Ispitivanje karakteristika laserskih izvora pomoću optičkog spektralnog analizatora

Optičko vlakno je stakleno ili plastično vlakno koje prenosi svetlost svojom dužinom. Fiber-optika je spoj primenjene nauke i inženjeringa koji ispituje dizajniranje i primenu optičkih vlakana. Optička vlakna se široko koriste u fiber-optičkim komunikacijama, koje obezbeđuju prenos preko dužih rastojanja i sa većim propusnim opsegom nego drugi oblici komunikacija. Vlakna se koriste umesto metalnih žica, jer signali putuju duž njih sa manje gubitaka, a takođe su i imuni na elektromagnetsku interferenciju.

      Specijalno dizajnirana vlakna se koriste za mnoge druge primene, uključujući senzore i fiber-optičke lasere. Svetlost se održava u jezgru optičkog vlakna totalnom internom refleksijom. Ovo prouzrokuje da se vlakno ponaša kao nosilac talasa. Vlakna koja podržavaju više putanja prenosa ili transferzalnih režima (modova) se zovu multimodna vlakna (MMF), dok se ona koja podržavaju samo jedan režim (mod) zovu monomodna vlakna (SMF). Multimodna vlakna generalno imaju veći prečnik jezgra i koriste se za komunikacije na kraćim rastojanjima i za primene u kojima je potreban prenos veće snage. Monomodna vlakna se koriste kod komunikacionih veza dužih od 550 m.

      Najčešći tip monomodnog vlakna ima prečnik jezgra od 8-10 mikrometara i dizajniran je za upotrebu u bliskom infracrvenom opsegu. Multimodno vlakno, za poređenje, se pravi sa prečnikom jezgra od oko 50 mikrometara pa do nekoliko stotina mikrometara.

    Spajanje optičkih vlakana je mnogo kompleksnije nego spajanje električnih žica ili kablova. Krajevi vlakna moraju biti pažljivo ispolirani, a zatim splajsovani mehanički ili fuzijom električnim lukom. Koriste se posebni konektori za privremene konekcije.

Optičko vlakno je cilindrični dielektrični talasni nosilac koji prenosi svetlost duž svoje ose, procesom totalne interne refleksije. Vlakno se sastoji od jezgra okruženog slojem omotača. Da bi se zadržao optički signal u jezgru, indeks prelamanja u njemu treba da bude veći nego u omotaču. Granica između jezgra i omotača može biti sa naglim prelazom kod vlakna sa skokovitim indeksom ili gradijentna kod vlakna sa gradijentnim indeksom.

Indeks prelamanja:

      Svetlost putuje najbrže u vakuumu brzinom od oko 300 hiljada kilometara u sekundi. Indeks prelamanja se računa deljenjem brzine svetlosti u vakuumu sa brzinom svetlosti u nekom drugom medijumu. Indeks prelamanja je za vakuum, prema tome, 1, po definiciji. Tipična vrednost indeksa prelamanja za omotač optičkog vlakna je 1,46. Vrednost za jezgro je tipično 1,48. Što je veći indeks prelamanja, svetlost se sporije kreće kroz taj medijum. Na osnovu ove informacije, možemo reći da će signal koji se kreće kroz optičko vlakno putovati brzinom od oko 200 hiljada kilometara u sekundi, tj. put od 1000 kilometara kroz vlakno, savladaće za 5 milisekundi.

Slika 1.  1. Multimodno vlakno sa skokovitim indeksom

      2. Monomodno vlakno

      3. Multimodno vlakno sa gradijentnim indeksom

      Kod vlakna sa gradijentnim indeksom prelamanja, indeks prelamanja u jezgru opada kontinualno između ose i omotača. Ovo prouzrokuje da se zraci svetlosti krive postepeno dok se približavaju omotaču, umesto da se naglo odbijaju od jezgro-omotač granice. Rezultirajuće zakrivljene putanje smanjuju disperziju usled više putanja, jer zraci pod velikim uglom prolaze više kroz periferiju jezgra sa nižim indeksom nego kroz centar sa visokim indeksom. Profil indeksa je izabran tako da minimizira razliku između brzina prostiranja različitih zraka kroz vlakno.

2. OPREMA ZA MERENjA

Za ova merenja korišćeni su Agilent-ovi 81949A i 81657A laserski izvori i N3900A modularni mrežni tester sa modulom optičkog spektralnog analizatora.

2.1. Optički spektralni analizator 

Optička spektralna analiza predstavlja merenje optičkih signala u funkciji frekvencije i vremena. Optički spektralni analizator Agilent N3935A SM se može koristiti za: testiranje laserskih izvora (za merenje spektralne karakteristike i raspodele snage) testiranje karakteristike prenosa optičkih uređaja, praćenje parametera CWDM signala i merenje talasnih dužina i snage laserskih izvora.

2.2 Agilent 8164B – Platforma za testiranje fiber-optičkih komponenti

   Ovaj cistem za merenje cvetlosnih talasa podržava širok opseg podesivih laserskih modula uz mogućnost merenja do 8 kanala portova  merača snage u okviru jednog uređaja, što ispunjava današnje zahteve AVG i CWDM aplikacija. Za jednostavan samostalni rad 8164B poseduje 3,5-inčni flopi-disk drajv, VGA port, PS/2 konektor za tastaturu i paralelni port za štampač.

3. MERENjA I ANALIZA REZULTATA 

   Prva merenja su se odnosila na karakteristike dva tipa laserska izvora. Jedan tip je Fabri-Peroov, za koji mogu da se podese 2 vrednosti talasne dužine, 1310nm i 1550nm. Odabrana je vrednost od 1550nm iz razloga što se ta talasna dužina nalazi u opsegu u kojem se beleže najmanji gubici i iz jednog čisto praktičnog razloga, a to je da je uređaj za očitavanje spektra upravo predviđen za ovaj opseg, koji je danas i najaktuelniji. Ovaj laserski izvor je povoljan ukoliko se žele ispitati karakteristike više kanala istovremeno na ekvidistantnim rastojanjima i njihov eventualni međusobni uticaj.

   Drugi tip je distributivni povratni laserski izvor koji je podesiv u širokom opsegu. Talasna dužina izvora koja je podešena prilikom početnih merenja je bila oko 1545nm. Ovaj laserski izvor je veoma povoljan ako se želi ispitati karakteristika jednog konkretnog, precizno podešenog kanala.

   Povezivanje izvora svetlosti sa optičkim spektrum analajzerom vršeno je uz pomoć patch cord-ova sa monomodnim optičkim vlaknom i ST
konektorima na svojim krajevima.

Slika 1. Poređenje karakteristika FP lasera bez prisustva i sa prisustvom multipleksera

Slika 2. Poređenje karakteristika podesivog DFB lasera bez prisustva i sa prisustvom multipleksera

Slika 3. Izgled spektra dva laserska signala poslata na multiplekser istovremeno

Slika 4. Posmatranje uticaja filtarskog prozora na ulazu multipleksera na karakteristiku lasera

ZAKLjUČAK 

   Na osnovu datih merenja može se zaključiti da se karakteristike laserskih izvora mogu opisati uz pomoć mejnfrejm testera i optičkog spektralnog analizatora i da je kvalitet ispitivanih laserskih izvora zadovoljavajuć. Primećeno je na osnovu karakteristika izvora, da je Fabri-Peroov laser pogodniji za istovremeno testiranje ponašanja nekog prenosnog sistema na čitavom opsegu talasnih dužina, na ekvidistantnim rastojanjima od oko 0,5 nm. Mana konkretnog izvora koji je ovde korišćen je što nije podesiv. Videli smo kako izgleda karakteristika distributivnog lasera sa povratnom spregom (DFB) koji je u ovom slučaju bio podesiv. Takva vrsta izvora je pogodna za emitovanje jedne strogo definisane i podešene talasne dužine na multiplekser. Ovakvi izvori se najčešće koriste u WDM komunikacionim sistemima. Slanjem signala sa više ovakvih izvora na ulaze multipleksera dobija se multipleksiran signal sa velikim snagama na pažljivo odabranim talasnim dužinama. Multipleksiran signal će biti imun na negativne efekte kao što su mešanje 4 talasa ukoliko se kanali rasporede na dovoljno velika rastojanja i ukoliko se potrudimo da rastojanja susednih kanala ne budu ekvidistantna. Takođe, može se primetiti i da je uticaj pasivnih komponenti multipleksera na izgled karakteristike signala izvora zadovoljavajuć i da ne unosi preveliko slabljenje i nelinearna izobličenja koji bi značajno poremetili izgled karakteristike signala laserskih izvora. Međusobni uticaj laserskih signala je potpuno neprimetan, ako uopšte i postoji neka interakcija. Signali izvora zadržavaju iste snage kao i kad su samostalno propuštani jedan po jedan kroz multiplekser. Filtri na ulazima multipleksera ne odsecaju previše vrh korisnog signala, ukoliko ne podesimo talasnu dužinu laserskog izvora previše blizu granične vrednosti.