Лабораторная работа №1

Тема работы:Измерение потерь в оптическом волокне

Цель работы:Измерение коэффициента потерь оптического сигнала в окнах прозрачности кварцевого волокна.

Материалы и оборудование:персональный компьютер, программа «FOT» для исследования затухания сигнала в оптическом волокне с помощью оптического тестераFOT-700, разработанная в средеLABVIEW.

Краткие теоретические сведения

В настоящей лабораторной работе исследуется затухание сигнала в окнах прозрачности различных типов кварцевых волокон. Для проведения измерений используется метод вносимых потерь, который рассмотрен ниже в разделе проведения измерений.

Известно, что мощность сигнала на выходе волоконного световода (ВС) определяется по закону:

, (1.1)

где Р₀– мощность сигнала на входе ВС, Вт;

P_l– мощность сигнала на выходе ВС, Вт;

α– коэффициент затухания оптического волокна на определенной длине волны оптического излучения, дБ/км;

L– длина волоконного световода, км.

Для коэффициента затухания можно записать

. (1.2)

При уровнях сигналов p₀иp₁, выраженных в дБм (децибел на милливатт), формулу (1.2) можно представить в виде:

. (1.3)

При наличии в составе волоконного тракта разъемных и неразъёмных соединений (при подключениях волокна к лазерному диоду и фотоприёмнику, при соединении различных отрезков волокна) расчетные формулы (1.2) и (1.3) приобретают следующий вид:

, (1.4)

, (1.5)

где α _р.с.– затухание разъемного соединения, дБ,

α _н.с.- затухание неразъемного соединения, дБ,

N₁– количество разъемных соединений,

N ₂– количество неразъемных соединений.

Причины потерь в ВС могут быть различными. Существует два главных механизма потерь в световодах: поглощение и рассеяние энергии. Потери на поглощение состоят из собственного поглощения и поглощения из-за наличия в стекле ионов металлов переходной группы Fe²⁺,Cu²⁺,Cr³⁺и ионовOH^-. Собственное поглощение наблюдается в ультрафиолетовой (обусловлено электронными полосами поглощения) и инфракрасной (обусловлено колебательными полосами поглощения в компонентах, входящих в состав стекла) областях спектра. Затухание поглощения для одномодового волокна

α_п=8,69π n tgδ/λ, (1.6)

где п– показатель преломления сердцевины ВС,tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь сердцевины ВС,λ– длина волны.

Существенную роль играет рассеяние (переизлучение) энергии. Различают линейное и нелинейное рассеяния. При линейном рассеянии мощность рассеяния пропорциональна мощности падающей волны. В этом случае происходит частичное изменение направления потока энергии. При нелинейном рассеянии в спектре рассеянной мощности наблюдаются новые частотные компоненты.

Рассеяние, возникающее в результате флуктуаций показателя преломления среды, называется рэлеевским. Коэффициент рэлеевского рассеяния для одномодового волокна

α_p=k_pλ^-4, (1.7)

где k_p– постоянная, зависящая от материала (для кварцаk_p =0,6 мкм⁴∙дБ/км).

На инородных включениях, содержащих примесь, размер которой сравним с λ, происходит линейное рассеяние Ми. Рассеяние также возникает из-за различных нарушений геометрии световода, наличия соединений и изгибов.

Для многомодовых ВС профили показателей преломления волокон (а) и характерные кривые спектральных потерь мощности (б) показаны на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Характеристики многомодовых волокон

При наличии разъемных соединений и стыков волокон общие потери в системе будут складываться из потерь в волокне и в соединениях. Учёт потерь, возникающих в соединениях оптических волокон, является важным и необходимым. Все соединения в волоконно-оптической линии делятся на два основных типа: разъемные и неразъемные.

Разъёмные соединения используются, как правило, для подключения оптической линии к активному оборудованию, для коммутации в станционном и кроссовом оборудовании. Отличительной особенностью этого соединения является возможность его многократного использования без ухудшения оптических параметров линии. Основными элементами соединения являются оптические разъемы (коннекторы) с закрепленными в них оптическими волокнами и розетки (адаптеры), осуществляющие стыковку разъемов. В настоящее время существует очень широкий ассортимент различных типов оптических разъемов и адаптеров. К сожалению, производители волоконно-оптических систем так до сих пор и не выработали единого стандарта для оптических разъемов. Требованиями, которые могут быть предъявлены к оптическим разъемам, являются:

1. малые вносимые потери;

2. малое обратное отражение;

3. устойчивость к механическим, климатическим воздействиям;

4. простота конструкции;

5. повторяемость оптических параметров при многократной коммутации.

Основным показателем оптического коннектора является величина вносимых потерь в дБ [1]:

α = 10 lg Р_вх/Р_вых, (1.8)

где Р_вх– мощность оптического излучения на входе соединителя,Р_вых– мощность оптического излучения на выходе соединителя.

Оптические потери в коннекторном соединении (сборке) могут быть вызваны целым рядом причин, условно разделяемых на две группы:

1. потери, обусловленные внешними причинами;

2. потери, обусловленные внутренними причинами.

К оптическим потерям соединителя, определяемым внешними причинами, относятся:

1. потери за счет радиального смещения α_L (рисунок 1.2):

α_L = -10 lg (1 – 4L/D) , (1.9)

где D - диаметр светонесущей части волокна, L - радиальное смещение;

2. потери за счет углового смещения α_Q (рисунок 1.3):

α_Q = -10 lg (1 - 2Q/( arcsin(NA)), (1.10)

где Q - угол смещения, NA - апертура волокна;

3. потери за счет осевого смещения α_S (рисунок 1.4):

α_S = -10 lg [1 / ( 1 + 2(S/D) * tg(arcsin(NA/n₁))]², (1.11)

где S – осевое смещение, D – диаметр светонесущей части волокна, n₁ – показатель преломления среды, в которой осуществляется стыковка;

Рисунок 1.2 – Потери в соединителе за счет радиального смещения

Рисунок 1.3 - Потери в соединителе за счет углового смещения

4. вследствие наличия микротрещин при плохой полировке торцов наконечников возникают оптические обратные потери за счет френелевского отражения (рисунок 1.5).

Рисунок 1.4 – Потери в соединителе за счет осевого смещения

Рисунок 1.5 – Потери в соединителе за счет френелевского отражения

Вместе с тем величина обратного отражения также зависит и от угла наклона торца наконечника по отношению к оси разъема (рисунок 1.6). Величина потерь на френелевское отражение α_F определяется как

α_F = -10 lg( 2n₁n / (n₁²+n²)), (1.12)

где n - показатель преломления оптического волокна, n₁ - показатель преломления иммерсионной среды в зазоре.

Рисунок 1.6 - Зависимость величины обратного отражения от угла наклона торца наконечника

Внутренними причинами, вызывающими оптические потери в коннекторах, являются:

1. допуски на различные размеры световодов;

2. различие диаметров модовых полей стыкуемых световодов.

Параметры геометрических размеров оптических волокон, определяющие наличие вносимых потерь, приведены на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7 - Параметры геометрических размеров оптических волокон

К этим параметрам относятся:

1. некруглость сердцевины

e = [(d_max-d_min) / d₀] * 100%; (1.13)

2. некруглость оболочки

E = [(D_max-D_min) / D₀] * 100%; (1.14)

3. эксцентриситет

C = [x/d] * 100%, (1.15)

где d=(d_max+d_min) / 2 – средний диаметр сердцевины.

Некруглость сердцевины в 5% приводит к величине вносимых оптических потерь до 0,1 дБ. В связи с тем, что при использовании одномодовых световодов стыковка между ними происходит при помощи перекрытия модовых полей, на рисунке 1.8 приведена зависимость затухания соединения ОВ от разности величин диаметров модовых полей. При расхождении последних на 10% величина оптических потерь может возрасти до 0,04 дБ.

Рисунок 1.8 - Зависимость затухания соединения ОВ от разности

диаметров модовых полей

В итоге общие потери всей системы α_общ представляются в виде суммы:

α_общ= α_вол+ α_соед , (1.16)

где α_вол– потери в волокне (на поглощение и рассеяние),

α_соед– потери в соединениях.