Лабораторная работа №5. «Исследование процессов аналоговой модуляции лазерного диода».

     Цель работы:

    -исследование процесса модуляции интенсивности лазерного диода и влияния на форму оптического сигнала положения рабочей точки на ватт-амперной характеристике;

    -исследование зависимости коэффициента модуляции интенсивности лазерного диода от положения рабочей точки на ватт-амперной характеристике.

 

 

Порядок выполнения работы.

     При выполнении работы используются следующие элементы установки:

    -электронный блок «Источник оптического сигнала» -ИОС;

    -оптический тестер с блоком питания от сети 220v/50Hz - ОТ;

    -электронный блок «Фотоприемник» -ФП;

    -соединительный одномодовый волоконный шнур FC/UPS-SM-3m- FC/UPS длиной 3 метра –ВШ.

    Внимание! Перед каждым использованием в измерениях волоконных шнуров необходимо снять защитные колпачки с их торцов. После окончания работы с волоконным шнуром обязательно установить на его торцы снятые защитные колпачки.

    Перед каждым использованием в измерениях оптического тестера необходимо отвернуть защитный колпачок с торца его коннектора и немедленно соединить его с коннектором волоконного шнура. После окончания измерения обязательно установить защитный колпачок на прежнее место.

    Перед каждым соединением волоконного шнура с оптическими розетками необходимо снять защитный колпачок с торца коннектора и немедленно соединить его с коннектором волоконного шнура. После окончания измерения обязательно установить защитный колпачок на прежнее место.

    1.Установите органы управления электронного блока ИОС в исходное положение:

              -ручки всех пяти потенциометров – в крайнее положение против часовой стрелки;

              -включить тумблер «сеть». При этом загорается его подсветка;

              -кнопочные переключатели «вкл.ОС», «дисперсия», «шум» – отжаты. При этом контрольные светододы над соответствующими кнопками не горят;

              -нажать кнопку «модуляция» на лицевой панели электронного блока ИОС. Над кнопкой загорается контрольный светодиод, гаснет цифровое табло «I₁» на лицевой панели ИОС в окне «Ток лазерного диода, мА»;

              -с помощью кнопочного переключателя «выбор источника» в окне «оптический выход» включить по указанию преподавателя один из лазеров, излучающих на длине волны 1,3 или 1,5 мкм. При этом над соответствующей оптической розеткой загорается контрольный светодиод.

    Данное положение органов управления электронного блока обеспечивает непрерывное немодулированное оптическое излучение на выбранном оптическом выходе. Его мощность регулируется потенциометром, ручка которого выведена в окне «Модуляция».

    2.С помощью одномодового оптического шнура (желтый цвет защитной оболочки) с коннекторами типа FC соедините оптический выход электронного блока ИОС с оптическим входом 2 электронного блока ФП.

    3.Установите органы управления электронного блока ФПв исходное положение:

              -включите тумблер «сеть». При этом загорается его подсветка;

              -с помощью кнопочного переключателя «выбор ФД» в окне «оптический вход» включить второй фотодиод. При этом над его оптической розеткой 2 загорается контрольный светодиод. Цифровые табло «Оптическая мощность, отн.ед.» и «Напряжение смещения, В» при этом включаются. Цифровое табло «Фототок» - выключено;

              -ручку потенциометра «Напряжение смещения, В» установить в крайнее против часовой стрелки положение, что соответствует минимальной величине напряжения смещения;

              -проверить, что режим калибровки фотоприемника выключен – контрольный светодиод над кнопкой «Уст. нуля» в правой части лицевой панели не горит. В противном случае нажать на кнопку «Уст. нуля» и добится выключения контрольного светодиода;

              -с помощью кнопочного переключателя «Множитель» в правой части лицевой панели выбрать удобный предел измерений по цифровым индикаторам «Оптическая мощность, отн.ед» - «Среднее» и «Амплитуда». При этом загорается соответствующий контрольный светодиод.

    4.С помощью коаксиальных кабелей, входящих в состав лабораторного макета выполните следующие соединения:

              -гнездо «синхр.» на лицевой панели электронного блока ИОС соедините со входом канала синхронизации осциллографа;

              -гнездо «кт 1» на лицевой панели электронного блока ИОС соедините со входом первого канала осциллографа;

              -гнездо «выход усилителя» на лицевой панели электронного блока ФП соедините со входом второго канала осциллографа.

    5.Включите питание осциллографа. Установите переключатели входов обоих каналов в положение (=) – открытый вход для обеспечения наблюдения сигналов с постоянной составляющей. После прогрева на  экране осциллографа появляются две горизонтальных линии развертки, соответствующие двум его каналам. При необходимости откорректируйте изображение линий с помощью изменения яркости, фокусировки и центровки изображения по вертикали и горизонтали.

    6.Используя результаты, полученные в ходе выполнения лабораторной работы №1 по ватт-амперной характеристике лазерного диода (зависимости оптической мощности Р_аб от тока накачки I_н – рис.Л5.1) выбрать значение тока накачки I₀ и установить его с помощью потенциометра «I₀» на лицевой панели блока «Источник оптического сигнала». Контроль  I₀,  осуществляется по цифровому индикатору «I₀» в окне «Ток лазерного диода, мА».

 

                                                   Рис.Л4.1

 

    7.Плавно увеличивать амплитуду модулирующего сигнала с помощью вращения по часовой стрелке ручки потенциометра в окне «Модуляция» на лицевой панели электронного блока ИОС. При этом ток накачки лазерного диода и излучаемая им оптическая мощность модулированы синусоидальным сигналом. Используя органы управления разверткой осциллографа (период развертки, усиление, центровка изображения по горизонтали и вертикали), получить устойчивое изображение сигнала модуляции на первом канале осциллографа.

    8. Используя органы управления разверткой осциллографа (усиление, центровка изображения по горизонтали и вертикали) и подбирая значение множителя, определяющего чувствительность усилителя фототока, с помощью кнопочного переключателя в правой части лицевой панели ФП, получить устойчивое изображение сигнала с выхода фотоприемника на втором канале осциллографа.

    9.С помощью потенциометра в окне «Модуляция» на лицевой панели электронного блока ИОС, установить максимально возможную амплитуду модулирующего сигнала, при которой не возникает искажений на приемном конце оптическй линии. Контроль принимаемого сигнала осуществляется на втором канале осциллографа. При необходимости менять положение переключателя «В/дел» второго канала. Примерный вид осциллограммы показан на рис. Л4.2.

    10.Произвести калибровку фотоприемника на выбранном пределе измерений фототока:

              -перейти в режим калибровки фотоприемника. Для этого нажать на кнопку «Уст. нуля» в правой части лицевой панели электронного блока ФП и добится включения контрольного светодиода над ней;

              -с помощью потенциометра «>0<» добиться нулевых показаний на цифровом индикаторе «Среднее» в окне «Оптическая мощность отн. ед.»,

              -повторно нажать на кнопку «Уст. нуля» и добится выключения контрольного светодиода. Прибор при этом переходит в режим измерения фототока.

 

        

    11.Для удобства дальнейших измерений с помощью регулировки вертикального положения сигнала 1 канала (↨) переместить его за пределы экрана. На экране наблюдается сигнал 2 канала, поступающий с выхода электронного блока «Фотоприемник».

    12.Установить на экране осциллографа нулевую отсчетную линию, соответствующую нулевому току фотодиода. Для этого выполнить следующие операции:

              -установить ручку потенциометра «I₁» регулировки тока на лицевой панели электронного блока ИОС в крайнее положение против часовой стрелки. При этом амплитуда модулирующего сигнала равна нулю – модуляция отсутствует;

              -нажать кнопку «Уст. нуля» в правой части на лицевой панели электронного блока ФП. Над кнопкой загорается контрольный светодиод, свидетельствующий о переходе в режим калибровки усилителя фототока. При этом вход усилителя фототока соединяется с землей, что соответствует нулевому значению тока фотодиода;

              -на экране осциллографа наблюдается прямая линия. С помощью регулировки вертикального положения сигнала второго канала осциллографа (↨) переместить ее в положение, совпадающее с нижней линией градуировочной сетки, нанесенной на экране осциллографа (сплошная линия на рис.Л4.3);

              - нажать кнопку «Уст. нуля» в правой части на лицевой панели электронного блока ФП. Над кнопкой гаснет контрольный светодиод, что свидетельствует о переходе усилителя фототока в режим усиления. При этом линия, соответствующая сигналу на втором канале осциллографа переместиться вверх (рис.Л4.3). В данном случае положение отсчетной линии определяется значением тока накачки I₀ и, соответственно,уровнем Р₀ оптической мощности лазера (рис.Л4.1).)

    13.Плавно увеличить значение I₁ с помощью вращения по часовой стрелке ручки потенциометра «I₁» на лицевой панели электронного блока ИОС до получения максимальной амплитуды сигнала. Контроль производится по экрану осциллографа.

    14. 14.По наблюдаемой на экране осциллограмме произвести отсчет величин Р₀ и Р₁ (рис.Л4.4. рисЛ4.1), которые соответствуют минимальному и максимальному уровням фиксируемого фотодиодом сигнала. Данные измерений занести в таблицу 1. Следует отметить, что если при измерении значений Р₀ и Р₁ проложение переключателя «В/дел» второго канала не меняется, отсчет этих величин для дальнейших расчетов следует производить в единицах длины –мм.

    15.Повторить измерения для всех значений I₀, указанных преподавателем.

 

 

                       Таблица 1. Зависимость коэффициента модуляции от тока I ₀. U _см =  .

I0 (мА)
Рmin (мм)
Рmах (мм)
m

        

 

    16.По экспериментальным данным таблицы 1 вычислить значение коэффициента модуляции по формуле:

              m = (Р₁ – Р₀) / (Р₁ + Р₀).

    17.По данным таблицы 1 построить зависимость коэффициента модуляции m от тока I₀.

    18.Исследовать зависимость глубины модуляции лазерного излучения импульсным сигналом от напряжения смещения на фотодиоде U_cм. Для этого повторить измерения коэффициента модуляции для других значений напряжения смещения. Изменять U_cм с шагом, указанным преподавателем. Изменение и контроль величины U_cм проводится с помощью потенциометра и цифрового индикатора на лицевой панели электронного блока ФП.

    19.По экспериментальным данным построить зависимость коэффициента модуляции m от напряжения смещения на фотодиоде U_cм для различных токов I₀ (значения I₀ указываются преподавателем).

    20.Установить значение величин I₀ и I₁ заданных преподавателем.  С помощью регулировки вертикального положения сигнала 1 канала (↨) вывести сигнал модуляции на экран. Органы регулировки положения сигнала на втором канале должны при этом оставаться в исходном положении, чтобы не изменилось положение нулевого отсчетного уровня. Зарисуйте осциллограммы модулирующего сигнала, наблюдаемого по первому каналу, и принимаемого фотоприемником сигнала наблюдаемого по второму каналу. На осциллограмме отметить положение нулевого уровня.

    Таблица 5. Зависимость коэффициента модуляции от тока I ₀.

I0 (мА)
Рmin (мм)
Рmах (мм)
M

        

    12.По экспериментальным данным таблицы 5 вычислить значение коэффициента модуляции по формуле:

 

              m = (Р_mах - Р_min) / (Р_mах + Р_min).

По данным таблицы 4 построить зависимость коэффициента модуляции m от тока I₀.