13. Seminar Optične Komunikacije Laboratorij za Sevanje in Optiko Fakulteta za Elektrotehniko Ljubljana, 1. - 3. februar 2006 Svetlobni merilniki odbojnosti Matjaž Vidmar
Seznam prosojnic: Slika 1 Meritev odbojnosti svetlobe. Slika 2 Polprepustno zrcalo. Slika 3 Vlakenski smerni sklopnik. Slika 4 Svetlobni cirkulator. Slika 5 - Fresnel-ove odbojnosti. Slika 6 Vrste odbojev. Slika 7 - Odbojnosti vlaken. Slika 8 - Slabljenje stekla. Slika 9 - Vodena moč sipanja. Slika 10 - Zgledi jakosti sipanja. Slika 11 - Prepustnost zemeljskega ozračja. Slika 12 Vlakenski OTDR. Slika 13 - Meritev z OTDR. Slika 14 Laserski daljinomer. Slika 15 - OFDR s spreminjanjem svetlobne frekvence. Slika 16 Izpopolnjeni OFDR. Slika 17 OFDR s spreminjanjem modulacijske frekvence. Slika 18 - Lastnosti merilnikov odbojnosti.
TX izvor svetlobe P TX leča vpadni žarek merjenec E ODBITI E VPADNI = odbojnost odbiti žarek RX detektor svetlobe P RX leča P RX =P TX 2 odbita moč je sorazmerna kvadratu odbojnosti Slika 1 Meritev odbojnosti svetlobe.
leča izgube polprepustno zrcalo 50/50 merjenec TX izvor svetlobe P TX izgube vpadni žarek odbiti žarek odbojnost leča P RX P RX = 1 4 P TX 2 z upoštevanjem izgub polprepustnega zrcala 50/50 RX detektor svetlobe Smernost sposobnost razlikovanja med vpadnim ter odbitim valom smernost polprepustnega zrcala je načeloma neomejeno visoka Slika 2 Polprepustno zrcalo.
vstop odboj zvarjeni svetlobni vlakni jedri na majhni razdalji prepust protismerni sklop l sklopna dolžina P prepust =P vstop 1 2 1 2 cos 2 l P sosmerni =P vstop 1 2 1 2 cos 2 l Smernost= P sosmerni P protismerni 10 7 =70 db Slika 3 Vlakenski smerni sklopnik. utripna dolžina 1000...10000 sosmerni sklop Vlakenski sklopnik: zelo velika dolžina zelo rahel sklop nehomogen dielektrik slab protismerni sklop močen sosmerni sklop
vlakno#1 dvolomni kristal N magnet S GRIN leča GRIN leča vlakno#3 vlakno#1 TE TM enopolarizacijski! vlakno#2 vlakno#3 V optiki ni poti 3>>>1! YIG kristal Faraday 45º N magnet S GRIN leča vlakno#2 vstavitveno slabljenje 1>>>2 oziroma 2>>>3 okoli 0.2-0.5dB (izgube GRIN prehodov) smernost ali povratno slabljenje 2>>>1 oziroma 3>>>2 okoli 35-40dB (učinkovitost AR slojev) Slika 4 Svetlobni cirkulator.
vpad prazen prostor snov dielektrik n= r steklo: n=1.5 odboj lom TE = cos n 2 sin 2 cos n 2 sin 2 TM = n2 cos n 2 sin 2 n 2 cos n 2 sin 2 pravokotni vpad =0 steklo: =0.2 = n 1 n 1 P odboj =0.04 P vpad =P vpad 14 db Slika 5 Fresnel-ove odbojnosti. 1 TE TM Brewster /2
δ δ zrcalni odboj δ<<λ razpršeni odboj δ>>λ δ δ sipanje na velikih delcih δ>>λ Slika 6 Vrste odbojev. sipanje na majhnih delcih δ<<λ, Rayleigh: αλ -4 polarizacijsko odvisno!
prosti konec vlakna (odprti konektor) 2 = 14 db FC-PC konektorski spoj (krivinsko brušene ferule) 2 40 db FC-APC konektorski spoj (kotno brušene ferule) 2 70 db uklonska mrežica FP rezonator Slika 7 Odbojnosti vlaken.
OH ioni Rayleigh-jevo sipanje Slabljenje UV-abs. IR-abs. Nd 3 Pr 3 Er 3 Tm 3 Slika 8 Slabljenje stekla.
P odbiti =P vpadni 0.23 S c z z dol. vlakna slabljenje sipanja [db/m] S c koeficient ujetja sipane svetlobe nazaj v jedro vlakna mnogorodovno stopničasto vlakno S c = 3 8 NA2 n 1 2 NA= n 1 2 n 2 2 num. apertura mnogorodovno gradientno vlakno S c = 1 4 NA2 n 1 2 n 1 lomni kol. jedra enorodovno vlakno S c = 3 8 [ 2 n 1 w ] w rodovni polmer Slika 9 Vodena moč sipanja.
vrsta vlakna 0.23 db/m S c P odbiti / P vpadni z=1 m mnogorodovno SI NA=0.2 850nm 1300nm 0.70E-3 0.12E-3 6.6E-3-53dB -61dB mnogorodovno GI NA=0.2 850nm 1300nm 0.70E-3 0.12E-3 4.4E-3-55dB -63dB enorodovno SI G.652 1300nm 1550nm 0.070E-3 0.045E-3 1.3E-3-70dB -72dB enorodovno DSF G.653 1300nm 1550nm 0.070E-3 0.045E-3 2.2E-3-68dB -70dB Slika 10 Zgledi jakosti sipanja.
Slika 11 Prepustnost zemeljskega ozračja.
pulzni laser t p 30 ns elektr. pulzni izvor sklopnik fotodioda prosto predvlakno konektor #1 prosto zvar vlakno#1 vlakno#2 osciloskop vlakno#3 logaritemski ojačevalnik Y-vhod Slika 12 Vlakenski OTDR. proženje konektor #2 steklena vlakna c= c 0 n 2 108 m/ s
jakost [db] (logaritemska skala) presluh sklopnika konektor #1 predvlakno vlakno#1 zvar konektor #2 vlakno#2 vlakno#3 odboj od prostega konca duh šum log. ojačevalnika razdalja [m] (linearna časovna skala) Slika 13 Meritev z OTDR.
t p 10 ns pulzni laser leča polprepustno zrcalo 50/50 razdalja l elektr. pulzni izvor start fotodioda časovni števec t Slika 14 Laserski daljinomer. leča stop električni ojačevalnik merjenec izračun razdalje l= c 0 t 2 c 0 3 10 8 m/ s
DBR FM laser B 100 khz sklopnik konektor enorodovno vlakno elektr. izvor žage fotodioda prosto (končni odboj) t sukalnik polarizacije prosto (referenčni odboj) radiofrekvenčni ojačevalnik f mikrovalovni SA f = df dt t Slika 15 OFDR s spreminjanjem svetlobne frekvence.
DBR FM laser B 1 khz cirkulator enorodovno vlakno konektor elektr. izvor žage delilnik AOM prosto (končni odboj) sklopnik RF izvor sukalnik polarizacije fotodioda f RF 40 MHz mikrovalovni SA RF ojač. Slika 16 Izpopolnjeni OFDR.
LED ali laser AM sklopnik konektor vlakno prosto elektr. izvor žage fotodioda RF ojač. RF VCO 30MHz-3GHz mešalnik NP sito NF (FFT) SA Slika 17 OFDR s spreminjanjem modulacijske frekvence.
Meritev odbojnosti: - dostop iz ene same strani vlakna / točke v prostoru - porazdeljeni odboji: slabljenje vlakna / ozračja - diskretni odboji: nezveznosti, konektorji, napake, sestavni deli, tipala (uklonske mrežice, rezonatorji) OTDR: - mnogorodovna in enorodovna vlakna, prazen prostor - velik domet do 100km - srednja ločljivost do 1m (trajanje impulza) - visoka občutljivost za opazovanje Rayleigh-jevega sipanja v steklu / ozračju OFDR svetlobni: - samo enorodovna vlakna, občutljivost na polarizacijo - visoka občutljivost zaradi koherentnega sprejema - visoka ločljivost do 1mm (pasovna širina FM laserja) - majhen domet omejen s koherenčno dolžino izvora <1km OFDR modulacijski: - mnogorodovna in enorodovna vlakna, enostavna izvedba - ločljivost do 3cm (pasovna širina RF VCO) - majhen domet <1km (slaba občutljivost) - slaba občutljivost (ne vidi Rayleigh-ejevega sipanja) Slika 18 Lastnosti merilnikov odbojnosti.