Измерение апертуры оптических волокон

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники

(СВЧ и КР)

ИЗМЕРЕНИЕ АПЕРТУРЫ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН

Методические указания к лабораторной работе Направление подготовки 11.04.02 «Инфокоммуникационные технологии и

системы связи». Магистерская программа «Оптические системы связи и обработки информации»

Томск 2018

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники

(СВЧ и КР)

Утверждаю

Зав. каф. СВЧ и КР

____________С.Н. Шарангович

ИЗМЕРЕНИЕ АПЕРТУРЫ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН

Методические указания к лабораторной работе Направление подготовки 11.04.02 «Инфокоммуникационные технологии и

системы связи». Магистерская программа «Оптические системы связи и обработки информации»

Разработчики:

проф. каф. СВЧ и КР

___________А.Е. Мандель доц. каф. СВЧ и КР

___________А.С. Перин

Томск 2018

ИССЛЕДОВАНИЕЛабораторнаяАПЕРТУРЫ ОПТИЧЕСКОГОабот №3

ВОЛОКНА

волокон,Ц лья работы:ляющимисяознакомлениеодной из основныхапертурнымихарактеристиквойствамиОВ, ответственныоптических

за

1. Введе

ие ввода сигналов.

вол

называется

угол

между

эффективностьАпертур ым

углом

оптическогоодной

оптич ской

осью

ия

из

бркназующих

нуса,

внутреннего

отраже

чей на

границе

раздела

«сердце ина-оболполногочка».

Лучи, находящиеся

волокнаутриуказанного конуса,

световогосо окупность мод,

попадающего

торец

на,

при

тором выполняется условие

направляемых

волокном.

урпредставляютоптического волокн

2. Апертурный угол и числовая

Апер урным углом многомодовогоапер

волокна называется угол

попадающего

в торец воло на,

при

торомческоговып лняется условие

нутреннего

отраже

ия

волокначей на границе раздела «сердце ина-оболполногочка».

Лучи, находящиеся

утриуказанного

конуса,

сосветокупность мод,

между

ической осью

одн й

из образующих

ого

нуса,

коэффициентовопределениипреломл ния сердцеви ы волокна n1

оболочка волокна .

во

кна. При

числов й

апертурыпредставляюткачестве внешней среды

направляемых

волокном. Синус апертурного угла есть числовая апертура

условиях

величина

ап ртурного коэффициентугла апертуры зависят

от значений

берется воздух, который им ет

преломления

. В эт х

двух

рискоэффиц

нт ми прелораспространения, причем

>

. 2.1

модель

уг

лучей на границе раздела

НаПсредющий показаналуч,торый имеет

падения φ1, в общем случае

испытывает

отражение под углом φ1

лепреломленияния

под углом ϕ .

При этом:

=

,

=

(2.1)

ϕ

ϕ

Рисунок 2.1 – Лучевая картина29границе раздела оптических сред

гра

2

0

2

ицы разд ла. Кроме того, его энергия имеет нулевое значение. Обозначив в

данном случае φ2= φ*, из (2.1) получаем:

,

(2.2)

При угле падения φ

*

луч в с

весь отраж

1,

ду 2 не

тся в среду

. . происходит полное в

ут

нее

отражен

оптической

эн ргии. Уг

полного внутреннего

ния,

определенныйпоступает (2.2),

представляет собой

также

спытывают

отражеполно

внутреннВсе

отражение

на

имеют

φ <φ1<90 ,

критическую

угла

пад

ия.

лучи,

которые

В

соответстввеличинус

излож нным,

угол

ступенчатого

раздела

ердцевины

и оболочки.

сердц виныграницеоболочки.

связан

углом φ , меющим место на гр нице разде

Луч

1

угол падения φ , поэтомапертурныйпри дос ижении гра ицы

раздела,

евая

модель

условий

ϕ

ввод

энергии

в

волокно

=

*

0

на рис. 2.2, где из всей совок оптическойпнослучей точе ного источника

положен ого на оси

выделены траектории трех

лучей.

. Таким ж

представленаасть его э

болочку

из

пе

еносимаяимеетэнергияволокна,кор тком расстоянии

от начала

волокна

полностью

об аз

про

*

ейшее

отраженизлучаетсяэтого

луча.

В

результат

сходитвыходитда

высвечиваетсяергии

ль

льно,

не участвует

в

процессе

спространения

равным φ*

следова

, испытывает полно в утреннее отражение. Таким

Луч 2

симме

*

а границу раздела

углом,

ый ему луч 2*) пада т

сиг

(исигналследоватепричедается по

. В а

л гичных услов

ях находятся

алов по волокну.

носимая

этим

полностью

удерживается в

об азом,

энергия,

сердцевинеконуса

пределах

следует,распространяется понаходящиесяОВ, т. .

симметричныйявляется го

емулучи, 3 ). Отсюда

чт

волокнувсе лучом,чи,

внутри кругово

все

имеющие угол пад ния б льше φ*

в том числе луч 3 (и

апертурным углом.

*

Θ

Θ

Рисунок 2.2 – Лучевая картина ввода в ступенчатое волокно

30

имеем:

(2.3)

Так как n1 - n2=

n<<n1, то

=

<1 и величина апертурного угла:

Θ

−

,

(2.4)

Согласно (2.3), числовая апертура оптического волокна:

Θ

Θ

−

.

.

Преобразуя (5), получаем:=

(2.5)

−

,

(2.7)

В

волокнах n1, n2

= 1,45

1.50, поэтому можно записать:

6

оболочкикварцевыхлокна.

ности коэффициентов преломления сердцевины

где –

величина

з

Такимабсолютнаябразом,

величина

то

можно

легко

рассчитать значение

еслиобратно.

В

волокнах апертурные св йстапертуры,несколько сложнее. При

смещенииградиентныхчечн го

источникавестнаоси

локна

елич на аперту ного угла

изменяется,

днак

в ц

возможным применять определенны

выше

пертурныепр ломленияна оси волокна.

в качестве величины n1 значение

=

+

−

≈

Ч Ч

,

коэффициентаК видно из характеристики,(2.4) – (2.7),оказываетсяч овая апертура и апертурный угол волокна

тем б

ьше,

чем

большую

веиспользуяичину имеет

разность

эффициентов

0,17. Волокна, имеющие ап

≈

высокоапертурными

туру более 0,2,

преломления

. Для прим

взяв

=

01, помощью (2.7) получаем NA =

волокнами. П скольку NA однозначно

ноназываются,

величина числовой

апертуры

кна

характеризует

яд егосвязажных

передаточных параметров,

Чем бволльше числовая

апертура,

тем больше уширение импульсов из-за

зависящих

т

разности коэффициентов преломления.

31

τ

=

,

8

больше величина обобщенного параметра волокна:

=

Чπ Ч

Ч

,

(2.9)

λ

больше количество направляемых волн:

,

(2.10)

м

=

п

н

о

меньше потери на изгибах:

дБ

(2.11)

С ростом апертуры

=

Ч

Ч

Ч

потери энергии

вводе

уменьшаются

во окно при

использовании

направленности излучения.

–

В вы ажениях (2.8) – (2.11) использованы величины: С=3˙105км/с,

радиус

источниковмкм,

широкой диаграммой– тр сердц

винымм).

радиус изгиба

волокнасердцевины(берутся одной той же размерн сти,

обесп чивают

Как

следует

зложен ого,

сравнительно

равнительно низкие

потери н

вводе

волокначувствительны к

изгибам. Однако они

имеют

сравнительно низк ю пропускную спо обн сть

счет большой модовой дисперсиивысокоапертурные. Поэтом высокоапертурные

в локнза

именяются для

редачи оптических сигналовнапример,короткие

расстояния,

в

пределах

или объекта. В оптических кабелях, предназнач ющихся

для примепомещенияна

ях связи, используются низкоапертурные волокна.

а

В

лабора

работе используется принцип измерения числов

ертуры

птического волокна

в

дальне зоне, используя наиболее

прост

п

собданной– к свен ый:

поорнойзультатам измерения апертурного угла. Апертурны

уг л ОВ

можно

измерять путем наблюдения распределения выходной

мощности

дальней

зоне. Структурная схема экспериментальной

пре став

ена на рис.2.3.

Числовую

апертуру измеряют по сх ме, представленной на рис. 2.3. В нее

входит некогерентный осветитель в виде мощной лампы накаливания,установки

которого через объектив подается

излучение

на ОВ. С выхода ОВ поток света

32

Рисунок 2.3 – Схема экспериментальной установки

На рис. 2.3: 1 – источник питания опт ческой системы; 2 – оптическая

система; 3 – подвижный стол; 4 – ОВ 2; 5 – ОВ 1; 6 – матовое стекло.

При определении апертуры измеряют диаметр светового пятна на экране

D, после чего, вычисляют:

Ч .

2

=

Θ

Θ

=

(2.13)

Рассмотрим принцип измерения числовой апертуры оптического

волокна,линзы

обратившись

рис. 2.3.

2

состоит

из

лампы

нака ивания

Оптическая

система

ф рмирующей

световой пучок. Напряжение

со

ает на торец

источника питания 1. Сформир ванный

световой пучок п

локна 4,

закр пленного лампына движном столе

3,

помощью

кот рого

можно менять

оптич ские

во окна,накаливаниятакже,

ф

кусироватьОВ,на выходе

пучок на

рец ОВ.

Дале , световое излучение

проходит

образует

к называемый «конус

све

пятно,

подаетсяпадает на ма

стекло 5. Н

матовом ст кле

диаметр (D) косветовойстабилизированногоизмеряют при помощи измерит льнойрассеивания»,етки,товоенанкоторыйсенно

на стекло. Подставляя в (2.12)

(2.13)

измеренное

значение диаметра (D) и

известное расстояние

(L), расс

тывается числоваяотображаетап ртура волокна.

.

При

Для точного измерения

числовой апертуры ОВ используется

этом схема

экспериме тальной

установки

будет иметьфотодиодви

на рис. 2.4.

в й апертуры оптического волокна,

принцип

измерен я

представленныйматомощьювымРассмотримстеклф тодиода,м заменяетсяобратившисьна стойкучислк фоторис.диодом2.4. В. данном случае стойка с

33

Рисунок 2.4 – Схема экспериментальной установки для точечного

На рис. 2.4: 1 – источник

измерения NA

итания оптической систе ы; 2 – оптическая

система; 3 – подвижный

л; 4 – ОВ 2; 5 – ОВ 1; 6 – матовое стекло; 7 –

Сигнал

фотодиодапитания5 ступает

6, питающийся от

стрелочный

индикатор, установленный

корпусе источника

питания 1,

усилитель; 8 – ист чник

усилителя.

7 двуполярного напряжения 15 В.

Далее,усилительленный сиг ал поступсточникает

регистрирующийощности осв щенности. Перемещение

производится

при помощи

ятна. Измер ние диаметра пятна

произв

дится по уровню половинной

границы пятна при сканир вании ф тоди дом

диа етру

светового пятна (D). Измер нное

фотодиодаие (D) известное (L)

дставляют в

показаниями(2.12)икрометрического(2.13) еделяют числовую аперту у волокна.

между

винта

ценой деления 10 мкм. Разность

ского

винта является измеренным диаметром

работкумикрометричэксп ментальных дан ых

проводят следующим

образом:

Объектом

являютсязначеначения числовой апертуры,

которые

составляют ряд значенобработкий: X1, X2, X3, X4, X5.

(2.14)

Выборочное среднее:

=

∑

,

где n=5 – число измерений, Xi – значение числовой апертуры.

Несмещенная оценка выборочной дисперсии:

(2.15)

Доверительный интервал:

=

,

=

=

−

∑

−

34

где

– критерий Стьюде− нта−.

< µ

<

+

=2,78.

(2.16)

−

В данном

лучае, при числе экспериментов n=5,

Погрешность измерений:

(2.17)

3. Поряд

выполнения

работ

ы

оптического волокнарис. 2.3. В лючить

сточник питания оп

.

1

Ознак мится

понятиями об апертурном угле

числовой апертуре

2

С брать установ.

у

для

змерения числ

й

апертуры по схеме,

экране

атового

стекла

добиться

получения

светптическойвого пятнасистемычетко

σ

=

ж

Ч

цЧ

,

приведенной на рис. 2.4.

з

Ч

−

ш

3

Установить ОВ1 и помест

торец ОВ

фокус

темы и

4

Собрать установку для измерения числовой

апертуры по схеме,

назличаемыми границами.

5

Включить источник питания усилителя. Ту блер

6

С помощью микрометрического винта

перемещать фотодиод вд ль

диаметпитаниясветового пятна. Д биться максимального значения«12В/Измерение»на

блока

1 установить в положение «Измерение».

показания

индикатора).

освещенности

(то

есть

по

ловине

аксимального

(прибор 1).

границы

етового

пятна

по

уров ю

половинной

7

Измерить

З писать показания микрометрического винта.

расстояние между торцом ОВпоказанийфотодиодом (L)

винта (D). Измерить

8

разность

9) Вычислить

числовую апертуру ОВ по (2.12)

(2.13).

3.2.

0

Вычислить числовую апертуруикрометрическогоОВ по (2.12) (2.13).

11)

Данные, полученные в результате эксперимента, занести в таблицу

Таблица 3.2 – Результаты эксперимента

2

3

4

5

Номер опыта

1

№1

D,

ОВ

L, мм

NA

35

2

Пр

NA

с (2.

вести обр ботку экспер ментальных данных в

3))– (2.17).

зависи

ость диаметра светового пятнасоответствиирасстояния

между торцомПостроитьОВ фотоди дом.

. Контрольные вопросы

отр жения

его

связь

с

процессами

14

Угол

полного

распространения эл

х колеб ний по оптическим волокнам.

2

Ступенчаты

ктромагниградвнутреннеготны оптические вол кна.

апертуры

с

3

Пояснение

по

ятия

апертурного

угла

числов й

4

Высоко пертурные

низк апертурные

л кна.

значе

ия

числовой апертуры с основными параметрами

оптического волокна.

использованием лучевой

распространения по оптическому волокну.

5) Методика измерениймоделирасчетов апертуры,

проводимыхСвязьлабораторной

работе.

пользов

ных

Список

1

Оптические волокна для линии связи / А.В. Листвин, В.Н. Листвин, Д.В.

Швырков. – М.:

, 2003источников. – 288 .:

л.

пассивные

компоненты

2

Портнов

ЛЕСАРарЭ.. Опт

кабели

связи

радиоэлектрРадионики, 2007Электрические. – 256 .

и волоконно-оптические лин

и связи: учеб.

4)

Ефан в В.И.

волоконно-оптических линий

учеб. пособие для вузов. – М: Горячая

линия – Телеком, 2007. – 464 .связи:.

связи / пер. англ. под ред.

3

Гауэр Дж. Оптические

А.И. – М.:

1988. – 504стемы.

гос.

ун-т систем Ларкинаупр.

пособие.

– 2-е издсвязь,. доп. –

Томск : Томск.

36