Laboration Innehåll 1 Förberedelseuppgifter 2 Laborationsuppgifter Fiberoptik Optiska fibrer och komponenter för fiberoptisk kommunikation Fiberoptisk överföring av information har under de senaste årtiondena revolutionerat kommunikationsteknologin. I denna laboration ska du få bekanta dig med optiska fibrer. Bland annat kommer du att studera skillnader mellan singelmod- och multimodfibrer, mäta den våglängdsberoende dämpningen i en optisk fiber samt experimentera med ett Fiber Bragg-gitter (FBG), en fiberoptisk komponent som används bl. a. som bandspärrfilter och för multiplexing av signaler, men också som sensor för exempelvis töjning och temperatur. Redogörelsen Till denna laboration skall Du lämna in en fullständig laborationsredogörelse över de moment Du utfört och de resultat Du kommit fram till. Rapporten ska förses med ett försättsblad (mall finns på kurshemsidan) och ska antingen skickas som pdf-fil till handledarens e-post adress (finns på laborationsschemat) eller läggas i handledarens fack (på bottenvåningen i H-huset, Fysikum) senast 1 vecka efter laborationen utförts. Om ni väljer att lämna in rapporten via e- post, se till att också skicka en kopia till din labpartner så att ni båda får ta del av all korrespondens. Det skall också framgå av ärenderaden (subject) vilken kurs (CD Fotonik) och vilken laboration rapporten avser samt laboranternas namn. Förberedelser Läs i Våglära och optik, Göran Jönsson om Totalreflektion (Kap. 12, sid 206-207) Fiberoptik (Kap. 12, sid 208-210) Läs i Tillämpad Atomfysik, Göran Jönsson om Halvledarlaser (Kap. 11, sid 284-286) Läs i Introduction to Fiber Optics, John Crisp om Windows (Kap. 3, sid 20-21) Numerical aperture (NA) (Kap. 4, sid 31) Decibels (Kap. 5, sid 40-43) Modes (Kap. 7, sid 63-64)
Connecting optic fibers the preparation (Kap. 9, sid 91-95) Light sources and detectors (Kap. 14, sid 147-154) Läs igenom laborationshandledningen och lös förberedelseuppgifterna. Lösningarna lämnas renskrivna vid laborationens början till handledaren. Riskanalys Då optiska fibrer (speciellt singelmodfibrer) är väldigt tunna, finns risk för sticksår och skärsår vid arbete med dessa. En optisk fiber som punkterar huden riskerar också att brytas av med följden att flisor av fibern kan bli kvar i kroppen. Flisor som uppstår vid klyvning av optiska fibrer kan också fastna på händer och kläder med risk för att hamna i ögonen om man exempelvis kliar sig. Använd därför alltid skyddsglasögon då ni klyver fiber, tvätta händerna efteråt och se till att alla fiberrester läggs i därtill avsedd behållare. Mer att läsa om detta finns på sidan 91 i Introduction to Fiber Optics. Den diodlaser som används under denna del av laborationen har en total uteffekt på ungefär 20 mw och en våglängd på 1550 nm. Detta innebär att du inte kan se laserljuset med blotta ögat, men det har fortfarande en tillräckligt hög effekt för att orsaka allvarliga ögonskador. Det är därför viktigt att ni följer de regler som presenteras under Lasersäkerhet i laborationsinstruktionerna nedan.
Fiberoptik Förberedelseuppgifter Figur 1 Den maximala acceptansvinkeln för en fiber ges av vinkeln. Figur 2 Lins med den numeriska aperturen NA=n sin Figur 3 En positiv lins som fokuserar ljus med en stråldiameter D till ett fokus med strålfläcksdiametern d. Ledning till uppgift 4: Det som sätter gränsen för hur väl ljus kan fokuseras är böjning eller diffraktion. Diffraktionsgränsen ges av d=1,22 /NA där d är strålfläckens diameter i fokus (se Figur 3) och ljusets våglängd. 1. Numerisk apertur (NA). Fibern som visas i Figur 1 har den numeriska aperturen 0,27 och dess kärna är tillverkat av ett material med brytningsindex 1,5. Vad är brytningsindex för materialet som fiberns mantel är tillverkat av? Svar: 1.48 2. Multimodfiber. Antag att fibern från uppgift 1 är en stegindexfiber och att dess kärndiameter är 62,5 m. Beräkna det ungefärliga antalet moder som kan propagera i fibern för en våglängd på 633 nm. Svar: 3500 moder 3. Singelmodfiber. Vilken är den kortaste våglängd för vilken en fiber med en kärndiameter på 4 m och en numerisk apertur på 0,11 fortfarande är en singelmodfiber? Svar: 575 nm 4. Fokuseringsoptik. En He-Ne laser har en våglängd på 633 nm och en stråldiameter på D=10 mm (se Figur 2). a) Om du använder en lins med en brännvidd f=40 mm, vad är linsens numeriska apertur? b) Vad blir strålfläckens storlek i fokus för denna lins? c) Om du istället använder ett mikroskopobjektiv med en brännvidd på 16 mm, vad är dess numeriska apertur samt strålfläckens storlek i fokus? d) Vilken av dessa linser skulle vara lämplig att använda för inkoppling av ljuset i en singelmodfiber med en kärndiameter på 4 m och den numeriska aperturen 0,11? Svar: a) 0,12 ; b) 6,4 m ; c) 0,30 och 2,6 m ; d) Ingen av dem egentligen, antingen den numeriska aperturen för stor eller är strålfläcken i fokus större än kärnan. 5. Förluster. För en 10 meter lång fiber där kärnan har brytningsindex 1,46. a) Beräkna transmissionen genom fibern om du bara inkluderar reflektionsförluster vid in- och utkoppling. Ange också dämpningen i decibel. b) Vad blir den totala dämpningen i fibern om du också tar hänsyn till den interna dämpningen. Dämpningskoefficienten för fibern är 15 db/km. Svar: a) 0,93 eller 0,31 db ; b) 0,47 db 4
Laborationsuppgifter Linjering och inkoppling av ljus i en optisk fiber I denna del av laborationen kommer du att lära dig hur man klyver en optisk singelmodfiber på ett kontrollerat sätt och hur man kopplar in ljus i den. Vidare kommer du att studera hur effektiv inkopplingen av ljus i fibern är, och vad som skiljer en singelmod- och en multimodfiber åt vad gäller egenskaperna hos det ljus som de kan överföra. Du kommer att använda en singelmodfiber från Newport och en multimodfiber från Ericsson, vars specifikationer finns i Tabell 1. Tillverkare Newport Ericsson Typ Singelmod Multimod Kärna/Mantel Ø [µm] 4/125 100/140 Material kvarts/kvarts glas/glas Ytterdiameter [µm] 400 300 Dämpning @ 850nm [db/km] 2.2 15 Numerisk apertur 0.11 (0.1) 0.31 Tabell 1 Specifikationer för de fibrer som används för momentet linjering och inkoppling av ljus i en optisk fiber. Klyvning av fiber Under laborationen kommer du att prova på att klyva en singelmodfiber, medan färdigklyvda fibrer (singelmod och multimod) finns tillgängliga för själva övningen. Det finns flera metoder för att klyva fiber (se t.ex. sid 91-95 i Introduction to Fiber optics ) och under laborationen kommer du att använda en Ericsson EFC11 fiberklyvare. Oavsett metod är det viktiga att man får en slät ändyta, eftersom en ojämn yta eller en yta med defekter kommer att påverka kvalitén på vågfronten då ljuset kopplas in i eller ut ur fibern. Fiberklyvaren som används har en diamantklinga som används för att göra ett litet jack i fiberns mantel och kärna, vilket är tillräckligt för att fibern skall klyvas och få en slät snittyta. Denna metod fungerar i regel bra för små fibrer, medan man för större fibrer ofta polerar ytan slät med med sandpapper. Utförande 1. Klyvning av singelmodfiber Använd naglarna till att försiktigt skala av det skyddande höljet på fibern ungefär 5 cm in på fibern. Om det är knepigt hjälper det att lägga fiberänden i aceton i ungefär en halv minut innan du försöker skala av höljet. 5
Fiberoptik Figur 4 Experimentuppställning bestående av en He-Ne laser, två linjeringsspeglar, fokuseringsoptik samt ett translationssteg för fibern. Placera fibern i fiberklyvaren. Sätt fast och sträck fibern enligt instruktionerna på fiberklyvaren. Klyv fibern genom att trycka på knappen på fiberklyvaren. Studera den resulterande ändytan under ett mikroskop och jämför den med en fiber som kapats med en vanlig sax. Här kan ni använda det färdigpreparerade mikroskopobjektiv med två fibrer som finns tillgängligt. Nu är det dags att koppla in ljus i fibern och undersöka dess egenskaper. För att koppla in ljus i fibern använder du en uppställning enligt Figur 4. Som fokuseringsoptik finns två olika mikroskopobjektiv. Nedanstående uppgifter ska utföras med båda mikroskopobjektiven, först för multimodfibern och i mån av tid för singelmodfibern, och resultaten för de olika kombinationerna ska jämföras och diskuteras. 2. Koppla in ljus i fibern Använd effektmätaren och mät laserljusets effekt före fibern (efter mikroskopobjektivet). Kontrollera med ett papper var fokus för mikroskopobjektivet finns. Montera fiberänden och flytta denna med translationssteget så att maximalt med ljus kopplas in i fibern. Detta kan vara ganska knepigt och kräver lite övning. En lämplig procedur för linjeringen presenteras i Figur 5. Figur 5 Linjeringsprocedur: Börja med fiberänden bakom fokus och flytta fiberänden fram mot fokus medan du för varje steg justerar positionen i sidled och höjdled så att maximalt med ljus kopplas in i fibern. 3. Inkopplingsförluster Använd effektmätaren och mät laserljusets effekt efter fibern och räkna fram inkopplingseffektiviteten. Här kan du försumma både dämpningen i fibern samt de reflektionsförluster som fås vid in- och utkoppling ur fibern. Är det någon skillnad i inkopplingseffektiviteten då du använder olika mikroskopobjektiv för samma fiber, och i så fall varför? 6
4. Mätning av den numeriska aperturen Genom att flytta translationssteget en given sträcka och mäta hur storleken på fläcken ändras kan du bestämma under vilken maximal vinkel som ljuset lämnar fibern och därmed räkna fram fiberns numeriska apertur. Vad är det som begränsar den numeriska aperturen, fibern eller fokuseringsoptiken? Vad händer om du använder fokuseringsoptik med större numerisk apertur än den numeriska aperturen hos fibern? 5. Singelmodfiber I mån av tid, upprepa punkterna 1-4 för singelmodfibern. Vilken av fibrerna, singelmod eller multimod, kan du koppla in mest ljus? Varför? Mätning av dämpningen i en fiber med vitljusspektroskopi Dämpningen i fibrer är kraftigt våglängdsberoende, och är anledningen till att optisk fiberkommunikation utnyttjar vissa specifika våglängder för vilka dämpningen är liten. Ett typiskt dämpningsspektrum visas i Figur 6. I denna del av laborationen kommer du att mäta och undersöka dämpningen i en fiber som funktion av våglängd i området runt 1500 nm. Fibern du kommer att använda är en multimod graded-index fiber från Ericsson med en längd på ungefär 100 m. Specifikationerna för den använda fibern ges i Tabell 2. Tillverkare Typ Kärna/Mantel Ø [µm] Material Ytterdiameter [µm] Dämpning @ 850 nm [db/km] Ericsson Graded-Index 62.5/125 kvarts/kvarts 300 2.8 Numerisk apertur 0.27 Tabell 2 Specifikationer för fibern som används för vitljusspektroskopi. Figur 6 Typisk dämpningsprofil för en optisk fiber. Kalibrering Dämpningen i en specifik fiber bestäms med hjälp av en referensmätning, då det ofta är svårt att göra absoluta mätningar. Referensmätningen görs på en fiber av samma typ men med en annan längd enligt proceduren i Figur 7. Den enda skillnaden mellan de båda mätningarna är då längden på den 7
Fiberoptik 3 meter ref fibre Figur 7 Procedur för mätning av dämpning i fiber. Figur 8 Experimentuppställning för vitljusspektroskopi. 8 fiber vi önskar bestämma dämpningen för och förhållandet mellan de båda uppmätta spektrumen, dvs. transmissionen, blir: T P P meas ref Istället för att ange transmissionen i procent, brukar man ange dämpningen i decibel och normalisera värdet till fiberns längd, så att ett värde på dämpningen fås med enheten [db/km]: 10 log T / L Där L i enheten [km] är skillnaden i fiberlängd mellan de båda mätningarna. Modutjämning För att den föreslagna metoden skall ge ett bra resultat krävs två saker. Fibern måste ha en kort modutjämningslängd, dvs. det ljus som skickas in måste snabbt fördelas över de tillgängliga moderna i fibern. Det är också viktigt att det ljus som i slutändan inte kommer att guidas i fibern (dvs. ljus som transporteras i en av fiberns moder) snabbt försvinner från fibern. För att uppnå detta skickar vi först ljuset genom en modutjämningsfiber som är några hundra meter lång och har samma numeriska apertur som den fiber vi vill mäta på. Efter denna modutjämningsfiber kopplar vi sedan in den fiber vi vill mäta på. Notera att vi här antar att kopplingseffektiviteten är densamma för de olika fiberkontakterna. Utförande För att mäta den transmitterade intensiteten för flera våglängder på en gång används en fiberkopplad gitterspektrometer av märket StellarNet som täcker ett våglängdsområde mellan 950 och 1650 nm. Ljuskällan som används är en halogenlampa som vi fokuserar på fiberänden och som sänder ut ljus i hela det våglängdsområde som spektrometern kan registrera. Spektrumen samlas in med programmet SpectraWiz och sparas som en textfil. För varje mätning är det viktigt att kontrollera att CCD-chipet i spektrometern inte mättas. 1. Mätning av referens Koppla in referensfibern och mät spektrum hos det transmitterade ljuset. Spara spektrat till en fil. 2. Mätning av den långa fibern Koppla in fibern ni vill mäta på och mät spektrum hos det transmitterade ljuset. Spara spektrat till en fil.
3. Analys i Matlab Använd datorprogrammet Matlab för att läsa in de båda spektrumen och räkna ut dämpningskoefficienten, uttryckt i db/km, som funktion av våglängd samt plotta denna i en graf. Jämför med kurvan i Figur 6 och förklara vad ni ser. Fiber Bragg-gitter (FBG) Ett Fiber Bragg-gitter är en fiberoptisk komponent som används bl. a. som bandspärrfilter och för multiplexing av signaler, men också som sensor för exempelvis töjning och temperatur. Ett FBG är en optisk fiber där man introducerat en periodisk variation av kärnans brytningsindex, som visas i Figur 9. Då ljus propagerar genom Bragg-gittret reflekteras en liten del av ljuset vid varje ändring av brytningsindex. Även om reflektansen för varje enskild reflektion är liten, kan den totala reflekteransen (superpositionen av de enskilda bidragen) bli väldigt hög om ljus som reflekteras från olika ställen i gittret är i fas, vilket sker för en specifik våglängd. Principen är därmed precis densamma som för ett vanligt reflektions- eller transmissionsgitter. Således kommer ett Bragg-gitter att fungera som ett bandspärrfilter, dvs. det reflekterar ljus inom ett smalt våglängdsintervall medan övriga våglängder transmitteras. Den våglängd för vilken reflektion sker kallas för Braggvåglängden och ges av B = 2n där n är medelvärdet av brytningsindexena n 2 och n 3 och är gittrets periodicitet (se Figur 9). Figur 9 Ett Fiber Bragg-gitter med brytningsindexprofil samt dess spektrala transmission. 9
Fiberoptik Figur 10 Experimentuppställning för FBG. I denna del av laborationen skall du undersöka funktionen hos ett FBG. Vi kommer att använda en diodlaser (DFB-1550) och genom att variera drivströmmen till denna kan vi skanna våglängden hos ljuset och mäta hur mycket ljus som transmitteras respektive reflekteras i gittret. OBS! Fiber Bragg-gittret är mycket ömtåligt, hantera det med stor försiktighet! Lasersäkerhet Den diodlaser som används under denna del av laborationen har en total uteffekt på ungefär 20 mw och en våglängd på 1550 nm. Detta innebär att du inte kan se laserljuset med blotta ögat, men det har fortfarande en tillräckligt hög effekt för att orsaka allvarliga ögonskador. Det är därför viktigt att ni följer följande regler då ni använder dessa lasrar: Titta aldrig in i en fiberände. Starta inte diodlasern förrän laborationshandledaren instruerat er och gått igenom utrustningen. Starta aldrig diodlasern utan att kontrollera att alla fiberkontakter i systemet antingen är anslutna eller blockerade på ett sådant sätt att inget ljus kan sändas ut ur fibern, till exempel med en skyddsplugg eller med ett IR-kort för att kunna observera laserljuset. Stäng alltid av lasern innan ni gör ändringar i laborationsuppställningen. 10 Uppgifter 1. Identifiering av komponenter Identifiera de komponenter ni skall använda under laborationen. Berätta för laborationshandledaren som ger er en kort instruktion innan ni går vidare.
2. Igångsättning och tröskel för lasring Starta temperaturkontrollern (TED200C). Ställ in diodlaserns temperatur enligt instruktionerna på kontrollern. Håll ett IR-kort framför fibern som kopplar ut ljuset ur lasern medan din labkamrat slår på diodlaserdrivaren ( Laser On ) och långsamt vrider upp drivströmmen till lasern. Observera vad som händer. 3. Splitter a) Koppla in splittern till diodlasern. Starta diodlasern och kontrollera att du nu får ljus ut ur båda utgångarna på splittern. Anslut fotodioden (PD2) till splitterns ena utgång så att denna blockeras. Signalen från denna fotodiod skall användas som referens för den totala intensiteten från lasern. b) Observera signalen från referensfotodioden (PD2) i programmet Diode Laser Control medan ni sakta vrider upp drivströmmen till diodlasern. Verifiera att ni ser tröskeln för lasring för samma drivström som tidigare. c) Programmet mäter drivströmmen till diodlasern och använder en kalibreringsfil för att räkna om denna till våglängd. Undersök inom vilket våglängdsområde det går att skanna lasern genom att variera drivströmmen. 4. Cirkulator a) Undersök hur cirkulatorn fungerar genom att koppla in en port i taget till splitterns andra utgång och observera eventuellt ljus ut ur cirkulatorns övriga portar. b) Bestäm vilken färg på cirkulatorns fibrer som svarar mot vilket portnummer. Cirkulatorn släpper igenom ljus från port 1 till 2 och från port 2 till 3, men blockerar ljus från port 2 till 1 och från 3 till 2. c) Koppla in ljuset från splittern till port 1 på cirkulatorn. 5. Fiber Bragg-gitter a) Koppla in Fiber Bragg-gittret till port 2 på cirkulatorn och koppla in fotodioden (PD1) efter gittret. Med denna fotodiod skall vi mäta den transmitterade intensiteten. b) Ställ in drivströmmen så att ni befinner er precis över tröskeln för lasring. Klicka på knappen Scan i programmet för att kontinuerligt skanna drivströmmen till lasern och mäta signalen från fotodioderna som funktion av våglängd. De olika kurvorna som visas i programmet är signalen till fotodioderna (PD1 & PD2) samt kvoten mellan dem (PD1/PD2). Beskriv vad ni ser! c) Flytta fotodioden (PD1) till port 3 på cirkulatorn för att istället mäta det reflekterade ljuset från FBG. För vilken våglängd fås maximal reflektion från FBG och hur bred är reflektionsprofilen? Spara mätningen till en fil och plotta 11
Fiberoptik reflektionsprofilen som en figur i laborationsrapporten. d) Prova att lägga fingret försiktigt på FBG, eller prova att andas på det. Vad händer med reflektionsspektrat? Förklara! e) Medelvärdet för brytningsindex i kärnan på FBG är n=1,47. Vad är periodiciteten,, hos FBG? 12