Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы распространения света по пленочным и цилиндрическим волноводам. Учебно-методическое пособие
.pdf
Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций
Российской Федерации
Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение
высшего образования
«Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»
(СибГУТИ)
В. А. Варданян
Физические основы распространения света
по пленочным и цилиндрическим волноводам
Учебно-методическое пособие
Новосибирск
2022
УДК 621.372.8
Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ
Рецензент профессор кафедры инфокоммуникационных систем и сетей
СибГУТИ, д.т.н., профессор В.П. Шувалов
Варданян В. А. Физические основы распространения света по
пленочным и цилиндрическим волноводам : учебно-методическое пособие /
Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики ;
кафедра фотоники в телекоммуникациях. – Новосибирск, 2022. – 47 с.
Учебно-методическое пособие является дидактическим материалом для
выполнения курсовой работы по основным разделам курса «Основы
волноводной фотоники и оптоинформатики». Учебно-методическое пособие
состоит из четырех частей. Каждая часть содержит методические
рекомендации к расчетам, что способствует лучшему усвоению материала
студентом. Пособие можно использовать как практикум по дисциплинам
«Основы оптической связи», «Физические основы оптической связи», так как
приведенные расчеты применимы для закрепления пройденного
теоретического материала на практических занятиях или при
самостоятельной подготовке студентов. В конце пособия приводится
заключение и список литературы.
Пособие может быть полезно студентам, интересующимся
проектированием интегрально-оптических систем и вопросами передачи
оптических импульсов по волокну.
© Варданян В.А., 2022
© Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики, 2022
2
Оглавление
Введение ................................................................................................................... 4
Основные требования к выполнению и правила оформления курсовой работы
................................................................................................................................... 5
I часть. Техническое задание по расчету параметров пленочного волновода. . 7
Теоретические материалы для выполнения задания I части .............................. 9
II часть. Техническое задание по расчету полоскового направленного
ответвителя ............................................................................................................ 17
Теоретические материалы для выполнения задания II части ........................... 19
III часть. Техническое задание по расчету характеристических параметров
одномодовых оптических волокон. ..................................................................... 25
Теоретические материалы для выполнения задания III части ......................... 27
IV часть. Техническое задание по оценке искажения импульсов при
распространении по оптическим волокнам. ....................................................... 33
Теоретические материалы для выполнения задания IV части ......................... 35
Приложение 1 ........................................................................................................ 40
Приложение 2 ........................................................................................................ 41
Приложение 3 ........................................................................................................ 42
Приложение 4 ........................................................................................................ 43
Приложение 5 ........................................................................................................ 44
Заключение ............................................................................................................ 45
Список литературы ............................................................................................... 46
3
Введение
Современные средства телекоммуникации развиваются стремительными
темпами. Особое место в этом развитии принадлежит волоконно-оптическим
системам связи, которые по своим характеристикам превосходят все
традиционные системы передачи. В мире идет интенсивный процесс как
новых разработок, так и усовершенствования оптических методов передачи и
обработки информации, интегральной и оптоэлектронной аппаратуры,
оптических систем и сетей.
У студентов технической направленности возникают трудности при
усвоении базовых теорий, например, теории оптических волноводов, теории
оптического материаловедения, теоретических вопросов распространения
оптических сигналов по оптическим волноводам. Пособие позволяет при
помощи достаточно простых расчетов и графических решений освоить
основной теоретический материал и приобрести полезные навыки для
разработки и обслуживания сложной телекоммуникационной аппаратуры
оптического диапазона.
В I части пособия излагаются основные теоретические вопросы
оптических пленочных волноводов. С помощью готовых графических
решений характеристических уравнений рассчитываются параметры
волновода для разных мод.
Во II части приводятся теоретическое основы оптических направленных
ответвителей и рассчитываются основные параметры пленочного
направленного ответвителя при разных коэффициентах ответвления
оптической мощности.
В III части излагаются основы теории оптического материаловедения на
примере оптически прозрачных сред. С помощью аппроксимирующих
формул Селмайера рассчитываются характеристики материалов, которые
используются при изготовлении оптического волокна, а также параметры
самого волокна.
В IV части рассматриваются основные факторы, искажающие форму
оптического импульса при распространении по одномодовому оптическому
волокну.
Для выполнения курсовой работы требуется знание курса «Основы
физической и квантовой оптики». Все математические выкладки
минимизированы, многие формулы и результаты даются без вывода, но со
ссылкой на используемую литературу. Более детальную информацию
читатель найдет в списке литературы.
4
Основные требования к выполнению и правила оформления курсовой
работы
1. Работа должна быть аккуратно оформлена, напечатана на одной стороне
листа формата A4 в текстовом редакторе Microsoft Word с размером
шрифта 14, с междустрочным интервалом 1,5. Это позволит рецензенту
делать замечания и указания по тексту работы, а студенту – вносить
исправления по ходу решения задач, а не на отдельных страницах в конце
работы. Содержание текста должно быть изложено литературным языком,
без сокращений и упрощений. Первый номер страницы (не нумеруется)
присваивается титульному листу, все остальные нумеруются в той
последовательности, в которой они располагаются по тексту изложения.
Работа должна быть сброшюрована или переплетена.
2. Формулы, по которым ведется расчет, должны приводиться в тексте
полностью, с объяснением всех обозначений. При расчетах рекомендуется
использовать физические величины в международной системе единиц СИ.
Однако в некоторых случаях итоговый результат необходимо представлять
в удобном для восприятия виде. Так, например, в оптическом диапазоне
длину волны принято представлять в микрометрах (мкм) или нанометрах
(нм), а не в метрах (м). Окончательный численный результат вычислений
округляется до двух значащих цифр (например, 345,53·10
-13
с = 34,55 пс).
3. При решении задач расчеты следует сопровождать краткими пояснениями,
выводами и оценками. При этом обязательны ссылки на использованную
литературу, из которой заимствованы материалы. Такие ссылки делаются
указанием в скобках номера (без указания страниц, таблиц и рисунков),
под которым значится в списке литературы данный литературный
источник. В конце курсовой работы необходимо привести список
использованной литературы. Все физические величины и параметры в
формулах должны сопровождаться пояснительным текстом.
4. Графическая часть выполняется с использованием графического редактора
или на миллиметровой бумаге с соблюдением правил черчения и
существующих стандартов с указанием на чертеже всех характеризующих
значений. Графический материал не должен закрывать основной текст
работы, должен иметь номер и подрисуночную надпись.
5. Задания на курсовую работу составлены по вариантам. Номер варианта
формируется из двух букв «X», «Y» и задается преподавателем. Номер
варианта задания указывается студентом в начале контрольной работы.
Необходимо выписать из таблиц исходные числовые данные
соответствующего варианта задания.
6. Курсовая работа должна содержать:
введение;
все требуемые расчеты для нахождения параметров пленочного
волновода, графические материалы, а также график распределения
интенсивности всех мод электрического поля;
5
все требуемые расчеты для нахождения параметров полоскового
направленного ответвителя, графические материалы, включая
поперечное сечение области связанных волноводов с указанием всех
конструктивных размеров;
все требуемые расчеты для нахождения параметров материала
сердцевины оптического волокна, графические материалы:
a) зависимость показателя преломления сердцевины волокна от
длины волны;
b) зависимость группового показателя преломления сердцевины
волокна от длины волны;
c) зависимость удельной материальной дисперсии волокна от
длины волны;
d) зависимость удельной волноводной дисперсии волокна от
длины волны;
e) зависимость удельной хроматической дисперсии волокна от
длины волны.
Последние три зависимости необходимо выполнить на одном рисунке;
все требуемые расчеты для оценки искажений импульсов при их
распространении по оптическим волокнам, а также графические
материалы:
a) временную зависимость гауссового импульса на входе
волокна;
b) временную зависимость гауссового импульса на выходе из
волокна;
c) временную зависимость кодовой последовательности «101» на
выходе из волокна;
заключение.
7. Курсовая работа, выполненная без соблюдения перечисленных
требований, не засчитывается и возвращается для переработки. Работа,
выполненная не по своему варианту, аннулируется.
6
I часть
Техническое задание по расчету параметров пленочного волновода
Изучите конспект лекций, учебную литературу и с помощью
методических указаний I части выполните следующие пункты согласно
вашему варианту задания. Все необходимые числовые значения параметров
для расчета приведены в табл.1.1, табл.1.2.
По предварительным данным параметров сред, используемых в
пленочных волноводах, согласно вашему варианту из табл.1.1 (показатели
преломления центральной среды n1, подложки n2, верхней среды n3), а также
длины волны источника излучения и количеству мод (табл.1.2.), рассчитать:
1. Параметры ,, для всех мод m (где =0,1,2,3) и заполнить
табл.1.3.
2. Толщину пленочного волновода, при котором обеспечивается
передача всех требуемых мод.
3. Значение постоянной распространения в центральной среде β,
коэффициенты затухания в подложке γ12, в верхней среде γ13 для
всех мод . Найти углы лучей ψ, соответствующие
распространяемым модам, а также коэффициент замедления nm,
скорость cm всех мод в пленочном волноводе. Заполнить табл.1.3.
4. Величину временного запаздывания между основной и
последней модой на единицу длины метра, а также на расстоянии
10 м. Основываясь на полученных данных и учитывая, что
мощность сигнала распределяется между модами (не учитывать
потери в волноводе), оценить максимальную скорость передачи
для такого пленочного волновода на расстоянии 10 м. По
результатам расчета сделать вывод о возможных областях
применения пленочного оптического волновода.
5. Рассчитать нормированные распределения электрического поля,
интенсивности всех мод в поперечном сечении пленочного
волновода. Заполнить табл.1.4. Нарисовать нормированные
зависимости полученных распределений от поперечной
координаты x (x= с шагом ).
7
Табл.1.1 – Параметры оптической среды
Вариант Х
Параметр
1 2 3 4 5
6
n
1
1,4
1,5
1,6
1,6
1,6
1,47
n2
1,3
1,2
1,3
1,5
1,4
1,45
n3
1,0
1,0
1,0
1,5
1,4
1,45
Вариант Y
Параметр
1 2 3 4 5
6
λ мкм
0,5
0,7
0,9
1,1
1,3
1,5
Кол-во мод
4 3 2 4 3
2
Параметр
Индекс моды m
u v V
β
γ
12
γ
13
ψ nm
c
m
0
1
2
3
Индекс
моды
Расстояние x
-6d/8
-5d/8
-d/2
-3d/8
-d/4
-d/8
0
d/8
d/4
3d/8
d/2
5d/8
6d/8
m=0
m=1
m=2
m=3
Табл.1.2 – Параметры оптического излучения
Табл.1.3
Табл.1.4
8
Теоретические материалы для выполнения задания I части
Структура пленочного волновода показана на рис.1.1. Пленочный
волновод состоит из тонкой пленки с малым оптическим поглощением
и показателем преломления
с меньшим показателем преломления
среда с показателем преломления
, которая лежит на прозрачной подложке
. Над пленкой находится
[1-3].
Рис. 1.1 – Структура пленочного оптического волновода
Большинство характеристик распространения мод пленки удобно
получить, рассматривая однородную плоскую волну, распространяющуюся внутри пленки по зигзагообразному пути, как показано на
рис.1.1, и испытывающую полное внутреннее отражение. В зависимости от угла наклона луча ψ однородная плоская волна либо преломляется, либо полностью отражается, таким образом, различают
моды пленки, волну над пленкой и волну подложки.
Для мод пленки угол ψ настолько мал, что они полностью
отражаются от обеих границ. Их поля уменьшаются экспоненциально
как в среде над пленкой, так и в подложке. Полезны и важны только
моды пленки. Волны над пленкой и подложки являются паразитными,
создающими нежелательные и мешающие поля излучения, которых,
однако, часто нельзя избежать при возбуждении мод пленки; они
образуются также на неоднородностях при распространении мод
пленки и вызывают потери и интерференционные помехи. Эти волны
могут иметь любой угол ψ в соответствующем им диапазоне углов. В
этом смысле они образуют континуум — непрерывное множество волн.
9
Моды пленки, наоборот, могут иметь в области
только конечное число дискретных значений углов .
,
Моды пленочного волновода различаются по поляризации плоской
волны, из которой они образованы. Если составляющая магнитного
поля параллельна плоскости падения, то моды пленки называются Н
или ТE-модами, поскольку поле волны в направлении распространения
имеет лишь составляющую магнитного поля; мода пленки содержит
при этом только поперечную составляющую электрического ( Т Е )
поля. Если составляющая электрического поля параллельна плоскости
падения, то моды пленки называются E или ТM-модами.
Собственные значения для мод пленки TE волн и для TM волн
определяются [1-3]:
TE волна TM волна
(1.1)
(1.2)
где
- нормированная поперечная составляющая волнового вектора внутри
пленки:
, (1.3)
- нормированная поперечная составляющая волнового вектора в
подложке:
, (1.4)
- нормированная поперечная составляющая волнового вектора в среде
над пленкой:
, (1.5)
- волновые векторы в средах 1,2,3;
- волновое число в
свободном пространстве,
- продольная составляющая волнового вектора в пленке, или
постоянная распространения:
, (1.6)
- толщина пленки.
Одно из двух уравнений собственных значений (1.1),(1.2) совместно с
тремя уравнениями (1.3)-(1.5) образуют систему из четырех уравнений для
четырех неизвестных величин: ,, и . Каждое из уравнений
собственных значений вместе с уравнениями (1.3)-(1.5) может иметь
единственное решение, соответствующее одному числу m. Эти моды
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]