Aperturnye_khar

светка торца световода, монотонно спадающая к его краям. Модовая структура при этом никак не проявляется.

Второй способ сложения реализуется при использовании когерентного источника света. В этом случае фазовые сдвиги i между полями отдельных мод стабильны во времени и происходит их интерференционное сложение. В результате на выходном торце световода наблюдается сложная интерференционная картина, представляющая собой чередование участков с максимальной и нулевой засветкой. За счет колебаний температуры, механической деформации и любых других воздействий, при которых происходит изменение оптического пути моды по световоду, интерференционная картина на его торце меняется. Реально это проявляется в постоянном изменении положения светлых и темных участков. Поскольку она проектируется на чувствительную площадку фотоприемника и определяет его ток, в системе связи возникают шумы, обусловленные всеми причинами, приводящими к изменению интерференционной картины. Устранить этот шум можно, если использовать совместно с многомодовым волокном некогерентный источник света. При этом моды на выходном торце волокна не могут интерферировать. Они складываются по мощности, образуя равномерную засветку чувствительной площадки фотоприемника. Распределение интенсивности этой засветки не подвержено никаким случайным изменениям.

Второй вариант, устраняющий "модовый шум" в волоконной линии использование одномодового световода совместно с когерентным источником света. При этом картинка засветки также стабильна, поскольку она образуется только одной модой, распространяющейся по световоду. Интерференции и в этом случае нет.

Шум, подобный модовому, возникает, если одномодовое волокно используется совместно с некогерентным источником света. В этом случае случайные изменения засветки происходят не в пространстве (на выходном торце световода), а во времени. Они обусловлены тем, что случайным образом меняются условия возбуждения одномодового световода некогерентным источником.

6 ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Структурная схема лабораторной установки изображена на рисунке 9.

Вее состав входят:

-когерентный источник 1 (Не-Ne лазер с блоком питания);

-источник с ограниченной когерентностью 2 (полупроводниковый лазерный диод с фокусирующей насадкой и блоком питания);

-блок входных разъемов 3, в которых расположены входные торцы исследуемых волоконных световодов;

-скремблер 4, с регулируемым радиусом изгиба волокна;

12

Рисунок 9 Структурная схема лабораторной установки

-одномодовый (маломодовый) световод 5, многомодовый световод в защитной оболочке с градиентным профилем коэффициента преломления 6 и многомодовый световод без защитной оболочки со ступенчатым профилем коэффициента преломления 7;

-блок выходных разъемов 8, в котором размещены выходные торцы исследуемых световодов;

-телекамера с микрообъективом 9 и блоком питания 10;

-черно-белый монитор 11;

-телевизионный осциллограф 12 с блоком выделения строки.

Источники 1 и 2 закреплены на юстировочной подвижке, позволяющей менять их положение относительно входного торца исследуемого световода, что позволяет регулировать вводимую в него оптическую мощность (точная регулировка).

Входные разъемы световодов закреплены в юстировочной подвижке, позволяющей перемещать их в двух поперечных направлениях относительно луча источников для предварительного совмещения луча источника и торца световода (грубая регулировка).

Выходные разъемы размещены на едином экране, который может перемещаться в горизонтальном направлении относительно телекамеры. Экран служит также для защиты объектива телекамеры от паразитных засветок.

13

Телекамера размещена на штативе, позволяющем регулировать ее положение по высоте. С помощью микровинта обеспечивается ее продольное (относительно оси волокна) перемещение, необходимое для измерения числовой апертуры.

Скремблер позволяет плавно регулировать радиус изгиба волокна, закрепленного между подвижными и неподвижными стержнями.

Все элементы установки размещены и закреплены на едином металлическом основании, обеспечивающем их жесткую регулировку друг относительно друга и значительно ослабляющей влияние механических колебаний на результаты измерений.

7 ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

7.1Включить питание телекамеры, монитора, осциллографа и лазерного диода (источника с ограниченной когерентностью).

7.2С помощью регулировочных винтов на подвижке входных разъемов волокон совместить грубо торец градиентного волокна в защитной оболочке 6

случом источника.

7.3Перемещая телекамеру с помощью регулировочных винтов на штативе, установить ее в положение, при котором ее объектив совмещен с выходным разъемом исследуемого световода, а продольное положение соответствует нулевому отсчету на горизонтальной шкале. При необходимости отрегулировать положение экрана с выходными разъемами световодов, перемещая его в поперечном направлении.

7.4Используя регулировочные винты на юстировочной подвижке источников и, меняя угловое положение светоизлучающего диода и перемещая его при необходимости в поперечном направлении с помощью регулировочных винтов, добиться появления на экране монитора изображения излучения из торца исследуемого световода. При необходимости произвести повторную юстировку телекамеры.

7.5С помощью органов управления осциллографа добиться на его экране осциллограммы строки, соответствующей середине пятна изображения излучения из торца световода.

7.6Зарисовать полученную осциллограмму.

7.7Выключить питание лазерного диода и включить питание газового лазера (когерентного источника).

7.8Повторяя все операции п. 7.2 7.5, получить на экране монитора изображение пятна излучения из торца световода. Обратить внимание на наличие интерференционная картина и ее резкую зависимость от малейших деформаций.

7.9Поскольку, в этом случае осциллограмма, соответствующая выделенной строке нестабильна, зарисовать качественную ее картину.

14

7.10Выполняя юстировочные операции, описанные в п. 7.2 7.5, произвести возбуждение световода 7 без защитной оболочки.

7.11Проверить правильность укладки волокна в скремблере. Оно должно располагаться между подвижными и неподвижными штырями.

7.12Меняя радиус изгиба исследуемого волокна, с помощью регулировочного винта скремблера добиться излучения на деформируемых участках световода. Оно наблюдается визуально и соответствует "покраснению" световода в местах деформации (в скремблере). Отметить значение радиуса изгиба, соответствующего началу излучения.

7.13 Выполнить юстировочные операции, описанные в п. 7.2 7.5, и произвести возбуждение одномодового волокна световода 5. В этом случае юстировочные операции следует выполнять особо тщательно, поскольку диаметр сердцевины одиночного световода составляет 10 мкм.

7.14 Следует отметить, что световод расчитан на работу с источником, имеющим длину волны 1,3 мкм. В лабораторном макете используется источник с длиной волны 0,63 мкм, приходящейся на видимый диапазон. Это позволяет визуально наблюдать картину излучения. Но одномодовый световод при этом становиться "маломодовым". В нем возбуждается не одна, а несколько первых мод ( 5). Картина излучения, наблюдаемая на экране монитора, отличается от картины, соответствующей многомодовым световодам.

7.15Зарисовать осциллограмму излучения из выходного торца одномодового световода.

7.16Произвести измерение числовой апертуры одномодового световода. Для этого выполнить следующие операции.

7.16.1Поместить телекамеру в положение, соответствующее нуле-

вому отсчету по продольной шкале, нанесенный на штатив.

7.16.2 С помощью органов управления осциллографа выбрать строку, соответствующую приблизительно центру наблюдаемого пятна. Она соответствует максимальной ширине колоколообразного импульса, наблюдаемого на экране осциллографа.

7.16.3 Выбрать и зарисовать в протоколе отчета осциллограмму наблюдаемого импульса.

7.16.4 Отметить и зафиксировать размер наблюдаемого пятна соответствующего данному положению телекамеры по осциллограмме на уровне соответствующем 0,5 от амплитудного значения наблюдаемого сигнала.

7.16.5 Переместить телекамеру вдоль оси волокна на расстояние 5 мм (по шкале на штативе).

7.16.6 Отметить и зафиксировать размер наблюдаемого пятна, соответствующего данному положению телекамеры, сохранив выбранный отсчетный уровень.

7.16.7 Провести измерения размера пятна, поместив телекамеру на расстояниях 10, 15, 20, 25 мм по шкале на штативе.

7.16.9 Выключить питание лазера.

15

7.17Провести измерения числовой апертуры для градиентного волокна 6

воболочке и волокна 5, без защитной оболочки. В этом случае в качестве источника следует использовать лазерный диод, поскольку наличие ярко выраженной интерференционная картина затрудняет измерение числовой апертуры для многомодовых световодов. Выполнить следующие операции:

7.17.1Включить питание лазерного диода.

7.17.2По методике, описанной в п. 7.2 7.5 произвести юстировку

макета, возбуждая один из двух исследуемых световодов.

7.17.3 Провести измерение числовой апертуры по методике, описанной в п. 7.16.

7.17.4 Повторить измерения для последнего световода.

8 ОБРАБОТКА ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

8.1Пользуясь результатами проделанных измерений по формулам (4) или (5) рассчитать предельный радиус изгиба оптического волокна.

8.2Произвести расчет числовой апертуры для трех типов оптического волокна. Для этого выполнить следующие операции

8.2.1 Построить зависимость размера пятна с торца световода от положения телекамеры и аппроксимировать ее прямой линией. При этом по оси абсцисс отложить размеры пятна, выраженные в относительных единицах

шкалы осциллографа, а по оси ординат значения шкалы штатива телекамеры, определяющие ее положение, в миллиметрах.

8.2.2 Продолжить построенную линию в сторону отрицательных значений оси ординат на 10 мм. Это соответствует положению камеры, когда торец световода непосредственно соприкасается с ее окном. Тогда размер светового пятна по оси абсцисс в относительных единицах будет соответствовать истинному значению диаметра сердцевины волоконного световода.

8.2.3 С учетом соотношения известных размеров диаметра сердечника и размеров пятна, выраженных в относительных единицах, найти соотношение между абсолютными и используемыми относительными единицами измерения.

9 СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

9.1Функциональная схема установки

9.2Результаты измерений и расчетов, оформленные в виде таблиц

9.3Эскизы изображений модовой структуры на торцах трех типов волоконных световодов и соответствующие им осциллограммы

16

9.4 Графики зависимостей размеров светового пятна от положения камеры и результаты апраксимации экспериментальных данных для трех типов световодов.

9.6Выводы по работе:

характеристика полученных результатов;

как практически могут использоваться исследованные образцы оптических световодов.

10 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

10.1Классы электромагнитных волн.

10.2Что такое тип электромагнитной волны или мода и как он обозначается?

10.3Какие типы электромагнитных волн могут существовать в световоде?

10.4Какие моды световода называются направляемыми?

10.5Какие типы волн в световоде называются вытекающими или модами излучения?

10.6Что такое скремблер? Его назначение.

10.7Что называется угловой и числовой апертурой волоконного световода?

10.8Записать выражение для числовой апертуры световода через коэффициенты преломления сердцевины и оболочки.

10.9Пояснить природу модовых шумов.

10.10Перечислить и пояснить методы борьбы с модовыми шумами.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1Лопатин, В.Ф. Физические основы волоконной оптики / В.Ф. Лопатин, Е.Н. Мищенко. Ростов н/Д: РГУПС. 2006. 168 с.

2Мищенко, Е.Н. Линии железнодорожной автоматики, телемеханики и связи / Е.Н. Мищенко Е.Н. Ростов н/Д: РГУПС. 2008. 157 с.

17