2. Messung der spektralen Breite verschiedener Sendeelemente

Versuche zu
Grundlagen der optischen Übertragungstechnik
Bestandteil des OPTOTEACH-Lehrsystems
1. Auflage
© HarzOptics GmbH
Dornbergsweg 2
38855 Wernigerode
1
Versuche
ALLGEMEINE HINWEISE:
 bei Nichtverwendung der Laserdiode Schalter „Laser ON“ auf AUS stellen
 nicht direkt in das vom Laser abgestrahlte Licht schauen
 Geräte nicht öffnen
 für keine anderen Zwecke einsetzen, als die in den Versuchen beschriebenen
 Umgebungstemperatur 10°C - 40°C
MESSUNG DES DIODENSTROMES:
Die Messung des Diodenstromes ist ein wichtiger Bestandteil der nachfolgenden Versuche.
Er erfolgt bei dem OPTOTEACH-Lehrsystem indirekt über einen eingebauten 10
Widerstand. Mit diesem Aufbau ist es möglich, die Messung per Oszilloskop durchzuführen,
man muss außerdem nicht ständig ein Amperemeter angeschlossen oder eine Brücke
eingebaut haben.
Die Berechnung erfolgt:
I
D
UR
R
, d.h. bei einer Spannung von 150mV ergibt sich:
I
D

150mV
 15mA
10
EINSTELLUNG EINER VERZERRUNGSFREIEN ÜBERTRAGUNG:
In den nachfolgenden Versuchen wird häufiger die Einstellung einer verzerrungsfreien
Übertragung gefordert. Hierfür ist es notwendig, Einstellungen am Sender und am
Empfänger vorzunehmen.
Zur Kontrolle besteht einerseits die Möglichkeit, dies mit einem Funktionsgenerator (am
Sendemodul angeschlossen) und einem Oszilloskop (am Empfängermodul angeschlossen)
oder aber mit Hilfe einer Videokamera und einem Monitor zu überprüfen.
Bei der zweiten Methode empfiehlt es sich, als Erstes den Offset des Empfängers
einzustellen, da dies einer der empfindlichsten Parameter bei der Videoübertragung darstellt.
Alle anderen Regler sind so einzustellen, dass eine optimale Übertragung gewährleistet wird.
2
1. Bestimmung der Peakwellenlänge
Bei diesem Versuch
soll die Peakwellenlänge aller im OPTOTEACH-Lehrsystem
eingebauten Sendeelemente untersucht werden.
Erforderliche Geräte:

Sendemodul Basic

POF 1m

Spektrumanalysator optisch

Powermeter optisch
Grundeinstellungen:

Mit dem Regler „Offset/operating point“, bzw. dem Poti der cw-Lichtquellen stellen Sie
die Arbeitspunkte ein.

Stellen Sie alle anderen Regler auf Rechtsanschlag. Stellen Sie den Diodenstrom
(Regler Offset) aller LEDs so ein, dass sie mit der gleichen Intensität leuchten (ca.
-10dBm) (Kontrolle mittels optischen Powermeters). Beachten Sie die
unterschiedlichen PI-Kennlinien der Sender!

Verbinden Sie anschließend die Geräte, wie in unten stehender Grafik dargestellt.
Versuchsaufbau:
Versuchsdurchführung:


Nehmen Sie alle oben genannten Einstellungen vor.
Bestimmen Sie mit Hilfe des Spektrumanalysators die Peakwellenlänge für alle
Module.
Auswertung:
Modul
Peakwellenlänge [nm]
Channel 1 (LED blau)
Channel 2 (LED rot)
cw-LED (LED grün)
cw-Laser
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2. Messung der spektralen Breite verschiedener
Sendeelemente
Mit diesem Versuch soll die spektrale Breite der verschiedenen Sendeelemente vermessen
werden. Für WDM-Übertragungen ist dies ein nicht unwichtiger Faktor, da dadurch der
Kanalabstand beeinflusst wird, der minimal erreicht werden kann.
In der Praxis gibt man im Allgemeinen die Halbwertsbreite an (FWHM, engl.: Full Width at
Half Maximum). Dieser Wert gibt die spektrale Breite der Lichtquelle beim halben
Maximalwert an. f ( x1 )  f ( x 2 ) 
1
f ( xmax ) ;
2
FWHM  x1  x2
Erforderliche Geräte:

Sendemodul Basic

POF 1m

Spektrumanalysator optisch

Powermeter optisch
Grundeinstellungen:

Mit dem Regler „Offset/operating point“, bzw. dem Poti der cw-Lichtquellen stellen Sie
die Arbeitspunkte ein.

Stellen Sie alle anderen Regler auf Rechtsanschlag. Stellen Sie den Diodenstrom
(Regler Offset) aller LEDs so ein, dass sie mit der gleichen Intensität leuchten (ca.
-10dBm) (Kontrolle mittels optischen Powermeters). Beachten Sie die
unterschiedlichen PI-Kennlinien der Sender!

Verbinden Sie anschließend die Geräte, wie in unten stehender Grafik dargestellt.
Versuchsaufbau:
Versuchsdurchführung:

Messen Sie nun die spektrale Breite der einzelnen Sendeelemente. Beginnen Sie mit
den LEDs. Tragen Sie die gemessenen Spektren in das Protokoll ein und bestimmen
Sie die spektralen Breiten.

Wiederholen Sie die Messung mit der Laserdiode.
4
Auswertung:
Diagramm:
Spektrum LED blau
FWHM [nm]:
Diagramm:
Spektrum LED grün
FWHM [nm]:
5
Diagramm:
Spektrum LED rot
FWHM [nm]:
Diagramm:
Spektrum Laserdiode
FWHM [nm]:
Frage: Bei welchen Sendeelementen stellen Sie ein ähnliches Spektrum fest und warum gibt
es zu einem Sender einen größeren Unterschied im Spektrum?
Antwort:
6
3. PI-Kennlinie verschiedener Sendeelemente
Bei diesem Versuch sind die statischen Leistungs-Strom-Kennlinien (PI-Kennlinien) Popt=f(ID)
verschiedener Sendeelemente aufzunehmen.
Hierbei wird die Abhängigkeit der emittierten Lichtleistung Popt vom Diodenstrom ID
demonstriert. Weiterhin ist die abgegebene Lichtleistung abhängig vom verwendeten
Sendemodul zu untersuchen.
Externer Wirkungsgrad (Gesamtwirkungsgrad)
Es gilt:


ext
emittierte Photonen pro Zeiteinheit

N
N
durch
Phot.
Ladtr.
/ t
pn  Übergang
P / hf
/ t
I /q

opt
D

fließende Ladungsträger
q P
hf I
opt
D

q P

hc I
pro Zeiteinheit
opt
D
Popt= exthc/qD
 Steigung der Kurve:Popt/D
h = 6,626069 ·10 –34 Js
q = e- = Elementarladung = 1,60217646 · 10 –19 As
 - Wellenlänge
c = 3 · 108 m/s
D- Diodenstrom in A
Aus der Steigung Popt/D der Strom-Lichtleistungskennlinie kann der differentielle
Quantenwirkungsgrad einer Diode bestimmt werden. Die Steigung bei Laserdioden
unterscheidet sich erheblich von der der LED, da oberhalb der Laserschwelle die
Lichtverstärkung durch den Lasereffekt eintritt. Dies soll in den folgenden Versuchen
verifiziert werden.
Erforderliche Geräte:

Sendemodul Basic

POF 1m

optisches Powermeter

Voltmeter
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Grundeinstellungen:

Mit dem Regler „Offset/operating point“, bzw. dem Poti der cw-Lichtquellen stellen Sie
die unterschiedlichen Ströme ein.

Stellen Sie alle anderen Regler auf Rechtsanschlag.

Messbereich/Wellenlängenbereich des Powermeters geeignet einstellen
Versuchsaufbau:
Versuchsdurchführung:

Verbinden Sie die jeweilige Sendediode mit dem LWL und dem Powermeter

Verbinden Sie das Voltmeter mit den Buchsen (10 ) an der jeweiligen Sendediode

Stellen Sie am Potentiometer „operating point“ den Diodenstrom entsprechend den
Werten in den nachfolgenden Tabellen ein und tragen Sie die gemessene
Lichtleistung ein. Berechnen Sie den externen Wirkungsgrad.

Wiederholen Sie den Vorgang mit den anderen Sendedioden, vergessen Sie dabei
nicht, den Messbereich des Powermeters entsprechend einzustellen.
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Auswertung:
LED 1: blau
ID [mA]
PE [µW]
0
Diagramm
PI-Kennlinie LED 1
1
2
3
4
5
10
15
Externer Wirkungsgrad LED1:
LED 2: rot
ID [mA]
PE [µW]
0
Steigung der PI-Kennlinie LED1
[W/A]:
Diagramm
PI-Kennlinie LED 2
1
2
3
4
5
10
15
Externer Wirkungsgrad LED 2:
Steigung der PI-Kennlinie LED 2
[W/A]:
9
LED 3: grün
ID [mA]
PE [µW]
0
Diagramm
PI-Kennlinie LED 3
1
2
3
4
5
10
15
20
25
Externer Wirkungsgrad LED 3:
Laserdiode:
ID [mA]
PE [µW]
10
Steigung der PI-Kennlinie LED 3
[W/A]:
Diagramm
PI-Kennlinie Laser
11
12
13
14
15
16
17
20
25
30
40
Externer Wirkungsgrad Laser:
Steigung der PI-Kennlinie Laser
[W/A]:
10
Bei welchem Strom setzt der Laserbetrieb ein? Wie hoch ist der Schwellwert?
Antwort:
.
11
3.1 Dämpfungsmessungen
Um eine Signalübertragung mit Lichtwellenleitern vorzunehmen ist es unabdingbar, die
Dämpfung a der einzelnen Komponenten zu kennen. Mit diesem Versuch wird einerseits die
Abhängigkeit der Dämpfung von der Leitungslänge a=f(l), andererseits aber auch die
Abhängigkeit von der verwendeten Wellenlänge a=f() demonstriert.
Abbildung 1: Dämpfung von Polymerfasern
Jeder Lichtwellenleiter weist eine spezifische Dämpfung auf. Diese ist abhängig von dem
verwendeten Material, seiner Länge und der übertragenen Wellenlänge. In diesem Versuch
soll dieser für eine Übertragung wichtige Parameter bestimmt werden.
Erforderliche Geräte:

Sendemodul Basic

POF 1m, 10m , 20m, 50m

optisches Powermeter

Voltmeter
Grundeinstellungen:

Stellen Sie alle Regler auf Linksanschlag.

Messbereich/Wellenlängenbereich des Powermeters geeignet einstellen.
Versuchsaufbau:
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Versuchsdurchführung:

Verbinden Sie die cw-Sendediode mit dem LWL 1m und dem Powermeter.

Verbinden Sie das Voltmeter mit den Buchsen (10 ) an der Sendediode.

Stellen Sie am Potentiometer „operating point“ einen maximalen Strom ein.
a) Dämpfung in Abhängigkeit zur Faserlänge
Nehmen Sie eine Referenzmessung mittels der cw-Sendediode und der 1m
Polymerfaser vor, um alle anderen Messungen in einen relativen Bezug
setzen zu können. Messen sie nun alle Polymerfasern mit diesem Sender und
tragen Sie die Werte in eine Tabelle ein. Berechnen Sie die absolute
Dämpfung
a
abs


 10 log  P1m  und längenbezogene Dämpfung a (l )  a abs


l  1m
 P Xm 
der jeweiligen Faser. Tragen Sie die Werte für alle Längen in die Tabelle ein.
b) Dämpfung in Abhängigkeit zur Wellenlänge
Verbinden Sie das Sendemodul mit dem LWL 1m und nehmen Sie eine
Referenzmessung für jede Wellenlänge vor, bei Verwendung der Videokanäle
alle Regler auf Rechtsanschlag stellen. Verwenden Sie anschließend den
LWL 20m und tragen Sie die Dämpfung in die Tabelle ein. Wiederholen Sie
die Messungen mit den anderen LED’s. Beachten Sie dabei, dass Sie den
richtigen Messbereich am Powermeter eingestellt haben.
Auswertung:
a) Dämpfung in Abhängigkeit zur Faserlänge
Länge [m]
aabs [dB]
a(l) [dB/m]
10
20
50
b) Dämpfung in Abhängigkeit zur Wellenlänge
LED
 [dB]
 [dB/m]
blau
grün
rot

Zeichnen Sie das Diagramm aabs=f(l). Tragen Sie dazu die berechneten bzw.
gemessenen Dämpfungen in Abhängigkeit von der Leitungslänge in das Diagramm
ein. Verbinden Sie die Punkte durch eine Gerade, die mit ihrem Anstieg der
längenbezogenen Dämpfung entspricht, berechnen Sie anhand des Diagramms für
a) die durchschnittliche Dämpfung pro Meter und vergleichen Sie diesen Wert mit den
Werten aus der Tabelle.
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Amplitude
Ausgangss
ignal:
Differenz
zu 1m
POF:
Diagramm
a=f(l)

Steigung der Geraden:
Erstellen Sie das Diagramm a=f(). Tragen Sie die Werte in das Diagramm ein und
verbinden Sie die Punkte zu einer Kurve.
Diagramm
a=f()
Frage: Vergleichen Sie die ermittelten Werte mit den Angaben in Abbildung 1 am Anfang
dieser Anleitung. Welche Unterschiede sind zu erkennen und welche quantitativen
Angaben können Sie ablesen?
Antwort:
14