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:
Отсюда
находим угол расходимости:
(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:
(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:
(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:
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.
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.
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.
По
формулам:
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.