Лабораторна робота №1. Дослідження ефективності узгодження волоконних світловодів з напівпровідниковими джерелами оптичного випромінювання

1. Загальні відомості.

Особливістю волоконних світловодів (ВС) є неможливість введення в них значних рів­нів потужності оптичного потоку від звичайних джерел світла (ДС) (операцію введення оптичного потоку в ВС називають іще “збудженням ВС”). Обумовлюється це двома при­чинами. Перша з них  вельми мала площа поперечного перерізу світловедучого осердя ВС, через яке і відбувається ввід в них світлового потоку. Друга причина  мала числова апертура ВС. Все це в першу чергу стосується стандартних одномодових (ОМ) ВС на ос­нові кварцевого скла, які призначаються для побудови волоконно-оптичних ліній зв’язку (ВОЛЗ) великої протяжності. Для таких ВС діаметр світловедучого осердя складає вели­чину ~ 710 мкм, а числова апертура ~ 0,1.

Виходячи з цього, можна сформулювати вимоги до ДС для збуджування таких ВС. Для найкращого узгодження з ВС поверхня ДС, що випромінює світло, має бути круглою, з та­ким же діаметром, як і у світловедучого осердя ВС. Діаграма спрямованості ДС при цьому має бути осесиметричною, а її кутовий розмір  не перевершувати апертурного кута ВС. Очевидно, найкраще перерахованим вимогам відповідають лазерні ДС. Для таких ДС ха­рактерними є висока ступінь монохроматичності випромінюваного ними оптичного пото­ку (а, отже, і висока його когерентність), високі об’ємні густини енергії в потоці та мала його розбіжність (вузька діаграма спрямованості). Це означає, що навіть коли поперечний переріз лазерного пучка суттєво перевищує поперечний переріз світловедучого осердя ВС, то і тоді його можна зфокусувати в межах поперечного перерізу світловедучого осердя ВС і його апертурного кута.

Очевидно, найкраще відповідають цим вимогам лазерні ДС. Напівпровідникові лазери мають до того ж ще й високий коефіцієнт корисної дії та хороші масогабаритні характе­ристики, що суттєво спрощує проблему їх механічного і оптичного узгодження із ВС. Тут же зауважимо, що напівпровідникові лазери є продуктами високих технологій, а отже є і відносно дорогими виробами, порівняно, наприклад, зі світловипромінюючими діодами (СВД).

Таким чином, для збудження ВС в трактах волоконно-оптичних (ВО) ліній далекого зв’язку (ЛЗ), коли в них необхідно вводити оптичні потоки порівняно великої потужності, використання лазерних ДС є виправданим. Разом з тим, для коротких ВОЛЗ, створюваних для потреб зв’язку в межах окремих об’єктів, чи бортових ВОЛЗ, вхідні рівні потужності оптичних сигналів можуть бути значно меншими, що дає можливість використовувати для збудження ВС в таких ВОЛЗ значно дешевших СВД. При цьому слід зазначити, що використання звичайних СВД, з тих що випускаються промисловістю серійно, наприклад, АЛ-107, буде дуже малоефективним саме з причини неможливості їх ефективного узгод­ження з ВС. Якщо площа СВД, що світиться, значно перевищує площу поперечного пере­різу світловедучого осердя і має діаграму спрямованості випромінювання близьку до сфе­ричної (так звані “ламбертівські ДС”), то жодні оптичні елементи (лінзи, дзеркала, фокони і ін.) не в змозі зібрати випромінювання з поверхні СВД так, щоб все його можна було ввести в ВС. Більше того, використання вищезгаданих оптичних елементів, здатне тільки погіршити ефективність узгодження такого ДС з ВС. Найпростішим розв’язком проблеми в даному випадку буде просто розташування торця ВС навпроти СВД так, щоб їх поверхні були паралельними. При цьому відстань між цими поверхнями може бути якою завгодно, хоча б і нулевою  аби лиш площа СВД перебувала в межах зрізу апертурного конусу ВС. Краще за все тоді торець ВС просто приставити “впритул” до поверхні СВД, а для забез­печення надійного механічного контакту ДС із торцем ВС, його кінець можна і приклеїти (за допомогою оптичного клею) до поверхні СВД, що світиться. Зрозуміло, що ті елемен­ти поверхні СВД, які опинилися поза межами площі торця світловедучого осердя ВС, пра­цюють “даремно” і фактично є непотрібними. Саме так іноді і роблять, виготовляючи мі­ніатюрні СВД “по розміру” площі поперечного перерізу світловедучого осердя ВС, і на­клеюючи їх на торець ВС за допомогою спеціального оптичного клею, оптична густина якого є такою ж, як і у світловедучого осердя ВС.

Мета роботи.

Метою даної лабораторної роботи є визначення ефективності узгодження ВС різних типів з різними типами напівпровідникових ДС.

1.2. Підготовка до виконання лабораторної роботи.

Кількісну оцінку ефективності узгодження  ВС з ДС можна отримати розрахунковим шляхом, скориставшись виразом:

, (1)

де n  число, яке характеризує міру “витягнутості” діаграм спрямованості ДС (Власне, n є показником степені при функціїї косинуса у виразі, що описує діаграму спрямованості йо­го випромінювання, задану в полярних координатах: І = І₀Cosⁿ. Величина кута  відра­ховується від перпендикуляра, опущеного на поверхню ДС. Якщо n = 1 і поверхня ДС, що світиться, є плоскою, то це випадок так званих, ламбертівських ДС, куди можна віднести і СВД; характерною ознакою цих ДС є те, що їх яскравість не залежить від кута, під яким ці ДС спостерігають. Для напівпровідникових лазерів, діаграма спрямованості є вже значно вужчою і величина n для них може лежати в межах від 5 до 15). Числова апертура ВС NA = Sin_A, де _A  це той найбільший кут падіння оптичного віпромінювання на торець світ­ловедучого осердя ВС, при якому воно, потрапивши в об’єм осердя ВС, ще буде каналю­ватися ним; S_BC  площа поперечного перерізу світловедучого осердя ВС; S_Дж  площа поверхні ДС, через яку з нього виходить світло.

В даній роботі визначається ефективність узгодження для двох типів ВС з двома типа­ми ДС. В якості ВС використовуються стандартні кварцеві ВС фірми CORNING GLASS, що призначаються для побудови ліній далекого зв’язку: а) ОМ ВС, з діаметром світлове­дучого осердя d_c = 7 мкм і діаметром світлоізолюючої оболонки d_об = 125 мкм; б) багато­модові (БМ) ВС з градієнтним профілем показника заломлення, з діаметром світловедучо­го осердя d_c = 50 мкм і діаметром світлоізолюючої оболонки d_об = 125 мкм. Ці ВС мають також полімерне захисно-зміцнювальне покриття на основі поліакрилатних смол. Загаль­ний зовнішній діаметр цих ВС складає d_заг = 270 мкм (див. мал.1)

Мал.1. Схематична будова (структура) ВС.

В даній лабораторній роботі в якості ДС використовуються: а) СВД з р-n-переходом на основі фосфіду галія, що світиться червоним кольором при пропусканні через нього струму при прямому зміщенні переходу; б) напівпровідниковий лазер типу ИЛПН-106 з гетеропереходом на основі четверних сполук А^ІІІВ^V, який випромінює в інфрачервоній області спектру з довжиною хвилі 0,85 мкм. Загальний вигляд поверхонь ДС, через які із них виходить світловий потік, показана на мал. 2.

а) б)

Мал. 2. а) поверхня СВД; а  а  розміри світловипромінюючої поверхні; б) поверхня лазера; b  c  розміри світловипромінюючої поверхні.

1.3. Хід виконання лабораторної роботи.