486_Zaslavskij_K.E._Volokonno-opticheskie_sistemy_peredachi_

Федеральное агентство связи

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования Сибирский государственный университет

телекоммуникаций и информатики (ФГОБУ ВПО «СибГУТИ»)

К. Е. ЗАСЛАВСКИЙ

Волоконно-оптические системы передачи

Практикум

Новосибирск 2014

3

Введение

Практикум содержит учебный материал (методические указания к лабораторным работам) не вошедшие в ранее изданные учебные пособия. В лабораторных работах № 1, 2, 3 исследуются характеристики полупроводникового лазера (ППЛ), фотодиода (ФД) и оптического модулятора с прямой модуляцией интенсивности (ПМИ). В работе № 4 изучаются характеристики и параметры системы «Соната» работающей по многомодовому ОК и относящейся к PDH, а в работе № 5 исследуется система SDH «OS-2E». В работе № 6 исследуется рабочий образец эрбиевого оконечного усилителя.

Лабораторные работы № 1, 2, 3

Описание лабораторного макета

Макет рассчитан на выполнение нескольких лабораторных работ. Схема макета приведена на рисунке 1.

Рис. 1

Обозначения: ППЛ – полупроводниковый лазер, ФД – фотодиод, ИП1 – миллиамперметр RНЛ, RНД – нагрузка лазера и фотодиода, соответственно, RПl, RП2 – потенциометры, С – разделительная емкость, RГен – нагрузка генератора, Гн – гнёзда для подключения перемычек, U – напряжения внешних источников питания.

4

Сведения о приборах

Для измерения тока накачки применяется миллиамперметр постоянного тока класса 1.0, для измерения фототока – микроамперметр на базе электронного вольтметра В7-38, для измерения напряжения на фотодиоде – вольтметр на базе осциллографа С1-112А.

В качестве источника излучения применен полупроводниковый лазер (ППЛ) ЛДМ 650.2.S.5, мощность излучения которого 3.0 мВт, длина волны излучения 650 нм.

Источник питания установлен внутри макета, работает от сети 220 В и имеет два выхода: первый выход предназначен для питания ППЛ (Uпит2), второй предназначен для подачи смещения на фотодиод ФД (Uпит1).

Лабораторная работа № 1

Измерение ваттамперной характеристики полупроводникового лазера

1. Цель работы

Целью работы является измерение ваттамперной характеристики ППЛ и изучение её особенностей.

2. Подготовка к работе

Изучить принцип действия ППЛ по литературе [1], [2]. Рассчитать ВАХ ППЛ по формуле:

Р=(2πf)h/q[(1-R)ηспηвнI+ηстηдкэ(I-Iпор)] . (1)

Здесь первое слагаемое – мощность при спонтанном излучении, второе – мощность при стимулированном излучении, f – частота излучения, h – постоянная Планка, q – заряд электрона, R – коэффициент отражения от зеркал ППЛ, ηсп ,ηвн =1/2n2 – внутренняя и внешняя квантовые эффективности, соответственно, при спонтанном излучении; ηст ,ηдкэ – внутренняя квантовая эффективность и дифференциальная квантовая эффективность, соответственно, при стимулированном излучении: I – ток накачки, Iпор – ток порога самовозбуждения ППЛ. Величины:

ηдкэ =1/(1+αп/αз ), αз =(1/L)(ln1/R),αп =άL,

где L – длина ППЛ, αз – потери в зеркале ППЛ при выводе излучения, αп – потери в активной области, ά – потери в активной области на ед. длины.

Данные, используемые при расчётах представлены в таблице.

5

Табл. №1. Данные для расчёта ВАХ ППЛ

Указание. При расчёте первого слагаемого в (1), второе слагаемое не учитывать.

Результаты расчёта представить в виде таблицы.

Табл. №2

Р,мВт

Построить график зависимости Р=F(I).

3.Литература

1.Заславский К.Е. Волоконно-оптические системы передачи : Учебное пособие. -Новосибирск, 1994.

2.Дж. Гауэр. Оптические системы связи. -М.: Радио и связь, 1989. Гл. 10.

3.Заславский К.Е. Волоконная оптика в системах связи и коммутации. -

Новосибирск, 2003. П.1.2.1.

4.Задание

На макете (рисунок 1), собрать схему для измерения ВАХ и измерить эту характеристику с помощью микроамперметра и вольтметра.

5. Методические указания к работе

Изучить внешний вид лазера и фотодиода и сравнить расположение этих приборов с рисунком 2 (на рисунке 2 «ЮВ» – юстировочный винт).

6

6. Оформление отчета

Отчет должен содержать:

•описание внешнего вида лазера и ФД;

•схему установки с указанием включенных приборов;

•таблицы результатов измерений;

•графики ВАХ с указанием пороговых тока накачки и мощности излучения, а также областей спонтанного и стимулированного излучения;

•выводы по результатам измерений.

7.Контрольные вопросы

1.Каковы условия самовозбуждения ППЛ?

2.Чем отличается ППЛ от светоизлучающего диода?

3.Что такое спонтанное излучение?

4.Что такое стимулированное излучение?

5.Как определить ток накачки при котором происходит самовозбуждение лазера? Как называется этот ток?

6.Что такое резонатор Фабри-Перо?

7.Как объяснить форму ВАХ, полученную в заданной работе?

8.Для какой цели в макете предусмотрен ФД?

9.Каким образом в данном макете происходит регулировка тока накачки?

10.Для какой цели предназначен миллиамперметр в макете? Как с помощью этого миллиамперметра определить ток порога самовозбуждения лазера?

11.Каким образом в данном макете измеряется мощность излучения?

Лабораторная работа № 2

Измерение вольтамперных характеристик фотодиода

1. Цель работы Целью работы является исследование вольтамперных характеристик фото-

диода при различных интенсивностях света.

2. Подготовка к работе

Пользуясь литературой [1,2,3,4] изучить принцип действия и характеристики фотодиода. 1. Рассчитать и построить ВАХ р-i-n ФД по формуле: I=I0(exp(qU/KT)-1), где I0 – фототок насыщения, q – заряд электрона, U – напряжение на ФД, К – постоянная Больцмана, Т – температура, К0. Расчёты выполнить для U=(-30,-15,-10,-5,-1,0,+1,+3,+5)В, при I0 =10мкА. 2. Рассчитать чувствительность этого ФД по формуле: S=ηквqλ/hc, где ηкв – внутренняя квантовая эффективность, h – постоянная Планка, с – скорость света. Расчёты произвести при λ=0.63мкм, ηкв =0.5; λ=1.31мкм, ηкв0.8; λ=1.55мкм, ηкв =0.95.

8

3.Литература

1.Заславский К.Е. Волоконно-оптические системы передачи : Учебное пособие. -Новосибирск, 1994. П. 4.1.

2.Дж. Гауэр. Оптические системы связи. Гл. 10. -М.: Радио и связь, 1989.

3.Заславский К.Е. Волоконная оптика в системах связи и коммутации. -

Новосибирск, 2003. П.1.2.1.

4.Аксененко М. Д., Бараночников М. Л. Приемники оптического излучения. Справочник. -М.: Радио и связь, 1987.

4.Задание

Исследовать ВАХ ФД при различных значениях мощности излучения ППЛ.

5.Методические указания к работе

5.1Включить миллиамперметр между гнездами 3 и 6 (рисунок 1). В качестве миллиамперметра использовать вольтметр В7-38. Для измерения тока в гнёзда на передней панели вольтметра В7-38 включить шунт с пределами 0 ÷ 0,2 мА.

5.2Для измерения напряжения смещения на фотодиоде, включить осциллограф С-112 между гнездами 4 и 7. С помощью тумблера, расположенного на задней панели макета, включить источник питания ФД. Вместо осциллографа для измерения напряжения можно включить вольтметр В7-16А. Переключатель рода работы вольтметра установить в положение ОS 1. Переключатель пределов измерения установить в положение «100». Использовать вход вольтметра

«0-100В».

5.3Закрыть зрачок фотодиода светозаграждающим экраном и убедиться, что ток миллиамперметра равен нулю.

5.4Измерить ВАХ темнового тока. Для этого с помощью потенциометра Rm установить напряжение Uпит1= 0,2, 5; 10; 15; 20 и 25 В, и фиксировать значения тока.

Убрать светозащитный экран. Измерить ток фоновой засветки при напряжениях 0 и 20 В.

5.5Закрыть светозащитным чехлом макет. Потенциометры Rп1 и Rп2 перевести в крайне левое положение и включить ППЛ. Установить ток накачки I =10 мА и измерить вольтамперную характеристику ФД при напряжениях Uпит1 = 0,2; 5; 10; 15; 20 и 25 В.

Повторить измерения для тока накачки ППЛ I =25 мА. Результаты измерений отобразить в таблице 2.

Табл. 2

9

6. Оформление отчета

Отчет должен содержать:

схему установки с указанием включенных приборов;

таблицы результатов измерений;

графики ВАХ с указанием пороговых значений тока накачки и мощности излучения;

выводы по результатам измерений;

параметры и характеристики использованных в работе приборов.

Контрольные вопросы

1.Какова структура p-i-n полупроводникового фотодиода?

2.Чем определяется фототок диода?

3.Что такое длинноволновая граница чувствительности полупроводника?

4.Что такое квантовая эффективность ФД?

5.Чем определяется темновой ток фотодиода?

6.Какое основное требование предъявляется к ФД в фотоприемнике ВОСП?

7.Объяснить график ВАХ ФД. Почему при уменьшении обратного напряжения фототок уменьшается? Что произойдёт при значительном увеличении обратного смещения на ФД?

8.Почему спектральная характеристика фотодиода имеет экстремальный характер?

9.Зависит ли чувствительность от величины оптической мощности, подаваемой на ФД?

10.Как изменяется чувствительность в зависимости от квантовой эффективности?

Лабораторная работа № 3

Исследование оптического модулятора интенсивности света

1. Цель работы

Целью работы является исследование основных характеристик оптического модулятора интенсивности.

2. Подготовка к работе

Изучить принцип действия и основные характеристики прямого модулятора интенсивности, выполненного на ППЛ [1], [2], [3].

3.Литература

1.Заславский К.Е. Волоконно-оптические системы передачи : Учебное посо-

бие.Ч.1,2. -Новосибирск, 1994, 1995.

2.Дж. Гауэр. Оптические системы связи. Гл. 10. -М.: Радио и связь, 1989.

3.Скляров О.К. Современные волоконно-оптические системы передачи. Стр. 53; п. 8.1. -М.: Солон-Р, 2001.

10