Устройства ввода и вывода

Лабораторная работа № 1

Измерение характеристик оптико-волоконных элементов.

Цель работы: измерение коэффициентов ослабления оптического волокна и калибровка оптиковолоконных устройств

Приборы и принадлежности: лазеры с длиной волны 1320нм и 1550нм, оптические волокнаSMF-28(FC/APC), волоконный измеритель оптической мощности (Ophir), волоконные коннекторы, катушка оптического волокна длиной 25км.

Задание 1

Определение коэффициента ослабления оптического волокна

Используемые приборы: лазеры с длиной волны 1320нм и 1550нм, оптические волокнаSMF-28(FC/APC), волоконный измеритель оптической мощности (Ophir), волоконные коннекторы, катушка оптического волокна длиной 25км.

Экспериментальная установка и измерения

1. Собрать экспериментальную установку, показанную на рисунке 1.

2. Произвести измерение коэффициента ослабления оптического волокна на разных длинах волн.

Рис.1 Схематическое изображение экспериментальной установки для измерения коэффициента ослабления оптического волокна.

 

Результаты

1. Значение коэффициента ослабления оптического волокна (дБ/км) для двух длин волн 1320нм и 1550нм.

2. Вывод о причинах различия коэффициентов ослабления на разных длинах волн.

Задание 2

Калибровка аттенюатора на двух длинах волн

Используемые приборы: лазеры с длиной волны 1320нм и 1550нм, оптические волокнаSMF-28(FC/APC), волоконный измеритель оптической мощности (Ophir), волоконные коннекторы.

Экспериментальная установка и измерения

1. Собрать экспериментальную установку, показанную на рисунке 2.

2. Произвести измерение коэффициента пропускания аттенюатора в зависимости от коэффициента аттенюации

Рис.2 Схематическое изображение экспериментальной установки для измерения коэффициента пропускания аттенюатора в зависимости от коэффициента ослабления.

 

Результаты

1. График зависимости коэффициента пропускания аттенюатора от коэффициента ослабления, выставленного на приборе для длины волны 1320нм и 1550нм.

2. Значение входных потерь оптического аттенюатора.

3. Вывод о пригодности использования оптоволоконного аттенюатора.

Задание 3

Определение функционального назначения неизвестного оптоволоконного прибора.

Используемые приборы: лазеры с длиной волны 1320нм и 1550нм, оптические волокнаSMF-28(FC/APC), волоконный измеритель оптической мощности (Ophir), волоконные коннекторы, неизвестный оптоволоконный прибор

Экспериментальная установка и измерения

1. Собрать экспериментальную установку, показанную на рисунке 2.

2. Произвести измерение коэффициента пропускания между портами неизвестного прибора (все возможные конфигурации)

Рис.3 Схематическое изображение экспериментальной установки для измерения коэффициента пропускания неизвестного прибора.

 

Результаты

1. Значение коэффициента пропускания между портами неизвестного прибора (все возможные конфигурации) для длин волн 1320нм, 1550нм.

2. Схематическое изображение неизвестного прибора.

3. Определение названия прибора, а также вывод о возможных областях его применения.

 

Вопросы

1. Устройство оптического волокна

2. Распространение света в волокне. Волноводные моды. Структура поля.

3. Оптические потери в оптоволокне. Их физические механизмы.

4. Устройства вводи и вывода.

5. Искажения сигнала. Дисперсия.

 

Приложение

Оптические волокна

Волоконный световод (ВС) – это направляющая система, выполненная в виде тонкого стеклянного волокна цилиндрической формы, состоящая из сердцевины и оболочки, по которой осуществляется передача световых волн.

Волоконные световоды бывают однослойные (рисунок 1.2,а), двухслойные (рисунок 1.2,б) и трёхслойные (рисунок 1.2,в) и т.д. Показатель преломления материала сердцевины n₁= √ε₁, а оболочки – n₂= √ε₂, где ε₁ и ε₂ – относительные диэлектрические проницаемости. Относительная магнитная проницаемость материала μ обычно постоянна и равна единице. Показатель преломления вакуума n₀ равен единице.

Типичный волоконный световод представляет собой длинную нить диаметром от 100 до 1000мкм в зависимости от применений, состоящую из цилиндрической сердцевины, окружённой одной или несколькими оболочками из материалов с меньшими показателями преломления. Показатель преломления оболочки постоянен, а сердцевины в общем случае является функцией поперечной координаты (например, радиуса в случае круглого световода). Эту функцию называют профилем показателя преломления (ППП).

а – однослойного; б – двухслойного; в – трёхслойного

Рисунок 1.2 – Конструкции волоконных световодов

Для передачи электромагнитной энергии по световоду используется известное явление полного внутреннего отражения на границе раздела двух диэлектрических сред, поэтому, как будет показано ниже, необходимо, чтобы n₁>n₂. Разность показателей преломления на границе «сердцевина – оболочка» обычно составляет 1–0,1%. Кроме того, оболочка защищает распространяющийся по сердцевине свет от любых внешних воздействий и помех.

В зависимости от величины угла θ, который образуют с осью лучи, выходящие из точечного источника в центре торца световода (рисунок 1.3), возникают лучи излучения 1, лучи оболочки 2 и лучи сердцевины 3.

Рисунок 1.3 – Принцип действия волоконного световода

Типы лучей. В сердцевине существуют два типа лучей: меридиональные, которые пересекаются в некоторой точке с осью световода и косые, которые с осью световода не пересекаются. На рисунке 1.3 показаны меридиональные лучи.

Лучи, траектории которых полностью лежат в оптически более плотной среде, называются направляемыми. Поскольку энергия в направляемых лучах не рассеивается наружу, такие лучи могут распространяться на большие расстояния.

Моды. Световые волны, которые образуются направляемыми лучами, многократно отражаясь от границы "сердцевина – оболочка", накладываются сами на себя и образуют направляемые волны (моды). Для облегчения восприятия под модой достаточно понимать вид траектории, вдоль которой распространяется свет.

Термины «оптическое волокно» и «волоконный световод» являются синонимами. Последний обычно применяется при рассмотрении вопросов передачи информации с помощью законов оптики.

Волокно, в котором распространяется несколько мод, называется многомодовым (ММ). В ММ волокне диаметр сердцевины больше длины волны (d_c>>λ). Волокно, в котором распространяется одна мода называется одномодовым (ОМ). В ОМ волокне диаметр сердцевины соизмерим с длиной волны (d_c≈λ). По существующему международному стандарту для средств связи принято, что диаметр оболочки волокна должен быть равен 125 мкм. Оболочка изготавливается из кварцевого стекла (SiO₂) с n₂=1,45, а сердцевина – из кварцевого стекла с добавками GeO₂ или P₂O₅. Для промышленно выпускаемых световодов ОМ волокно имеет диаметр сердцевины 7–10мкм, а ММ волокно – 50–65,5мкм.
Существует три основных типа волокон: ступенчатое ММ, градиентное ММ и ступенчатое ОМ волокно (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 – Поперечное сечение и ППП ступенчатого многомодового (а), градиентного многомодового (б) и ступенчатого одномодового (в) волокна

Принцип передачи электромагнитной энергии по ступенчатому многомодовому, градиентному многомодовому и ступенчатому одномодовому волокну представлен на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 – Лучевой принцип распространения электромагнитной энергии по ступенчатому многомодовому (а), градиентному многомодовому (б) и ступенчатому одномодовому (в) волокну

Лучи света входят в сердцевину волокна с торца и удерживаются за счёт полного внутреннего отражения внутри сердцевины (рисунок 1.5,а), или изгибаются в направлении градиента показателя преломления (рисунок 1.5, б).

 

Структура поля

Как мы убедились, вдоль круглого неоднородного диэлектрического световода с осесимметричным распределением ε в сердцевине возможно распространение дискретного числа различных по структуре поля типов колебаний (мод) (рисунок 1.9).

а – мода самого низкого порядка; б – первый ряд мод более высоких порядков
Рисунок 1.9 – Картины векторов поперечного электрического поля в поперечном сечении сердцевины ступенчатого волоконного световода для четырёх мод самых низких порядков

Они отличаются кроме числа вариаций поля по азимуту и радиусу ещё и соотношением между продольными компонентами E_z и H_z.

Волноводные моды

• Типы колебаний - моды – определяются решениями системы уравнений Максвелла.
Уравнения Максвелла дают набор из n, m решений, т.е. различных типов волн (появляются целые индексы n для каждого целого m).

• Индекс n характеризует азимутальные (угловые) свойства волн (число полных изменений поля по окружности), а m – радиальные (число полных изменений поля по диаметру)

 

Оптические потери

На входе линии длиной L мощность сигнала равна Р₀, на выходе Р₁, потери a, который прямо пропорционален коэффициенту поглощения среды a_Б (закон Бугера)

 

Основные причины потерь в оптических волокнах:

• Релеевское рассеяние оно примерно одинаковое в прямом и обратном направлении, линейная поляризация рассеянного излучения и сильная зависимость мощности рассеянного излучения от длины волны ~1/l⁴. Его вклад наибольший в коротковолновой части. Рассеяние Ми на крупных неоднородностях отличается вытянутой в направлении распространения падающего света диаграммой направленности и слабой спектральной зависимостью мощности рассеяния. Потери на поглощение обусловлены тремя механизмами – собственным поглощением, поглощением на примесях и на дефектах решетки.

• Поглощение на колебательных степенях свободы в молекулах кварца

• Дефекты оптоволокна: трещины, пузырьки и т.п. приводят к потерям. Изгиб приводит к нарушению условия полного внутреннего отражения

Спектр потерь в кварцевом волокне

 

В состав ВОСП для её нормального функционирования входят разнообразные оптические пассивные устройства: ввода и вывода оптического сигнала, соединители, ослабители, изоляторы, поляризационные контроллеры, разветвители (ответвители, мультиплексоры, демультиплексоры) и фильтры. Общими для всех этих устройств являются следующие параметры:

• согласование;
• вносимое затухание;
• рабочий диапазон длин волн или частот;
• допустимый уровень мощности.

Согласование. При идеальном согласовании с нагрузкой отражённая волна отсутствует, т.е.

| Еотр |=0.

(3.1)

Обеспечение согласования в линиях передачи является одной из наиболее распространённых и важных задач.
Рассогласование приводит к дополнительным потерям и искажениям сигнала. Последнее иллюстрируется на рисунке 3.1. В результате повторного отражения на выходе оптического устройства, показанного в виде прямоугольника, суммарный сигнал E_Σ не повторяет исходный прямоугольный сигнал. На рисунке 3.1,б видно, что в данном случае импульс уширяется.

а - ход лучей в несогласованном оптическом устройстве; б - временные диаграммы
Рисунок 3.1 - Искажение импульса из-за повторного отражения

Вносимое затухание L,дБ определяется логарифмом отношения мощностей на входе и выходе оптического устройства:

Вносимое затухание обусловлено поглощением, рассеянием и отражением оптических волн.
Рабочим диапазоном называют диапазон длин волн λ_max - λ_min или диапазон частот f_max - f_min, в котором основные параметры устройств не выходят за пределы, заданные техническими условиями.
Допустимым уровнем мощности P_доп считают тот уровень мощности, при котором либо основные параметры не выходят за пределы, заданные техническими условиями, либо не происходят необратимые явления. Не исключено, что при прохождении сигнала мощностью выше допустимого уровня устройство выйдет из строя.

Другие параметры для конкретных устройств определяются исходя из их функционального назначения.

УСТРОЙСТВА ВВОДА И ВЫВОДА

Устройства ввода и вывода должны обеспечивать передачу максимально возможной мощности от источников света в световод и из световода в фотоприёмник. Конструкция указанных устройств определяется характеристиками как излучателей и фотоприёмников, так и световодов. Светодиоды могут быть с низкой яркостью и большой площадью излучения S (типичные значения S =0,2–5,6мм²) и, наоборот, с высокой яркостью и малой излучающей поверхностью. Последние (а также инжекционные лазеры) можно непосредственно присоединять к световоду встык.

Потери на ввод излучения в многомодовый световод (ММС):

где L_отр - потери за счёт отражения;
L_и - потери на излучение на длине установления мод;
- эффективность ввода;
P_и, Вт - мощность источника излучения;
P_св, Вт -мощность введённая в световод.
Наилучшее и стабильное согласование источника излучения с многомодовым световодом достигается за счёт покрытия поверхности источника излучения просветляющим четвертьволновым слоем с показателем преломления n_ч:

где n_и - показатель преломления иммерсионной жидости, заполняющей зазор между источником и световодом;
em>n_св - показатель преломления световода.
При этом потери на отражение излучения пренебрежимо малы.
Одной из проблем ввода излучения в одномодовый световод (ОМС) является несовпадение распределений полей излучаемой лазером волны и основной моды световода НЕ₁₁. Это несовпадение требует, чтобы устройство ввода было выполнено с большой степенью точности.