Versuch 4

Fachhochschule Köln
Campus Gummersbach
Institut für Informatik
Dipl. Ing. Frank Schäfer
Versuch O.4 - Dämpfung im Lichtwellenleiter :
Grundlagen :
Die optische Nachrichtenübertragungsstrecke besteht aus den drei Komponenten Sender,
Lichtwellenleiter (LWL) und Empfänger (Figur 1).
Figur 1 : schematische Darstellung einer optischen Nachrichtenübertragungsstrecke
Sendedioden
Als elektro-optische Wandler werden Leuchtdioden (LED, ELED) und Laserdioden (LD) verwendet. Bei der im Versuch eingesetzten LED (OLS1) arbeiten wir mit einer Wellenlänge
von 850 nm.
Lichtwellenleiter
In der Fernsprechtechnik verwendet man im LAN- und WAN-Bereich die Monomode (Single
Mode) Stufenindexfaser SM 9/125 (Quarzfaser, Kerndurchmesser 9 μm, Manteldurchmesser
125 μm). Für kurze Übertragungsstrecken bis zu einigen 10 Metern Länge (z.B im Auto) benutzt man preisgünstige Kunststoffleiter als Multimode-Stufenindexfasern (Kerndurchmesser
etwa 1000 μm) mit wesentlich höherer Dämpfung.
Fig. 2 :
Spektralen Dämpfungsverlauf für
eine Kunsrstoffaser OEK 1000-B
mit einem Kerndurchmesser von
0,98mm.
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Die zur Zeit im Labor bereitgestellten LWL sind Duplex Multimode Fasern mit einem Kerndurchmesser von 50 μm und Längen von 1m, 2m, 3m und 5m.
Empfangsdioden
Als opto-elektrische Wandler werden PIN-Fotodioden und Avalanche-Fotodioden (APD) verwendet. Der im Versuch eingesetzte Si Detector von THORLabs (DET36A) weist die größte
Empfindlichkeit (Sensitivität) S = 0,59 μA/μW bei 975 nm auf (siehe Fig. 2).
Figur 3 : typische spektrale Abhängigkeit für die DET36A Photodiode
Der Versuchsaufbau ist recht einfach. Elektronisch wird das analoge Signal vom Detektor an
einen PC weitergeleitet, in dem eine Analog-Digitalwandlerkarte implementiert ist, die die
einlaufenden analogen Daten in digitale wandelt.
Die eingespeisten Daten werden am PC softwaremäßig aufbereitet und graphisch dargestellt. In dem entsprechenden Programm lassen sich auch die wesentlichen Parameter der
einzelnen Messungen protokollieren.
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Aufgaben:
Tragen Sie Ihre Messdaten in die im Netz bereitgestellte Excel-Tabelle ein und senden Sie
uns diese als Mail zu. Danke
1.
Legen Sie zunächst das 1m, 2m, 3m und 5m Kabel möglichst gerade aus und nehmen
Sie für beide Fasern des Duplex Kabels die Signalstärke auf. Versuchen Sie aus der
Längenabhängigkeit die (Spannungs-) Dämpfungskonstante für diesen Fasertyp mit
Fehlertoleranz abzuschätzen. Die Fehlertoleranz kann gegebenenfalls recht groß sein.
In der Regel sollten Sie den Mittelwert der Messungen für die beiden Fasern eines
Kabels zu der Dämpfungsanalyse heranziehen. Sind die Unterschiede zwischen den
beiden Fasern sehr groß, wählen Sie den sinnvolleren Messwert für ihre Analyse aus.
Verbinden Sie das 1m und 2m lange Kabel mittels des Kupplungsstückes. Lässt sich
eine zusätzliche Dämpfung aufgrund des Kupplungsstückes nachweisen?
2.
Legen Sie anschließend das 3m lange Kabel als Kreis auf dem Holzkegel aus und
messen Sie beide Fasern in Abhängigkeit des Radius (siehe Tabelle). Das Ergebnis
soll als Funktion des Radius graphisch dargestellt werden.
3.
Verwenden Sie nun nur die obere Kegelscheibe mit dem Radius von 5 cm. Messen Sie
das Signal in Abhängigkeit von der Anzahl der Wicklungen und tragen Sie dieses Ergebnis erneut graphisch auf.
4.
Legen Sie nun das 2m lange Kabel erneut aus, bauen aber eine scharfe Schikane ein
(einmal hin und her auf der dafür vorgesehenen Holzvorrichtung). Erhöhen Sie die Anzahl der Schikanen sukzessive bis auf 9 und stellen Sie Ihr Ergebnis als Funktion der
Anzahl der Schikanen graphisch dar.
5.
Berechnen Sie für das gerade ausgelegte 5 m Kabel, wie viel Prozent [%] der
Eingangsspannung bei der unter 1 abgeschätzten Dämpfungskonstante am Ende des
Kabels noch zur Verfügung stehen. Wie viel % sind es, wenn die Dämpfungskonstante
doppelt so groß wäre ?
6.
Prüfen Sie folgende LWL Verbindungen zwischen Patchfeld im “Serverschrank“ und
den entsprechenden Labor-Arbeitsplätzen, indem Sie mittels Mess - PC die Pegel
aufzeichnen und die ermittelten Mittelwerte in die hierfür vorbereitete Tabelle eintragen:
- 01 S.10.1.B
Schwarz =
Multimode
- 06 S.10.1.B
- 05 S.10.1.B
- 10 S.10.1.B
Blau = Singlemode
Figur 4
Vorgehensweise:
Messen Sie zunächst die beiden Leitungen (RX/TX) des Duplexkabels einzeln
aus (eine Strecke), indem Sie am Arbeitsplatz einspeisen und den ankommenden
Spannungspegel (Ua [V]) am Ende des LWL - Kabels im Serverschrank messen.
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Verwenden Sie hierfür die bereitgestellten ST – SC Verbindungskabel (siehe Fig. 5).
SC - Stecker
ST - Stecker
Figur 5
Brücken Sie anschließend, mittels SC – SC Verbindungskabel, die beiden Leitungen
des Duplexkabels am Labor – Arbeitsplatz. Für diese Messung erfolgt sowohl die
Einspeisung, als auch die Messwertaufnahme im “Serverschrank“.
Stellen Sie auch die jeweils 3 Messwertgraphen (U/t), die der Mess - PC liefert, dar.
Sind Ihre Messdaten im Rahmen der oben diskutierten Längenabhängigkeit der
Dämpfung zu verstehen?
7.
Diskutieren Sie abschließend alle ihre Ergebnisse, insbesondere anhand ihrer Graphen.
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