Лабораторная работа №5. «Качественный анализ модовой структуры волоконных световодов.

Цель работы:

-исследовать поперечное распределение энергии в волоконных световодах.

Теоретические сведения

Распространение света в волокнах различного типа показано на рис. 1.

Рис.1. Распространение света в волокнах различного типа

Для современных многомодовых ОВ диаметр сердечника согласно документам Rec. G.651 имеет два стандартных размера: 50 и 62,5 мкм, для одномодовых волокон: 8-10 мкм (Rec. G.652-655). Если в качестве среды передачи используется многомодовое оптическое волокно, то в поперечном сечении такого волокна мы будем наблюдать интерференционную картину, взаимодействующих между собой мод. Эта картина представляет собой пятнистую структуру (спекл-структуру) в виде светлых и темных пятен, изображенную на рис.2.

Рис.2. Спекл-структура оптического излучения

Спекл-структура имеет максимальную контрастность на первых десятках-сотнях метров, в зависимости от типа ОВ, а затем уменьшается с ростом длины волокна. На расстоянии нескольких километров от входного торца ОВ поперечное распределение энергии становится равномерным и далее остается постоянным. Это значит, что в волокне произошла нормализация мод, т.е. наступил режим равновесного распределения мод. Режим равновесного распределения мод означает, что в волокне присутствуют все моды в определенной пропорции. Необходимо отметить, что спекл-структура не остается застывшей во времени, а по различным причинам (флуктуации диаграммы направленности лазера, температурные изменения окружающей среды) изменяется. Флуктуации спеклов в поперечном распределении энергии приводят к появлению модовых шумов в системах с многомодовыми волокнами. Они проявляются особенно в тех случаях, когда по длине распространения сигнала встречаются локальные неоднородности (изгибы, разъемы и т.п.) Частотный спектр модовых шумов весьма широк от 10 Гц до 300 МГц. Наиболее сильно проявляются модовые шумы в системах с аналоговой передачей сигналов, в частности в системах кабельного телевидения.

Представляет интерес процесс изменения модовой структуры излучения во время изменения температуры. Проведенные исследования показали, что при нагревании многомодового волокна от 20 до 140°С, коэффициент пропускания ОВ в процессе изменения температуры изменялся на 5%, т.е. на 0,02.. .0,03 дБ относительно первоначального значения, установленного при Т= 20°С. Кроме того, с изменением температуры спекл –структура излучения, также меняется.

На рис. 3 представлены фотографии, показывающие эволюции модовой структуры в волокне с d₁ =4,3 мкм и d₂=46 мкм при нагревании до 150°С за время 2 мин. Параллельно измерялся ток фотодетектора, изменения которого на 5...10% происходили периодически с частотой несколько герц. Результаты этих исследований показывают, что перепады температуры окружающей среды также вносят анизотропию в среду распространения, вследствие чего в ООВ возникают дополнительные шумы и потери. В современных ООВ, например производства LUCENT TECHNOLOGIES, прирост затухания за счет нагревания (или охлаждения) составляет величину 0,05 дБ/км в диапазоне температур -50°. . +60°С.

Рис.3. Эволюции модовой структуры излучения в волокне

Режим распространения света в оптическом волокне определяется не только геометрическими параметрами волокна, но зависит от типа и характеристик источника излучения. Так если длина волны излучения источника меньше длины волны отсечки волокна, то волокно будет поддерживать многомодовый режим распространения света. В этом случае можно будет наблюдать спекл-структуру.

Количество мод определяется по формуле:

N=V²/2=0.5(πd₁NA/λ)²=0.5(πd₁/λ )²(n₁²-n₂²),

где: V – волновое число;

d₁ – диаметр сердцевины;

NA – числовая апертура;

λ – длина волны излучения;

n₁ –показатель преломления сердцевины;

n₂ – показатель преломления оболочки.

Существует два типа источников излучения: светоизлучающий диод (СИД) и полупроводниковый лазер (ППЛ). СИД работает в режиме спонтанного излучения, лазер - в режиме вынужденного излучения. Первый применяется для многомодовых волокон, второй оптимизирован для одномодовых волокон.

Известно, полупроводниковый лазер – это пороговое устройство, что означает: при малых токах накачки лазер ведет себя подобно СИД, т.е. работает в режиме спонтанного излучения. При увеличении тока накачки до порогового значения, переходит в режим вынужденного (редуцированного) излучения. Поэтому при малых значениях тока накачки мы наблюдаем нестабильность спекл-структуры.