптических соединительных шнуров(ќ—Ў) дл€ проведени€ измерений, которые должны соответствовать выбранному типу оптического тестера и объекту измерений.

) ѕроверить работоспособность оптического тестера. ƒл€ этого необходимо:

включить оптический тестер - нажать кнопку «ON/OFF»;

сн€ть защитный колпачок с измерител€ оптической мощности;

наблюдать за изменени€ми показаний на дисплее при попадании дневного света на оптический интерфейс измерител€ оптической мощности;

) »змерить уровень собственных шумов оптического тестера:

не снима€ защитные колпачки, включить оптический тестер - нажать кнопку «ON/OFF»;

записать полученные данные в dBm(дЅм);

выключить оптический тестер путЄм повторного нажати€ кнопки «ON/OFF»;

рассчитать мощность собственных шумов;

) »змерить диапазон возможных значений уровн€ передачи измерительного источника оптического излучени€ в оптическом тестере:

соединить выход источника оптического излучени€(»ќ») со входом измерител€ оптической мощности(»ќћ) через ќ—Ў, оконцованный оптическими коннекторами типа FC/UPC с обеих сторон. ƒл€ этого необходимо соединить один конец ќ—Ў с выходом »ќ», дл€ этого на верхней стороне оптического тестера необходимо сн€ть защитный колпачок и вставить конец ќ—Ў в адаптер, таким образом, чтобы выступ на коннекторе совпал с пазом на адаптере, после чего зат€нуть гайку;

аналогично соединить другой конец ќ—Ў со входом »ќћ;

включить оптический тестер - нажать кнопку «ON/OFF»;

выбрать длину волны оптическог излучени€ »ќ» л путЄм нажати€ кнопки «¬ыбор длины волны л»;

записать величину измеренного уровн€ приЄма;

рассчитать диапазон возможных значений уровн€ передачи измерительного источника оптического излучени€ в оптическом тестере с учЄтом погрешности (дополнительного затухани€ вносимого двум€ оптическими разъЄмными соединени€ми на выходе »ќ» и на входе »ќћ).

»стинный уровень передачи оптического излучени€ на передающем оптическом интерфейсе »ќ» оптического тестера, всегда больше измеренного уровн€ на входе »ќћ на величину затуханий ќ–— и погрешности измерительного прибора

,


где затухание на оптическом разъЄмном соединении ќ–—,

погрешность измерительного прибора.

“очное значение затухани€ на оптическом разъЄмном соединении определить невозможно. “акже невозможно точно определить значение и знак погрешности прибора. ѕоэтому необходимые расчЄты можно провести с некоторыми допусками.

ƒл€ расчЄтов необходимо воспользоватьс€ статистическими данными дл€ затухани€ на оптических разъЄмных соединени€х. ѕо этим данным минимальное затухание с использованием новых ќ—Ў [11] составл€ет =0,1 дЅ; максимальное затухание с использованием старых ќ—Ў -= 0,5дЅ и с использованием ќ—Ў со средними параметрами 0,3дЅ. —ледует учесть, что данные значени€ затуханий на оптических разъЄмных соединени€х могут приниматьс€ с некоторыми веро€тност€ми. —татистическа€ зависимость распределени€ потерь при использовании оптических разъемных соединений показана на рисунке.


–исунок - —татистическое распределение потерь дл€ оптических разъемных соединений

з рисунка видно, что, например, минимальное затухание может принимать значение 0,1 дЅ с веро€тностью 10% (примерно така€ же веро€тность у максимального затухани€ ), а среднее затухание принимает значение 0,3 дЅ с веро€тностью примерно 75%.

“акже необходимо сделать допущение, что значение погрешности прибора может иметь минимальное, максимальное и среднее значени€, например дл€ оптического тестера FOD 1203 D

дЅ, дЅ, дЅ.

»спользу€ исходную формулу и перечисленные выше допуски можно определить три значени€ истинного уровн€ передачи: , и :



–ассчитанные величины диапазона возможных значений уровн€ передачи измерительного источника оптического излучени€ в оптическом тестере необходимо сравнить с величинами приведенными в технической документации на оптический тестер и сделать выводы.

–аздел 4. —одержание практического зан€ти€

ѕрактическое зан€тие состоит из двух частей:

. ”чебный тест, который имеет 10 вариантов. ѕреподаватель раздаЄт во врем€ практического зан€ти€ каждому студенту свой вариант теста, на вопросы которого студенты дают письменный ответ, указыва€ правильные ответы на вопросы теста.

. «адача.  аждый студент получает во врем€ практического зан€ти€ свой вариант задачи (всего 10 вариантов), который необходимо решить и дать письменный ответ в конце практического зан€ти€.

ѕример учебного теста

. ќтветить на вопросы теста, выданного преподавателем.

”чебный тест состоит из 10 вопросов, дл€ каждого вопроса приводитс€ четыре варианта ответа, из которых только один ответ правильный.

—туденту необходимо ответить правильно на 6 или более вопросов,

чтобы успешно сдать тест. Ёто соответствует 60% правильных ответов,

а в п€тибалльной шкале оценок это соответствует оценке 3 (удовлетворительно).

¬опросы учебного теста

1. ќсновные технические характеристики измерительных источников оптического излучени€:

а) тип аккумул€торов, срок службы, мощность излучени€;

б) длина волны излучени€, вес прибора, гарантийный срок;

в) ширина спектра излучени€, длина волны излучени€, мощность излучени€, тип источника излучени€;

г) ширина спектра излучени€, тип источника излучени€, размеры и вес прибора.

. ќсновные технические характеристики измерителей оптической мощности:

а) срок службы, размеры и вес прибора, уровень собственных шумов фотоприемника;

б) гарантийный срок, тип аккумул€торов, диапазон измер€емых длин волн;

в) тип фотодиода, диапазон измер€емых мощностей, диапазон измер€емых длин волн;

г) фирма-производитель, диапазон измер€емых мощностей, тип фотодиода.

3.  акой источник излучени€ обеспечивает максимальную мощность оптического сигнала на выходе »ќ»?

а) люминисцентный светодиод.

б) лазерный диод.

в) светодиод с оптическим фильтром на выбранной длине волны излучени€.

г) фотодиод

.  оэффициент затухани€ ќ¬, это:

а) отношение мощности оптического сигнала на выходе ќ¬ к мощности на входе ќ¬;

б) затухание из-за поглощени€ в ќ¬;

в) затухание из-за рассе€ни€ в ќ¬;

г) затухание на 1000 м оптического волокна.

.  ак затухание ќ¬ на Ё ” зависит от типа используемых ќ¬?

а) больше в одномодовых ќ¬, чем в многомодовых;

б) меньше в одномодовых ќ¬, чем в многомодовых;

в) не зависит от типа ќ¬;

г) зависит только от количества ќ¬ в ¬ќ .

.  акой источник излучени€ обеспечивает большее количество мод в выходном сигнале?

а) лазерный диод;

б) светодиод;

в) суперлюминисцентный светодиод;

г) количество мод одинаковое.

. ƒл€ подключени€ оптического многомодового волокна к светодиодному источнику излучени€ используютс€:

а) одномодовые ќ—Ў с оптическим волокном со смещЄнной ненулевой дисперсией;

б) одномодовые ќ—Ў с оптическим волокном со смещЄнной нулевой дисперсией;

в) многомодовые ќ—Ў с оптическим волокном рекомендации G.651;

г) многомодовые ќ—Ў с оптическими коннекторами FC.

. ƒл€ подключени€ стандарного оптического одномодового волокна к лазерному источнику излучени€ используютс€:

а) одномодовые ќ—Ў с оптическим волокном со смещЄнной ненулевой дисперсией;

б) одномодовые ќ—Ў с оптическим волокном рекомендации G.652;

в) многомодовые ќ—Ў с оптическим волокном рекомендации G.651;

г) многомодовые ќ—Ў с оптическими коннекторами FC.

. »змерение затухани€ всего ќ¬ на Ё ” от порта ODF до порта противоположного ODF производитс€ с помощью:

а) оптических рефлектометров;

б) измерителей оптической мощности;

в) оптических тестеров;

г) измерительных источников оптического излучени€;

. Ўирина спектра излучени€ лазерных диодов находитс€ в пределах:

а) 2 - 10 мкм;

б) 50-200 мкм;

в) 0,1 - 4 мкм;

г) 0,01 -0,04 мкм.

—одержание задачи

Ќа элементарном кабельном участке Ё ” ¬ќЋ— с прот€жЄнностью трассы выполнены измерени€ затухани€ одномодовых ќ¬ с использованием оптических тестеров FOD 1203 (C или D) и получены величины уровней передачи Pпер изм, и уровней приЄма Pпр изм приведенные в таблице по вариантам. —оставить схему измерений и использу€ эти данные рассчитать:

) ¬еличину среднего истинного уровн€ передачи оптического излучени€ на передающем оптическом интерфейсе измерительного источника оптического излучени€ »ќ» оптического тестера ;

) ¬озможные отклонени€ истинного уровн€ передачиот среднего значени€ до максимального и минимального значений из-за погрешностей вносимых оптическими разъЄмными соединени€ми;

) —реднюю величину затухани€ оптических волокон на элементарном кабельном участке;

) —реднюю величину коэффициента затухани€ оптических волокон на элементарном кабельном участке;

) —равнить рассчитанную величину коэффициента затухани€ ќ¬

с рекомендуемыми нормами;

) —делать выводы по результатам расчЄтов.

ѕри решении задачи учесть:

1.ƒлина волны измерительного сигнала на передающем оптическом интерфейсе измерительного источника оптического излучени€ оптического тестера FOD 1203C равна 1,31 мкм, FOD 1203 D 1,55 мкм.

.ѕрот€жЄнность трассы отличаетс€ от прот€жЄнности ќ¬.


“аблица 3

є варианта (км)Pпер изм (дЅм)Pпр изм (дЅм)“ипFOD 12031201-7,5C2300,5-5,8D3350-12,4C4402-6,5D545-0,5-16,5C650-1-12D7550,5-21,7C8601-14,2D965-1,5-25,7C1070-0,5-15,8D

«аключение


¬ данной дипломной работе получены следующие основные результаты:

.–ассмотрены основные принципы построени€ и функционировани€ измерительных источников оптического излучени€ дл€ систем оптической св€зи..–ассмотрены основные эксплуатационные характеристики измерительных источников оптического излучени€ и требовани€ к этим характеристикам.

. –ассмотрена структура и принцип действи€ сетодиодов и лазерных диодов различного типа как основного элемента измерительных источников оптического излучени€.

¬ыполнен сравнительный анализ технических характеристик светодиодов и лазерных диодов.

. –азработан учебный модуль «»змерительные источники оптического излучени€», который может использоватьс€ в процессе изучени€ дисциплины «ћетрологи€ в оптических телекоммуникационных системах».

. ”чебный модуль выполнен в виде методического руководства дл€ проведени€ практического и лабораторного зан€тий и содержит:

краткие теоретические сведени€ по основным принципам построени€ и функционировани€ измерительных источников оптического излучени€ и методические указани€ дл€ проведени€ лабораторного зан€ти€;

учебные тесты и задачи дл€ проведени€ практического зан€ти€.


—писок использованных источников


1. ѕортнов Ё.Ћ. ѕерспективы развити€ кабельных линий св€зи в третьем тыс€челетии / Ё.Ћ. ѕортнов // “елекоммуникации и транспорт. - 2010. - є8. - —. 4 - 6.

. ƒианов ≈.ћ. ¬олоконна€ оптика: 40 лет спуст€ //  вантова€ электроника. - 2010. - “. 40. - є1. - —. 7-12.

. »змерени€ проход€щего через линейный тракт излучени€. - 2008. - Ёлектронный журнал, рассматривающий контрольно - измерительное оборудование, используемое при создании и эксплуатации волоконно-оптических линий св€зи. - (–ус.). - URL: [ма€ 2012].

.  онтрольно-измерительное оборудование в волоконно-оптических лини€х св€зи - 2009. - Ёлектронный журнал, рассматривающий контрольно - измерительное оборудование, используемое при создании и эксплуатации волоконно-оптических линий св€зи. - (–ус.). - URL: http://kunegin.narod.ru [19 ма€ 2012].

. ћетоды измерени€ параметров оптических компонентов, ¬ќЋ— и ¬ќ—ѕ - 2010. - Ёлектронный журнал, рассматривающий контрольно - измерительное оборудование, используемое при создании и эксплуатации волоконно-оптических линий св€зи. - (–ус.). - URL: http://www.fot-company.ru. [19 ма€ 2012].

. »гнатов ј.Ќ. ќптоэлектронные приборы и устройства. - ћ.: Ёко - “ренз, 2006.

. ÷ифровые и аналоговые системы передачи / ѕод ред. ¬.Ќ. »ванова - ћ.: √ор. лини€ - “елеком, 2003

. ”р€дов ¬.Ќ. электронный учебно-методический комплекс по дисциплине «волоконно-оптические системы передачи». (теори€) ƒл€ студентов специальностей01 01 ћногоканальные системы телекоммуникаций. ћинск, 2008.

. Ќарышкин ј. . ÷ифровые устройства и микропроцессоры. - ћ.: јкадеми€, 2006.

. —лепов Ќ.Ќ. —овременные технологии цифровых оптоэлектронных сетей св€зи. - ћ.: –адио и св€зь, 2000и2003.

. »ванов ј.Ѕ. ¬олоконна€ оптика, системы передачи, измерени€ / ј.Ѕ. »ванов. - ћ.: —ј…–”— —»—“≈ћ—, 1999.

. –ƒ 45.235-2002. –уковод€щий документ отрасли. —редства измерений электросв€зи. »сточники оптического излучени€ измерительные дл€ волоконно-оптических систем передачи. “ехнические требовани€/ ѕриказ ћинсв€зи –оссии от 04.04.2003 г. є34


ƒ»ѕЋќћЌјя –јЅќ“ј –азработка учебного модул€ «»змерительные источники оптического излучени€»

Ѕольше работ по теме:

ѕредмет: ‘изика

“ип работы: ƒиплом

найти  

ѕќ»— 

Ќовости образовани€

 ќЌ“ј “Ќџ… EMAIL: MAIL@SKACHAT-REFERATY.RU

—качать реферат © 2018 | ѕользовательское соглашение

—качать      –еферат

ѕ–ќ‘≈——»ќЌјЋ№Ќјя ѕќћќў№ —“”ƒ≈Ќ“јћ