Aperturnye_khar

1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение физических эффектов, связанных с распространением оптического излучения по волоконному световоду, и оценка апертурных характеристик отдельных образцов световодов.

2 СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2.1Анализ характеристик многомодового световода при возбуждении его когерентным источником и источником с низкой когерентностью

2.2Анализ характеристик многомодового световода

2.3Определение допустимого радиуса изгиба световода

2.4Изучение работы скремблера

2.5Определение числовой апертуры многомодового и одномодового волокна

3 ОБОРУДОВАНИЕ И ПРИБОРЫ

3.1 Лабораторная установка, включающая:

когерентный источник (Не-Ne лазер с блоком питания);

когерентный источник (полупроводниковый лазерный диод с фокусирующей насадкой и блоком питания);

блок входных разъемов, в которых расположены входные торцы исследуемых волоконных световодов;

скремблер, с регулируемым радиусом изгиба волокна;

одномодовый (маломодовый) световод, многомодовый световод в защитной оболочке с градиентным профилем коэффициента преломления и многомодовый световод без защитной оболочки со ступенчатым профилем коэффициента преломления;

блок выходных разъемов, в котором размещены выходные торцы исследуемых световодов;

телекамера с микрообъективом и блоком питания

3.2 Черно-белый монитор с блоком питания

3.3 Телевизионный осциллограф с блоком выделения строки

4 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

4.1 Проверка готовности студента к выполнению лабораторной рабо-

ты

4.2 Изучение теоретических основ, описывающих волновые явления на границе раздела двух диэлектрических сред

3

4.3Ознакомление с лабораторной установкой, приборами и порядком выполнения лабораторной работы

4.4Выполнение необходимых исследований, предусмотренных содержанием лабораторной работы

4.5Составление письменного отчета о проделанной работе

4.6Ответы на контрольные вопросы

5 ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

Характер распространения электромагнитных волн в направляющих системах, структура поля и частотный диапазон систем зависят, прежде всего, от класса волны, используемой для канализации энергии. Существуют волны сле-

Рисунок 1 Классы электромагнитных волн

Наряду с делением на классы электромагнитные волны делятся также по типам. Тип волны, или иначе мода, определяется сложностью структуры, т.е. числом максимумов и минимумов поля в поперечном сечении. Мода обозначается двумя числовыми индексами: n и m . Индекс n означает, например, в круглых волноводах число изменений поля по периметру волновода, а индекс

существует только в двухпроводных линиях передачи. Электромагнитные волны несимметричного типа E nm и H nm возбуждаются в металлических волно-

водах.

С электродинамической точки зрения волоконный световод представляет собой разновидность диэлектрического волновода круглого сечения. Поэтому в

4

ми элементами, которые обеспечивают его защиту от внешних воздействий. Как правило, их характеристики не влияют на процесс распространения оптических волн в световоде и поэтому здесь эти элементы не рассматриваются.

Для аналитического описания электромагнитного поля в волоконном световоде используют цилиндрическую систему координат. В этой системе коор-

точки в этой системе координат определяется тремя величинами: длиной ради- ус-вектора , азимутальным углом и продольной координатой z .

Электромагнитная волна в общем случае описывается проекциями векто-

ты системы координат. Для цилиндрической системы ортами являются три

вектора: 0 , , z 0 . Электромагнитная волна будут определяться шестью про- 0

Строгое решение задачи на основе электродинамического представления

где A, B, C, D постоянные интегрирования, определяемые из граничных условий на поверхности сердцевины;

5

этот индекс может принимать только целочисленные значения. В противном

При лучевом подходе каждый из этих мод соответствует лучи, расположенные в плоскости проходящей через ось световода как это показано на рисунке 4(а). Такие лучи называются меридиональными. Таким образом, симмет-

6

Распространение волн в волоконном световоде обеспечивается за счет явления полного внутреннего отражения. Это явление возможно в случае, если коэффициенты преломления сердцевины n 1 и оболочки n 2 оптического волок-

этими элементами. Поэтому важной характеристикой световода является закон изменения коэффициента преломления в сердцевине и оболочке вдоль координаты .

В простейшем случае, коэффициент преломления изменяется скачком на границе раздела между этими элементами. Такой световод называют ступенчатым. На практике величина скачка коэффициента преломления:

С целью минимизации искажений оптического сигнала, возникающих в процессе распространения волн в световоде, используют более сложные зависимости коэффициента преломления от координаты . Такие световоды получили название градиентных. В градиентном световоде ограничение области распространения оптической волны происходит по тем же причинам, что и в ступенчатых, но более сложным образом. Здесь уже нет ярко выраженной границы раздела, но за счет того, что коэффициент преломления увеличивается при приближении к центру световода, траектория, по которой движется энергия оптической волны, искривляется (рисунок 5(б)). В результате, при выполнении определенных условий, траектория концентрируется в ограниченной области, прилегающей к центру световода.

Суть явлений, происходящих в градиентном и ступенчатом световоде, во многом подобна. Поэтому в дальнейшем анализ проводится на основе рассмотрения более простой модели световода со ступенчатым изменением коэффициента преломления на границе раздела.

Качественный анализ процесса распространения волн можно проводить, используя законы геометрической оптики, полагая, что траектории распространение оптических лучей совпадают с направлением распространения волн. Такой подход не всегда оправдан, поскольку при этом теряется информация о характере изменения электромагнитного поля и его поляризации. Пример лучевого подхода приведен на рисунок 5, где показаны траектории лучей в ступенчатом и градиентном световодах.

Для выполнения условий полного внутреннего отражения необходимо,

в литературе называют зигзагообразной волной.

Всем лучам, которые падают на границу раздела сердцевина-оболочка под углами, превышающими В угол полного отражения, соответствуют так

называемые, направляемые волны (моды) световода.

Общей особенностью всех направляемых мод является то, что их составляющие поля в окрестности центра световода, описываются осциллирующими функциями они счетное количество раз достигают максимальных и минимальных значений. При удалении от центра все составляющие поля монотонно убывают до нуля (см. рисунок 3). Основная доля энергии электромагнитной волны переносится в области, где происходят осцилляции. Ее поперечные размеры и определяют "физический диаметр" световода, причем он имеет разное значение для каждой моды. Его значение превышает диаметр сердечника d , поэтому в процессе изготовления важно обеспечить качественные характеристики не только материала сердечника, но и оболочки.

Строгий анализ показывает, что моды отличаются друг от друга не только структурой поля, "физическим диаметром", но и скоростью, с которой энергия электромагнитного поля переносится вдоль световода. Условия существования данной моды в световоде выполняются только тогда, когда длина волны источника света будет меньше некоторого критического значения o .

Оно зависит от геометрических размеров сердечника и оболочки, а также от

Кроме направляемых в световоде могут существовать моды излучения или вытекающие. Лучи, которыми они образуются, падают на границу раздела под углами, меньшими критического значения В . Поэтому для них не выпол-

няется условие полного внутреннего отражения и в результате каждого падения на границу раздела, часть энергии, переносимая ими, уходит за пределы световедущей области. Потери, которые они испытывают при отражении, существенно больше по величине, чем для направляемых мод. Но если качество материала, из которого изготовлен световод, высокое, то доля энергии, переносимая ими, оказывается значительной даже на большом расстоянии (до десятков километров) от источника света. Наличие этих мод служит источником дополнительных шумов и искажений информации в оптической линии связи.

Устранить их влияние на качество связи можно, используя скремблирование. Специальные устройства называемые скремблерами, нарушают регулярность световода на коротком участке: искажают его профиль, вносят резкие изгибы (рисунок

6).

8

За счет этого в месте нарушения регулярности резко возрастают потери, которые обусловлены нарушением условий полного внутреннего отражения на границе раздела сердцевина оболочка. Это приводит к частичному выводу энергии всех волн за пределы световедущей области, причем для излучаемых и вытекающих мод в более значительной степени, чем для направляемых. При достаточной протяженности такого участка нарушения регулярности все нежелательные моды выходят за пределы световода и не участвуют далее в процессе распространения.

Создаваемые нерегулярности обычно характеризуются радиусом изгиба. Применительно к скремблеру радиус изгиба может быть оценен исходя из геометрических представлений, поясняемых рисунком 7. Как видно из рисунка радиус изгиба может быть найден на основе известного соотношения для длины хорды

стягивающей дуга с искомым радиусом R и заданной величиной стрелки дуги h . Откуда нетрудно выразить радиус изгиба

При этом следует иметь в виду, что из физических соображений радиус изгиба не может быть меньше радиуса

При построении волоконно-оптической линии связи важно обеспечить эффективный ввод излучения, которое формируется внешним источником, в световод. Как правило, в современных линиях связи применяются полупроводниковые источники лазерные диоды (ЛД) или светоизлучающие диоды (СИД). Они создают пучок оптических лучей, которые, распространяясь в воздушной среде, падают на торец световода под различными углами. Параметры этого пучка оцениваются расходимостью в двух взаимно перпендикулярных

9

лучей, созданных источником, на границу раздела световод воздух происходит их частичное отражение, вызванное различием в коэффициентах преломления этих двух сред (Френелевское отражение). В конечном итоге это определяет один из источников энергетических потерь в линии. Для уменьшения их применяют специальные методы согласования параметров стыкуемых сред.

Эффективность ввода излучения в значительной степени определяется согласованием расходимости пучка лучей, созданного источником, с характеристиками волоконного световода. Для того чтобы попавшие в сердцевину волокна лучи испытывали полное внутреннее отражение на границе раздела сердцевина оболочка необходимо, чтобы на торец световода (рисунок 8) они падали под углами, не превышающими некоторое значение А угловой апер-

туры световода. При этом они будут соответствовать направляемой моде световода. Следовательно, имеются ограничения на максимальную расходимость

мой апертурой волоконного световода. Таким образом, апертурой волоконного световода называется угол между оптической осью волоконного световода и одной из образующих оптического конуса падающего в торец волоконного световода при котором выполняются условия полного внутреннего отражения. На практике используется величина, получившая название "числовая апертура"NA, которая связана с А простым соотношением:

NA sin А . (6)

Используя законы геометрической оптики, легко получить связь числовой

лено, что NA 0 , 2 .

10