Моделирование лабораторной установки для исследования параметров оптического волокна

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Моделирование лабораторной установки для исследования параметров оптического волокна

Каждый технический вуз не может существовать без лабораторного оборудования во время занятий студенты получают возможность закрепить теоретические знания, научиться работать с контрольно-измерительной аппаратурой, получить опыт и наглядный пример практической работы. Кроме того, при прохождении лабораторных работ студенты приобретают определенные научно-исследовательские навыки.

Но, во-первых, закупить лабораторное оборудование задача не из простых: на рынке не так много поставщиков данной продукции. Во-вторых, если брать направление исследования «оптики» и ее компонентов, то здесь еще не маловажный аспект - цена. Все контрольно-измерительное оборудование измеряется десятками тысяч долларов. Согласитесь, комплектовать лабораторию для небольших учебных заведений - задача порой непосильная. Поэтому, создавая свой лабораторный стенд, хотелось сделать его доступным, простым и наглядным.

Начнем с теоретического материала, послужившего основой для создания лабораторного стенда. Исследованию подлежит один из основных параметров оптического волокна - апертурный угол.

Апертурой называется максимальный угол между оптической осью и световым лучом, падающим на торец многомодового волоконного световода. При этом выполняются условия полного внутреннего отражения в сердцевине (луч 3 на рисунке 1). Величина апертурного угла зависит от абсолютного значения показателя преломления сердцевины и разности показателей преломления сердцевины и оболочки, то есть апертура и предельный угол полного внутреннего отражения имеют определенную функциональную взаимосвязь. Таким образом, световод пропускает лишь лучи, заключенные в конусе с углом Икр, соответствующим цп - углу полного внутреннего отражения. Физически апертура характеризует способность световода принимать световую энергию [1].

Наряду с понятием апертура, принято использовать также понятие числовая апертура (от англ. Numerical Aperture):

От значения числовой апертуры зависит эффективность ввода излучения лазера или светодиода в световод, потери в микроизгибах, дисперсия импульсов, число распространяющихся мод.

Как видно из рисунка 1, между предельным углом полного внутреннего отражения цп и апертурным углом падения луча имеется взаимосвязь. Чем больше угол цп, тем меньше апертурный угол волокна Икр.

Луч в торец световода следует вводить под углом, меньшим апертурного угла волокна Икр. До тех пор, пока угол падения луча меньше, чем Икр, луч будет испытывать полное внутреннее отражение на границе «сердцевина - оболочка», и передача будет проходить эффективно.

В зависимости от условий распространения световой волны в сердцевине и числа распространяющихся мод оптические волокна делятся на две группы: одномодовые (SMF - Single Mode Fiber) и многомодовые (ММF - Multi Mode Fiber).

В многомодовом оптическом волокне показатели преломления сердечника и оболочки различаются всего на 1-1,5%. При этом апертура NA= (0,2 - 0,3) и угол, под которым луч может войти в световод, не превышают (12-18) градусов от оси.

В одномодовом оптическом волокне показатели преломления различаются еще меньше: апертура NA=0,122, и угол не превышает 7 градусов от оси.

Чем больше числовая апертура, тем легче ввести луч оптического излучения в оптоволокно, но при этом увеличивается модовая дисперсия и сужается полоса пропускания.

От величины значения NA зависит величина ввода излучения в световод, а также коэффициент потерь на микро- и макро-изгибах, дисперсия импульсов и число распространяющихся мод.

Для определения числовой апертуры на практике используют несколько различных методов. Это метод трех колец, метод ближней зоны, метод дальней зоны и метод калибрования зазора. Многие из приведенных методов довольно сложны и не всегда наглядны, не всегда возможно проанализировать физические процессы. А, ведь, именно простота, наглядность и понимание сути происходящего - это главные вопросы, которые должны учитываться в образовательном процессе. Поэтому нами был выбран самый простой и наглядный метод. Функциональная схема лабораторного макета приведена на рисунке 2.

Для измерения апертурного угла при помощи лабораторной установки обратимся еще раз к определению угла. Под числовой апертурой NA волоконного световода понимается синус угла ц, под которым луч света, падающий на его торец, испытывает полное внутреннее отражение на границе раздела «сердечник - оболочка».

Для экспериментального определения следует рассмотреть расходимость светового излучения из торца световода. На рисунке 2 показан принцип измерения угла.

Используя источник излучения (СИД или ЛД), вводим свет в волоконный световод. Свет, отражаясь и преломляясь, проходит по световоду. Далее лучи попадают на стол с миллиметровой бумагой (рисунок 2), на поверхности которой формируется световое пятно (спекл картина). На рисунке отмечен диаметр светового пятна d, соответствующий излучению из торца световода на расстоянии h от его торца и горизонтальный поверхности.

Значение числовой апертуры вычисляется из элементарных тригонометрических соображений по измеренному значению расстояния:

Измерения можно проводить для диодов с разной длиной волны и разной шириной спектра. Для наглядности лучше использовать видимый спектр. Инфракрасный диапазон в этом измерении не используется.

По результатам измерений построим график зависимости числовой апертуры волоконного светодиода от длины волны излучения.

В процессе работы можно менять среду передачи, а также угол ввода светового луча в оптическое волокно, так как при попадании светового излучения на торец оптического волокна в нем могут распространяться три типа световых лучей, называемые направляемыми, вытекающими и излучаемыми лучами.

Результаты эксперимента

С помощью юстировочного устройства закрепить волоконный световод на расстоянии 5 -10 сантиметров от рабочей поверхности стола. К торцу волоконного световода подвести лазерный диод так, чтобы получилось четкое пятно на миллиметровой бумаге. Измерить радиус пятна и высоту от торцов ОВ до рабочей поверхности стола. Рассчитать апертурный угол.

Как видим из графиков зависимостей светоизлучающего диода и лазерного диода, числовая апертура с увеличением длины волны уменьшается. Это еще раз доказывает, что используемый в этой связи инфракрасный диапазон перспективен не только с точки зрения затухания (чем больше длина волны, тем меньше затухание в оптическом волокне), но и апертуры.

Актуальность работы, по итогам исследования, в следующем: схема по измерению апертурного угла не является новой, но применение современных технологий делает установку более простой в применении и наглядной, есть возможность дальнейшей модернизации лабораторного макета, что принесет ещё и существенный экономический эффект.

Список литературы

оптический апертура световод лазер

1. Слепов Н.Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи. - М.: Радио и связь, 2006. - 468 с.: ил.

2. Убайдуллаев Р.Р. Волоконно-оптические сети. - М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2005. - 268 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru