В данной работе описывается авторская разработка лабораторной работы, предназначенной для исследования параметров оптического волокна.
Каждый технический вуз не может существовать без лабораторного оборудования во время занятий студенты получают возможность закрепить теоретические знания, научиться работать с контрольно-измерительной аппаратурой, получить опыт и наглядный пример практической работы. Кроме того, при прохождении лабораторных работ студенты приобретают определенные научно-исследовательские навыки.
Но, во-первых, закупить лабораторное оборудование задача не из простих: на рынке не так много поставщиков данной продукции. Во-вторых, если брать направление исследования «оптики» и ее компонентов, то здесь еще не маловажный аспект - цена. Все контрольно-измерительное оборудование измеряется десятками тысяч долларов. Согласитесь, комплектовать лабораторию для небольших учебных заведений - задача порой непосильная. Поэтому, создавая свой лабораторный стенд, хотелось сделать его доступным, простым и наглядным.
Начнем с теоретического материала, послужившего основой для создания лабораторного стенда. Исследованию подлежит один из основных параметров оптического волокна – апертурный угол.
Апертурой называется максимальный угол между оптической осью и световым лучом, падающим на торец многомодового волоконного световода. При этом выполняются условия полного внутреннего отражения в сердцевине (луч 3 на рисунке 1). Величина апертурного угла зависит от абсолютного значения показателя преломления сердцевины и разности показателей преломления сердцевины и оболочки, то есть апертура и предельный угол полного внутреннего отражения имеют определенную функциональную взаимосвязь. Таким образом, световод пропускает лишь лучи, заключенные в конусе с углом Θкр, соответствующим φп – углу полного внутреннего отражения. Физически апертура характеризует способность световода принимать световую энергию [1].
Наряду с понятием апертура, принято использовать также понятие числовая апертура (от англ. Numerical Aperture):
Рисунок 1 - Распространение излучения по оптическому волокну
От значения числовой апертуры зависит эффективность ввода излучения лазера или светодиода в световод, потери в микроизгибах, дисперсия импульсов, число распространяющихся мод.
Как видно из рисунка 1, между предельным углом полного внутреннего отражения φп и апертурным углом падения луча имеется взаимосвязь. Чем больше угол φп, тем меньше апертурный угол волокна Θкр.
Луч в торец световода следует вводить под углом, меньшим апертурного
угла волокна Θкр. До тех пор, пока угол падения луча меньше, чем Θкр, луч будет испытывать полное внутреннее отражение на границе «сердцевина – оболочка», и передача будет проходить эффективно.
В зависимости от условий распространения световой волны в сердцевине и числа распространяющихся мод оптические волокна делятся на две группы: одномодовые (SMF – Single Mode Fiber) и многомодовые (ММF – Multi Mode Fiber).
В многомодовом оптическом волокне показатели преломления сердечника и оболочки различаются всего на 1-1,5%. При этом апертура NA= (0,2 – 0,3) и угол, под которым луч может войти в световод, не превышают (12-18) градусов от оси.
В одномодовом оптическом волокне показатели преломления различаются еще меньше: апертура NA=0,122, и угол не превышает 7 градусов от оси.
Чем больше числовая апертура, тем легче ввести луч оптического излучения в оптоволокно, но при этом увеличивается модовая дисперсия и сужается полоса пропускания.
От величины значения NA зависит величина ввода излучения в световод, а также коэффициент потерь на микро- и макро-изгибах, дисперсия импульсов и число распространяющихся мод.
Для определения числовой апертуры на практике используют несколько различных методов. Это метод трех колец, метод ближней зоны, метод дальней зоны и метод калибрования зазора. Многие из приведенных методов довольно сложны и не всегда наглядны, не всегда возможно проанализировать физические процессы. А, ведь, именно простота, наглядность и понимание сути происходящего – это главные вопросы, которые должны учитываться в образовательном процессе. Поэтому нами был выбран самый простой и наглядный метод. Функциональная схема лабораторного макета приведена на рисунке 2.
Рисунок 2 – Схема лабораторного макета
Для измерения апертурного угла при помощи лабораторной установки обратимся еще раз к определению угла. Под числовой апертурой NA волоконного световода понимается синус угла φ, под которым луч света, падающий на его торец, испытывает полное внутреннее отражение на границе раздела «сердечник – оболочка».
Для экспериментального определения следует рассмотреть расходимость светового излучения из торца световода. На рисунке 2 показан принцип измерения угла.
Используя источник излучения (СИД или ЛД), вводим свет в волоконный световод. Свет, отражаясь и преломляясь, проходит по световоду. Далее лучи попадают на стол с миллиметровой бумагой (рисунок 2), на поверхности которой формируется световое пятно (спекл картина). На рисунке отмечен диаметр светового пятна d, соответствующий излучению из торца световода на расстоянии h от его торца и горизонтальный поверхности.
Значение числовой апертуры вычисляется из элементарных тригонометрических соображений по измеренному значению расстояния:
Измерения можно проводить для диодов с разной длиной волны и разной шириной спектра. Для наглядности лучше использовать видимый спектр. Инфракрасный диапазон в этом измерении не используется.
По результатам измерений построим график зависимости числовой апертуры волоконного светодиода от длины волны излучения.
Рисунок 3 - Экспериментальная модель
В процессе работы можно менять среду передачи, а также угол ввода светового луча в оптическое волокно, так как при попадании светового излучения на торец оптического волокна в нем могут распространяться три типа световых лучей, называемые направляемыми, вытекающими и излучаемыми лучами.
Результаты эксперимента
С помощью юстировочного устройства закрепить волоконный световод на расстоянии 5 -10 сантиметров от рабочей поверхности стола. К торцу волоконного световода подвести лазерный диод так, чтобы получилось четкое пятно на миллиметровой бумаге. Измерить радиус пятна и высоту от торцов ОВ до рабочей поверхности стола. Рассчитать апертурный угол.
Рисунок 4 – Сравнительная характеристика ЛД и СИД
Как видим из графиков зависимостей светоизлучающего диода и лазерного диода, числовая апертура с увеличением длины волны уменьшается. Это еще раз доказывает, что используемый в этой связи инфракрасный диапазон перспективен не только с точки зрения затухания (чем больше длина волны, тем меньше затухание в оптическом волокне), но и апертуры.
Актуальность работы, по итогам исследования, в следующем: схема по измерению апертурного угла не является новой, но применение современных технологий делает установку более простой в применении и наглядной, есть возможность дальнейшей модернизации лабораторного макета, что принесет ещё и существенный экономический эффект.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Слепов Н.Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи. – М.: Радио и связь, 2006. – 468 с.: ил.
- Убайдуллаев Р.Р. Волоконно-оптические сети. – М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2005. – 268 с.: ил.