ZESPÓŁ LABORATORIÓW TELEMATYKI TRANSPORTU

ZAKŁAD TELEKOMUNIKACJI W TRANSPORCIE

WYDZIAŁ TRANSPORTU

POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ

LABORATORIUM

TRANSMISJI DANYCH

INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA NR 3

Pomiary interferometryczne w technice

światłowodowej

DO UŻYTKU WEWNĘTRZNEGO

WARSZAWA 2006

Ćw. nr 3 – Pomiary interferometryczne w technice światłowodowej PI

2006-03-15

1.

Cel i zakres ćwiczenia

Celem

ćwiczenia jest przypomnienie podstawowych zagadnień z zakresu optyki

geometrycznej i falowej, bez znajomości których niemożliwy jest czynny udział w

ćwiczeniach poświęconych obserwacji i eksploatacji światłowodowych systemów

teleinformatycznych. Jako narzędzie prezentacji omawianych zagadnień wybrano klasyczne

układy interferometrów Michelsona, Sagnaca i Fabry-Perota.

Zakres

ćwiczenia obejmuje identyfikację, obserwację, pomiar oraz rejestrację

podstawowych dla procesu interferencji światła wielkości i obrazów, a w szczególności:

−

budowa interferometrów,

−

prążki interferencyjne (powstawanie, obserwacja, rejestracja),

−

wpływ mocy lasera na zakres obserwowanych zjawisk.

2. Wstęp
W

technice

światłowodowej zarówno do pomiarów jak i do konstrukcji elementów

funkcjonalnych stosuje się wiele rozwiązań interferometrów. Najczęściej stosowany w

praktyce jest interferometr Michelsona, ale także stosuje się interferometry Jamina (jako

refraktometr), Fabry-Perota (jako filtr spektralny i interferencyjny). Interferometry stosuje się

zarówno w rozwiązaniach laboratoryjnych jak i miniaturowych zintegrowanych ze

światłowodem lub elementem optoelektronicznym. Urządzenia te służą jako spektroskopy,

refraktometry, filtry selektywne i wykorzystywane są w działaniu różnego rodzaju

reflektometrach.

Reflektometria optyczna jest obecnie główną techniką pomiarową dla włókien

optycznych i kabli, a także takich elementów gdzie mamy dostęp tylko do jednego końca

badanego medium transmisyjnego. Podstawowymi parametrami reflektometru jako przyrządu

pomiarowego to rozdzielczość przestrzenna pomiaru i zakres dynamiczny. Obecnie osiągane

są rozdzielczości poniżej 10µm, a zakres dynamiczny powyżej 80dB. Reflektometry o dużym

zasięgu mogą mierzyć ciągłe odcinki włókna o długości kilkuset kilometrów. Reflektometry

precyzyjne o krótszym zasięgu potrafią rozróżnić przyległe defekty odległe od siebie o

centymetry.

Charakterystycznym

rozwiązaniem budowy reflektometru jest zastosowanie

interferometru Michelsona. Rozdzielczość w takim przyrządzie jest rzędu kilku pojedynczych

mikrometrów przy dynamice optycznej przekraczającej 100dB. Mikrometrowe rozdzielczości

Laboratorium Transmisji danych

Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej

1

Ćw. nr 3 – Pomiary interferometryczne w technice światłowodowej PI

2006-03-15

reflektometrów interferometrycznych pozwalają na pomiary subtelnych zaburzeń propagacji

w elementach optoelektronicznych (np. światłowodach). Tego typu urządzenia nazywane są

optycznymi reflektometrami w dziedzinie koherencji

1

(OCDR). Występują także

reflektometry optyczne pracujące w dziedzinie częstotliwości (OFDR) i dziedzinie czasu

(OTDR). Zasadę działania takiego reflektometru wykorzystującego interferometr Michelsona

przedstawiono na rysunku rys.2a.

Dioda

elektoluminescencyjna

LED

Sprzęgacz

światłowodowy

C(λ) = const

Wyjście testowe

L1, L2 - długości światłowodu

Odbiornik

Procesor

sygnałowy

L1

Obiektyw

Zwierciadło
odniesienia

L2

Rys. 2a Schemat blokowy demodulatora FM

Laboratorium Transmisji danych

1

Ponieważ w praktyce nie istnieje źródło punktowe (nieskończenie małe) i ściśle monochromatyczne, więc

uzyskanie interferencji fal optycznych jest trudne ze względu na to, że źródło musi być koherentne czasowo i
przestrzennie. Koherencja czasowa wynika z faktu, że każde źródło emituje ciąg falowy o określonej skończonej
długości. W związku z tym w widmie ciągu falowego występuje pewien zakres częstotliwości v

0

(∆v ≈ 1/∆t) i

objawia się to tym, że światło nie jest monochromatyczne. Koherencja przestrzenna zaś związana jest ze
skończonymi wymiarami kątowymi źródła (światło pada pod kątem). Generalnie koherencja jest maksymalną
różnicą czasów, bądź dróg optycznych, przy których światło pochodzące z danego źródła ma jeszcze zdolność
do interferencji.

Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej

2

Ćw. nr 3 – Pomiary interferometryczne w technice światłowodowej PI

2006-03-15

Element

mierzony

(światłowód) jest umieszczony w jednym ramieniu interferometru

Michelsona, a ramię odniesienia posiada ruchome zwierciadło. Źródłem jest szerokopasmowa

dioda LED, której droga koherencji jest znacznie poniżej 1 milimetra. W takim przypadku

interferencja koherentna następuje jedynie, kiedy drogi optyczne pomiędzy rozproszeniem

wstecznym w testowanym ramieniu i sprzęgaczu dzielącym różnią się mniej niż wynosi droga

koherencji źródła. Poprzez przesunięcie zwierciadła odniesienia w celu zmiany opóźnienia

pomiaru wielkości sygnału interferencyjnego można bardzo dokładnie mapować artefakty

sygnału rozproszonego. Rozdzielczość jest równa długości drogi koherencji źródła ( ∆l = c∆t,

gdzie c jest prędkością światła w próżni), a zakres dynamiczny reflektometru jest ograniczony

mobilnością ruchomego zwierciadła odniesienia. Zakres dynamiczny przyrządu może

wynosić 150dB a rozdzielczość poniżej 10 µm.

2.1 Interferometr Michelsona

W roku 1881 Michelson zbudował przyrząd, umożliwiający pomiary długości fal i

pomiary zmiany długości z niespotykanymi wcześniej dokładnościami rzędu ułamka

mikrometra. Schemat tego przyrządu, nazywanego interferometrem Michelsona przedstawia

rysunek 2.1a. Ze źródła światła S wychodzi wiązka, która padając na zwierciadło

półprzepuszczalne BS, zostaje rozdzielona na dwie. Pierwsza z nich pada na zwierciadło M1,

odbija się i biegnie z powrotem do zwierciadła półprzepuszczalnego BS, pokonując w sumie

drogę równą L

1

= 2·Y. Druga część wiązki w analogiczny sposób pokonuje drogę L

2

=2·X.

Obie wiązki spotykają się ponownie na powierzchni zwierciadła półprzepuszczalnego BS i od

tej pory pokonują taką samą drogę. Jeśli przyrząd ustawimy tak by drogi optyczne obydwu

odseparowanych wiązek były sobie równe L

1

= L

2

, wówczas na ekranie można będzie

obserwować prążki interferencyjne. Prążki te mogą być prostoliniowe lub koncentryczne

dodatkowo różna może być ich gęstość. Zależne to jest od promienia krzywizny frontu

falowego wiązki wejściowej. Inaczej mówiąc, jeśli wiązka padająca jest rozbieżna to prążki

interferencyjne w ogólnym przypadku będą kołowe, jeśli wiązka będzie skolimowana

(równoległa) wtedy prążki będą prostoliniowe, przy czym ich gęstość zależeć będzie od kąta,

pod jakim obie wiązki się spotykają.

Laboratorium Transmisji danych

Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej

3

Ćw. nr 3 – Pomiary interferometryczne w technice światłowodowej PI

2006-03-15

M2

dX

BS

SC

Laser S

X

Y

M1

Rys. 2.1a Interferometr Michelsona

Lasery, w jakie wyposażony jest zestaw są w przybliżeniu źródłami skoligowanymi.

Przekrój wiązki lasera to zaledwie ok. 2x3 mm, więc nie będziemy widzieć gołym okiem na

ekranie prążków. Aby temu zaradzić należy umieścić soczewkę projekcyjną między laserem,

a płytką BS lub między płytką BS a ekranem SC. W pierwszym przypadku otrzymamy prążki

w postaci koncentrycznych promieni, w drugim zaś prostoliniowe.

Dokładność ustawienia jest zależna od używanego źródła i dla laserów nie jest tak

istotna, ze względu na ich dużą drogę koherencji. Zakładając, że na ekranie obserwujemy

stabilny rozkład prążków interferencyjnych przesuwając zwierciadło M2 o drogę dX

powodujemy zmianę różnicy dróg optycznych w tym ramieniu o wartość 2dX, ponieważ

wiązka biegnie przez nie dwukrotnie. Tym samym przesunięcie o wartość

2

λ

=

dX

spowoduje

przemieszczenie prążków interferencyjnych o jeden okres. Dzięki temu możemy mierzyć

przesunięcie zwierciadła z dokładnością, co najmniej (2.1b):

mm

m

nm

0003175

,

0

3175

,

0

2

635

2

=

=

=

µ

λ

(2.1b)

Michelson

wykorzystał swój interferometr do wykazania stałej prędkości rozchodzenia

się światła.

Laboratorium Transmisji danych

Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej

4

Ćw. nr 3 – Pomiary interferometryczne w technice światłowodowej PI

2006-03-15

2.2 Interferometr Fabry-Perota

Interferometr Fabry-Perota w najprostszej postaci składa się z rezonatora (w tym

przypadku z dwóch płaskich równolegle ustawionych zwierciadeł o współczynniku odbicia

>90%). Światło padając na pierwsze zwierciadło Z1 zostaje częściowo odbite, a częściowo

dostaje się do środka rezonatora. Wiązka w rezonatorze w części jest przepuszczana przez Z2

natomiast reszta zostaje odbita z powrotem w kierunku Z1, gdzie zachodzą analogiczne

procesy. Okazuje się, że na wyjściu takiego układu mogą pojawić się prążki interferencyjne w

postaci bardzo cienkich i jednocześnie wysoko kontrastowych prążków interferencyjnych w

postaci koncentrycznych pierścieni. Wzmocnienie, jakiego doznają fale wychodzące w

stosunku do tych, które propagują się w rezonatorze zależy od współczynnika odbicia

zwierciadeł i wyraża się wzorem (2.2a):

R

R

w

−

=

1

2

(2.2a)

gdzie w-oznacza wzmocnienie, a R to współczynnik odbicia zwierciadeł. Dla R=90%,

otrzymujemy w = 18,9, a dla zwierciadła R = 98% w =9 9. Schemat interferometru

przedstawiony jest na rysunku 2.2b.

SC

dX

Z1

Z2

Laser S

Rys. 2.2b Interferometr Fabry-Perota

Jest to tzw. rezonator konfokalny składający się z dwóch zwierciadeł o tak dobranych

promieniach krzywizny by ich środki leżały na powierzchni zwierciadła przeciwnego.

Korzyścią takiej konstrukcji jest znacznie mniejsza wrażliwość na niedokładności ustawienia

równoległości zwierciadeł płaskich. Jeśli długość rezonatora ustawimy tak by spełniała

warunek (2.2c):

2

λ

m

d

=

(2.2c)

gdzie m jest liczbą całkowitą a d-odległość między zwierciadłami Z1 i Z2, wtedy przez

Laboratorium Transmisji danych

Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej

5

Ćw. nr 3 – Pomiary interferometryczne w technice światłowodowej PI

2006-03-15

rezonator przejdzie 100% energii wiązki wejściowej! Dla długości rezonatora niespełniającej

tego warunku zostanie przepuszczona tylko część energii. Jeśli będą to zwierciadła o

współczynniku odbicia 99% na wyjściu pojawi się tylko 1%*1% czyli 0,0001 mocy wiązki

wejściowej. Ponieważ wiązka wewnątrz rezonatora przebywa drogę d tysiące razy, wystarczy

jego nieznaczne rozjustowanie, by zaczął przepuszczać lub nie określoną długość fali. Cechę

tą wykorzystuje się właśnie do konstruowania selektywnych filtrów interferencyjnych do

rozdzielania sygnałów.

2.3 Interferometr Sagnaca

Kolejnym

przykładem jest interferometr Sagnaca (rys.2.3a), który budowany jest na

bazie trójkąta i oprócz źródła S składa się z dwóch zwierciadeł M1 i M2, oraz płytki

światłodzielącej BS. Cechą charakterystyczną tego układu jest to, że wiązka światła

rozdzielona na wejściowym zwierciadle półprzepuszczalnym BS pokonuje tą samą drogę

tylko w przeciwnych kierunkach. Jest to typ interferometru wspólnej drogi i ponieważ różnica

dróg optycznych poszczególnych promieni wynosi 0, układ ten można wyjustować bez

większych problemów tak by możliwa była obserwacja prążków interferencyjnych nawet

przy zastosowaniu źródła światła białego (dioda LED), gdzie droga koherencji światła jest

bardzo krótka.

BS

SC

Laser S

Y

X

M1

M2

Z

O

Rys. 2.3a Interferometr Sagnaca

Laboratorium Transmisji danych

Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej

6