28-1
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 Möglich- keit gegeben, selbst die Versuche zu wählen. Allerdings sind einige Experi- mente 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.
28-2
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 Pol- lieren.
Aufgabe 2
(zu bearbeiten: a oder b)a) Bestimmung der Kernbrechzahl mittels geom. Optik Bei diesem Versuch wird der Strahlengang des Lasers durch einen Wür- fel untersucht, der aus dem Kernmaterial (PMMA) des LWL besteht.
Der Strahlengang wird auf ein Blatt Papier übertragen und aus den Bre- chungswinkeln die Brechzahl von PMMA bestimmt.
b) Bestimmung der Kernbrechzahl aus dem maximalen Einkop- pelwinkel θ max
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 Lei- stung auf 5% des Maximalwertes gefallen ist. Mit der Brechzahl des Clad- dings nCl = 1,392 und θmax kann die Kernbrechzahl berechnet werden.
Aufgabe 3
(zu bearbeiten: a + b oder a + c) a) Dämpfung des LWLDer 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 ju- stiert, 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 wieder- holt.
Unter der Annahme, daß alle Faserenden die gleichen Verluste verursa- chen, kann α aus den Längendifferenzen der LWL und den gemessenen Werten für den Photostrom berechnet werden.
28-3
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 Ein- und Auskoppeln bestimmt werden. Als Wert für α werden 0,3 dB / m ange- nommen.
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 Mecha- nismus ein und bringt optisches Fett auf die Stirnfläche eines LWL. Die En- den der LWL werden zusammengeführt und in engen Kontakt gebracht. Das optische Fett sollte nur die Endflächen der LWL berühren, um ein Auskop- peln des Lichts zu verhindern. Mit der unter b) beschriebenen Methode kön- nen die Gesamtverluste bestimmt werden.
Aufgabe 4
(zu bearbeiten: a oder b) a) Fernfeld des LWLUnter dem Fernfeld eines LWL versteht man die Winkelverteilung der abge- strahlten 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 Lei- stung mit dem Photodetektor gemessen. Zur Messung muß zunächst die 0°- Stellung des Drehtellers gefunden werden. Sind der Laserstrahl und der De- tektor justiert, wird der Photostrom in 4°-Schritten und dort, wo er stark ab- fällt, 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 Auskoppelsei- te das Faserende mit einem Mikroskopobjektiv in die Detektorebene abgebil- det. Das Bild wird entlang eines Durchmessers mit dem Detektor abgetastet.
Bei ausreichender Bildgröße (ca. 2 cm) wird der Photostrom in 1 mm- Schritten gemessen.
00.Word 97
