Лабораторная работа № 1 «Исследование зависимостей коэффициентов затухания и хроматической дисперсии оптических волокон»

Цель работы:

Изучение процессов распространения оптических импульсов по одномодовым оптическим волокнам (ОВ) различных типов, методов измерения параметров ОВ – коэффициента затухания и дисперсии.

Порядок выполнения работы

1. Получить у преподавателя номер варианта. По таблице 1.1 выберите типы двух исследуемых ОВ, их длины, ширину спектра излучения используемых источников излучения.

Таблица 1.1.

Вар.	Ширина спектра излучения источника, нм	Тип ОВ1	Длина ОВ1, км	Тип ОВ2	Длина ОВ2, км
1	0.1	SF (G652)	40	SF (G652D)	30
2	0.3	SF (G652D)	50	DSF (G653)	40
3	1.0	DSF (G653)	60	+D NZDSF (G655)	50
4	3.0	+D NZDSF (G655)	70	-D NZDSF (G655)	60
5	0.1	-D NZDSF (G655)	40	SF (G652)	30
6	0.3	SF (G652)	50	DSF (G653)	40
7	1.0	SF (G652D)	60	+D NZDSF (G655)	50
8	3.0	DSF (G653)	70	-D NZDSF (G655)	60
9	0.1	+D NZDSF (G655)	40	SF (G652)	30
10	0.3	-D NZDSF (G655)	50	SF (G652D)	40
11	1.0	SF (G652)	60	+D NZDSF (G655)	50

12	3.0	DSF (G653)	70	-D NZDSF (G655)	60
13	0.1	+D NZDSF (G655)	40	SF (G652)	30
14	0.3	-D NZDSF (G655)	50	SF (G652)	40
15	1.0	-D NZDSF (G655)	60	DSF (G653)	50
16	3.0	SF (G652)	70	-D NZDSF (G655)	60
17	0.1	SF (G652D)	40	SF (G652)	30
18	0.3	DSF (G653)	50	SF (G652D)	40
19	1.0	+D NZDSF (G655)	60	DSF (G653)	50
20	3.0	-D NZDSF (G655)	70	+D NZDSF (G655)	60

2. С помощью переключателя типа ОВ выберите тип первого исследуемого ОВ. Установите его длину. Установите длину второго ОВ равной 0. С помощью переключателя выберите заданную ширину спектра излучения источника.

3. Выберите минимальную длительность импульса, исходя из длины исследуемого ОВ и минимальной возможной дисперсии, которую вам необходимо измерять. Можно принять ее равной D_x = 3 пс/(нм км).

Рассчитайте предполагаемое расширение длительности импульса в выбранном ОВ по выражению (14). При выборе минимальной длительности импульса учтите, что для надежного измерения расширения импульса необходимо, чтобы оно было не менее половины длительности импульса.

4. Установите наиболее близкую к рассчитанному значению длительность импульса. Убедитесь, что амплитуда входного импульса равна 1000 мкВт, а длительность примерно соответствует Вашей установке. Нажмите клавишу «Расчет» и с помощью изменения цен деления по горизонтальной и вертикальной осям получите на экране изображение выходного импульса, которое должно максимально заполнять экран, но не выходить за его пределы.

5. Последовательно изменяя длину волны излучения, измерьте на каждой длине волны задержку сигнала в линейном тракте (начало отсчета). Для измерения амплитуды и величины расширения выходного импульса совместите вертикальный курсор с вершиной выходного импульса и нажмите клавишу «Сброс». Затем совместите вертикальный курсор с горизонтальным на пересечении с выходным импульсом и нажмите клавишу «Измерение». При выборе диапазона длин волн источников учтите, что корректными могут быть только измерения на длинах волн, превышающих длину волны отсечки, т.е. в одномодовом режиме работы. Считайте с экрана измеренные значения затухания и расширения выходного импульса и занесите их в таблицу 1.2.

Таблица 1.2.

Исходные данные

Тип ОВ ______

l=____км

Δλ, ___нм

Рвх=___ мкВт

tu=____нс

λ, нм

1270

1290

1610

t3, нс

а, дБ

Δt, пс

V, км/c

α, дБ/км

Dx, пс/нм/км

7. Проведите расчеты скорости распространения оптических импульсов, коэффициента затухания и хроматической дисперсии для разных длин волн по следующим формулам:

V=l/t3

α=а/l

Dx=Δt/(l· Δλ)

и внесите результаты расчетов в таблицу 1.2. Постройте графики зависимостей V(λ), и .

8. Коэффициент затухания ОВ может зависеть от длительности импульса. Объясните с чем это связано. Для определения истинного коэффициента затухания необходимо значительно увеличить длительность входного импульса. Для выбора длительности импульса необходимо выбрать длину волны, на которой наблюдалось самое большое расширение выходного импульса. Далее необходимо измерять амплитуду выходного импульса при последовательном увеличении длительности входного импульса. Для дальнейших измерений выбираем длительность входного импульса, начиная с которой амплитуда выходного импульса перестает изменяться, после достижения максимального значения. При этом длительности входного и выходного импульсов становятся одинаковыми.

9. Повторите измерения по пунктам 4-7 с увеличенной в соответствии с пунктом 8 длительностью импульса. Результаты измерений внесите в таблицу, аналогичную 1.2. Учтите, что при правильно выбранной длительности измерять расширение импульса нет необходимости. Их можно в таблицу не заносить. Сравните результаты измерений коэффициента затухания при двух длительностях входного импульса и объясните их.

10. Повторите измерения по пунктам 2-9 для второго ОВ.

Содержание отчета

1. Расчеты по выбору начальной длительности импульсов для двух исследуемых ОВ.

2. Четыре таблицы по форме 1.2 для двух исследуемых ОВ и для двух длительностей импульсов.

3. Графики V(λ), и для двух исследуемых ОВ и для двух длительностей импульсов.

4. Выводы.

Контрольные вопросы

1. Типы одномодовых ОВ. Их назначение.

2. Нормированная частота. Длина волны отсечки. Условие одномодовости.

3. Длина волны нулевой дисперсии для разных типов одномодовых ОВ.

4. Зависимость коэффициента затухания от длины волны для различных типов ОВ.

5. Диаметр модового поля для разных типов ОВ.

6. Хроматическая дисперсия для разных типов ОВ.

Лабораторная работа № 2 «Исследование возможностей компенсации хроматической дисперсии»

Цель работы:

Изучение процессов компенсации хроматической дисперсии в одномодовых ОВ путем последовательного включения двух ОВ с противоположными знаками хроматической дисперсии. Оптимальная компенсация хроматической дисперсии.

Порядок выполнения работы

1. Получить у преподавателя номер варианта. По таблице 2.1 выберите тип исследуемого ОВ, его длину, длительность импульса, длину волны и ширину спектра излучения источника.

Таблица 2.1.

Вар.	Длины волн λ, нм	Ширина спектра Δλ, нм	Длит. импульса tu, нс	Тип ОВ	Длина ОВ l1, км
1	1410 - 1490	0.3	0.1	SF (G652)	30
2	1430 - 1510	1.0	0.3	SF (G652D)	60
3	1450 - 1530	3.0	1.0	DSF (G653)	50
4	1470 - 1550	0.3	3.0	SF (G652)	60
5	1490 - 1570	1.0	0.1	SF (G652D)	30
6	1510 -1590	3.0	0.3	DSF (G653)	50
7	1410 - 1490	0.3	1.0	SF (G652)	40
8	1430 - 1510	1.0	3.0	SF (G652D)	60
9	1450 - 1530	3.0	0.1	DSF (G653)	50
10	1470 - 1550	0.3	0.3	SF (G652)	40
11	1490 - 1570	1.0	1.0	SF (G652D)	50
12	1510 -1590	3.0	3.0	DSF (G653)	70
13	1410 - 1490	0.3	0.3	SF (G652)	40
14	1430 - 1510	1.0	1.0	SF (G652D)	50
15	1450 - 1530	3.0	0.3	SF (G652D)	60
16	1470 - 1550	0.3	1.0	DSF (G653)	50
17	1490 - 1570	1.0	3.0	SF (G652)	70
18	1510 -1590	3.0	0.1	SF (G652D)	40
19	1410 - 1490	0.3	0.3	DSF (G653)	50
20	1430 - 1510	1.0	1.0	SF (G652)	60

2. Измерьте затухание и расширение входного импульса в исследуемом ОВ при заданных параметрах источников излучения. Занесите результаты измерений и расчетов в таблицу 2.2.

3. Измерьте на тех же длинах волн и при тех же параметрах источника излучения коэффициент затухания и хроматическую дисперсию ОВ для компенсации дисперсии DCF. Длину ОВ DCF можно выбрать примерно в 5 раз меньшую, чем длина исследуемого ОВ. Занесите результаты измерений и расчетов в таблицу 2.2.

Таблица 2.2

Длина волны λ, нм
Тип ОВ _____ Ширина спектра Δλ= __ нм. Длит. импульса tu =___ нс. Длина ОВ l1 =___ км.
Затухание а1, дБ
Расширение Δt1, нс
Коэфф. затухания α1, дБ/км
Дисперсия D1, нс/км
Тип ОВ DCF	Длина ОВ DCF l2 = ____ км.
Затухание а2,, дБ
Расширение Δt2, нс
Коэфф. затухания α2, дБ/км
Дисперсия D2, нс/км

4. Рассчитайте длину l₂₀ компенсирующего ОВ, которая позволяет полностью скомпенсировать хроматическую дисперсию в основном ОВ на средней длине волны источника. Это возможно только в том случае, когда дисперсия в основном ОВ положительна, а в компенсирующем ОВ длиной l₂ отрицательна

l₂₀= D₁ l₁/D₂

5. Проведите эксперимент по определению общей дисперсии в двух последовательно соединенных ОВ (основного длиной l₁ и компенсирующего длиной l₂) на трех длинах волн. Полученное в пункте 4 значение l₂₀ можно принять за некоторое среднее значение и провести измерения уширения импульса и затухания при различных значениях l₂, как меньших, так и больших расчетной длины ОВ, например на 10 и 20%. Занесите результаты измерений и расчетов в таблицу 2.3.

Таблица 2.3.

Длина волны λ, нм

Длина комп. ОВ, км

Затухание а1, дБ

Расширение Δt1, нс

Коэфф. затухания α1, дБ/км

Дисперсия D1, нс/км

6. С помощью компенсирующего ОВ можно теоретически полностью компенсировать хроматическую дисперсию в основном ОВ. Однако при этом возрастает общее затухание. Для оптимизации волоконно-оптического линейного тракта можно допустить некоторый остаточный уровень хроматической дисперсии. Например, можно задаться допустимым расширением импульса в 1.25 или в 1.5 раза. Это позволит уменьшить общее затухание в линейном тракте с компенсацией дисперсии. Для выбора оптимальной длины компенсирующего ОВ постройте семейство графиков Δt/t_u (l₂) для трех длин волн λ. Проведите горизонтальные линии на уровне 0.25 или 0.5 и найдите оптимальную длину компенсирующего ОВ l_2opt для средней длины волны.

7. Постройте графики зависимости относительного расширения Δt/t_u и затухания а от (λ). Проанализируйте полученные результаты.