ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Лабораторная работа №1

по спецпрактикуму

ОПТИЧЕСКИЕ НАПРАВЛЯЮЩИЕ СРЕДЫ И ПАССИВНЫЕ КОМПАНЕНТЫ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ СВЯЗИ

Уфа – 2006

Печатается по решению кафедры "Статистическая радиофизика и связь"

от 20 ноября 2006 г.

Составители: к.ф-м.н., доцент Сагитов Р. Г.,

ст. преп. кафедры Лопатюк А. В.

Лабораторная работа №1

Исследование волоконно-оптического ответвителя

и потерь в волоконно-оптическом тракте.

Цель работы: изучение принципов распространения излучения в волоконно-оптических системах, исследование характеристик волоконно-оптического ответвителя и влияния зазора на потери в волоконно-оптическом тракте.

Приборы и принадлежности: волоконно-оптический ответвитель, эталонный световод, оптический тестер, микрометрический манипулятор с зеркалом.

Теоретическая часть. Электромагнитная природа оптического излучения означает, что строгое исследование процесса распространения световых волн в оптическом световоде может быть выполнено лишь на основе уравнений электродинамики (уравнений Максвелла), т.е. методами волновой теории. Однако в тех случаях, когда длина волны излучения  гораздо меньше размеров поперечного сечения световода, для описания процесса распространения света можно пользоваться методами геометрической (лучевой) оптики, которые отличаются простотой и наглядностью.

На рис.1 представлена конструкция оптического световода. В зависимости от профиля показателя преломления сердцевины световоды разделяются на ступенчатые и градиентные. Световод называется ступенчатым, если значение показателя преломления остается постоянным в пределах сердцевины, причем показатель преломления сердцевины больше показателя преломления оболочки. В случае градиентного световода профиль показателя преломления является монотонно убывающей функцией радиуса в пределах его сердцевины. Наиболее распространены кварцевые световоды с диаметром сердцевины 50 мкм и диаметром оболочки 125 мкм.

Рис.1 Конструкция световода.

1 - сердцевина, 2 - оболочка.

Рассмотрим ход меридиональных (пересекающих ось световода) лучей, падающих из свободного пространства с показателем преломления n₀ на входной торец ступенчатого световода (рис.2).

Рис 2. Прохождение меридиональных лучей по ступенчатому световоду.

Луч, падающий под углом  к оси световода, преломляется на торцевой поверхности под углом ₁ и затем падает на границу серцевина-оболочка под углом =/2  ₁ . В соответствии с законами преломления и отражения света на границе раздела двух сред справедливы соотношения:

n₀sin=n₁sin₁ (1)

_кр=arcsin(n₂n₁), (2)

где _кр - предельный (критический) угол для границы серцевина-оболочка.

В случаях, когда > _кр, преломленная волна отсутствует, и свет полностью отражается от поверхности оптически менее плотной среды. Это значит, что эти лучи распространяются вдоль серцевины, многократно претерпевая полное внутреннее отражение на границе с оболочкой, причем процесс распространения может происходить на много километров. При = _кр получается максимальный угол _max , при котором луч еще удерживается сердцевиной. Значение этого угла _max можно указывать в радианах или градусах, но обычно этот угол характеризуют величиной

A=n_osin_max , (3)

которая называется числовой апертурой.

В соответствии с (1) и (2), можно записать:

n_osin_max = n₁sin(/2  _кр) (4)

Учитывая, что

sin(/2  _кр)₌cos _кр= (1sin²_кр)^1/2 = (1n₂²n₁²)^1/2, (5)

получим

A=(n₁²n₂²)^1/2 n₁ (2 )^1/2. (6)

Здесь учтено, что в практических световодах

= (n₁n₂)/ n₁<<1, n₁₊n₂2n₁. (7)

На выходном торце световода происходит преломление на границе сердцевина-среда. При этом в среду выходит луч под углом  к оси световода. Часть излучения отражается от этой границы обратно в сердцевину, другая часть выходит в свободное пространство. В случае если угол  мал, коэффициент отражения от границы сердцевина-среда описывается следующим выражением:

r= (n₁n₀)²/(n₁+n₀)². (8)

Одной из характеристик световода является пропускание:

T=P_вых/P_вх, (9)

где P_вых, P_вх - мощность излучения на выходе и входе световода, соответственно.

На практике часто используют величину, определяющую потери излучения в световоде, выраженную в децибелах:

K=10 lgT [дБ]. (10)

Заметим, что выражения для пропускания и потерь справедливы не только для одиночных световодов, но и для сложных систем, содержащих световоды, соединители и т.д.

Важным элементом волоконно-оптических систем является волоконно-оптический ответвитель, т.е. оптическое устройство, содержащее более двух оптических входов (полюсов), между которыми имеется оптическая связь. Волоконно-оптический ответвитель характеризуется набором коэффициентов K_{i j} , где i - номер оптического полюса, в который вводится излучение, j- номер полюса, в котором измеряется мощность излучения. Схематично трехполюсный волоконно-оптический ответвитель изображен на рис.3. Такой ответвитель называется направленным.

Рис. 3. Волоконно-оптический ответвитель.

При возбуждении излучения в 1 полюсе мощность делится между 2 и 3 полюсами. Для идеального симметричного ответвителя справедливо:

К₁₂=К₁₃3дБ (11)

Можно показать, что и при возбуждении 2 и 3 полюса происходит потеря половины мощности излучения:

К₂₁=К₃₁3дБ (12)

При этом мощность в смежном полюсе много меньше мощности излучения в возбуждаемом полюсе:

К₂₃<<1дБ К₃₂<<1дБ (13)

Каким бы длинным не был отрезок отдельного волокна, никакая система связи не может обойтись без необходимости соединения волокон между собой. На практике в разъемных соединениях могут быть смещения и рассогласования, приводящие к дополнительным потерям (рис. 4).

Рис. 4. Виды рассогласования разъемных соединителей.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ. Установка включает оптический тестер, эталонный световод, ответвитель, микрометрический манипулятор с зеркалом, закрепленные на одной плите (рис. 5).

Рис. 5. Лабораторная установка.

Оптический тестер представляет собой оптико-измерительный прибор, содержащий источник излучения (полупроводниковый светодиод) и измеритель мощности оптического излучения. На верхней панели расположены органы управления:

 переключатель пределов измерений “Выбор пределов”,

 ручка установки нуля “Уст. нуля”,

 кнопка включения излучателя “Вкл. изл.”,

 оптический разъем излучателя (нижний),

 оптический разъем фотоприемника (верхний).

В нерабочем состоянии оптические разъемы тестера должны быть закрыты резьбовыми колпачками. На задней стенке оптического тестера размещены гнезда для подключения питания 9 В и выход для подключения цифрового вольтметра или осциллографа (в данной работе не используется). Перед проведением измерений необходимо убедиться в том, что излучатель и фотоприемник закрыты колпачками. Поставить переключатель “Выбор пределов” в положение ”10 нВт”. При помощи ручки “Уст. нуля” установить нуль. Тестер готов к измерениям. При проведении измерений необходимо измерять в том диапазоне, в котором чувствительность максимальна, а стрелка тестера не зашкаливает.

Волоконно-оптический ответвитель представляет собой трехполюсник с оптическими разъемами 1,2 и 3. Полюса выполнены в виде стандартных оптических разъемов.

Эталонный световод представляет собой отрезок световода с оптическими разъемами 4 и 5.

Микрометрический манипулятор с зеркалом предназначен для исследования влияния зазора между торцами волокон на потери в волоконно-оптическом тракте (рис. 6).

Рис. 6. Схема исследования влияния зазора на потери в волоконно-оптическом тракте.

В качестве приемного и передающего световода используется направленный ответвитель. Один оборот ручки манипулятора соответствует перемещению на 0,5 мм, 1 деление на ручке соответствует перемещению на 0,01 мм. На подвижном столике манипулятора закреплено гнездо для оптического разъема, на неподвижной части манипулятора - цилиндр с зеркальной поверхностью. Диапазон возможных положений подвижного столика - от 68 до 75 мм (отсчеты по шкале манипулятора).

При проведении измерений необходимо помнить, что при неосторожном обращении световод может повредиться. Правила обращения со световодами следующие:

- не допускать образования узлов на световодах,

- не допускать изгибов световодов с радиусом менее 0,5 см,

- не прикасаться к торцам световодов на полированных торцах оптических разъемов металлическими или другими твердыми предметами.

Допускается протирать торцы оптических разъемов мягкой чистой тканью.

Оптические разъемы соединять плотно, до конца, но без больших усилий.

Упражнение 1 Изучение волоконно-оптического ответвителя и измерение его характеристик.

Сначала определяют мощность излучения, вводимого в световод. Для этого используют эталонный световод, имея в виду, что характеристики световодов эталона и ответвителя идентичны.

1. Подготовить оптический тестер к измерениям. Снять защитные колпачки с оптических разъемов тестера. Включить излучатель тестера.

2. Вставить полюс 4 эталона в разъем излучателя, а полюс 5 - в разъем фотоприемника.

3. Измерить значение мощности при этом соединении Р₄₅ .

4. Поменять местами полюсы 4 и 5.

5. Измерить значение мощности Р₅₄ .

6. Вычислить среднее значение мощности излучения в световоде

Р₀ = (Р₄₅ + Р₅₄) /2.

7. Вставить полюс 1 ответвителя в разъем излучателя, полюс 2 - в разъем фотоприемника. Измерить значение мощности при этом соединении Р₁₂.

8. Провести измерения значений Р₂₁, Р₁₃, Р₃₁, Р₂₃, Р₃₂ (аналогично Р₁₂).

9. Вычислить значения К₁₂ , К₂₁ , К₁₃ , К₃₁ , К₂₃ , К₃₂ по формуле:

К_{i j} = 10 lg (P_{i j} / P₀)

10. Проанализировать результаты измерений.

Упражнение 2 Исследование влияния зазора на потери в волоконно-оптическом тракте.

1. Подготовить оптический тестер к работе.

2. Вставить 2 полюс ответвителя в оптический разъем излучателя на тестере, 3 полюс - в разъем фотоприемника.

3. Установить микрометрический манипулятор в положение, соответствующее отсчету 70-72 мм.

4. Вставить 1 полюс ответвителя в гнездо оптического разъема на подвижном столике манипулятора. При этом необходимо следить, чтобы выступ в корпусе оптического разъема 1 полюса совпал с пазом на оптическом разъеме, установленном на столике. Завернуть накидную гайку оптического разъема 1 полюса. При этом торец 1 полюса должен быть в одной плоскости с плоской частью оптического разъема, закрепленного на манипуляторе.

5. Определить положение манипулятора x₀ , соответствующее касанию поверхности зеркала с торцом 1 полюса ответвителя. При этом положении показания оптического тестера достигают максимального значения P_max.

6. Измерить зависимость показаний оптического тестера Р_вых от положения микрометрического манипулятора L, отсчитываемого по шкале манипулятора.

7. Измерить значение P_min, когда зазор между торцом световода и зеркалом составляет 2-3 мм. Эта величина является фоновой.

8. Отсчитать расстояние от зеркала до торца световода по формуле:

x=x₀ L,

где x - расстояние от зеркала до торца световода,

L - текущее положение манипулятора.

9. Результаты представить в виде таблицы 1.

Таблица 1.

№ п/п	L, мм	x, мм	Pвых		K=10lgT

По полученным результатам построить график зависимости K от x.

10. Проанализировать результаты измерений.

11. Рассчитать погрешность измерений.