Лаб.раб Волоконная Оптика
реклама
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра общей и теоретической физики ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ Методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов 2 курса Лабораторная работа Изучение волоконных световодов Теоретические основы эксперимента Введение Волоконная оптика - оптика оптических световодов. Особенностью волоконной оптики является то, что свет от источника к приемнику может распространяться не только по прямой линии. Это обусловлено конструктивными свойствами волоконного световода, который является основным элементом в волоконно-оптических линиях связи. Использование света, как носителя информации явилось поистинне революцией в технике связи, оптико-электронных приборах и ЭВМ. Волоконнооптические линии связи в отличие от медных кабелей обладают высокой пропускной способностью, невосприимчивы к электромагнитным помехам, не подвергаются коррозии в агрессивных средах, имеют малые размеры и массу, они сравнительно хорошо защищены от прослушивания и перехвата. Световое волокно стимулировало в начале 70-х годов разработку специализированного оборудования и элементов оптического тракта (генераторов, ретрансляторов, фотоприемников, разъемных и неразъемных соединителей и др. элементов). Принцип действия оптических волокон Простейший световод представляет собой оптически прозрачный круглый диэлектрический стержень, называемый сердцевиной, окруженный оптически прозрачной диэлектрической оболочкой (рис.1) Защитная оболочка Оболочка (стекло с малым показателем преломления n2 ) Сердцевина (стекло с большим показателем преломления n1) Рис. 1. Строение оптического волокна У сердцевины показатель преломления n1 больше, чем показатель преломления у оболочки n2. В зависимости от технологии изготовления волокна показатель преломления может изменяться либо плавно, либо скачкообразно, В 2 первом случае волокна называют градиентными, во втором - ступенчатыми. При изготовлении оптического волокна добиваются оптимального соотношения между n1 и n2, так как, как будет показано ниже, увеличивая разность между n1 и n2, можно существенно повысить эффективность ввода излучения источника в световод. Оболочку волоконных световодов изготовляют из чистого кварцевого стекла SiO2, а показатель преломления сердцевины повышают присадкой германия или фосфора. В последнее время все более широкое применение находят оптические волокна из многокомпонентных стекол и полимеров. Их используют при дешевом массовом производстве световодов среднего качества, для обеспечения связи на коротких расстояниях. Снаружи волокно покрывают слоем полиэтилена для защиты от механических повреждений. Торцы стекловолокна шлифуют и к ним присоединяют источник излучения. В качестве источников излучения в оптических линиях связи используют светодиоды и п/п лазеры. При передаче света по волоконным световодам используется принцип полного внутреннего отражения, который выполняется при условии, что n1 n2 и, угол падения лучей на границу раздела двух сред такой, что угол преломления стремиться к 900. На рис.2 показано распространение излучения в цилиндрическом световоде при разных углах падения. n2 п n1 пр п а) n2 n2 пр n1 б) п пр n1 в) Рис.2 Распространение излучения в цилиндрическом световоде (показатель преломления сердцевины n1,показатель преломления оболочки n2): а) п АП; б) п АП ; в) п АП При некотором угле падения п будет наблюдаться преломленный луч пр. Если световой луч падает на торец световода под небольшим углом к оптической оси, то преломленный луч будет испытывать полное внутреннее отражение на границе раздела сердцевины и оболочки (рис.2а). Увеличение угла падения приводит также к увеличению угла преломления и, при некотором критическом угле, преломленный луч будет падать на границу раздела сердцевины и оболочки так, что полное внутреннее отражение будет нарушаться и луч будет распространяться вдоль границы раздела (рис.2б). Дальнейшее увеличение угла падения приведет к тому, что излучение будет выходить в оболочку (рис.2в) и световая энергия будет поглощаться там. Угол падения, начиная с которого вся энергия отражается от границы раздела сердцевина-оболочка, называется апертурным. Для создания эффекта полного внутреннего отражения необходимо обеспечить различие показателей преломления вблизи наружной поверхности сердцевины. Различие показателей преломления можно обеспечить двумя способами. По первому способу показатель преломления изменяется ступенчато. В этом случае показатель преломленя сердцевины остается постоянным по сечению и показатель преломления оболочки тоже постояннен, но отличен от 3 показателя преломления сердцевины в оптимальном случае в 1,4 раза. По второму способу показатель преломления сердцевины плавно убывает от центра к периферии, такое волокно называется градиентным. Рассмотрим распространение излучения в волокне в приближении геометрической оптики. В ступенчатом волокне лучи, падающие под углами меньше апертурного угла, испытывают многократное отражение от границы раздела сердцевины и оболочки (рис.3а). n 50мкм а) 125мкм 1% n 50мкм 125мкм 1% б) n 10мкм 125мкм 0,3% в) Рис.3 Типы оптического волокна: а) ступенчатое многомодовое; б) градиентное многомодовое; в) одномодовое. Световые импульсы, передаваемые по ступенчатому волокну удлиняются из-за того, что лучи, идущие под малыми углами к оптической оси, распространяются быстрее, чем лучи, идущие под большими углами. Такое явление ограничивает максимальную частоту следования импульсов и, следовательно, уменьшает скорость передачи информации по волокну. Чтобы избежать этого были разработаны градиентные волокна с плавным изменением показателя преломления (рис.3б). Однако в градиентном волокне также существует ограничение на скорость передачи информации. Это связано с тем, что источники излучения (светодиоды и п/п лазеры) излучают не строго монохроматический свет. Каждый луч с длиной волны из некоторого диапазона, называемого спектром излучения источника, распространяется по волокну с различной скоростью. Это, на больших расстояниях (100 км), приводит к удлинению светового импульса, передаваемого по оптическому волокну. Чтобы преодолеть этот недостаток, были разработаны ступенчатые волокна с очень малым диаметром сердцевины. Распространение излучения в 4 таком волокне уже нельзя описывать в приближении геометрической оптики, нужно учитывать волновые свойства света. Учет волновых свойств позволил установить, что из всего множества световых лучей в пределах апертурного угла для данного световода, только ограниченное число лучей с дискретными углами могут образовывать направляемые волны, которые называются волноводными модами. Эти лучи характеризуются тем, что после двух последовательных переотражений от границы "сердцевина-оболочка" волны должны быть в фазе. Если это условие не выполняется, то волны интерферируют так, что гасят друг друга и затухают. Электромагнитная волна, рапространяющаяся в волокне без затухания называется модой волокна. Она является решением уравнения Максвелла для данного диэлектрического световода. На рис.3 представлены также геометрические параметры многомодовых и одномодовых оптических волокон. Для источников излучения близкого ИК диапазона в волоконных световодах толщиной от 1 до 10 мкм распространяется только одна мода - одно колебание. В более толстых - от 10 до 1000 мкм световодах может распространяться несколько колебаний (мод). Необходимо отметить, что вследствие малого диаметра сердечника одномодовых волокон, затруднено соединение их друг с другом и введение в них излучения лазера. Поляризация излучения и фаза на выходе волокна случайны из-за многократного отражения внутри оптических волокон. Для сохранения поляризации используют особые волокна с эллиптической сердцевиной или с напряженными областями оболочки вдоль цилиндрической сердцевины. Такие волокна применяются для когерентной волоконно-оптической связи. Основные характеристики оптических волокон. Основными характеристиками оптических волокон являются геометрические (диаметры сердцевины, оболочки, защитной оболочки, число волокон в кабеле, диаметр и оптические свойства кабеля) и оптические (числовая апертура, поглощение и рассеяние, показатели преломления сердцевины и оболочки, коэффициент ввода излучения в волокно, число мод, распространяющихся в волокне, коэффициент затухания и коэффициент дисперсии излучения в волокне). Рассмотрим некоторые оптические свойства волокон подробнее. Числовая апертура. Когда лучи света входят в волоконный световод (лучи попадают на торец световода), как показано на рис. 4, то в нем, благодаря полному внутреннему отражению смогут распространяться только лучи, для которых угол падения лежит в пределах 0 АП. n2 n0 кр ап n1 пр Рис.4. Распространение света в ступенчатом световоде 5 Значение синуса Sin АП половины угла при вершине конического пучка лучей, которые захватываются и направляются в световод, называется числовой апертурой. Её обозначают NA (Numerical Aperture): NA= n0 Sin АП , где n0 - показатель преломления внешней среды. От значения числовой апертуры зависит эффективность ввода излучения лазера или светодиода, то есть оптическая мощность, которую можно ввести от источника в световод. Значение угла падения определяется показателями преломления сердцевины n1и оболочки n2. Покажем это на примере ступенчатого волокна. Луч, падающий на входной торец волоконного световода под углом АП, преломляется под углом пр, который определяется выражением n0 Sin АП n1 Sin пр (1) Преломленный луч падает на границу раздела сердцевина – оболочка под углом кр, причем пр 90 0 кр и Sin пр Cos кр Поэтому n0 Sin АП n1Cos кр n1 1 Sin 2 кр (2) Для полного внутреннего отражения лучей от границы " n1 - n2 " необходимо выполнение условия: Sin кр n2 Sin90 0 n1 n Отсюда Sin кр 2 (3) n1 Подставляем (3) в (2): n0 Sin АП n1 1 n2 2 2 2 n1 n2 2 n1 Итак, числовая апертура определяется: NA n0 Sin АП n1 n2 2 2 (4) Для оптических волокон часто используют относительную разность коэффициентов преломления: 2 2 n1 n2 2 2n1 Тогда выражение для числовой апертуры можно переписать в виде: NA n1 2 (5) Из (5) видно, что с увеличением разности показателей преломления сердцевины и оболочки, значение NA возрастает, что улучшает эффективность ввода излучения в световод. Обычно, для ступенчатых световодов, числовая 6 апертура равна 0,18…0,23 и лишь для отдельных типов световодов может достигать 0,4…0,55. Так как апертурный угол, под которым излучение входит в волокно, равен максимальному углу, под которым излучение выходит из волокна, можно определение NA проводить из измерений углового распределения оптической мощности на выходе волокна. Такое распределение называется диаграммой направленности (см. рис. 8). В экспериментальной части работы измеряется также коэффициент (К) ввода излучения в волокно, равный отношению мощности излучения на выходе P из волокна к мощности излучения на входе: K вых . Для точечного источника, Pвх излучающего во все направления, справедлива формула: (6) K ( NA) 2 2n1 (Примечание): Поглощение. Поглощение в волокне составляет основную часть потерь световой энергии. Кроме собственного поглощения (поглощения материалом стекла), поглощение возникает из-за наличия в стекле ионов металлов Fe, Cu, Ni, Cr и ионов OH- (из-за наличия воды в стекле). Собственное поглощение наблюдается в ультрафиолетовой (обусловлено электронными полосами поглощения) и инфракрасной (обусловлено колебательными полосами поглощения в компонентах, входящих в состав стекла) областях спектра. Одним из количественных параметров качества световода является коэффициент затухания , который показывает ослабление мощности светового потока на выходе световода (длиной 1км) по отношению к мощности светового потока на входе этого световода и расчитывается по формуле: P 1 10 lg вх , где L Pвых Pвх -- оптическая мощность на входе, вт. Pвых – оптическая мощность на выходе, вт. L – длина световода, км. = дБ (децибел на километр) км дБ В современных световодах (0,2…0,3) . Таким образом, световой км поток уменьшается на (4,5…6,7)% после прохождения километрового пути по световоду. Это означает, что через двухкилометровое волокно свет проходит так же, как через оконное стекло толщиной 5мм, т.к. оконное стекло характеризуется коэффициентом затухания 100000 дБ/км. Коэффициент затухания зависит от собственных потерь в световоде, которые различны для разных длин волн. На рис.5 представлен типовой график спектральной зависимости собственных потерь в одномодовом световоде. 7 Рис. 5 Приблизительная спектральная характеристика затухания кварцевого волокна Пик на графике (рис.5) связан с поглощением света металлическими и гидроксильными ионами. На рис.5 видно, что поглощение имеет спад между длинами волн 800 и 900 нм, поэтому первые волоконно-оптические системы работали на этих длинах волн, для которых существовали также источники и приемники света. Однако, на длинах волн 1300 и 1550 нм оптические потери ниже, поэтому в настоящее время используют эти участки спектра. При длинах волн более 1600 нм поглощение в стекле возрастает вследствие молекулярных резонансов в материале световода (кварц). Второй причиной оптических потерь в волокнах является рассеяние. Существуют два основных механизма, рассеяния света в волокнах. Первый из них - рэлеевское рассеяние, вызываемое неоднородностями диэлектрических свойств, вследствие хаотического распределения молекул в аморфном стекле, возникающего при варке стекла. Из-за этих неоднородностей часть световой энергии выводится в оболочку и теряется. Рэлеевское рассеяние пропорционально -4 , и в особо чистых стеклах составляет 1,2 дБ/км при длине волны 900 нм, 0,25 дБ/км при длине волны 1300 нм и 0,12 дБ/км при длине волны 1550 нм. Второй механизм рассеяния связан с неоднородностями на поверхности раздела «сердцевина – оболочка». Вследствие этого, лучи света, падающие на поверхность раздела под одним и тем же углом, отражаются под различными углами, что приводит к явлению, называемому смешением мод. (Пик потерь на длинах волн 1400 нм, в основном, обусловлен именно смешением мод). Третья причина оптических потерь связана с изгибами волокон в кабеле и носит название потерь на микроизгибах или потерь на излучение. Эти потери невелики, если только радиус изгиба не становится меньше некоторого критического значения. Поэтому волокна требуют аккуратного отношения, чтобы избежать микроизгибов. Четвертой причиной оптических потерь является инфракрасное поглощение. Инфракрасное поглощение не позволяет использовать обычные 8 световоды при длинах волн 1500 нм. Поэтому для передачи мощных инфракрасных излучений в настоящее время применяют полые световоды, представляющие собой стеклянную трубку, в которой световой поток распространяется по центральному воздушному каналу Следует отметить, что основной причиной ухудшения параметров волоконных световодов в процессе эксплуатации оптического кабеля является влага, проникающая в кабель. Под воздействием влаги происходит помутнение стекла и образование микротрещин. Для защиты оптических кабелей от влаги накладывают металлическую оболочку и принимают другие меры. В настоящее время в линиях связи преимущественно используют одномодовые световоды. Например, в США ежегодно изготовляется по 1,6 млн. км оптических волокон, причем 80% из них в одномодовом режиме. (Аналогичное производство имеется и в г.Самара). Проложены подводные одномодовые магистрали через Атлантический и Тихий океаны. В городах оптические кабели связывают городские АТС и узлы связи. Световоды используются в системах управления самолетов, кораблей, в кабельном телевидении и компьютерных сетях. Причем, на малых расстояниях, в пределах одного здания, чаще используется дешевое многомодовое волокно, а для связи между отдельными зданиями, расположенными на небольшой территории, уже необходимо использовать градиентное или близкое к одномодовому волокно. Для междугородной связи и телефонных сетей внутри города требуется использовать одномодовое волокно. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ Рис.6. Базовая схема установки для проведения экспериментов: (слева направо): фотодиод излучения в кронштейне, в волокно, поворотный столик, полупроводниковый устройство лазер. ввода Установка смонтирована на оптическом рельсе. 9 На рис. 6 представлена экспериментальная установка. Она предназначена для исследования волоконно-оптических световодов: измерения коэффициента ввода излучения в волокно, определения числовой апертуры волокна, исследования распределения интенсивности и степени поляризации излучения на выходе волокна, исследования зависимости оптических потерь от деформации волокна. В таблице приведены элементы установки и их назначение. Элементы экспериментальной установки. № 1 Таблица 1. Название Назначение Лазер Полупроводниковый лазер длина волны 650 нм, оптическая мощность 1 мВт, нестабильность оптической мощности <1мкВт. Питание от сети через адаптер 220В / 9В. Устройство ввода излучения Устройство ввода излучения состоит из юстировочного узла (1) для прецизионного перемещения волокна в плоскости перпендикулярной оптической оси, объектива (2) – для фокусировки излучения на торец волокна, держателя объектива (3) для прецизионного перемещения объектива вдоль оптической оси. Оптическое волокно Набор из трех оптических кварцевых волокон для измерения их характеристик, заключены в защитную оболочку, торцы полированы и снабжены механическими 2 3 10 насадками для фиксации волокна. Волокна маркированы белыми и красными метками: одна метка – волокно с диаметром сердцевины 400 мкм, две метки - волокно с диаметром сердцевины 40 мкм, три метки – волокно с диаметром сердцевины 4 мкм. Красным цветом помечен наконечник волокна, устанавливаемый в гнездо юстировочного узла устройства ввода излучения. 4 Кронштейн на поворотном столике Крепление волокна на оси поворотного столика при измерении диаграммы направленности. 5 Кронштейн фотодиода Крепление фотодиода 11 6 Фотодиодный измеритель оптической мощности Предназначен для измерения оптической мощности в пределах 2мВт и 20 мкВт. Состоит из фотодиода ФД-24К в корпусе, блока питания, преобразователя фототока в напряжение и встроенного мультиметра. Диафрагмы ФД Диафрагмы устанавливаются на фотодиод для крепления волокна (1), для измерения диаграммы направленности (2) и для измерения оптической мощности более 2 мВт (3). 7 Методика проведения эксперимента 1. Проведение измерений с помощью фотодиодного измерителя оптической мощности В состав установки входит фотодиодный измеритель оптической мощности. Измеритель состоит из кремниевого фотоприемника ФД-24К, преобразователя фототока в напряжение и мультиметра М830В. Прибор калиброван на одну длину волны (650 нм) и имеет переключатель на два коэффициента преобразования 10-4 и 10-6 Вт/В. Для работы с источниками излучения других длин волн следует пользоваться поправочными коэффициентами, т.к. чувствительность фотодиода (т.е. отношение числа электронов рожденных при освещении фотодиода светом к числу падающих на него фотонов) различна для различных длин волн. В измерителе мощность оптического излучения преобразуется фотодиодом в фототок, а затем электронным преобразователем в 12 напряжение. Выход измерителя оптической мощности подключается к мультиметру в режиме измерения напряжения. Для определения значения оптической мощности, регистрируемой фотодиодом надо умножить показания прибора на коэффициент преобразования. При измерении, следует помнить об изменении коэффициента отражения для наклонного падения лучей на кремниевую поверхность фотодиода и работать при нормальной или близкой к ней ( 100) ориентации поверхности фотодиода относительно падающего излучения. Для регистрации быстропротекающих процессов (до 500 кГц) необходимо подключить выход измерителя к осциллографу. Фотодиод снабжен набором диафрагм: гнездо для фиксации волокна, щель и отверстие. Диафрагмы крепятся на фотодиоде свободно. Для более жесткой фиксации необходимо, после установки, слегка наклонять их относительно плоскости фотодиода. Такое крепление позволяет снизить влияние на результат измерений паразитных переотражений фотодиод-торец волокна. Фотодиод в корпусе крепится в кронштейне, установленном на штоке. 2. Измерение коэффициента ввода в оптическое волокно Коэффициент ввода излучения в оптическое волокно является одним из основных параметров, характеризующих энергетическую эффективность работы волоконно-оптической линии. Он определяется как отношение оптической мощности на выходе волокна к оптической мощности на его входе: K Pвых . В данной работе предлагается измерить его для волокон различного Pвх диаметра. В общем случае коэффициент ввода зависит также от материала волокна, потерь в нем, длины волны излучения, согласования апертур волокна и объектива, модового состава излучения на входе волокна. Следует помнить, что коэффициент ввода, полученный в ваших измерениях, зависит также от вашего экспериментального искусства. 3. Измерение числовой апертуры волокна Числовая апертура волокна является вторым важнейшей параметром оптического волокна. Она определяется как синус наибольшего угла, под 13 которым излучение входит в волокно, этот угол носит название апертурного. На рис.7 апертурный угол обозначен - АП. . 1 АП 2 1 3 2 3 . Рис. 7. Ход лучей падающих на торец волокна под различными углами. На рис. 7 показано, как лучи (1), падающие на торец волокна под углами меньше апертурного, распространяются по сердцевине волокна, за счет эффекта полного внутреннего отражения. Лучи (3), падающие на торец волокна под углами больше апертурного, распространяются по оболочке волокна и быстро затухают. Луч (2) является предельным случаем – после преломления он распространяется вдоль границы раздела сердцевина/оболочка. Но так как наибольший угол под которым излучение входит в волокно равен наибольшему углу, под которым оно выходит из волокна можно определить апертуру из диаграммы направленности - зависимости оптической 14 мощности на выходе волокна от угла, под которым лучи выходят из него. оптическая мощность, мВт. 0.4 Pmax 0.3 0.2 Pmax /e2 0.1 0 60 40 202 0 1 40 60 угол поворота столика, Рис.8. Диаграмма направленности оптоволокна. Для построения диаграммы направленности используется поворотный столик, на котором крепится волокно в кронштейне. Апертурный угол измеряется по уровню 1/е2 от максимума. Отметим, что диаграмма направленности может иметь два побочных максимума, при неправильном вводе излучения, когда большая его часть распространяется не по сердцевине, а по оболочке волокна. Некоторые определения, которые необходимо знать студентам для выполнения данной лабораторной работы Апертурный угол - максимальный угол, под которым излучение вводится в волокно. Числовая апертура – синус половины угла при вершине конического пучка лучей, которые захватываются и направляются в световод; определяется показателями преломления сердцевины и оболочки. Коэффициент ввода излучения в волокно - отношение оптических мощностей на выходе и входе волокна. 15 Оптическая мощность - энергия, переносимая оптическим излучением в единицу времени. Вопросы для допуска к работе 1. Какие элементы входят в состав установки и каково их назначение? 2. С какой целью проводится юстировка узла фотоприемника? 3. Для чего, при выполнении упражнения 2, нужно рассматривать на листе бумаги световое пятно, выходящее из волокна? 4. Как измеряется оптическая мощность в данной работе? 5. Почему источник излучения должен находиться на оптической оси объектива? 6. Для чего служат держатель объектива и узел юстировки? 7. Почему торец волокна должен быть укреплен на оси поворотного столика? 8. Какие характеристики оптического волокна можно рассчитать, измерив его апертурный угол? Практическая часть работы ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ДЕЙСТВИЯ 1. Соберите установку в следующей последовательности: лазер, на расстоянии 7см от лазера установить светофильтр и на расстоянии 7см от светофильтра установить фотодиод. 2. Включить лазер ( 650 нм ) с помощью адаптера 220В/9В в сеть. 3. Установить полупроводниковый лазер так, чтобы его луч распространялся вдоль оптического рельса 4. Включить в сеть вилку измерителя оптической мощности и переключить сетевой тумблер на передней панели в верхнее положение. 16 5. Установить переключатель на верхней панели в положение V, предел 20, для измерения напряжения в пределе до 20 В. 6. Подключить выход встроенного измерителя оптической мощности к входу мультиметра: штекер земля (синий) в гнездо com, штекер сигнал (красный) в гнездо V. УПРАЖНЕНИЕ 1. Определение коэффициента ввода в оптическое волокно и коэффициента затухания. 1. Установить переключатель значения коэффициента преобразования (на задней стенке измерителя) в положение 10-4 Вт/В. 17 2. Записать показания мультиметра и рассчитать мощность излучения лазера за светофильтром по формуле: Рлазера=U*14*10-4 , где U-напряжение, показываемое мультиметром (В), 14- ослабление излучения светофильтором, !0-4 (Вт/В) коэффициент преобразования фотоприемника 3. Собрать установку по схеме рис. 6, оставив на месте светофильтр. Луч лазера должен распространяться вдоль оптического рельса на высоте, соответствующей оптической оси микрообъектива. 4. Установить на фотодиод диафрагму с наконечником под волокно. Обеспечить минимальное влияние посторонней засветки на результаты измерений оптической мощности. 5. Взять волокно № 1 (диаметр сердцевины d=400 мкм), маркированное одной белой и одной красной полосками, вставить один конец в гнездо юстировочного узла и завинтить фиксирующую гайку до упора. 18 Винты Держатель ПРИМЕЧАНИЕ: При работе с волокном необходимо соблюдать следующие правила. Нельзя использовать грубую силу для установки волокна в гнездо и фиксации его гайкой. Если волокно плохо входит в гнездо следует его слегка повернуть вокруг оси или попробовать вставить его другим концом. Нельзя трогать руками торец волокна, во избежании попадания на полированную поверхность грязи (если волокно все же загрязнилось, протрите его, слегка касаясь торца ваткой, смоченной в спирте). Нельзя изгибать волокно по радиусу меньшему, чем десять диаметров сердцевины, во избежание ее разрушения. Нельзя долго смотреть на излучающий торец волокна – это может вызвать повреждение роговицы глаза. 6. Фотодиод установить в кронштейн (позиция 5, табл.1.) и надеть на его переднюю часть диафрагму для крепления волокна. 7. Вставить второй конец волокна в гнездо диафрагмы фотодиода и завинтить фиксирующую гайку до упора. 19 8. Выполнить юстировку устройства ввода излучения. Для этого: 1) вращая держатель объектива, при неподвижных винтах юстировочного узла и, наблюдая за показаниями мультиметра, найти такое положение держателя объектива, (при необходимости переключить мультиметр на предел 2000 мВ или 200 мВ), при котором будет наблюдаться максимальное показание измерителя оптической мощности; 2) не меняя положение держателя, вращать винты юстировочного узла и, наблюдая за показаниями мультиметра, опять найти такое положение винтов, при котором будет наблюдаться максимальное показание измерителя оптической мощности. Юстировку повторять до тех пор, пока не будет зафиксировано максимальное показание мультиметра. В этом случае торец волокна будет совпадать с фокусом объектива, волокно будет находиться на оптической оси, следовательно, в волокно будет введена наибольшая часть от излучения лазера. 9. Записать показания мультиметра V(В) в таблицу 2. 10. Умножить показания мультиметра на 10 -4 Вт/В и записать значение выходной мощности Р вых в таблицу 2. 8. Рассчитать коэффициент ввода излучения в волокно по формулам: Pвых , где Рвх оптическая мощность лазера (Рлазера), измеренная после Pвх светофильтра. Результат записать в таблицу 2. K В связи с тем, что для измерения коэффициента затухания () требуется волокно длиной не менее 1км, опыт по измерению коэффициента затухания в данной лабораторной работе не проводится 20 УПРАЖНЕНИЕ 2. Определение числовой апертуры волокна.(Выполняется без светофильтра). 1. Сменить диафрагму ФД на щель, ориентировать ее вертикально. Переключить тумблер «коэффициент преобразования» измерителя мощности в положение 10-6 Вт/В. 2. Повернуть столик, взявшись рукой за его верхнюю часть, до отметки 300. 3. Записать показания мультиметра V(В),(умножив их на 10-6 Вт/В) в графу оптической мощности в таблице 3. Угол поворота столика записать в соответствующую графу таблицы 3. 4. Повторить действия п.п.2,3, поворачивая столик вправо и влево с шагом 50 до отметки 3300 (если диаграмма направленности более узкая, то следует уменьшить диапазон до 100 и шаг измерений до 20, например, для волокна №1). 5. Построить график диаграммы направленности – зависимость оптической мощности, регистрируемой фотодиодом через щелевую диафрагму от угла поворота столика P=f(). Вид графика показан на рисунке 8. 6. Определить максимум на графике. Вычислить уровень мощности, соответствующий Рmax / е2. Провести на графике горизонтальную линию на этом уровне. Из точек пересечения линии с графиком опустить 21 перпендикуляры до пересечения с осью (смотри рисунок 8).Определить длину отрезка 12, которая равна удвоенному значению апертурного угла. 7. Записать значение апертурного угла 12/2 =АП в таблицу 3. 8. Вычислить значение числовой апертуры волокна NA по формуле NA = sin (АП), записать его значение в таблицу 3. Повторить УПРАЖНЕНИЯ 1, 2 для других волокон (не используя светофильтр, а сразу работая по схеме установки рис.6): волокно № 2 (диаметр сердцевины d=40 мкм), волокно № 3 (диаметр сердцевины d=4 мкм). Из-за малого диаметра сердцевины этих волокон, полностью ввести в них лазерное излучение трудно. Поэтому, после крепления волокна №2 или №3 в юстировочном узле, нужно выполнить следующие действия: 1) отвинтить гайку от диафрагмы фотодиода, вынуть волокно и поднести торец волокна на расстояние 5-7 см от поверхности белого листа (тетрадного листа). Рассмотреть световую картину, образованную излучением, выходящим из волокна, на листе. Вращая винты юстировочного узла и держатель объектива, добиться максимальной яркости пятна; 2) вставить волокно в кронштейн на поворотном столике и завинтить фиксирующую гайку до упора. Примечание: при снятом волокне, ни в коем случае не направлять излучение лазера в глаз. По результатам упражнений 1,2 построить на одной координатной плоскости графики зависимости коэффициента ввода К и числовой апертуры волокна NA от диаметра сердцевины волокна d (по оси d наносить значения в масштабе десятичного логарифма). Сделать выводы. После окончания работы отключить установку и зачехлить элементы. 22 Определение коэффициента ввода в оптическое волокно Показания мультиметра V, В Номер Волокна Оптическая мощность Рвых, Вт Таблица 2. Коэф.ввода К 1 2 3 Определение числовой апертуры волокна. Номер волокна 2 1 Угол поворота столика 30 Таблица 3. Оптическая мощность Р, Вт Угол поворота столика 30 Оптическая мощность Р, Вт 3 Угол поворота столика 30 25 25 25 20 20 20 ------------- ------------- ------------- 330 330 330 АП = АП = АП= NA = NA = NA = Оптическая мощность Р, Вт Расчетное задание 1. Рассчитать апертурный угол и коэффициент ввода излучения для кварцевого волокна (n = 1,47, d=1 мм) без оболочки, находящегося в воздухе? 2. Сравнить измеренное значение К и значение, вычисленное из измерений NA по формуле (5) для точечного источника. Почему они отличаются? 23 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Как устроен волоконный световод? Объяснить механизм распространения света по световоду. 2. Какое оптическое волокно называется ступенчатым и градиентным? 3. Дайте определение числовой апертуры волоконного световода. 4. В чем различие между одномодовыми и многомодовыми волокнами? 5. Длина волны среза волокна с = 0,85 мкм. В каком режиме будет работать волокно, если в него ввести излучение He-Ne лазера? 6. Источник излучения какой длины волны предпочтительней использовать для волоконных линий связи и почему? 7. При каком взаимном расположении оптического волокна и объектива достигается максимальный коэффициент ввода? 8. Как выглядит световая картина (для каждого из волокон), образованная излучением, выходящим из волокна? Как изменится диаграмма направленности, если на ФД установить диафрагму с малой шириной щели? 9. Как изменится коэффициент ввода излучения и диаграмма направленности волокна при его изгибе: под большим радиусом и под радиусом близким к критическому, когда наступает излом сердцевины? 10. Почему кварцевый стержень, согнутый под небольшим углом, ломается а тот же стержень взятый в качестве сердцевины волокна, окруженный оболочкой, не ломается даже при очень больших углах сгибания? 11. Как изменяется коэффициент ввода и апертурный угол, при уменьшении диаметра сердцевины волокна? 12. Объяснить ход экспериментальных кривых и методику расчета апертурного угла. .13. Почему нельзя измерять коэффициент затухания при малой длине волоконного световода? Содержание отчета по лабораторной работе 1. Название работы. 2. Эскиз установки с указанием названия элементов. 3. Основные расчетные формулы. 24 4. Таблицы с экспериментальными и расчетными данными. 5. Графики: диаграммы направленности для всех исследованных волокон, зависимость K(d) и зависимость NA(d). 6. Расчетное задание. 7. Выводы по лабораторной работе. При отчете по лабораторной работе студент должен уметь: 1. Объяснить, как измениться вид графика диаграммы направленности, при увеличении или уменьшении диаметра волокна. 2. Объяснить ход графиков зависимостей К(d) и NA(d). ЛИТЕРАТУРА 1. Носов Ю.Р. Дебют оптоэлектроники.- Б-ка "Квант", вып.84, М.: Наука, 1992. 2. Окоси Т., Окамото К., Оцу М., Нисихара Х., Кюма К., Хататэ К. Волоконнооптические датчики.- Пер. с япон. Л.: Энергоатомиздат, Ленингр.отд., 1990. 3. Бутусов М.М., Галкин С.Л., Оробинский С.П., Пал Б.П. Волоконная оптика и приборостроение.- Л.: Машиностроение. Ленингр.отд., 1987. 4. Бутусов М.М., Верник С.М. Волоконно-оптические системы передачи. Учебник для вузов.- М.: Радио и связь, 1992. 5. Гонда С., Сэко Д. Оптоэлектроника в вопросах и ответах.- Л.: Энергоатомиздат, 1989. 6. Гаприндашвили Х.И. и др. Волоконная оптика.- Тбилиси "Мецниереба", 1984. 25