Основы оптической связи. (часть 1-я) Лабораторная работа №1. Вариант 11

Методические указания к лабораторной работе
ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА КАК СПЕКТРАЛЬНЫЙ ПРИБОР.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ СПЕКТРАЛЬНОГО УПЛОТНЕНИЯ
1. Цель работы
Целью работы является изучение принципов построения демультиплексора
на основе дифракционной решетки проходящего света, а также знакомство с
элементной базой волоконно-оптических систем передачи со спектральным
уплотнением.
2. Литература
1. Савельев И.В. Курс общей физики, т.3, - М.: Наука, 1982.
2. Конспект лекций, глава 3.
3. Подготовка к работе
1. Изучить явление дифракции.
2. Изучить основные принципы спектрального уплотнения в ВОСП,
мультиплексоры, демультиплексоры, их типы и принципы действия.
3. Выполнить предварительный расчет:
Рассчитать число разделимых с помощью дифракционной решетки (ДР)
световых потоков. Номер варианта определяется по последней цифре
пароля:
Таблица 1 – Определение номера варианта
Последняя
цифра
пароля
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
No
варианта
1 2 3 4 5 6 1 2 3 4
Таблица 2 – Исходные данные к расчету
No варианта λмин, мкм λмакс, мкм ΔλИИ, нм М d, мкм
1 0,63 0,65 8 150 10
2 0,85 0,88 2 300 8
3 1,3 1,33 5 400 6
4 1,35 1,38 7 300 7
5 1,5 1,53 2 150 10
6 0,9 0,92 5 300 8
Примечание: М – число штрихов ДР, значения остальных величин см. в
п.4.
Для расчета следует воспользоваться формулами (6) и (7) пункта 4
методических указаний.
4. Элементы теории.
В работе используется демультиплексор на дифракционной решётке (ДР),
содержащей, кроме ДР, две линзы – коллимирующую и фокусирующую.
Ход лучей при воздействии источника света с длинами волн λ1 и λ2 показан
на рис. 1. На рис. 2. Показано расположение дифракционных максимумов 1-
го и 2-го порядков xi[λi]. Чтобы произошло разделение световых потоков с
длинами волн λ1 и λ2, необходимо выполнить условия:
x1(λ1)<x1(λ2)<x2(λ1), (а) (1)
x1(λ2)<x2(λ1)<x2(λ2), (б)
Известно [2], что для точек максимумов дифракции имеет место
соотношение:
d sin θm,j = mm,j
, (m,j = 1,2)
(2)
где m – порядок максимума дифракции; d – период ДР; θm,j – углы
дифракционных максимумов.
С другой стороны, из рис. 2 следует:
xm(λi)=F tgθmj
(3)
здесь F – фокусное расстояние линзы; xm(λj) – расстояние между нулевым и
последующими максимумами. Подставив (7.3) в (7.1 a,б) найдём:
θ11< θ12< θ21, (а)
(4)
θ12< θ21< θ22, (б)
Из (7.2) находим θm,j:
θmj = arcsin
mj
d
.
Тогда (7.4) можно переписать в виде неравенств:
λ1< λ2< 2λ1, (a)
(5)
λ2< 2λ1< 2λ2, (б)
Левая часть неравенства (5 б) повторяет правую часть (5 а), а правая
часть (5 б) эквивалентна левой части (5 а). Поэтому основным условием
спектрального разделения является неравенство (5 а). Пусть объединяются N
световых потоков с длинами волн, лежащими в границах λ1= λмин, λ2= λмакс.
Чтобы эти потоки можно было разделить в приемнике, каждая из длин волн
должна удовлетворять неравенству (5 а).
Максимальное число разделимых потоков ограничивается разрешающей
способностью дифракционной решётки А и и шириной спектральной линии
источника излучения ΔλИИ.
Известно, что
А =
макс
δ =
L
макс
,
где L – длина ДР, δλ – минимально возможное расстояние между длинами
волн соседних потоков; М – число штрихов ДР.
δ =
макс
2
L
=
макс
2
M∗d
. (6)
Тогда максимальное число световых потоков между заданными граничными
длинами волн:
N = E |
макс−мин
δ+∆ИИ
| . (7)
(Е означает, что от числа берётся целая часть).
5. Описание лабораторной установки.
Схема экспериментальной установке представлена на рис. 3.
В лабораторной работе исследуется модель ВОСП со спектральным
уплотнением двух каналов. Источником света для первого канала служит НеNe лазер 1, источником света для второго канала – полупроводниковый лазер
2. Излучение He-Ne лазера вводится в первое входное волокно
мультиплексора 3, второе входное волокно мультиплексора 3 подсоединено к
выходу лазера 2. Выходное волокно 4 мультиплексора 3 моделирует
волоконный световод линии связи со спектральным уплотнением.
Выходящий из него свет поступает на вход демультиплексора, состоящего из
коллимирующей линзы 5, дифракционной решётки 6, фокусирующего
объектива 7. В фокальной плоскости объектива 7 расположен видикон
передающей телевизионной камеры 8, подключенной к телевизионному
монитору 9.
6. Задания на лабораторную работу
Произвести экспериментальное определение длины волны излучения
полупроводникового источника света, оценить разрешающую способность и
вычислить максимальное число каналов в исследуемой системе со
спектральным уплотнением.
7. Методические указания к выполнению работы на ПК
1. После изучения теории нажмите кнопку «Допуск». Введите Ф.И.О и No
варианта, нажмите «Приступить»
В окна Δλ и N введите результаты предварительного расчета.
Убедитесь, что задача решена верно. Сделайте скриншот экрана.
Закройте окно допуска.
2. Нажмите кнопку «Выполнение».
Вызвать на экран схему лабораторной установки. Изучить схему щелкая
по цифрам левой кнопки мыши.
3. Изучить интерференционную картину аналогично пункту 1 данных
методических указаний.
Определить расстояние между двумя центрами пятен (в мм), образованных
HE-NE лазером и центральным максимумом - l1. Ввести полученное
значение, нажать кнопку «Проверить», а затем после сообщения о
правильности ввода нажать кнопку «Далее».
4. Определить расстояние (в мм) между двумя центрами пятен,
образованных полупроводниковым лазером и центральным максимумом -
l2. Провести проверку аналогичным образом пункта 3.
5. Определить диаметр пятен (мм), образованный максимумами первого
порядка – d1. Ввести значения и произвести проверку. Затем вычислить
средний диаметр пятен.
6. Произвести расчет величин, ввести значения через запятую с точностью
до сотых:
-средний диаметр пятен: D=
d1+d2
2
;
-расстояние между нулевым и первым максимумом соответствующем He-Ne
и полупроводниковым лазерам соответственно x1 и x2 рассчитать из
соотношения для коэффициента увеличения монитора М:
M =
1,2
x1,2
= 30;
1 и 2 – величины, измеренные в п.3 и п.4 выполнения лабораторной работы
(расстояния между максимумами на мониторе).
-углы, соответствующие главному дифракционному максимуму 1го порядка
для длины волны He-Ne лазеру и ППЛ рассчитать из соотношения:
xm(λi)=F tgθmj ;
где F – фокусное расстояние линзы, F=60 мм,
- период дифракционной решётки d определить из соотношения:
d sin θm,j = m1;
где 1 = 0,6328 мкм
- длину волны полупроводникового лазера из того же соотношения, но уже
для угла дифракции, соответствующему максимуму длины волны 2 :
d sin θm,j = mm,j
, (m,j = 1,2);
- Определить минимальное значение разности длин волн соседних
разрешенных каналов δλ, и максимальное число световых потоков (каналов)
N из соотношений:
δ ≅
D
M
∙
d
F
,
N = E (
2−1
D
)
Введите результаты расчета. Нажмите кнопку «Проверить»
Убедитесь, что все параметры рассчитаны верно. Сделайте скриншот экрана. Закройте окно.
7. Нажмите кнопку «Тест». Введите свою фамилию и группу. Ответьте на
вопросы теста. Приведите скриншот с результатом прохождения теста.
Тест считается пройденным, если Вы правильно ответили на 10 вопросов из
15.
8. Содержание отчёта
Отчёт должен содержать:
Функциональную схему лабораторного макета;
Предварительный расчет. Результаты предварительного расчета со
скриншотом допуска.
Результаты приведенных измерений;
Расчеты и Результаты расчётов по пункту 6 со скриншотом
программы;
Скриншот с результатом прохождения теста;
Выводы из лабораторной работы, анализ полученных результатов.
Контрольные вопросы
1. Как работает мультиплексор в данной работе?
2. В чём заключается спектральное уплотнение?
3. Какое явление положено в основу работы демультиплексора? В чём
оно заключается?
4. Какие конструкции демультиплексоров и мультиплексоров
разработаны для ВОСП со спектральным уплотнением?
5. От чего зависит разрешающая способность демультиплексора?
6. Как по данным, полученным в работе, определить период
дифракционной решетки и длину волны полупроводникового лазера?

Уважаемый студент дистанционного обучения,
Оценена Ваша работа по предмету: Основы оптической связи (часть 1)
Вид работы: Лабораторная работа 1
Оценка:Зачет
Дата оценки: 29.05.2020
Рецензия:Уважаемый ,
лабораторная работа зачтена.

Гавриленко Ольга Борисовна