Fizika | Fénytan, Optika » Optikai szálak és csatlakozók átviteli tulajdonságai

7. sz Hallgatói mérés OPTIKAI SZÁLAK ÉS CSATLAKOZÓK ÁTVITELI TULAJDONSÁGAI 7.1 Műanyag optikai szálak és csatlakozók csillapítása Ahhoz, hogy egy adatátviteli elrendezést optimalizáljuk, a fényemittáló dióda, a műanyag optikai szál és az optikai csatlakozók (opto coupler) csillapítását ismerni kell. A következő kísérletek és mérések célja ezen csillapítási értékek meghatározása. A mérés célja: Meghatározzuk statikus körülmények között a jellemző csillapítást (α = f (I)) mint a műanyag optikai szál hosszának függvényét különböző fényemittáló diódák estén. Meghatározzuk statikus körülmények között azon csatlakozó jellemző csillapítását (α s ) , amely két optikai szálat összeköt. - Melyik fényemittáló dióda esetén minimális az optikai szál csillapítása? - Melyik fényemittáló dióda alkalmas adatátvitelre? Ha meg akarjuk válaszolni ezeket a kérdéseket, nézzük meg a diódák

karakterisztikáit. Eszközök: 1 száloptika adó típusa 1 száloptika vevő típusa 1 transzmisziós modul LED 012 típusa 1 transzmisziós modul LED HFE típusa 4000-013 típusa 1 transzmisziós modul LED piros típusa 1 transzmisziós modul LED sárga típusa 1 transzmisziós modul LED zöld típusa 1 vevő modul, PIN dióda SFH 202 típusa 1 optikai szál (műanyag 0.5 m) típusa 1 optikai szál (műanyag 5 m) típusa 1 optikai szál (műanyag 10 m) típusa 1 optikai szál (műanyag 20 m) típusa 1 optikai szál (műanyag 50 m) típusa 1 optikai csatoló 2multiméter széria -csatlakozók, vezetékek A mérési összeállítás a 8.1 ábrán található: 4180 4181 4180.5 4180.6 4180.7 4180.8 4180.9 4181.5 4180.19 4180.21 4180.22 4180.23 4180.24 4180.40 9000 1 8.1 ábra A mérés indítása: 20 perc bemelegedési idő szükséges Az optikai jeladó kezdeti beállítása: bemenő feszültség UE =0 A száloptikás vevő kezdeti beállítása: - bemenő csatoló optikai

bemenet - kimenő kapcsoló AC/DC - erősítés VU=10 - dugaszolható vevő modul típusa 4181.5 - állítsuk a kimenő feszültséget (DC kimenet) nullára Uo =0 használjuk a DC komponenseket a vevő diódákkal. A mérés menete: - Dugjuk be a transzmissziós modult a transzmissziós egységbe a táblázat szerint és határozzuk meg a kimenő feszültséget UA különböző hosszú optikai szálak esetén. Biztosítsuk, hogy az ID transzmissziós dióda árama 13 mA legyen (130 mV a 10 Ohmos mérő ellenálláson). - A csillapítási értékeket a 0,5 m-es optikai szál esetében mért értékekhez kell viszonyítani, és a számítást a következő formulával végezhetjük: 2 α = 10 lg U A (0.5m ) ) U A (xm ) ) dB - Írjuk be a számított értékeket a 2. -6 táblázatokba és a csillapítási karakterisztikát ábrázoljuk a 7. diagramban - A csatlakozó αs csillapítása számolható abból a csillapítási értékek között jelentkező különbségből,

amelyet egy adott hosszú szálra mérünk csatolóval és csatoló nélkül. Ezt el kell végezni 5 és 20 m-es szálakra egyaránt. α s = α (0.5m+5m ) − α (5m ) α s = α (0.5m+20m ) − α (20m ) Transzmisziós modul 1480.5 GaAlAs LED, LED 012, 660 nm Plastic fibre (OKE 1000-A) Típus 4180.19 4180.21 4180.22 4180.23 4180.24 4180.19/418021 418019/4180.23 I(m) UA(V) PE(μW) α(dB) 0.5 5.0 10.0 20.0 50.0 0.5+50* 0.5+200* *csatlakozzunk a 4180.40 típusú csatolóval (az α s csatlakozó csillapítás számításához) Transzmisziós modul 4180.6 GaAlAs dióda HFE 4000-013, 850 nm Plastic fibre (OKE 1000-A) Típus 4180.19 4180.21 4180.22 4180.23 I(m) UA(V) PE(μW) α(dB) 0.5 5.0 10.0 20.0 3 Transzmisziós modul 4180.7 Vörös LED, HLMP 3750, 635 nm Plastic fibre (OKE 1000-A) Típus 4180.19 4180.21 4180.22 4180.23 4180.24 I(m) UA(V) PE(μW) α(dB) UA(V) PE(μW) α(dB) UA(V) PE(μW) α(dB) 0.5 5.0 10.0 20.0 50.0 Transzmisziós modul 4180.8 Sárga LED,

HLMP 3750, 635 nm Plastic fibre (OKE 1000-A) Típus 4180.19 4180.21 4180.22 4180.23 4180.24 I(m) 0.5 5.0 10.0 20.0 50.0 Transzmisziós modul 4180.9 zöld LED, HLMP 3950, 565 nm Plastic fibre (OKE 1000-A) Típus 4180.19 4180.21 4180.22 4180.23 4180.24 I(m) 0.5 5.0 10.0 20.0 50.0 4 20 α dB 15 10 5 0 0 10 20 30 40 ábra 50 m 60 I 7.2 Csillapítás a száloptikai csatoló következtében Hibás csatolások és csatlakozások következtében az optikai szálak még egy járulékos csillapítást okoznak, amely többszöröse lehet a tényleges vonalcsillapításnak. Ennek három fő oka lehet (82 ábra): - nagy légrés - axiális elmozdulás - szöget bezáró csatlakozás. 5 8.2 ábra A mérés célja: Szimulációs célra használjuk az optikai padot, és határozzuk meg a csillapítást mindhárom hiba önálló fellépése esetén. Mikor legnagyobb a csillapítás mértéke? Eszközök: 1 száloptikai adó típusa 4180 1 száloptikai vevő típusa 4181 1

optikai pad típusa 4185 1 transzmissziós modul LÉD 012 típusa 4180.5 1 vevő modul PIN dióda SFH 202 típusa 4181.5 2 optikai szál (műanyag 0.5 m) típusa 4180.20 1 multiméter csatlakozók és vezetékek 6 Kísérleti elrendezés 8.3 ábra A kísérlet elvégzése: Kezdeti beállítások a száloptikás adón: - a bemenő feszültséget állító potenciométer állása: UE = 0 - dugjuk be a transzmissziós modult (LED 012) típusa 4180.5 - a transzmissziós dióda áramát állítsuk be 20 mA –re (200 mV a 10 Ohm-os mérő ellenálláson). Használjuk az ID,0 potenciométert Kezdeti beállítások a száloptikás vevőn: - a bemeneti kapcsolót állítsuk az optikai bemenetre, - a kimenő erősítés értéke VU=10, - a kimenő kapcsolót állítsuk AC/DC –re, - dugjuk be a vevő modult (PIN dióda SFH 202) típusa 4181.5 -fedjük le a vevő diódát, állítsuk be a kimenő feszültséget (DC kimenet) nullára úgy, hogy használjuk a DC

komponenst Uo -t. 7 A mérési eljárás: - Dugjuk be a szálakat (2 x 0,5 m) a jeladóba és a vevőbe, és rögzítsük szabad végeiket az optikai padba a következők szerint. Rögzítsük a jobboldali műanyag szálat úgy, hogy a vége a centrális tű közepe fölött legyen. Rögzítsük a baloldali műanyag szálat úgy, hogy a vége lógjon ki a mechanikából mintegy 1-1,5 mm-re. Állítsuk be a két szálvég közötti távolságot az X irányba a mikrométer segítségével úgy, hogy a lehető legkisebb legyen. Most ugyanis az s légrést és az axiális elmozdulást a mérjük. Kerüljük el azonban, hogy a két optikai szál összeérjen. Amikor azt a csillapítást mérjük, amely a megközelítés szöge miatt lép fel, akkor távolítsuk el a szálvégeket egymástól mintegy 0,.5 mm -re Így biztosítjuk, hogy a szálvégek ne érintkezzenek akkor, amikor a jobboldali szálat forgatjuk. Ezért a mikrométer csavarját az óramutatóval ellentétesen csavarjuk

el X irányban addig, amíg a szálak érintkezni kezdenek, és utána csavarjuk el egy teljes fordulatot az óramutató járásával megegyező irányba. Egy körülfordulás 0,5 mm Mielőtt bármelyik méréssorozatot elkezdenénk, állítsuk be a szálvégeket úgy, hogy azok pontosan szembemálljanak egymással. Ezt úgy érhetjük el, hogy az Y irányban a mikrométert addig csavarjuk, amíg a kimenő feszültség maximális lesz. (ez a száloptikás vevő DC kimenete). - Miután a fenti követelményeket kielégítettük, határozzuk meg és vegyük fel a kimenő feszültség értékeit (ez a száloptikás vevő DC kimenete) a következő táblázat által jelzett légrés s, axiális elmozdulás a, és a találkozás szöge β függvényében. - A csillapítás értékét a maximális kimenő feszültség függvényeként kell számítani (a lehető legkisebb légrés mellett) a következő összefüggések alapján: α s = 10 ⋅ lg U A (max ) U A (s ) , α a = 10 ⋅ lg U

A (max ) U A (a ) , α β = 10 ⋅ lg U A (max ) U A (β ) - Az így nyert összes értéket írjuk be a következő táblázatba, majd a csillapítási értékekből alkossuk meg a karakterisztikákat a következő diagramba. 8 s a s(mm) UA(V) α(dB) a(mm) UA(V) β α(dB) β(°) UA(V) α(dB) 0,0 0 0 0,25 0,25 5 0,5 0,5 10 0,75 0,75 15 1,0 1,0 20 1,25 - - - 25 1,5 - - - 30 1,75 - - - 40 2,0 - - - 50 2,25 - - - - - - 2,5 - - - - - - 10 α dB 5 0 0 1 2 mm 60 50 60 a/s 0 10 20 30 40 β 9 7.3 A jeladó diódák, üvegszálak és csatlakozók csillapítása A mérés célja: Határozzuk meg a 20 m hosszú üvegszál α csillapítását különböző jeladó diódák alkalmazásával, határozzuk meg az αs csatlakozó csillapítást egy olyan opto-csatolóra, amely két üvegszál összekötésére használatos. - Melyik jeladó dióda a legalkalmasabb az átviteli rendszer számára? Eszközök: 1

száloptika adó 1 száloptika vevő 1 transzmisziós modul LED FH 1011 1 transzmisziós modul LED HFE 4001-H13 1 vevő modul, PIN dióda SFH 202 1 optikai szál (üveg 1 m) 1 optikai szál (üveg 20 m) 1 optikai csatoló 1 multiméter -csatlakozók, vezetékek típusa típusa típusa típusa típusa típusa típusa típusa 4180 4181 4180.12 4180.13 4180.7 4180.33 4180.34 4180.42 A kísérleti elrendezés: 8.4 ábra 10 A mérés menete: (Várjunk 20 percet, amíg a rendszer bemelegszik.) A száloptikás adó kezdeti beállításai: - bemenő feszültség UE = 0 - helyezzük be a transzmissziós modult típusa 4180.13 (LED HFE 4001-H03) A száloptikás vevő kezdeti beállításai: - a bemeneti kapcsolót optikai bemenetre - a kimeneti kapcsoló AC/DC - erősítés VU = 10 - helyezzük be a vevő modult típusa 4181.7 (PIN diode SFH 202) - állítsuk be a kimenő feszültséget ( DC kimenet ) nullára az Uo DC komponens használatával. Mérési eljárás: -

Határozzuk meg az U A kimenő feszültséget (a száloptikás vevő DC kimenete) a következő táblázat szerint úgy, hogy különböző fényemittáló diódákat és különböző hosszú üvegszálakat használunk . Biztosítsuk, hogy a fényemittáló dióda ID árama minden esetben 10 mA -re legyen állítva, azaz 100 mV-ot mérjünk a 10 Ohm-os mérő ellenálláson. - Az α csillapítási értékek vonatkozzanak a szál 1 m-es hosszára és a következő összefüggés szerint számoljuk azokat: α = 10 ⋅ lg U A (1.0m ) U A (xm ) db - Hogy meghatározhassuk a kisugárzott fényteljesítmény PE (μW ) értékét, használjuk a száloptikás vevő kalibrációs görbéit. Biztosítsuk, 11 hogy a felhasznált kalibrációs görbe minden esetben feleljen meg az alkalmazott fényemittáló dióda hullámhosszának. - Az αs csatlakozó csillapítást kiszámíthatjuk abból a csillapítás különbségből, amelyet egy alkalmazott szálhosszúság mellett mérünk

csatolással és anélkül. Ezt a kísérlet során a 20 méteres üvegszálra kell elvégezni. α s = α (1m+ 20m ) − α (20m ) Transzmisziós modul típusa 4180.13 GaAlAs LED HFE 4001-H03 ÜVEGSZÁL I(m) UA(V) PE(μW) α(dB) 1 20 1+20* *csatlakozzunk a 4180.42 típusú csatolóval (az αs csatlakozó csillapítást kiszámíthassuk). Transzmisziós modul típusa 4180.12 GaAs dióda FH 1011, 660 nm ÜVEGSZÁL I(m) UA(V) PE(μW) α(dB) 1 20 1+20* *csatlakozzunk a 4180.42 típusú csatlakozással (az αs csatlakozás csillapítás számolása céljából). 12