Laboratorium techniki światłowodowej. Ćwiczenie 1. Połączenia między światłowodami złącza światłowodowe

Transkrypt

1 Laboratorium techniki światłowoowej Ćwiczenie. Połączenia mięzy światłowoami złącza światłowoowe Katera Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WEI, Politechnika Gaoska Gańsk 006

2 Ćwiczenie. Połączenia mięzy światłowoami złącza światłowoowe. Wprowazenie Poczas proukcji światłowoy wyciąa się w ocinkach o skończonej łuości. Również ikable światłowoowe są wykonane w ocinkach, o łuościach o kilkuset metrów o kilkunastu kilometrów. Wynika stą konieczność łączenia ze sobą wielu ocinków, światłowoów, jak również i kabli, aby uzyskać ocinki o większych łuościach (olełości mięzy wzmacniaczami lub mięzy naajnikiem a obiornikiem promieniowania moą wynosić kilkaziesiąt kilometrów). Do teo służą złącza światłowoowe stałe i rozłączne.. Optyczne straty złącz światłowoowych Moc synału optyczneo przechoząceo przez złącze ulea pewnemu zmniejszeniu (straty). Dlateo też wprowaza się współczynnik transmisji : P () P zie: P moc synału optyczneo prze złączem, P moc synału optyczneo za złączem. Przyczyny strat moą być różne. Dzielimy je na tzw. straty zewnętrzne (extrinsic loss) i straty wewnętrzne (intrinsic loss). e pierwsze spowoowane są łównie przez mechaniczne tolerancje jak przesunięcie poosiowe, przesunięcie mięzy osiowe, przesunięcie kątowe, kąt nieopasowania, jakość powierzchni czołowych włókien oraz straty Fresnela występujące przy przechozeniu fali przez ranicę ośroków optycznych. Przy założeniu, że te uchyby mechaniczne są małe, poszczeólne ich skłaowe skłaają się na sprawność złącza, którą można określić za pomocą następujących przybliżonych zależności: s N S () R n 0 (3) R (4) arcsin N n n r 0 arccos N (5) nr n0 rch r ch (6) 4 nr n0 zie: s przesunięcie poosiowe, ε przesunięcie mięzyosiowe, φ przesunięcie kątowe, γ skośność powierzchni czołowych, R promień rzenia włókna, N apertura numeryczna, n r współczynnik załamania rzenia, n 0 współczynnik załamania otaczająceo ośroka, współczynnik profilu współczynnika załamania włókna, r ch łębokość chropowatości w μm, λ łuość fali w μm. Laboratorium techniki światłowoowej Strona Katera Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WEI, Politechnika Gańska

3 Ćwiczenie. Połączenia mięzy światłowoami złącza światłowoowe Straty wewnętrzne zależą o transmisji fali przez złącze i spowoowane są przypakowymi zmianami parametrów mechanicznych łączonych włókien. Uwzlęniają one różne śrenice ich rzeni, różne wartości apertur numerycznych N łączonych włókien i nieopasowania ich współczynników profilów załamania. Sprawność połączenia wóch światłowoów i w funkcji, N i określają następujące zależności: N N N N N Nie uwzlęnia się tutaj innych strat, jak straty moowe oraz straty spowoowane zanieczyszczeniem powierzchni czołowych. 3. Rozaje złącz światłowoowych Złącza stałe można tworzyć metoą spawania bąź klejenia. Mając na uwaze źróła strat, a zwłaszcza strat zewnętrznych, omówione poprzenio o powierzchnie czołowe łączonych włókien powinny być opowienio przyotowane tzn. powinny być optycznie płaskie, wzajemnie równolełe i prostopałe o osi włókna. arzo użyteczną jest tutaj prosta technika cięcia włókien szklanych poleająca na zarysowaniu a następnie rozerwaniu włókien. rwałe nierozłączalne połączenia wykonuje się najczęściej przez zespawanie końcówek włókien. Wcześniej jenak łączone końcówki muszą być ustawione okłanie naprzeciw siebie, co warunkuje osiąnięcie użej sprawności pobuzenia włókna. Ze wzlęu na rozszerzalność cieplną łączone końcówki ustawia się w olełości kilku m o siebie. Obecnie przeważnie używa się wyłaowania jarzenioweo przy ciśnieniu atmosferycznym i napięciu zmiennym V la olełości mięzy elektroami wolframowymi ok. mm. Moc jeo (6 0W) wystarcza o zespawania wóch włókien kwarcowych w temperaturze 800 C o 000 C. Plazmę wyłaowania jarzenioweo można łatwo kontrolować i uzyskać symetryczną barzo wąską strefę topienia. W cienkich włóknach miejsce łączone zabezpiecza się np. żywicą epoksyową lub tulejką metalową. łumienności złączy spawanych wynoszą 0,0 0,05 la typowych światłowoów telekomunikacyjnych. W przypaku połączeń zrzewanych tłumienności tak wykonanych złączy wynoszą la włókien wielomoowych śrenio ok. 0, a la włókien jenomoowych śrenie tłumienności wynoszą 0,4 la śrenicy rzenia 5,µm i 0, la śrenicy 0µm. Poza tym można stosować połączenie klejone. utaj justowanie obu końców włókien obywa się mięzy wiema ściankami rurki o przekroju kwaratowym lub w precyzyjnym rowku o kształcie litery V wytrawionym w położu nośnym z krzemu. łumienności takich klejonych złączy wynoszą la włókien wielomoowych 0, o 0,35. Dla włókien jenomoowych są większe. Duża rupa złączy stałych bazuje na płaskim elemencie konstrukcyjnym z wyciętym lub wytrawionym rowkiem w kształcie litery V. Naaje się ono o szybkieo i o małych stratach łączenia ; ; ; N ; N ; ; N N (7) (8) (9) Laboratorium techniki światłowoowej Strona 3 Katera Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WEI, Politechnika Gańska

4 Ćwiczenie. Połączenia mięzy światłowoami złącza światłowoowe niezabezpieczonych włókien również w technice kablowej zie stosuje się wtey element konstrukcyjny z wieloma rowkami V. Włókno optyczne ociskane jest o rowka V przez opowienią pokrywkę płaską lub kształtowaną. Materiał na kształtki musi być stabilny termicznie. Do wielokrotneo powtarzalneo łączenia światłowoów służą połączenia rozłączalne. Powinny one spełniać następujące wymaania, które zapewniłyby: okłane optyczne sprzężenie z minimalnymi stratami również przy wielokrotnym używaniu, wysoka żywotność i niezawoność czynnych elementów mechanicznych, prostą obsłuę we wszystkich warunkach eksploatacyjnych, niskie koszty (porównywalne z kosztami złączy elektrycznych). by spełnić te wymaania opracowano szere różnych typów złączy, których konstrukcje są stale oskonalone. Często stosowane np. jest złącze wustożkowe. Osiąa się tutaj tłumienie 0, o 0,. Inna metoa zmniejszająca wymaania na tolerancje mechaniczne elementów złącza polea na jeo mimośroowej konstrukcji. Obracając wie części takieo złącza wzlęem siebie otrzymuje się wa punkty iealneo opasowania rzenia włókien. Drua rozina złączy wykorzystuje optyczne metoy justowania włókien uzyskując obniżenie wrażliwości parametrów transmisyjnych złącza o tolerancji mechanicznych jeo wykonania. W złączach takich stosuje się stożki światłowoowe, klasyczne soczewki kulkowe, mikrosoczewki i soczewki typu selfoc. Ich zaletą jest również znaczne obniżenie wrażliwości na wpływy śroowiskowe, zanieczyszczenia, całkowite wyeliminowanie strat reparacyjnych, obra powtarzalność wykonania i wielokrotność rozłączeń bez zmiany parametrów. 4. Zaania pomiarowe. Zapoznać się z ukłaem pomiarowym.. Ustawić przesunięcie kątowe na 0, przesunięcie mięzyosiowe na 0 (poprzez takie ustawienie stolika reulująceo przesunięcie mięzyosiowe, aby woltomierz pokazywał wartość maksymalną). Zjąć charakterystykę P (s) la przesunięcia przyosioweo s. 3. Ustawić przesunięcie poosiowe na małą wartość, tak aby końce światłowoów nie zahaczały o siebie. Zjąć charakterystykę P (ε) la przesunięcia mięzyosioweo ε. 4. Zjąć charakterystykę P (φ) la przesunięcia kątoweo. Uwaa : Ponieważ oś obrotu stolika nie musi pokrywać się z końcem światłowou, po każej zmianie kąta należy okonać takiej korekcji przesunięcia poosioweo i mięzyosioweo, aby woltomierz pokazywał wartość maksymalną. Uwaa : We wszystkich przypakach przyjąć ustawioną wartość maksymalną jako punkt początkowy (zerowe przesunięcie). Zakłaamy, że w tym punkcie transmisja =, a zatem P = P. Pomiary wykonać aż o 0-krotneo spaku wskazań wzlęem przyjęteo maksimum. Laboratorium techniki światłowoowej Strona 4 Katera Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WEI, Politechnika Gańska

5 Ćwiczenie. Połączenia mięzy światłowoami złącza światłowoowe 5. Opracowanie. Przestawić na wspólnym wykresie charakterystykę s pomierzoną i obliczoną teoretycznie wełu wzorów poanych we wstępie.. Przestawić na wspólnym wykresie charakterystykę ε pomierzoną i obliczoną teoretycznie wełu wzorów poanych we wstępie. 3. Przestawić na wspólnym wykresie charakterystykę φ pomierzoną i obliczoną teoretycznie wełu wzorów poanych we wstępie. 4. Na postawie pomiarów określić maksymalne opuszczalne tolerancje przesunięć poosioweo s, mięzyosioweo ε oraz kąta φ tak, aby poszczeólne przesunięcia nie powoowały wzrostu tłumienia złącza światłowooweo większeo niż 0%. Uwaa: Jeżeli nie zostało poane inaczej przez prowaząceo laboratorium, przyjąć następujące parametry światłowoów: śrenica rzenia r = 0,75mm śrenica płaszcza p 0,75mm apertura metryczna N = 0,48 współczynnik załamania rzenia n r =,45 6. Literatura. J. Siuak: Wstęp o współczesnej telekomunikacji światłowoowej, WKŁ, Warszawa Crosinani, G. e Marchis: Światłowoy w telekomunikacji, WKŁ, Warszawa K. Perlicki: Pomiary w optycznych systemach telekomunikacyjnych, WKŁ, Warszawa 00 Laboratorium techniki światłowoowej Strona 5 Katera Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WEI, Politechnika Gańska