Protokoll - sven.köppel.org
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F-Praktikum Physikalisches Institut Protokoll „Lichtausbreitug in Glasfaser“ Versuchsdurchführung: Montag, 10.Januar 2011 Abgabe des Protokolls: Montag, 30.Januar 2011 Protokollant: Verantwortlich: Intsar A. Bangwi Sven Köppel, Intsar A. Bangwi Tagesprotokoll: Protokollumfang: 2 Seite 9 Seiten THEORETISCHER HINTERGRUND Das Licht beschrieben. Für die „transversale und Licht ist eine EM-Welle und wird durch die Vektoren , . senkrecht auf EM-Welle“ stehen und k Bei Auftreffen auf Grenzflächen treten Reflexionen Transmission auf. Beschrieben wird das Phänomen durch das Brechungsgesetz mit dem Brechungsindex : ଵ sin ଵ ଶ sin ଶ Wir lassen den Winkel ଶ gegen 90° laufen und erhalten nach Umstellen den maximalen Grenzwinkel . Jeder Winkel größer als führt zu einer Totalreflexion. ଵ sinିଵ ଶ ≡ ଵ Seite 1 Der LWL – Lichtwellenleiter Der LWL besteht aus einem Kern in der Mitte(„core“), umhüllt von einem Mantel(„cladding“) und ganz außen Bei Auftreffen einer Beschichtung(„coating“). Der Kern und der Mantel sind für die Signalübertragung relevant. Dabei wird der Mantel für die Dämpfung der Intensität verwendet, und somit der Kern als eigentliches Übertragungsmedium. Die äußere Beschichtung hat lediglich schützende Funktion. Wird eine Lichtwelle durch eine Linse in den LWL eingekoppelt, so entstehen Strahlen die in drei Kategorien eingeteilt werden können: Kategorie 1: ᇱ –Wie durch das Brechungsgesetz beschrieben wird der Strahl total reflektiert und ist somit für die Signalübertragung relevant. Kategorie 2: ᇱ 90° – der Strahl trifft auf die Grenzfläche. Kategorie 3. ᇱ – der Strahl transmittiert und ist somit nicht für eine Übertragung verwendbar. Seite 2 Die Totalreflexion tritt nur ein, wenn der Strahl maximal unter dem Winkel zur LWL-Achse bewegt. Mit dem Brechungsgesetz folgt ைோா sin90° − = sin90° − 0° cos = ைோா = ைோா Der Strahl wird außerdem auch an der Eintrittsfläche des LWL gebrochen. Mit Hilfe des Brechungsgesetzes erhalten wir den Akzeptanzwinkel sin = ைோா sin = Mit Hilfe der obigen Beziehung cos = ைோா erhalten wir durch Umformen sin² + cos² = 1 sin = 1 − cos² = Das Ganze in eingesetzt ergibt ²ைோா − ² ைோா ²ைோா − ² = Anschließend können wir die numerische Apparatur ே definieren ே ≡ ଶ ைோா − ଶ = sin Wenn wir für die Luft ≈ 1 setzen, so ist ே proportional zum Akzeptanzwinkel , also ist die Einkopplung einfacher. Seite 3 Die Moden Da das Licht einen Wellencharakter besitzt, existieren in einem unendlich langen, zylindrischen Leiter mehrere Eigenzustände der Wellengleichung. Uns interessieren nur die transversalen EMWellen(TEM-Wellen), die durch die Brechung an der Leitergrenzfläche und Superposition der Wellenfunktion entstehen. Zur Bestimmung der Moden ist der Faserparameter besonders wichtig, da mit Hilfe dessen die Anzahl der möglichen Moden bestimmt werden kann. Hierbei ist der Durchmesser des Leiterkerns. ଶ = ∙ ∙ ∙ ଶ − = ே Bis V=2,405 ergibt sich die Grundwelle. Die Grundwelle existiert ab einem Wert von V=0 und tritt somit in jeder optischen Faser auf. Die sichtbaren Muster bestehen aus vielen Moden und sind außerdem abhängig vom Reflexionsmaß des Faserein(bzw. aus)gangs. Die Dämpfung Die Dämpfung kann standardmäßig als Quotient der Leistungsdifferenz zwischen Eingangsleistung ா und Ausgangsleistung bestimmt werden. Ein Quotient von kleiner 1 bedeutet dann eine Abschwächung und ein Quotient größer 1 eine Verstärkung bedeuten. Es ist allerding fachlich korrekter das dimensionslose Maß „Bel[B]“ zu verwenden. Der zehnte Teil davon ist die allseits bekannte Größe „Dezibel[dB]“. = 1 ≡ log = log 1 ≡ 1 ∙ 1 = 10 ∙ log 10 Seite 4 VERSUCHSDURCHFÜHRUNG In diesem Versuch wird mit einem He-Ne-Laser gearbeitet. Der Strahl wird über eine Linse in ein Multimodefaser eingekoppelt. Die Bilder werden mit Hilfe einer Webcam aufgenommen. Es wird durch Krümmung der Faser und diversen Feinsjustierungen von Einkoppelabständen versucht verschiedene Schwingungsmoden zu erzeugen. Wir erhalten für den Faserparameter V4. [1] Zu sehen: ܲܮଶ [2] Zu sehen: ܲܮଵଵ [3] Zu sehen: ܲܮଶଵ [4] Zu sehen: ܲܮଶଵ Es war uns möglich vier Aufnahmen von zu machen. Das erste Bild zeigt eine ଶ Mode, erkennbar an dem hellen Zentrum und im Ansatz sichtbaren hellen Ring um das Zentrum. Ohne diesen Ring würde es sich um die Grundmode ଵ handeln, welche wir anscheinend nicht aufnehmen konnten. Die Moden ଵଵ ଶଵ sind offensichtlich. Das vierte Bild zeigt vermutlich eine rotierende ଶଵ Mode, was man aus dem dunklen Zentrum folgern muss. Seite 5 Messung des Signalverlusts Nun wird der Signalverlust in Abhängigkeit der Wellenlänge überprüft. Wir verwenden drei versch. Laser mit den Wellenlängen 1310nm, 1550nm und 1630nm. Dabei bleibt das Singlemode-1x1Kopplungsstück gleich. Der Aufbau wird in der folgenden Grafik grob aufgezeichnet. LDS 1630 1310 1550 Eingang ࡱ Ausgang Wirkungsgrad n Dämpfung in dB 693 343 0,49 -3,05 461 360 0,78 -1,07 470 372 0,79 -1,02 Seite 6 Die 1x1 Kopplung wird als Verbindungsstück für die unterschiedlich großen Anschlüsse verwendet. Die Messwerte der 1x1 Kopplung dienen normalerweise für den weiteren Versuchsverlauf als neue Eingangsleistung, um die Dämpfung Verbindungsstücke aus den folgenden Messungen herauszurechnen. Dies ist leider nicht, siehe Begründung unten. Es sollen nun Messungen für eine 1x2 Kopplung durchgeführt werden. Die Versuchsdurchführung ist identisch mit der vorangegangenen Durchführung. An den Daten der 1x2 Kopplung zeigt sich eine ausgangsselektive Leistungsabhängigkeit. LDS Eingang Ausgang ࡱ 1630 367,5 229 1630 367,5 86 1550 381,57 340 1550 381,57 0,93 1310 351 4 1310 351 330 Farbe Eingang blau blau blau blau blau blau Farbe Ausgang blau rot blau rot blau rot Wirkungsgrad 0,62 0,23 0,89 0,003 0,01 0,94 Dämpfung in dB -2,05 -6,31 -0,50 -26,13 -19,43 -0,27 Aufgrund des von uns falsch durchgeführten Versuchs und der anschließend erneuten Messung in kürzester Zeit haben wir die erneute Messung des 1x1Kopplers nicht durchgeführt, die eigentlich hätte durchgeführt werden müssen, da unterschiedliche Leiter und Kopplungsstücke verwendet wurden. Dies kann dazu führen, dass die Werte systematisch höher/niedriger sind, jedoch bleibt die Erkenntnis über das Kopplungsverhalten bleiben jedoch unverändert. Seite 7 Nun wird die 2x2 Kopplung verwendet, und alle Ein und Ausgänge der Reihe nach gemessen. Es lässt sich hier eine durchgehende Dämpfung um ca. 50% beobachten, und das auch unabhängig von Einund Ausgang. LDS 1630 1630 1630 1630 1550 1550 1550 1550 1310 1310 1310 1310 Eingang Ausgang ࡱ 337,61 130 337,61 170 337,61 183 337,61 140 387,89 170 387,89 176 387,89 166 387,89 160 335,4 186 335,4 168 335,4 166 335,4 187 Farbe Eingang rot rot gelb gelb rot rot gelb gelb rot rot gelb gelb Farbe Ausgang gelb rot gelb rot gelb rot gelb rot gelb rot gelb rot Wirkungsgrad 0,39 0,50 0,54 0,41 0,44 0,45 0,43 0,41 0,55 0,50 0,49 0,56 Dämpfung dB -4,14 -2,98 -2,66 -3,82 -3,58 -3,43 -3,69 -3,85 -2,56 -3,00 -3,05 -2,54 Schlusswort LWL haben mehrere Aufgabengebiete zu denen unter anderem die Signalübertragung und der Einsatz als Messgerät zählen. In der Signalübertragung sind die Eigenschaften der großen Bandbreite und geringen Signaldämpfung (v.a. bei Monomodenfasern) ausschlaggebend für den Einsatz von LWL. Heutzutage laufen ein Großteil der Datennetze für Internet über Glasfaserkabel. In der Messtechnik führen Umwelteinflüsse wie bspw. Temperaturänderungen zu einer Beeinflussung des Signals, worauf sich wiederum auf die Temperatur schließen lässt. Generell können LWL Licht zwischen zwei Punkten verlustarm transportieren um bspw. LASER-Strahlung von der Quelle zum Einsatzort zu bringen oder einfach nur zu Dekorationszwecken. Neben den ganzen Vorteilen und Verwendungszwecken stellen die Kopplung und mechanische Belastbarkeit noch Nachteile der Fiberglasleitungen dar, wenn geringste Verschmutzungen oder Ungenauigkeiten zu Signalabfällen führen können. Seite 8