Eksperymentalne łącze na światłowodach plastikowych

Założenia projektowe:

• maksymalna długość łącza
• maksymalna częstotliwość pracy

Parametry światłowodu (polymetylometakrylat – PMMA):

• apertura numeryczna NA = 0,47
• kąt akceptacji 56°
• powłoka zabezpieczająca z PCV lub PE
• średnica światłowodu 2,2 mm
• typowa tłumienność 0,3 dB/m (dla λ = 660 nm)
• współczynnik załamania rdzenia n = 1,492
• współczynnik załamania płaszcza n = 1,417

Dobór elementów toru:

1. Dobór nadajnika

Głównym kryterium doboru nadajnika była długość fali na jakiej pracuje. Ponieważ naszym źródłem była dioda LED, więc wybieraliśmy taki nadajnik, dla którego maksimum mocy promieniowania przypadało na długość fali, dla której światłowód wykazywał minimalną tłumienność. Światłowód miał minimum tłumienności dla λ = 660 nm, więc wybraliśmy nadajnik pracujący na tej długości fali. Kolejnym kryterium wyboru nadajnika była jego szybkość pracy. Im mniejszy jest jest czas narastania i opadania sygnału na wyjściu nadajnika, z tym większa częstotliwością możemy generować impulsy a co za tym idzie zwiększamy częstotliwość pracy całego łącza. Ze względu na wymienione powyżej kryteria wybraliśmy nadajnik SFH 756 firmy Siemens.

Parametry:

• λ = 660 nm
• Δλ = 25 nm
• czas narastania tr = 100 ns
• czas opadania tf = 100 ns
• napięcie w stanie przewodzenia 2,1 V (<2,8 V)
• moc optyczna 200 µW

2. Dobór odbiornika

Ponieważ długość fali została określona wcześniej musieliśmy wybrać odbiornik pracujący na długości fali λ = 660 nm. Głównym kryterium wyboru odbiornika była jego szybkość pracy czyli czasy narastania i opadania sygnału. Aby detektor prawidłowo odbierał sygnał jego szybkość pracy musi być większa niż szybkość pracy nadajnika. Wybraliśmy odbiornik SFH 250 firmy Siemens.

Parametry:

• czułość 80% dla λ = 660 nm
• czas narastania t_r = 10 ns
• czas opadania t_f = 10 ns
• prąd oświetlonego detektora I_ph = 3 µA

Po wyborze elementów łącza połączyliśmy je aby sprawdzić jego parametry. Nadajnik podłączyliśmy bezpośrednio do generatora, natomiast do detektora przylutowaliśmy równolegle rezystor 50 Ω i na nim mierzyliśmy spadek napięcia. Wyniki odczytywaliśmy na oscyloskopie dla 2 łącz o długości odpowiednio 15 i 100 m.

3. Pomiary

gdzie V_p - amplituda sygnału

Wnioski:

Na wynikach pomiarów widać, że łącze działa dla obydwu długości zamontowanego światłowodu, jednak dla długości l = 100 m pomiary były utrudnione. Dla 15-to metrowego włókna sygnał na oscyloskopie był wyraźny i stopa błędu BER takiego łącza byłaby bardzo mała. Dla łącza o długości 100 m sygnał obserwowany na oscyloskopie był bardzo zaszumiony, stąd jego odczyt jest obarczony sporym błędem. Czas narastania w tym przypadku jest równy czasowi narastania nadajnika co intuicyjnie wydaje się błędem, gdyż każde włókno wprowadza dyspersję co wpływa na poszerzenie sygnału. W celu zmniejszenia czasów opadania i narostu a tym samym zwiększeniu maksymalnej częstotliwości pracy na wyjściu odbiornika stosuje się przerzutnik Schmidta, który przełącza się znacznie szybciej niż sam detektor.