Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
МОСКОВСИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ
Кафедра «компьютерные технологии в оптоэлектронике»
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВОЛОКОННОЙ ОПТИКИ
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
ОПТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ И МЕТОДЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ
Специальность 200204
Оптические материалы и технологии
МОСКВА
2006
Аннотация…………………………………………………………………….. 3
Работа 1 Измерение числовой апертуры волоконных световодов и жгутов…………………………………………………………………………. 4
Работа 2 Измерение разрешающей способности волоконных жгутов…...17
Работа 3 Измерение коэффициента затухания многомодовых волоконных световодов…………………………………………………………………….26
Приложение…………………………………………………………………..41
Список рекомендуемой литературы………………………………………..42
АННОТАЦИЯ
Лабораторный практикум «Оптические параметры волоконных световодов и методы их измерения» предназначен для студентов 4 курса специальности 19.11 «Оптические материалы и технологии» при изучении дисциплины «Физические основы волоконной оптики».
Настоящее пособие предусматривает изучение основных теоретических вопросов, связанных с физикой волоконной оптики для их практического использования для передачи света и изображения по волоконным световодам.
В процессе выполнения лабораторных работ студенты знакомятся с методами и методиками контроля основных оптических параметров волоконных световодов и жгутов и приобретают практические навыки в их измерении.
Для проверки знаний к лабораторному практикуму разработаны тестирующие программы “ListTest” и «Тест – Волокно».
В подготовке лабораторного практикума участвовали студенты – дипломники кафедры «Компьютерные технологии в оптоэлектронике» МГАПИ Леонов К.С., Галютина Т.А., Чистяков А.В.
Автор учебно – методического пособия: доцент кафедры ПР – 6 МГАПИ, к.т.н. Гриднева Г.Н.
РАБОТА 1
ИЗМЕРЕНИЕ ЧИСЛОВОЙ АПЕРТУРЫ ВОЛОКОННЫХ ЖГУТОВ
Цель работы: изучение методов измерения числовой апертуры волоконных световодов и жгутов.
1.1. Основные положения
1.1.1. Структура оптических волокон
Оптическое волокно состоит из сердцевины, по которой распространяется свет, и оболочки. Последняя, в свою очередь, заключена в оплетку, которая защищает поверхность волокна, повышает его прочность и тем самым упрощает эксплуатацию (рис. 1.1).
Рис. 1.1 Типовая структура оптического волокна и распространение света в нем
Коэффициент преломления n1 сердцевины лишь незначительно превышает коэффициент преломления n2 оболочки, поэтому свет, введенный в сердцевину с торца волокна, полностью отражается от границы сердцевина-оболочка, как бы запирается в сердцевине и распространяется только в ней
Для полного внутреннего отражения света, входящего в волокно под углом , необходимо, чтобы выполнялось условие:
(1.1)
Поскольку разница между коэффициентами преломления в сердцевине и оболочке лежит в пределах 0,01, то величину max можно представить следующим образом:
(1.2)
Это максимальный возможный угол, под которым свет может проходить в оптическое волокно, т.е. приниматься им.
Называется такой угол числовой апертурой и обозначается NА.
При рассмотрении оптических волокон вместо разности n1 и n2 чаще всего используется величина, называемая относительной разностью коэффициентов преломления:
(1.3)
Если воспользоваться значением , то зависимость между NА и может быть представлена следующим образом:
(1.4)
Относительная разность коэффициентов преломления обычно выражается в процентах. Тогда, например, при n1 = 1,47 и =1% значение NА = 0,21 и max= 12°.
1.1.2. Представление о модах
Оптические лучи внутри волокна распространяются, многократно испытывая полное отражение. Но распространение этих лучей возможно лишь в том случае, когда они проходят под определенными углами. Подобное распространение луча характеризуется модой, которая определяется типом распределения электромагнитного поля.
Чтобы лучше разобраться в понятии "мода", следует обратить внимание на ее взаимосвязь с оптическими лучами и рассмотреть распространение оптических лучей в пластинчатом волноводе (рис. 1.2).
Рис. 1.2 Соответствие между световым лучом и модой
Распространяющаяся световая волна является горизонтально поляризованной и имеет относительно оси волновода, наклон .
Отсюда волновой фронт (поверхность одинаковых фаз) перпендикулярен направлению света.
На рис. 1.2 сплошной линией обозначена фазовая поверхность с положительным электрическим полем, а штриховой линией - с отрицательным полем. Если считать, что горизонтально поляризованная волна в вакууме имеет длину , то в сердцевине с коэффициентом преломления n1 длина волны уменьшается до /n1, а постоянная распространения волны kn1 (k = 2 / ) , наоборот, увеличивается, причем постоянная распространения вдоль оси:
(1.5)
Перед тем как приступить к рассмотрению понятия моды, необходимо разобраться в явлении интерференции, которое связано с фазовым сдвигом света в результате полного отражения. Если полное отражение света, падающего в т. А (рис. 1.2), рассматривать более подробно в соответствии с теорией электромагнитных волн, то выясняется, что незначительная часть энергии этого света все-таки проникает в оболочку. Поэтому свет распространяется уже от т. В, чуть сдвинутой относительно т. А вдоль горизонтальной оси. При этом фаза отраженной волны также изменяется на некоторую величину , зависимую от угла падения светового луча. Подобный сдвиг отраженной волны и изменение ее фазы называется сдвигом Гооса - Генхена.
На рис. 1.2 несколько упрощенно показаны условия распространения основной моды. В центральной части сердцевины интенсивность электрического поля увеличивается и достигает максимума вследствие сложения положительных или отрицательных фазовых фронтов световых лучей. И, наоборот, вблизи границы сердцевина-оболочка положительный и отрицательный фазовые фронты взаимно компенсируются, и электрическое поле стремится к нулю. При таких условиях распределение электрического поля света вдоль вертикальной оси представляет собой стоячую волну. Это распределение многократно повторяется вдоль горизонтальной оси с периодом р = 2/.
Вышеизложенная форма распространения и называется модой.
Для возникновения стоячей волны необходимо, чтобы при зеркальном отражении светового луча вверх и вниз сумма изменений фазы по вертикали в ходе продвижения волны за период отражения и вследствие сдвига Гооса-Генхена была бы кратной 2. Таким образом, для формирования моды угол распространения светового луча не может быть произвольным, и только световые лучи, имеющие тот или иной угол, удовлетворяющий вышеуказанным условиям, могут распространяться.
При описании характеристик оптических волокон одним из важных параметров является нормированная частота. По её значению судят о том, насколько много мод может распространяться в оптическом волокне.
Нормированная частота обозначается и вычисляется по формуле:
(1.6)
Для оптических волокон, рассмотренных ниже, со ступенчатым изменением коэффициента преломления значение = с = 2,405 является граничным (с - нормированная частота среза), т.е. если действительное значение волокна хотя бы немного меньше, распространяется одна мода, а если больше - распространяется множество мод.
Величина определяет условие существования в оптическом волокне одной моды, или условие границы среза мод более высоких порядков, поэтому и называется нормированной частотой среза.
Величина
(1.7)
называется длиной волны среза; оптические волокна в области с длиной волны, большей Ас, работают в одномодовом режиме.
1.1.3. Многомодовые и одномодовые оптические волокна.
Конструктивно эти типы волокон различаются только диаметром сердцевины. Многомодовые волокна имеют больший диаметр сердцевины, что облегчает их соединение друг с другом (рис. 1.3).
1.3а. Ступенчатое многомодовое
1.3б. Градиентное многомодовое
1.3в. Одномодовое
По характеру распределения коэффициента преломления внутри сердечника многомодовые оптические волокна делятся на волокна со ступенчатым распределением и плавным (градиентным). Оба типа волокна имеют обычно диаметр сердцевины не менее 50 мкм. Для многомодовых волокон кварц-кварц толщина оболочки чаше всего составляет 0,1 - 0,15 dc.
В градиентном оптическом волокне свет распространяется благодаря тому, что коэффициент преломления сердцевины понижается к его периферии по квадратичному закону. Место, где луч меняет свою траекторию при отражении, удаляется от оси сердечника по мере увеличения угла распространения.
Одномодовые оптические волокна имеют диаметр сердечника не более 10 мкм, а относительную разность коэффициентов преломления примерно 0,3%. Эти волокна проектируются так, чтобы их нормированная частота была меньше 2,4. В отличие от многомодовых, одномодовые волокна чрезвычайно широкополосны (в несколько десятков или сотен раз более, чем градиентные волокна). Одномодовые оптические волокна применяются преимущественно в линиях связи, требующих высокой скорости передачи информации.
1.1.4. Потери в волокне
Причины потерь в кварцевых оптических волокнах можно классифицировать следующим образом:
Факторы потерь
Внутренние (собственные) Внешние
Физические Химические Конструктивные, Стыковка Изгиб
технологические
Физические потери связаны с инфракрасным поглощением, обусловленным наличием соединений Si – O , а также с ультрафиолетовым поглощением, обусловленным электронными переходами. Физические потери возникают и из-за рэлеевского рассеяния, связанного с флуктуациями коэффициента преломления.
К химическим потерям относится поглощение, обусловленное колебаниями молекул воды (радикал ОН) и поглощение, связанное с ионами переходных металлов.
К конструктивным и технологическим потерям относятся отклонения конструктивных параметров (например, диаметра сердцевины), коэффициента преломления, связанные с неточностью изготовления.
Потери от изгиба волокна возникают вследствие взаимного преобразования мод распространения и мод излучения, т.е. мод для которых не выполняются условия полного внутреннего отражения.
Если к оптическому волокну прикладывать давление или вызывать колебания волокна, то внутри него возникают деформации и, как следствие, изменение показателя преломления. Это приводит к изменению числовой апертуры волокна, а значит, и числа мод распространения.
Поскольку общее количество световой энергии, передаваемое по оптическому волокну, пропорционально числу мод, то для правильного измерения числовой апертуры многомодового световода крайне важно возбудить все моды. Поэтому при работе с многомодовыми волокнами для ввода излучения используется источник белого света. Для одномодовых же волокон можно использовать источник с длиной волны, определяющей распространение конкретной моды.
1.2. Измерение числовой апертуры световодов
Установка, используемая для измерения числовой апертуры световодов, состоит из следующих элементов (рис. 1.2):
Рис. 1.4 Установка для измерения числовой апертуры световода
При работе с многомодовыми световодами в качестве источника излучения используется лампа белого света, а для одномодовых световодов - лазерный источник.
Для более точного ввода излучения от источника в световод между источником и волокном устанавливается микрообьектив, обеспечивающий равномерную засветку торца световода.
Принцип измерения состоит в том, что если на конечном расстоянии от торца световода установить экран, то на нем можно будет наблюдать световое пятно, диаметр которого измеряется с помощью микроскопа. Зная диаметр сердцевины световода, можем вычислить расходимость пучка на выходе (рисунок 1.5).
Рис 1.5 Схема расчета угла расходимости светового пучка
dc - диаметр сердцевины;
dп - диаметр пятна, наблюдаемого на экране;
х - расстояние от торца световода до экрана;
- угол расходимости светового пучка
Угол расходимости светового пучка определим по формуле:
(1.8)
Числовая апертура световода в таком случае определяется следующим образом:
(1.9)
Возможны три различных способа измерения числовой апертуры многомодовых световодов.
1. Пятно наблюдается на полупрозрачном экране, а расстояние х от торца до экрана измеряется с помощью миллиметровой бумаги. Результаты измерения этим методом нельзя считать корректными из-за нечеткости границы светового пятна на экране и, следовательно, большой погрешности измерения диаметра пятна (рис. 1.6).
Рис. 1.6 Вид границы светового пятна при измерении на полупрозрачном экране
Кроме того, с помощью миллиметровой бумаги расстояние х невозможно измерить с высокой точностью, что также отрицательно сказывается на результате измерений.
2. Полупрозрачный экран заменен на прозрачный, а расстояние х измеряется по шкале микроскопа при последовательном наведении на плоскость экрана и плоскость торца световода; при этом снимается отсчет по шкале микроскопа в двух его положениях, а затем по разности отсчетов определяется расстояние х. Этот метод более корректен, так как пятно в этом случае имеет четкую границу, а расстояние от торца до экрана измеряется более точно, чем в предыдущем случае. Но необходимость наведения микроскопа на две плоскости делает этот метод не очень удобным для исследователя.
3. Учитывая недостатки ранее рассмотренных способов, был разработан метод, позволяющий их устранить. При этом пятно наблюдается на прозрачном экране, на заднюю поверхность которого наведен микроскоп. Выходной торец исследуемого световода закреплен на трехкоординатном столике, т. е. он имеет возможность перемещения, что используется при измерении числовой апертуры. Данный метод удобен тем, что позволяет постоянно наблюдать за размером светового пятна на экране, т. е. дает возможность измерять его величину на любом расстоянии х между экраном и торцем.
Недостатком метода является то, что он контактный, поэтому при работе с полированными торцами следует соблюдать осторожность, чтобы не повредить их.
1.3. Измерение числовой апертуры осветительных жгутов
Так как используемые в работе осветительные жгуты являются одномодовыми и имеют большой диаметр, то установка для измерения их числовой апертуры имеет следующий вид:
Рис. 1.7 Схема установки для измерения числовой апертуры
осветительных жгутов
В данной схеме входной торец жгута имеет возможность перемещения относительно микрообъектива, выходной же торец устанавливается в фиксирующее устройство и в процессе измерения остается неподвижным.
1.4. Порядок выполнения работы
Измерение числовой апертуры световодов осуществляется в следующей последовательности:
Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 1.1
|
№ п/п |
Наименование образца |
dc, мм |
dn, мм |
x,мм |
NA |
1.5. Содержание отчета
Отчет должен содержать:
1.6. Контрольные вопросы
РАБОТА 2
ИЗМЕРЕНИЕ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ВОЛОКОННЫХ ЖГУТОВ
Цель работы: изучение и освоение на практике методики определения разрешающей способности волоконного световода.
2.1. Теоретические сведения
Основными оптическими характеристиками волоконной детали с параллельной укладкой световодов являются разрешающая способность и зависящий от нее объем передаваемой информации, функция передачи контраста, межэлементная неравномерность оптических параметров, возникающая из – за сотовой структуры любой волоконной детали, и дефектность, выражающаяся в локальной частичной или полной потере светопропускания (отдельных жил или ее группы). Дефектность волоконных деталей зависит от технологии их изготовления и может быть полностью устранена.
Образование изображений волоконными жгутами происходит путем переноса малых участков картины объекта с помощью волоконных элементов. Качество изображения, оцениваемое разрешающей способностью, зависит от диаметра волокон, расстояния между ними и способа их укладки.
Волокна в жгуте могут быть уложены так, что их центры образуют квадраты (квадратная укладка), или так, что центры волокон лежат в вершинах равносторонних треугольников (гексагональная укладка). Последний тип укладки рационален как по устойчивости волокон в жгуте, так и вследствие минимальных потерь элементов изображения. Площадь нерабочего пространства между волокнами при квадратной укладке составляет 21,5%, а при гексагональной – 9% от сечения жгута.
Рис. 2.1 Элементарный интервал для двух укладок волокон в пучке:
а – квадратная; б – горизонтальная гексагональная
Излучение, падающее на торец любого элементарного волокна, независимо от распределения освещенности по площади торца, равномерно распределяется по выходному торцу световедущей жилы вследствие действия эффекта симметризации пучка лучей по сечению волокна. Поэтому при условии совершенства укладки и оптической изоляции волокон размер элемента изображения, различимого через сноп волокон в общем случае составляет двойной диаметр D волокна, т.е. разрешающая способность жгута, выраженная числом линий на миллиметр равна 0,5D-1.
При условии, что функция освещенности Ех не содержит пространственных частот, больших линий на 1мм, то она полностью определяется значениями Е через (2)-1миллиметров. А так как каждое элементарное волокно соответствует элементу изображения, то период пространственной решетки, образованный единичным слоем волокон, равен диаметру D волокна. В зависимости от вида укладки максимальная пространственная частота для квадратной укладки к = 0,5D-1, г = 0,57D-1 для гексагональной укладки. Объем информации N, передаваемый жгутом, определяется числом элементарных световедущих жил на площади S. При квадратной укладке Nk = 0,25D-2S, при гексагональной Nг = 0,33D-2S, т.е. в последнем случае в 1,32 раза больше.
Изображение, передаваемое по жгуту, состоит из множества элементов различной яркости, соответствующих выходным торцам единичных волокон. Если изображение выходного торца рассматривается с таким увеличением, при котором различимы выходные торцы единичных волокон, то картина получается мозаичной. При неподвижной волоконной детали на пороге разрешения контраст штрихов миры достаточно высок (30 – 60%), но мозаичность изображения – зазубренность прямых линий, разрывность изображения, постоянство яркости в каждой ячейке темной сетки прослоек, наложенных на изображение, - не позволяет использовать всей потенциально заложенной в волоконной детали разрешающей способности.
Все эти помехи мозаичности структуры изображения, переданного неподвижной волоконной деталью, можно рассматривать как наложение на ее потенциальную высокую разрешающую способность некоторого фильтра пространственных частот. Разрешающую способность ф такого фильтра можно найти из формулы разрешающей способности системы с из нескольких последовательно расположенных фильтров пространственных частот:
(2.1)
где с и - частота, разрешаемая системой фильтров, входящих в систему.
k – количество фильтров, входящих в систему.
Приняв с = (0,50 0,57)D-1, для гексагональной укладки
ф = [1-0,22 (Dc/D)2]-0,5с, (2.2)
где Dс – диаметр жгута.
Введение разрешающей способности мозаичности изображения позволило понять причину неожиданно малой потери разрешающей способности при стыковке волоконных жгутов и пластин.
Метод измерения разрешающей способности волоконных деталей заключается в рассмотрении с помощью микроскопа изображения штриховой миры, переданного неподвижной волоконной деталью. Штриховая мира представляет собой группу семейств разноразмещенных штрихов; штрихи четырех семейств ориентированы друг по отношению к другу под углом 45; в пределах одного семейства штрихи параллельны и одинаковы по ширине; таких групп семейств обычно бывает 16 и 25; ширина штрихов от группы к группе растет в геометрической прогрессии; (см. рис. 2.2)), переданного неподвижной волоконной деталью. При измерении мира должна находиться в контакте с входной торцевой поверхностью детали.
Рис. 2.2 Штриховая мира
Для улавливания всего света на выходе детали изображение рассматривается с помощью микрообъектива с большой числовой апертурой.
Изменение длин волн освещающего излучения внутри видимой области спектра не приводит к существенному изменению визуального предела разрешения. Условия освещения, длину волны освещающего миру излучения и увеличение микрообъектива микроскопа подбирают оптимальным для визуального восприятия изображения. Обычно оптимальное увеличение микроскопа составляет около половины числа штрихов, разрешаемого деталью на 1 мм.
При измерении разрешающей способности волоконного жгута по этой методике возможно наблюдение ложного разрешения, так как детали, обычно обладают упорядоченной структурой. В изображении, передаваемом такой деталью, при частотах штрихов миры, близких к предельному разрешению, возникают дополнительные полосы (муар), расположенные под углом к штрихам миры и маскирующие истинное изображение штрихов (рис. 2.3).
Рис. 2.3 Микрофотография участка торца волоконной детали (а) и переданное ею изображение стандартной миры (б):
1 – световедущие жилы; 2 – светоизолирующие прослойки; 3 – частота штрихов 15 мм-1;
4 – частота штрихов 25 мм-1; 5 – частота штрихов 50 мм-1 (разрешающая способность детали 18 мм-1 )
6 – муары, образующиеся при частоте штрихов, близких к предельно разрешаемой деталью;
7 – истинное направление штрихов
При смещении детали относительно миры муаровые полосы видоизменяются или исчезают.
Разрешающую способность принято оценивать:
[1/мм], [мм-1] или [линий/мм] или [штрихов/мм],
2.2 Измерение разрешающей способности волоконных жгутов
Рис. 2.4. Оптическая схема установки для измерения разрешающей способности волоконных жгутов
Свет от источника излучения (лампа накаливания со встроенным конденсором, мощностью 20W) попадает на штриховую миру, которая закреплена в диафрагме. Пучок света, попадающий на штриховую миру узкий за счет того, что в источник излучения встроен конденсор. Это сделано для того, чтобы штриховая мира была равномерно освещена. Полученное изображение штриховой миры фокусируется на фотообъектив и поступает на входной торец волоконного жгута. Далее с помощью стереоскопического микроскопа МБС – 2 через выходной торец волоконного жгута наблюдаем изображение миры, переданное неподвижной волоконно-оптической деталью.
2. Порядок выполнения работы
6.1 Из таблицы 2.1 выбрать значение базы штриховой миры, которое соответствует номеру данной штриховой миры
6.2 Вычислить коэффициент kN, зависящий от номера элемента по следующей формуле:
kN = 1,06N-1, (1.6)
где N – номер элемента штриховой миры, при котором изображение, переданное волоконным жгутом отчетливо видно.
6.3 Вычислить разрешающую способность волоконного жгута по следующей формуле:
, (1.7)
где RN – разрешающая способность волоконного жгута, выраженная числом штрихов на 1мм;
В – выбранное значение базы штриховой миры из таблицы 2.1;
KN – коэффициент, зависящий от номера элемента.
7. По изложенной методике (п.п. 6 – 6.3), определить разрешающую способность для других волоконных жгутов, выданных преподавателем.
8. Сравнить полученные результаты и дать заключение о качестве волоконных жгутов.
2.4. Содержание отчета
Отчет о работе должен содержать:
4. Контрольные вопросы
Таблица 2.1.
|
Номер миры |
База миры В, мм |
|
№1 |
1,2 |
|
№2 |
2,4 |
|
№3 |
4,8 |
|
№4 |
9,6 |
|
№5 |
19,2 |
|
№6 |
38,4 |
РАБОТА 3
ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ЗАТУХАНИЯ СОЕДИНИТЕЛЬНЫХ ВОЛОКОННЫХ ШНУРОВ (ПАТЧ – КОРДОВ)
Цель лабораторной работы: изучение и практическое освоение методов контроля затухания многомодовых волоконно-оптических световодов на оптическом тестере ОМКЗ-76.
3.1. Основные положения
Введение
Волоконно-оптические световоды рассматриваются как перспективное средство передачи широкополосной информации в узконаправленном луче оптического диапазона. Их достоинством являются высокая технико-экономическая эффективность, экономия цветных металлов, малое затухание, малые масса и габариты, гибкость и возможность прокладки, как и обычных кабелей по реальной трассе, кроме того они изготавливаются большими строительными длинами.
3.1.1. Затухание сигналов в оптическом волокне
Оптический сигнал в процессе распространения по волокну теряет свою энергию. Этот эффект называется затуханием. От величины затухания зависит максимальная дальность связи между двумя приемопередатчиками. В волоконно-оптической технике связи затухание принято измерять в децибеллах. Степень ослабления сигнала определяет ся коэффициентом затухания , который в общем виде равен:
= п + р + пр +к+ик, (3.1)
где п и р — коэффициенты затухания, обусловленные потерями на поглощение и рассеивание световой энергии соответственно;
пр — ко эффициент затухания, вызванный присутствующими в оптическом волокне (ОВ) примесями;
к — дополнительные потери за счет скрутки, деформации и изгибов ОВ при изготовлении оптического кабеля (ОК);
ик — потери на поглощение в инфракрасной области.
Коэффициент затухания п связан с потерями на диэлектриче скую поляризацию и существенно зависит от свойств материала ОВ (n и tg). Он рассчитывается по формуле:
(3.2)
где n — показатель преломления;
tg — тангенс угла диэлектрических потерь в сердцевине ОВ.
Коэффициент затухания р, с одной стороны, обусловлен неоднородностями материала ОВ, расстояние между которыми меньше длины вол ны, а с другой — тепловыми флуктуациями показателя преломления. Потери на рассеивание часто называются рэлеевскими, и они определя ют нижний предел потерь, который с увеличением длины волны умень шается согласно выражению
(3.3)
где Кр — коэффициент рассеивания, равный для кварца 0,8 мкм4 дБ/км;
- длина волны, мкм.
Рис. 3.1. Зависимость затухания кварцевого волоконного световода от длины волны
Коэффициент затухания пр связан с наличием в ОВ посто ронних примесей, приводящих к дополнительному поглоще нию оптической мощности. Та кими примесями являются ионы металлов (никель, желе зо, кобальт и др.) и гидроксидные группы (ОН), приводящие к появлению резонансных всплесков затухания () на определенных длинах волн.
Коэффициент затухания к определяется деформацией ОВ в процессе изготовления кабеля, вызванной скруткой, изгибом, отклонением от прямолинейного расположения и термомеханическими воздействиями, имеющими место при наложении оболочек и покрытий на сердцевину волокна. Эти дополнитель ные потери в основном определяются процессами рассеивания энергии на неоднородностях, так как приводят к излучению энергии в местах деформа ции волокна и соответственно к возрастанию потерь.
Коэффициент затухания ик зависит от длины волны оптического излучения и за счет поглощения в инфракрасной области возрастает в показательной степени с ростом длины волны:
(3.4)
где С и к — постоянные коэффициенты, равные, например, для кварца
к= (0,7 ... 0,9)10-6 м, С=0,9
На рисунке 3.1 представлены типовые зависимости основных составляющих потерь от длины волны, за исключением дополнительных кабельных по терь к, которые всегда приводят к увеличению затухания ОВ и зависят от многих факторов. Как видно из графика, рэлеевское рассеивание р ограничивает нижний предел потерь в левой части (кривая 1), а инфракрасное поглощение ик — в правой (кривая 2). В виде кривой 3 показана спектральная зависимость коэффициента затухания реальных световодов с учетом потерь. Из графика видно, что работа по передаче информации по волокну эффективна в трех окнах прозрачности ОВ, из которых наименьшее затуха ние имеет место в третьем окне на длине волны =1,55 мкм.
В настоящее время в технике связи в основном применяются квар цевые ОВ, область эффективного использования которых находится в диапазоне длин волн до 2 мкм. На более длинных волнах в качестве материала для волокна используются галоидные, халькогенидные и фторидные стекла. По сравнению с кварцевыми волокнами они обладают большей прозрачностью и обеспечивают снижение потерь на несколько порядков.
Типовые значения затуханий оптических сигналов в окнах прозрачности
Таблица 3.1
|
Окно прозрачности |
Длина волны, мкм |
Типовое затухание, дБ/км |
||
|
Минимальная |
Центральная |
Максимальная |
||
|
1 |
790 |
850 |
910 |
2 – 3 |
|
2 (ММ) |
1285 |
1300 |
1330 |
0,7 – 1,5 |
|
2 (ОМ) |
1288 |
1310 |
1339 |
0,4 – 1,0 |
|
3 |
1525 |
1550 |
1575 |
0,2 – 0,4 |
3.1.2 Методы измерения затухания в оптическом волокне
Если измерить оптическую мощность на входе и на выходе оптического волокна, можно определить его затухание:
[дБ] (3.5)
где Р1 – оптическая мощность, проходящая через площадь поперечного сечения 1;
Р2 – оптическая мощность, проходящая через площадь поперечного сечения 2.
Для однородного волокна в состоянии равновесия можно определить коэффициент затухания – затухание на единицу длины волокна, которое не зависит от выбранной длины волокна:
, [дБ/км] (3.6)
где L – длина волокна.
Измерение затухания оптического волокна осуществляется оптическими тестерами или измерителями оптических потерь, в которых используются согласованные пары: источник излучения – измеритель оптической мощности.
Наиболее часто измерение затухания проводится двумя методами:
•методом прямого измерения;
•методом вносимого затухания.
Метод прямого измерения (рис. 3.2)- согласно этому методу измеряют абсолютный уровень оптического сигнала на выходе источника излучения, а затем измеряют абсолютный уровень оптического сигнала на выходе тестируемого световода. Разность измеренных уровней даст величину затухания.
Метод вносимого затухания (рис.3.3) - на первом этапе измерений (этапе калибровки) источник и измеритель мощности соединяются между собой эталонным оптическим волокном, желательно того же типа, что и тестируемый компонент (ТК). На следующем этапе входной коннектор ТК соединяется с коннектором измерительной системы, а выходной коннектор ТК соединяется с измерителем мощности. В идеале включение данных коннекторов на входе измерителя мощности не должно оказывать влияния на результаты измерения мощности, однако на втором этапе в схему измерения добавляется еще одна пара коннекторов. Поэтому измеренные потери будут включать потери ТК с вносимыми потерями пары коннекторов. Так как последние могут быть оценены приблизительно (порядка 0.5—1 дБ), в данном случае имеет место достаточно большая погрешность, составляющая ±0.3 дБ даже при использовании хороших коннекторов. Если ТК будет представлять собой большой отрезок оптического волокна, данная схема измерения будет выражать метод измерения вносимых потерь коннектора, так как короткий кабель имеет потери, которыми можно пренебречь.
Рис. 3.2 Метод прямого измерения
Рис. 3.3 Метод вносимого затухания
Измерение вносимых потерь компонентов с пигтейлами из ого ленного волокна
Оптические компоненты с пигтейлами из оголенного волокна исполь зуют в двух случаях: либо для соединения их с коннекторами специаль ного типа, либо для присоединения путем сращивания с системой пере дачи или любой другой системой. В обоих случаях контроль функционирования данной совокупности включает измерение вносимых потерь. Возможная схема и процедура измерения показаны на рис. 3.4. На этапе калиб ровки мощность от оголенного подводящего кабеля измеряется при со единении соответствующим адаптером, причем измеритель мощности должен перехватывать всю мощность с выхода волокна. Далее на этапе измерения тестовое устройство присоединяется при помощи термичес кого или механического сращивания. Очевидно, что погрешность изме ренных вносимых потерь будет значительно меньше, чем в случае с коннекторами, потому что хорошее сращивание обеспечивает очень низкий показатель вносимых потерь (обычно менее 0.1 дБ) и соответ ственно низкую погрешность измерения. Несмотря на это, вносимые потери все же включают в себя потери сращивания. Для измерения вносимых потерь помимо лазеров Фабри – Перо используются другие оптические источники, в частности:
Наивысшая точность измерения вносимых потерь достигается при использовании метода обрыва, показанного на рисунке 3.5, в котором по сравнению со всеми вышеописанными методами имеет место обратная последовательность этапов измерения. На первом этапе ТК присоединя ется к системе путем сращивания и производится измерение мощности на выходных пигтейлах. Затем сразу после сращивания от входного во локна ТК откалывается небольшой отрезок и вновь измеряется мощность. При таком методе погрешность измерения составляет приблизительно ±0.01 дБ и зависит от качества скола и адаптера оголенного волокна.
Рис.3.4 Измерение вносимых потерь оптического компонента с портами на свободных волокнах
Рис.3.5 Измерение вносимых потерь оптического компонента методом обрыва волокна
3.2. Практическая часть
Подготовить оптический тестер ОМК3 – 76 к работе (смотри приложение I).
3.2.2.Проведение измерений
1. Измерить мощность источника излучения.
1.1. Протереть салфеткой, смоченной в спирте оптические разъемы эталонного шнура.
1.2. Один конец эталонного шнура соединить с источником излучения оптического тестера, а другой конец с приёмником излучения.
1.3. Включить прибор и снять показания с прибора в «дБ» и «Вт».
1.4. Полученные показания записать в таблицу 3.2. Данное значение является абсолютным уровнем оптического сигнала на выходе источника излучения Р1.
1.5.Отсоединить эталонный шнур от фотоприемника.
2. Определение абсолютного затухания.
2.1. Протереть салфеткой, смоченной в спирте, оптические разъёмы испытуемых соединительных волоконных шнуров.
2.2.Один конец испытуемого соединительного волоконного шнура соединить с концом эталонного шнура, а другой конец испытуемого соединительного шнура соединить с приемником излучения.
2.3.Включить прибор и снять показания с прибора в «дБ» и «Вт».
2.4.Полученные значения занести в таблицу 3.2. Данное, значение является абсолютным уровнем оптического сигнала на выходе линии Р2.
2.5. Потери А() определяются по разнице мощностей излучения Р1 до и Р2 после прохождения световодного тракта по формулам:
(3.7)
L = P1 – P2, дБ (3.8)
Результат занести в таблицу 3.2, результат будет являться абсолютным значением затухания многомодового оптического световода длиной 1 м.
3.Измерения провести три раза для усреднения результатов.
Таблица 3.2
|
№ измерения |
Р1 |
Р2 |
Абсолютное затухание, дБ |
||
|
Вт |
дБ |
Вт |
дБ |
||
|
1 |
|||||
|
2 |
|||||
|
3 |
|||||
|
4 |
|||||
|
5 |
|||||
|
6 |
|||||
|
7 |
|||||
|
8 |
|||||
|
9 |
|||||
|
10 |
Рис. 3.6 Оптический тестер ОМКЗ – 76 (а – вид передней панели; б –вид задней панели)
Таблица 3.3
|
Позиции по рисунку 3.6 |
Обозначение органа управления |
Назначение |
|
1 |
Кнопка – включение питания прибора от автономного, внутреннего или внешнего источника (12 – 15 В) |
|
|
2 |
ПИТАНИЕ |
Индикация разряда батарей |
|
3 |
< |
Индикация выхода вниз за диапазон измерения |
|
4 |
РЕЖ. |
Индикация выхода в диапазон измерения |
|
5 |
> |
Индикация выхода вверх за диапазон измерения |
|
6 |
Индикация значения измеряемой мощности |
|
|
7 |
mW |
Индикация единиц измеряемой мощности |
|
8 |
W |
Индикация единиц измеряемой мощности |
|
9 |
W |
Индикация единиц измеряемой мощности |
|
10 |
0 |
Ручка установки нуля в приборе |
|
11 |
Разъем подключения кабелем «К5» фотопреобразователей ФП – 0,85 и ФП – 1,3 |
|
|
12 |
Разъем подключения кабелем «К4» преобразователей СИД – 0,85 и СИД – 1,3 |
|
|
13 |
Кнопка переключения режима работ, включение источника излучения преобразователей СИД |
|
|
14 |
> |
Кнопка переключения диапазонов измерения вверх при ручном переключении диапазонов |
|
15 |
< |
Кнопка переключения диапазонов измерения вниз при ручном переключении диапазонов |
|
16 |
Кнопка переключения диапазонов измерения: ручное и автоматическое |
|
|
17 |
Кнопка переключения режима работ: немодулированное и прямоугольно модулированное излучение |
|
|
18 |
dBm/W |
Кнопка переключения режима измерения мощности в единицах «дБм», «Вт» |
|
19 |
Крышка отсека для элементов питания |
|
|
20 |
Мк |
Разъем подключение микрофона |
|
21 |
0,5 А |
Вставка плавкая в цепи питания прибора от автономного источника |
|
22 |
Разъем подключение внешнего источника питания |
|
|
23 |
Зажим измерительного заземления |
|
|
24 |
Разъем – выход аналогового сигнала |
|
|
25 |
Разъем – выход сигнала детектора |
|
|
26 |
Разъем подключения телефона |
3.3. Содержание отчета
Отчет о работе должен содержать:
3.4. Контрольные вопросы
ПРИЛОЖЕНИЕ I
ПОДГОТОВКА К ПРОВЕДЕНИЮ ИЗМЕРЕНИЙ
1. Установите органы управления и контроля в положения, указанные в таблице 3.3., подключите к блоку индикации кабелем "К5" фотопреобразователь ФП и кабелем "К4" преобразователь ЛД соответствующей длины волны.
3. До проведения измерении прогрейте прибор в течение 15 мин.
4. Опробуйте работу прибора по следующим признакам: при положении «------» переключателя режимов работ и открытом оптическом входе фотопреобразователя ФП-1,3, направленном на источник света, на цифровом табло прибора индицируется значение мощности излучения, попавшего на фотоприемник через входной разъем;
при включении ко входному разъему фотопреобразователя ФП-1,3 выхода преобразователя ЛД-1,3 в положении ВКЛ кнопки « »переключателя режима работ, на цифровом индикаторе индицируется значение мощности излучения, поступающей на фотоприемник.
При переключении кнопки «------ / » значение мощности, индицируемое на цифровом табло, должно измениться примерно в 2 раза.
Список литературы:
37
37