Лабораторная работа № 9

"Исследование пространственных характеристик источников света"

 

 

1.Цель работы: Исследование пространственных характеристик источников света, используемых в волоконно-оптических системах связи, сравнительный анализ диаграмм направленности их излучения.

2.Литература:  1. В.Я. Гитин «Волоконно-оптические системы передачи»

2. .А.А. Вербовецкий «Основы проектирования цифровых оптоэлектронных систем связи»

3. Конспект лекций

3.Подготовка к работе: Пользуясь /1,2,3/ изучить принцип действия когерентных (лазерных) и некогерентных (СИД) источников света, используемых в ВОСП. Разобраться с расчетом углов расходимости угловой диаграммой направленности для ГНЛ (гелио-неоновый лазер) и ППЛ (полупроводниковый лазер).

4.Основное оборудование: Выполняется лабораторная работа виртуально с использованием ПК и программного пакета. В процессе выполнения работы производится:

·        Изучение пространственного распределения интенсивности излучения ГНЛ.

·        Измерение расходимости излучения такого лазера.

·        Исследование пространственного распределения интенсивности излучения ППЛ.

·        Измерение расходимости излучения такого лазера

·        Наблюдение пространственного распределения интенсивности излучения источника некогерентного света  ( ППЛ при работе в светодиодном режиме)

5.Краткие теоретические сведения: Пространственная диаграмма (диаграмма направленности) источника излучения приведена на рис 1. (см. приложение). Здесь Ө - угол расходимоси излучения; P – Оптическая мощность; Δ1 и Δ2 – диаметры освещаемых площадок; σ1, σ2,  l1, l2 – расстояния вдоль оси Z до площадок σ1, σ2,  соответственно.

Разность ода лучей:

raznost_oda_luchey.png 

Отсюда находим угол расходимости:

ugol_rashodimosti.png       (1)

 

Величина угла Ө источника излучения зависит от типа лазера и его конструкции. В данной работе исследуется гелий-неоновый лазер (ГНЛ) и полупроводниковый лазер (ППЛ).

Конструкция ГНЛ показана на рис 2. Здесь P – резонатор, З1 и З2 – сферические зеркала. Активная среда лазера сосредоточена между каустическими поверхностями с поперечным сечением Wo. В ГНЛ возбуждается, в основном, поперечный тип колебания, для которых угол расходимости:

form_2_v_lb9.png             (2)

Здесь λ – длина волны света, Wo – радиус наименьшего сечения каустической поверхности.

Конструкция ППЛ с гомоструктурой показана на рис. 3. Здесь зеркалами резонатора служат плоские торцы кристалла. Расходимость излучения определяется дифракционными эффектами, причем вдоль осей X  и Y Расходимость излучения разная. Углы расходимости определяются из условия:

form_3_lb9.png       (3)

Таким образом, для рассматриваемых ППЛ лазеров диаграмма направленности представляет собой в поперечном сечении эллипс. Значение углов расходимости необходимо при решении задачи о стыковки источника излучения и оптического волокна. Качество стыковки можно оценить величиной потерь при стыковке:

lb9.png

Где Рu – мощность излучения, Ров – мощность, вводимая в ОВ.

Диаграмма направленности излучения полупроводникового светоизлучающего диода в общем случае существенно шире, чем у полупроводникового лазера, что снижает эффективность ввода излучения в световоды.

6. Методические указания к выполнению лабораторной работы.

6.1 Ознакомиться с инструкцией к лабораторной работе.

6.2 Перейдите в режим меню, записать цель работы.

6.3 В окне «ЗАДАНИЕ» отмечаются все этапы лабораторной работы по мере их выполнения.

6.4 Затем в окне можно перейти в режим «ТЕОРИЯ» и ознакомиться с кратким изложением теоретического материала.

6.5 Перейдя в окне «МЕНЮ» в режим «МАКЕТ» провести сверку структурной схемы виртуальной лабораторной работы:

- Схема для исследования ГНЛ.

- Схема для исследования ППЛ в режиме лазера.

- Схема для исследования ППЛ в режиме СИД. 

6.6 В окне «ЗАЩИТА»  ответить на тестовые вопросы (ответы отмечаются клавишей «пробел»)

6.7 В режиме «ОТЧЕТ» показать преподавателю результаты тестирования.

7. Порядок выполнения работы.

7.1 В режиме «МАКЕТ» собрать схему для исследования ГНЛ, пользуясь домашней заготовкой и добиться такого размещения элементов схемы, чтобы в камеру попадали два световых луча (Рис. 4, см. приложение).

Записать расстояния первого и второго световых пятен от ГНЛ (расстояния фиксируются на камере). Выделив камеру и нажав клавишу «Enter» переходим в режим измерения в окне «КАМЕРА»

Проводим поочередное измерение диаметра световых пятен (мм) на половине амплитуды импульсов, импульсы снимаем на середине световых пятен. Производим измерение при двух разных положениях камеры, результаты записываем в таблицу №1.

Таблица №1

Положение камеры

Первое

Второе

l1

 

 

l2

 

 

Δ1

 

 

Δ2

 

 

 

По формуле (1) рассчитываем угол расходимости лучей ГНЛ при разных положениях камеры, и построим диаграмму направленности данного источника излучения.

Убедиться в режиме «ЗАДАНИЕ», что галочкой отмечено выполнение данного пункта.

7.2 В режиме «МАКЕТ» собрать схему для исследования ППЛ (Рис. 5, см. приложение). Для исследования ППЛ в режиме лазера, установите в настройках значение тока накачки в пределах от 75мА до 90мА. В режиме СИД ток накачки в пределах от 30мА до 60мА (параметры устанавливаются в настройках ППЛ, переход производится с помощью нажатия клавиши «Enter» при выделенном ППЛ). Произвести 3 измерения l и Δ при разных расстояниях между ППЛ и сеткой, при каждом измерение по оси ОХ и ОY менять поворот луча параметрами «90» и «-90», данные свести в таблицу №2.

ВНИМАНИЕ! Порядок измерения:

1.     Установить ППЛ в первое положение.

2.     Зафиксировать l  при «90» и «-90» поочередно в режиме лазера и СИД.

3.     Зафиксировать Δ при «90» и «-90» поочередно в режиме лазера и СИД.

4.     Затем также поочередно снять измерения при втором и третьем положение ППЛ.

5.     Перемещается только ППЛ относительно «Сетки», расстояние между «Сеткой» и «Камерой» должно оставаться неизменным.

tabl2lb9.png 

По формулам:

form_posle_tab.png

    Рассчитанные даны свести в таблицу №3

                                                                                         Таблица №3.

Режим ППЛ

В режиме лазера

В режиме СИД

 

При «90»

При «-90»

При «90»

При «-90»

Ө1

 

 

 

 

Ө2

 

 

 

 

По снятым и рассчитанным углам построить диаграмму направленности  ППЛ.        

  

8. Содержание отчета.

1. Схемы исследования ГНЛ и ППЛ.

2. Все таблицы и расчеты.

3. Выводы, которые должны раскрыть суть работы и отличия между   рассматриваемыми источниками излучения.

 

 

9. Контрольные вопросы:

1. Принцип работы ГНЛ.

2. В чем отличие работы ППЛ в режиме лазера и в режиме СИД?

3. Объяснить различие между суперлюминистцентным диодом и полупроводниковым лазером.

4. Чем определяется величина порогового тока в ППЛ?

5. Преимущества и недостатки ППЛ и СИД.