Lichtwellenleiter

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Lichtwellenleiter
1. Vorbereitung
• Gesetze der geometrischen Optik ( Brechung, Totalreflexion,...)
• Aufbau und Arten von Lichtwellenleitern
- Stufenindex-LWL
- Gradienten-LWL
• Moden im LWL
- Was sind Moden ?
- Was bedeutet Multimode- und Monomode-LWL ?
• Dämpfung
- Wie sind Dämpfung und Dämpfungskoeffizient definiert ?
- Wie mißt man die Dämpfung eines LWL ?
• Fernfeld und Nahfeld eines LWL
• Kurz: Wie funktioniert eine Photodiode, eine Laserdiode (Bändermodell) ?
• Literatur: Vorbereitungsmappe Lichwellenleiter, E. Hecht: Optik
2. Versuch
Die Versuche gliedern sich grob in 5 Aufgaben. Es müssen jedoch nicht alle
Teilaufgaben bearbeitet werden. Vielmehr wird den Studenten die Möglichkeit gegeben, selbst die Versuche zu wählen. Allerdings sind einige Experimente Standard, und sollten von allen Studenten bearbeitet werden.
Achtung:
Bei allen Versuchen werden Laserdioden mit einer
Ausgangsleistung von 1 mW verwendet. Sehen Sie nicht direkt
oder gar mit einem optischen Hilfsmittel (Linse, Mikroskop,...) in
den Strahl. Zielen Sie mit dem Strahl nicht auf andere Personen,
und schalten Sie die Laserdiode bei Nichtbenutzung aus.
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Aufgabe 1
Schleifen von Faserenden
Pro Gruppe werden zwei ca. einen Meter lange LWL so geschliffen,
daß die Endflächen kreisrund sind und möglichst keine Unebenheiten
mehr aufweisen. Dazu werden 2 Schleifpapiere verschiedener Körnung
benutzt: 2000-er Körnung zum Vorschleifen, 4000-er zum Pollieren.
Aufgabe 2 (zu bearbeiten: a oder b)
a) Bestimmung
der
Kernbrechzahl
mittels
geom.
Optik
Bei diesem Versuch wird der Strahlengang des Lasers durch einen Würfel untersucht, der aus dem Kernmaterial (PMMA) des LWL besteht.
Der Strahlengang wird auf ein Blatt Papier übertragen und aus den Brechungswinkeln die Brechzahl von PMMA bestimmt.
b) Bestimmung der
pelwinkel θ max
Kernbrechzahl
aus
dem
maximalen
Einkop-
Ein Ende eines LWL beliebiger Länge wird auf der Einkoppelseite in
den Drehteller eingespannt, das andere Ende wird von dem Detektor fixiert.
Zunächst muß die Stellung gefunden werden, bei der der Einkoppelwinkel θ =
0° beträgt. θ max wird als der Winkel definiert, bei dem die transmittierte Leistung auf 5% des Maximalwertes gefallen ist. Mit der Brechzahl des Claddings nCl = 1,392 und θmax kann die Kernbrechzahl berechnet werden.
Aufgabe 3 (zu bearbeiten: a + b oder a + c)
a) Dämpfung des LWL
Der Dämpfungskoeffizient α wird anhand von 6 verschiedenen Längen
(1m, 2m, 3m, 4m, 5m, 8m, 10m) des LWL bestimmt. Zur Messung wird
ein LWL eingespannt. Die Laserdiode und der Detektor werden so justiert, daß ein maximaler Photostrom gemessen wird. Anschließend
wird die Messung wiederholt, nachdem des LWL auf der
Ein- bzw. Auskoppelseite vertauscht wurden. Zur Auswertung sind die
beiden Meßwerte zu mitteln. Dieser Vorgang wird für alle 6 Längen wiederholt.
Unter der Annahme, daß alle Faserenden die gleichen Verluste verursachen, kann α aus den Längendifferenzen der LWL und den gemessenen
Werten für den Photostrom berechnet werden.
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b) Dämpfung der in 1 ) geschliffenen Faserenden
Man koppelt eine bekannte Lichtleitung (=bekannter Photostrom) in
den LWL ein und mißt am Ende des LWL den Photostrom der durch
die transmittierte Leistung erzeugt wird. Mit der Länge der Faser
und dem Dämpfungskoeffizienten können nun die Verluste durch Einund Auskoppeln bestimmt werden. Als Wert für α werden 0,3 dB / m angenommen.
c) Dämpfung beim Koppeln mit optischen Fett
Um 2 LWL lösbar miteinander zu koppeln verwendet man u.a. optisches Fett.
Die unter 1) geschliffenen LWL sollen auf diese Weise gekoppelt werden.
Dazu spannt man die beiden LWL in den zum Koppeln vorgesehenen Mechanismus ein und bringt optisches Fett auf die Stirnfläche eines LWL. Die Enden der LWL werden zusammengeführt und in engen Kontakt gebracht. Das
optische Fett sollte nur die Endflächen der LWL berühren, um ein Auskoppeln des Lichts zu verhindern. Mit der unter b) beschriebenen Methode können die Gesamtverluste bestimmt werden.
Aufgabe 4 (zu bearbeiten: a oder b)
a) Fernfeld des LWL
Unter dem Fernfeld eines LWL versteht man die Winkelverteilung der abgestrahlten Intensität. Weil die Ein- und Auskoppelcharakteristik eines LWL aus
Symmetriegründen gleich ist, wird hier wegen der einfacheren Handhabung
einfach unter verschiedenen Winkeln eingekoppelt und die transmittierte Leistung mit dem Photodetektor gemessen. Zur Messung muß zunächst die 0°Stellung des Drehtellers gefunden werden. Sind der Laserstrahl und der Detektor justiert, wird der Photostrom in 4°-Schritten und dort, wo er stark abfällt, 2°- Schritten (ein Teilstrich auf der Skala) gemessen.
Nähert man die Feldverteilung durch eine Parabel an, so kann man aus
den Nullstellen des Palabelfits θ max bestimmen.
b) Nahfeld des LWL
Um das Nahfeld des LWL aufzunehmen, wird auf der Auskoppelseite das Faserende mit einem Mikroskopobjektiv in die Detektorebene abgebildet. Das Bild wird entlang eines Durchmessers mit dem Detektor abgetastet.
Bei ausreichender Bildgröße (ca. 2 cm) wird der Photostrom in 1 mmSchritten gemessen.
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