Praktikum Nachrichtentechnik Lichtwellenleiter Autoren: Markus Krieger Sebastian Kornherr Erstellungsdatum: 6. Juli 2000

Disclaimer: Alle von mir im Internet unter http://www.krieger-online.de veröffentlichten Versuchsberichte und Hausarbeiten sind lediglich als Anhaltspunkt für eine eigene Ausführung einer Versuchsberschreibung bzw. Hausarbeit gedacht. Ich widerspreche ausdrücklich einer 1:1-Kopie (also kopieren, abschreiben, abscannen etc.). Einer Veröffentlichung hat der/die entsprechende VersuchspartnerIn zugestimmt (sofern es sich nicht um eine Einzelarbeit handelt). Alle Texte, Grafiken und Listings dienen lediglich als Orientierung für eine eigene Ausarbeitung. Diese Arbeiten wurden alle von verschiedenen Professoren, die hier ausdrücklich nicht genannt werden, meist mit „gut” testiert. Trotzdem können in den Berichten Fehler vorhanden sein, deshalb übernehme ich keine Gewähr für die Richtigkeit und Vollständigkeit. Außerdem können sich die Versuche – ganauso wie die Technik – im Laufe der Zeit weiterentwickeln und verändern, so daß diese Ausarbeitung nicht mehr aktuell ist. Ich bitte zu bedenken, daß die Praktika (mit Erstellung einer schriftlichen Ausarbeitung) als eine Hilfe für die Studierenden gedacht sind, Praxis zu gewinnen und sich praktisch in die Materie einzuarbeiten. Markus Krieger im April 2000.

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INHALTSVERZEICHNIS

Inhaltsverzeichnis 1 Versuchsbeschreibung

3

2 Messung der verschiedenen Sendedioden

4

3 Dämpfung von Sendedioden, Kunststofffasern und Steckverbindern

6

4 Frequenzgang von Sendedioden, PE = f (f )

7

5 Übertragung von TTL-Signalen

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6 Zusammenfassung

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A Anhang

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Versuchsbeschreibung

In diesem Versuch sind die Eigenschaften von Lichtwellenleitern zu untersuchen. Dabei werden verschiedene Messungen durchgeführt: • Die Untersuchung verschiedener Sendedioden • Die Untersuchung der Dämpungen der Leitung bzw. des Übergangs zwischen zwei Leitungen • Die Untersuchung der Gruppenlaufzeiten bei unterschiedlichen Leitungen und Sendedioden • Die Untersuchung des Frequenzverhaltens unter verschiedenen Voraussetzungen Lichtwellenleiter werden für die Datenübertragung genutzt und erlauben hohe Datenraten über weite Strecken. Lichtwellenleiter haben Vorteile, z.B. ist es mit ihnen ohne großen Aufwand möglich, Licht verschiedener Wellenlänge gleichzeitig zu übertragen, ohne daß dabei Beeinflussungen entstehen. Das gewünschte Signal kann am Empfänger einfach durch optische Filter ausgekoppelt werden. Dies ist mit dem elektronischen Frequenzmultiplexing zu vergleichen, das aber schwiriger zu realisieren ist. Die Grundlagen und eine Beschreibung verschiedener Lichtwellenleiter sind in der Aufgabenbeschreibung vorhanden, so daß wir hier nicht weiter darauf eingehen wollen. Der Versuchsaufbau besteht aus zwei Metallkisten: dem Sender und dem Empfänger. In die Metallkisten sind Meßbuchsen eingebaut; die in lichtdichte Gehäuse eingebauten Sendedioden werden auf die Sendekiste aufgesteckt, die Empfängerdiode in der Empfängerkiste ist immer die gleiche. Zur Verfügung stehen 5 verschiedene Sendedioden (Tabelle 1), ein Adapterstück zum Verbinden zweier Lichtleiter und Lichtwellenleiter in verschiedenen Längen. Diode LED 012 LED GaAs (SFH 415-T) LED rot LED gelb LED grün

Farbe rot infrarot rot gelb grün

Wellenlänge λ[nm] 660 950 635 583 560

Tabelle 1: Leuchtdioden

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MESSUNG DER VERSCHIEDENEN SENDEDIODEN

Messung der verschiedenen Sendedioden

Bei der Messung der verschiedenen Sendedioden mußten zwei Werte (UD = f (ID ) und UA = f (ID )) aufgenommen, bzw. ein dritter (PE = f (ID )) ermittelt werden. Dabei wurde immer der gleiche Lichtwellenleiter (l = 0, 5m) verwendet, um keine Verfälschungen durch unterschiedliche Einkoppeleigenschaften zu erhalten. Die Ermittlung der Eingangsleistung sollte über die Eichdiagramme abgelesen werden. Leider war diese nicht für alle Eingangsspannungen UE gegeben. Eine Interpolation war unserer Einsicht nach auch nicht sinnvoll, denn gerade bei Halbleiterbauelementen kann nicht unbedingt davon ausgegangen werden, daß sie linear arbeiten. Außerdem ist zu vermuten, daß es vielleicht sogar gewollt war, diese nicht linearen Gebiete aus der Kennlinie herauszunehmen. Nicht auf der Eichkurve zu findende Meßwerte sind als „—” in der Tabelle 2 gekennzeichnet. Abbildung 1 zeigt die grafische Auswertung der Eingangsspannung auf der Empfängerseite in Abhängigkeit des Diodenstromes auf der Sendeseite, Abbildung 2 zeigt die entsprechende Eingangsleistung. ID (mA) 20,0 15,0 10,0 8,0 6,0 5,0 4,5 4,0 ID (mA) 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 6,0 5,0 4,5 4,0

LED 012 UD (V ) UA (V ) 2,76 3,22 2,70 2,05 2,61 0,64 2,58 0,28 2,53 0,15 2,42 0,026 2,32 0,0016 2,24 0,0007 LED rot UD (V ) UA (V ) 3,19 0,969 3,13 0,834 3,07 0,681 3,01 0,519 2,93 0,347 2,85 0,1832 2,77 0,0731 2,75 0,0522 2,73 0,0429 2,71 0,0335

PE (µW ) 43 24 — — — — — —

ID (mA) 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 6,0 5,0

GaAs UD (V ) UA (V ) 1,88 4,72 1,86 4,51 1,84 3,79 1,82 3,02 1,80 2,18 1,77 1,31 1,74 0,637 1,72 0,49 LED gelb UD (V ) UA (V ) 3,52 0,1132 3,46 0,0907 3,39 0,0698 3,32 0,0494 3,24 0,0322 3,15 0,0178 3,07 0,0085 3,04 0,0062 3,02 0,0053 3,01 0,0042

PE (µW ) ID (mA) 9,8 35,0 8,5 30,0 7 25,0 5,5 20,0 4,1 15,0 2,2 10,0 — 6,0 — 5,0 — 4,5 — 4,0 LED grün ID (mA) UD (V ) UA (V ) PE (µW ) 35,0 4,02 0,1326 2,1 30,0 3,90 0,1127 1,8 25,0 3,78 0,0906 1,4 20,0 3,65 0,0693 1,2 15,0 3,52 0,0477 0,84 10,0 3,38 0,0276 0,5 6,0 3,25 0,0142 — 5,0 3,22 0,0103 — 4,5 3,19 0,0088 — 4,0 3,16 0,0073

Tabelle 2: Meßwerte der verschiedenen Sendedioden

PE (µW ) — — 56 35 23 12 — — PE (µW ) 1,6 1,3 1,1 0,8 0,54 0,32 0,18 — — —

5

4,50

4,00

Diodenspannung (V)

3,50 LED 012 GaAs-LED LED rot LED gelb LED grün

3,00

2,50

2,00

1,50 0,0

10,0

20,0

30,0

Diodenstrom (mA)

Abbildung 1: Eingangsspannung an der Empfängerdiode

100

Eingangsleistung [µW]

10 LED 012 GaAs-LED LED rot LED gelb LED grün 1

0,1 1,0

10,0

100,0

Diodenstrom [mA]

Abbildung 2: Eingangsleistung der Empfängerdiode

6 3

3

DÄMPFUNG VON SENDEDIODEN, KUNSTSTOFFFASERN UND STECKVERBINDERN

Dämpfung von Sendedioden, Kunststofffasern und Steckverbindern

Bei diesem Teilversuch waren die Dämpfungen der Kunststofffasern und des Steckverbinders zu messen bzw. zu errechnen. Zur Verfügung standen vorbereitete Kunststoffleiter verschiedener Länge und ein Übergangsstück zum Verbinden von zwei Lichtleitern. Dabei ergaben sich die folgenden Meßwerte in Tabelle 3, wobei sich die Dämpfung der Leitung mit al = 10 · log

PE (0, 5m) [dB] PE (xm)

(1)

errechnet. LED 012 LED GaAs UA (V ) PE (µW ) a(dB) l(m) UA (V ) PE (µW ) a(dB) 2,08 24 — 0,5 0,58 — — 0,42 — — 5 0,0051 — — 0,995 — — 10 0,0008 — — 0,224 — — 20 — — — 0,1149 — — 0,0199 — — LED rot LED gelb UA (mV ) PE (µW ) a(dB) l(m) UA (mV ) PE (µW ) a(dB) 239 2,8 — 0,5 25,6 0,45 — 63,6 — — 5 8,8 0,18 4,0 142,8 1,7 2,2 10 22,5 0,4 0,5 25,9 — — 20 6,3 — — LED grün l(m) UA (mV ) PE (µW ) a(dB) 0,5 34,2 6 — 5 12,2 — — 10 33,5 5,9 0,1 20 9,4 — —

l(m) 0,5 5 10 20 0,5+5,0 (m. Stecker) 20,0+5,0 (m. Stecker) l(m) 0,5 5 10 20

Tabelle 3: Meßwerte der verschiedenen Sendedioden bei verschiedenen Lichleiterlängen

Hierbei ist deutlich zu sehen, daß die Lichtleiter in einem nicht mehr so gutem Zustand sind. Mit den Meßwerten kommt man deutlich unter den Bereich, der in den Eichkurven angegeben ist. Dies ist uns leider erst nach Durchführung des Versuches bei der Ausarbeitung aufgefallen, da wir die Eingagsleistungen erst als Nacharbeit ermittelt haben. Die Differenz zwischen der ersten und der zweiten Messung mit der Leitung l = 0, 5m ist damit zu erklären, daß wir zwei verschiedenen Leitungen dieser Länge zur Verfügung hatten und diese während des Versuches leider vertauscht haben. Der Lichtleiter mit der Länge l = 5m hat wohl eine schlechte Oberfläche, an der das Licht ein- bzw. ausgekoppelt wird. Damit läßt sich die stärkere Dämpfung als bei dem doppelt so langen Lichtleiter l = 10m erklären. Aufgrund der wenigen Meßwerte für die Dämpfung a = f (l) dieser Messung haben wir auf eine grafische Aufbereitung dieser Messung verzichtet. Da das Eingangssignal mit dem Adapterstück so gering war, konnten wir dessen Dämpfung nicht ermitteln. Diese Dämpfung setzt sich aus den Aus- und Einkoppeleigenschaften der beiden Leitungen, dem Versatz, dem Abstand und dem Winkel zwischen beiden Leitungen zusammen. Am besten für die Übertragung geeignet uns – anhand der Meßwerte der Eingangsspannung – die rote LED, die selbst über lange Leitungen noch ein verwertbares Eingangssignal bringt.

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4

Frequenzgang von Sendedioden, PE = f (f )

Dieser Teilversuch dient dazu, vier verschiedene Sendedioden (die grüne ist diesmal nicht dabei), auf ihre Frequenzübertragungseigenschaften zu testen. Jede Sendediode hat eine – für Halbleiter prinzipbedingte – Diffusionskapazität am pn-Übergang (CD ) und den differentiellen Widerstand RD . Durch alle Sendedioden fließt ein Strom von 20mA. Auf die Offset-Spannung am Ausgang braucht hier nicht geachtet zu werden, da es sich hier um eine Wechselspannungsmessung handelt. Dabei ergbit sich die Tabelle 4: f (M Hz) 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 1 2 3 4 5 6 8 10

LED 012 UA (mV ) 890 865 860 845 833 765 600 450 375 266 240 223 347

GaAs UA (mV ) 475 450 405 375 340 226 135 109 88 68 60 56 75

LED rot UA (mV ) 230 312 375 430 460 503 428 340 280 207 187 193 314

LED gelb UA (mV ) 130 143 140 131 136 136 — — — — — — —

Tabelle 4: Meßwerte der verschiedenen Sendedioden und die folgende Abbildung (3):

Spannung [mV]

1000

LED 012 GaAs LED rot LED gelb

100

10 0,1

1

10

Frequenz [MHz]

Abbildung 3: Eingangsleistung Die GaAs- und die gelbe LED haben sich als meßtechnisch problematisch herausgestellt, da sie bei niedriegen Amplituden einen hohen Anteil an Oberwellen hatten (die gelbe siehe Abbildung 4). Gut geeignet waren auch hier die beiden roten Leuchtdioden.

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5

ÜBERTRAGUNG VON TTL-SIGNALEN

Abbildung 4: Störungen bei der Übertragung mit gelber LED

5

Übertragung von TTL-Signalen

Hier war ein TTL-Rechteck-Signal über den Lichtwellenleiter zu übertragen. Das Übertragungssystem besitzt einen TTL-Eingang am Sender, an den von uns ein Rechtecksignal angelegt wurde, und ein TTL-Ausgang am Empfänger, den wir mit einem Speicheroszilloskop mit Speicherfunktion auf Diskette verbunden haben. Die Messungen wurden bei 500kHz und 1M Hz durchgeführt mit den Lichtleitern l = 5m, l = 10m und l = 20m mit den Sendedioden LED012 und LED rot. Es sollten die Gruppenlaufzeit der Lichtleitfaser pro Meter errechnet werden, außerdem näherungsweise die Materialdispersion für den Wellenlängebereich der verwendeten Sendediode. Im ersten Schritt wurde das Eingangssignal an Kanal 1 des Oszilloskopes angelegt und der Ausgang nach der Lichtwellenleiterstrecke und dem Lichtwellen-TTL-Wandler an Kanal 2. Werden nun die beiden Signale übereinander gezeichnet (Abbildungen 5 und 6), so werden dort die Laufzeitunterschiede sichtbar: bei längeren Lichtleitern braucht das Signal dementsprechend länger. Wir haben immer den Beginn der fallenden Flanke betrachtet und die Unterschiede mit Hilfe der Curser-Funktion des Oszilloskopes ausgemessen. Leider haben wir dies bei der Messung um 17 : 12 : 28 Uhr nicht gemacht (f = 1M Hz, l = 20m, LED rot), deswegen mußten wir dies nachträglich (mit Hilfe eines Lineales auf dem Papier) nachmessen; der korrekte Wert steht in der Tabelle 5. Anhand der Differenzfrequenzen konnten wir die einzelnen Laufzeiten errechnen (Spalte ∆T ). Dies haben wir mit einer linearen Regressionsgerade gemacht, dadurch konnten wir auch die Laufzeit innerhalb der Übertragerkästen ausmessen (jeweils bei der der Länge l = 0m). Aus der Differenz zwischen der (theoretischen) Laufzeit bei l = 0m und den verschiedenen Längen dividiert durch die Länge ergibt sich die Gruppenlaufzeit in s/m. Aus diesen Laufzeiten haben wir dann noch einmal den Mittelwert gebildet.

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f [M Hz] 0,5 0,5 0,5 0,5 1 1 1 1

l[m] 0 5 10 20 0 5 10 20

f [M Hz] 0,5 0,5 0,5 0,5 1 1 1 1

l[m] 0 5 10 20 0 5 10 20

LED 012 ∆f [Hz] ∆T [s] — 1,28E-06 7,58E+05 1,31E-06 7,53E+05 1,34E-06 7,06E+05 1,41E-06 — 7,76E-07 1,23E+06 8,05E-07 1,21E+06 8,35E-07 1,10E+06 9,04E-07 LED rot ∆f [Hz] ∆T [s] — 1,19E-06 7,96E+05 1,24E-06 7,91E+05 1,29E-06 7,06E+05 1,41E-06 — 7,27E-07 1,28E+06 7,69E-07 1,26E+06 8,16E-07 1,06E+06 9,29E-07

tgr [s] — 6,05E-09 6,20E-09 6,51E-09 — 5,68E-09 5,90E-09 6,38E-09 tgr [s] — 9,39E-09 9,78E-09 1,07E-08 — 8,36E-09 8,87E-09 1,01E-08

tgr [s]

6,25E-09

5,99E-09

tgr [s]

9,94E-09

9,11E-09

Tabelle 5: Laufzeiten

Daraus ergeben sie die folgenden Laufzeiten: LED LED 012 LED 012 LED rot LED rot

f [M Hz] 0,5 1 0,5 1

tgr [ns/m] 6,25 5,99 9,94 9,11

vgr [106 m/s] 159,9 167,0 100,6 109,8

% der Lichtgeschw. c 53,3 55,7 33,6 36,6

Interessant ist hier die Abhängigkeit der Wellenlänge (bzw. der Sendediode) auf die Gruppenlaufzeit, die doch schon stark abweicht. Dies liegt an der Materialdispersion, einer Eigenschaft der Lichtwellenleitung. Ein weiterer Effekt liegt in der unterschiedlichen Dämpfung des Leiters für verschiedene Wellenlängen. Der Schmitt-Trigger wird so zu unterschiedlichen Zeitpunkten geschaltet. Die Materialdispersion k errechnet sich mit der Fomel: k=

tgr (λ2 ) − tgr (λ1 ) λ2 − λ1

(2)

Daraus ergibt sich (LED 012: λ = 660nm, LED rot: λ = 635nm) bei f = 500kHz: k = 0, 148s/m2 und bei f = 1M Hz: k = 0, 125s/m2

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ÜBERTRAGUNG VON TTL-SIGNALEN

Abbildung 5: Messungen bei f = 500kHz; links LED 012, rechts LED rot; oben l = 5m, Mitte l = 10m, unten l = 20m

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Abbildung 6: Messungen bei f = 1M Hz; links LED 012, rechts LED rot; oben l = 5m, Mitte l = 10m, unten l = 20m

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A

ANHANG

Zusammenfassung

Die Durchführung des Versuches hat im Wesentlichen gut geklappt. Problematisch haben sich die Kunststofflichtleiter erwiesen, die eine wohl schon nicht mehr als ebene zu bezeichnende Oberfläche hatten. Hier würde man besser Glas- oder Quarzlichtwellenleiter benutzen, die zwar in der Anschaffung teurer sind, aber wesentlich bessere Übertragungseigenschaften haben; allerdings sind sie aber auch brüchiger und setzen eine schonendere Behandlung voraus. Bei der Übertragung von TTL-Signalen ist dies aber nicht unbedingt notwendig, denn dort zählt nur eines: Ein oder Aus, deshalb muß nur noch dieser binäre Zustand am Eingang erkannt werden. Bei Rücksprache mit einem Laboringenieur wurde dieses Problem bestätigt, man wolle für das nächste Semester etvl. auf andere Lichleiter umsteigen.

A

Anhang

Im Anhang befindet sich die Versuchsbeschreibung mit Meßprotokollen.