книги / Фотоника и оптоинформатика
..pdfУсловие одномодовости волокна имеет вид 0 < V < 2,405, т.е. в этом диапазоне существует только основная мода LP01. Тогда все моды, кроме фундаментальной моды, отсекаются и волокно действует как одномодовое. Поскольку параметр волокна пропорционален оптической частоте:
2,405 = V = 2π |
a |
NA , |
(17) |
|
|||
|
λ0 |
|
|
условие отсечки основной моды по частоте дает
ν > νc = |
ωc |
= |
1 c |
, |
|||
|
|
|
|||||
NA 2,61a |
|||||||
|
2π |
|
|
||||
где c – скорость света.
Условие отсечки основной моды по длине волны:
λ < λc = NA 2,61a.
(18)
(19)
Пример. Найти диаметр волокна для одномодового режима. Решение. Волокно из кварцевого стекла с n1 = 1,447 с оболочкой n2 = 1,432 с = 0,01 (NA = 0,205) работает на длине волны λ0 = 1,3 мкм в качестве одномодового волокна, если V = 2π (a / λ0) NA < 2,405, т.е. если диаметр сердцевины 2a < 4,86 мкм. Если понизить в четыре раза – до = 0,0025, то одномодовый режим бу-
дет поддерживаться для диаметра 2а < 9,72 мкм.
Большинство волокон, используемых в оптических системах связи, изготовлены из плавленого кварцевого стекла (окись кремния Si2O) высокой химической чистоты. Слабые изменения показателя преломления вызываются добавлением легирующих добавок титана, германия, бора. Показатель преломления выбирается от 1,44 до 1,46 в зависимости от длины волны, а относительная разница показателей преломления сердцевины и оболочки лежит в диапазоне 0,001 < < 0,02.
Основная мода волокна HE11 и первая высшая HE21-мода описываются следующим скалярным уравнением (7):
11
∂2 E + 1 ∂E + V
∂R2 R ∂R
2 |
n(R) |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
− B |
|
− |
|
E = 0 , |
(20) |
n |
|
R2 |
|||||
|
|
|
|
||||
|
max |
|
|
|
|
|
|
где нормированная амплитуда волны E(R) ≈ u(r); R = r/a – нормированный радиус; nmax – максимальное значение разности пока-
зателей преломления сердцевины и оболочки; B ‒ нормированная постоянная распределения; = 1 для НЕ21-моды. Граничные условия имеют вид
E(0) = 1; |
|
∂E |
|
(0) = 0 |
для НЕ11-моды, |
(21) |
|
|
∂R |
||||||
|
|
|
|
|
|||
E(0) = 1; |
|
|
∂E |
(0) = 1 |
для НЕ21-моды. |
(22) |
|
|
|
∂R |
|||||
|
|
|
|
|
|
||
Физический смысл нормированной постоянной виден из со- |
|||||||
отношения |
|
|
|
|
|
|
|
|
nef = B n + n2 = β/k. |
(23) |
|||||
Данный параметр позволяет определить фазовую скорость света в среде с учетом выхода излучения в оболочку. Если
всё излучение |
распространяется по сердцевине, то |
B |
= |
1, |
и nef = n + n2 |
= n1 = β/k, в противоположном случае |
B = |
0 |
и |
nef = n2 = β/k.
При определенном значении длины волны излучения происходит отсечка НЕ21-моды и переход в одномодовый режим распространениямоды. Длинаволныотсечкиопределяетсяформулой
λ |
c |
= 2πa |
2 n n . |
(24) |
|
V |
2 |
|
|
|
|
|
|
Постоянная распространения этой моды сравнивается с постоянной распространения оболочки:
β1 = k n2 . |
(25) |
12
В оптическом волокне со ступенчатым профилем показателя преломления нормированная частота, соответствующая отсечке, составляет 2,405. В волокнах с градиентным профилем значение Vc увеличивается до 4,32 в треугольном профиле и до 3,52 в параболическом. При V < 2,405 в волокне распространяется только НЕ11-мода. В двухслойных волокнах НЕ11-мода не имеет отсечки, однако при малых значениях B распространение этой моды может ограничиваться излучательными потерями из-за изгибов и микроизгибов волокна.
Точное распределение поля НЕ11-моды находится из уравнения (20) с граничными условиями (21). Из него рассчитывается
постоянная распространения β и распределение мощности по сечению волокна.
Однако приближенное значение β можно найти следующим образом (в области 1,5 < V < 2,4 данный подход даёт точность лучше 1 %):
w = 1,1428 V – 0,996, |
(26) |
||||
где |
|
|
|
|
|
w2 |
= B. |
|
|
|
(27) |
V 2 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
Гауссова аппроксимация распределения поля: |
|
||||
|
|
2 |
|
|
|
E(R) = E0 exp |
− |
r |
, |
(28) |
|
2 |
|||||
|
|
|
we |
|
|
где we – полуширина распределения поля по уровню 1/e. Для данного определения в случае ступенчатого профиля показателя преломления существует аппроксимационное выражение, связывающее радиус поля моды с радиусом сердцевины a в зависимости от нормированной частоты V:
|
0,65 |
+ |
1,619 |
+ |
2,879 |
|
(29) |
|||
we = a |
V |
3 |
|
V |
6 |
. |
||||
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
13 |
Экспериментальная часть
Схема установки
Общая схема лабораторной установки представлена на рис. 6, где обозначены: ИБС – источник белого света, ОВ – оптическое волокно, ОSA – спектроанализатор.
Рис. 6. Схема лабораторной установки
Подготовка к измерению длины волны отсечки
1.Включить электроизмерительные приборы согласно их инструкции по эксплуатации и в соответствии с приложением Д.
1.1.НажатькнопкуD.C.ZERO нановольтметраУНИПАН232В.
1.2.Выставить напряжение 9 В и ток 0,4 А на источнике питания Б5-46.
1.3.Включить стабилизированный выпрямитель ТЭС-42.
1.4.Включить приборы и оборудование: источник питания Б5-46, осциллограф С1-83, вольтметр В7-16, блок управления монохроматора МДР-41, компьютер.
1.5.Прогреть приборы в течение 30 мин.
2.Выставить на монохроматоре рабочую длину волны 0,6 или 1,0 мкм в зависимости от рабочей длины волокна.
3.Смотать с катушки и отрезать волокно длиной от 2 до 3 м. Разместить волокно на виброизолирующем столе, исключая перекруты и радиусы изгиба волокна менее 5 см.
4.Подготовить концы волокна.
4.1.Очистить конец исследуемого оптического волокна (ОВ)
ипатч-корда (рис. 7) от защитного покрытия с помощью стриппера на расстоянии от 3 до 4 см от торца волокна (для устранения передачи оболочечных мод).
14
Рис. 7. Патч-корд |
Рис. 8. СКОЛ-7-80 с держателями |
4.2.Подготовленную поверхность волокна протереть салфеткой, смоченной этиловым спиртом.
5. Подготовить торцы измеряемого волокна с помощью устройства подготовки торцов СКОЛ-7-80 (скалывателя).
Чтобы скол получился ровный под углом 90º, необходимо использовать держатели с соответствующими канавками. В данном случае на 250 и 900 мкм (рис. 8).
6. Контролировать качество торца с помощью микроскопа МБС-10. Скол должен быть визуально плоским, перпендикулярным оси волокна.
7. Волокна уложить в аппарат для сварки оптического волокна (рис. 9).
7.1.Для запуска процесса сварки, нажать кнопки Open/close
иSET. На экране аппарата для сварки оптического волокна появится соответствующее изображение (рис. 10).
Видно, что угол скола не слишком большой, торец ОВ чистый и недеформированный.
7.2.Для сварки выбрать режим «2: SM AUTO». Снова нажать кнопку SET. По завершении процесса сварки на экране появится изображение, показанное на рис. 11.
15
а |
б |
Рис. 9. Аппарат для сварки оптического волокна Fujikura 80S: а – общий вид; б – вид с помещенными в него ОВ
Рис. 10. Начало сварки |
Рис. 11. Результат сварки |
|
(без потерь) |
8. Подготовить второй конец ОВ, как описано в пп. 4 и 5 и вставить в адаптер (рис. 12).
16
Рис. 12. Адаптер для ОВ |
Рис. 13. Источник |
|
белого света (ИСБ) |
9.Патч-корд поместить в источник белого света (рис. 13). Спектр самого источника света представляет собой практически ровную полосу, так как содержит все длины волн. Это означает, что в месте длины волны отсечки мы будем наблюдать пик средней ширины. Для эксперимента использовалось волокно SMF 28 типа A. Его фактическая длина волны отсечки ≤ 1260 нм, следовательно, пик будет в районе данного значения.
Примечание. Обрезки волокна уложить в специальную тару для отходов.
10.Для получения спектров был использован спектроанали-
затор (OSA) (рис. 14).
Рис. 14. Спектроанализатор OSA
17
11. Для проведения измерений оптического спектра на спектроанализаторе устанавливались параметры согласно таблице.
Исходные параметры спектроанализатора
CTRWL |
1300 |
Центральная длина волны |
SPAN |
800 |
Промежуток между начальной и конечной длинами волн |
|
900 |
измеряемого диапазона |
START WL |
Начальная длина волны |
|
STOP WL |
1700 |
Конечная длина волны |
WLFREQ |
0 |
Единицы измерения горизонтальной оси |
|
–36,6 |
(0 ‒ режим значений длин волн) |
REFL |
Контрольный уровень (двигает график вверх-вниз) |
|
SSCLG |
5 |
Линейная шкала |
LOFST |
0 |
Логарифмическое смещение |
RESLN |
1 |
Разрешение измерений |
AVG |
1 |
Время усреднения |
SMPLAUTO |
1 |
Режим установки опорных точек для измерений |
|
4001 |
(1 ‒ автоматический) |
SMPL |
Количество выбранных точек для измерений |
|
SMPLINTVL |
0,2 |
Интервал выборки измерений |
HIGH 1 |
0 |
Чувствительность измерения |
LSUNT |
Единицы измерения вертикальной оси (0 ‒ dBm) |
|
NMSKH |
OFF |
Горизонтальная шумовая маска (отключена) |
12. Выбрать два значения радиуса петли ОВ: r1 = 4 см и r2 = 2 см. Именно при радиусе r ≤ 2 см изгибные потери становятся существенными. Спектры при двух разных радиусах петли представлены на рис. 15.
Штрихом выделена длина волны отсечки, ей соответствует значение 1232,2 нм. Эксперимент в данном случае подтвердил теоретическую длину волны отсечки, заявленную на сайте изготовителя, используемого ОВ.
Но при уменьшении диаметра растут изгибные потери, это видно из полученных спектров и значений входной и выходной мощности оптического излучения. Формула для определения оптических потерь:
A[дБм] = Pвх[дБм] – Pвых[дБм]. |
(30) |
18
Рис. 15. Спектр излучения, прошедшего через ОВ с радиусами 2 и 4 см
Рассчитаем:
A1 = 84,93 – 84,23 = 0,7; |
(31) |
A1 = 84,93 – 82,07 = 2,86. |
(32) |
Порядок выполнения работы
1.Измерение напряжения постоянного тока фотоприемника для прямого волокна.
1.1.Измерить напряжение U1пр с помощью вольтметра В7-16. Занести значение U1пр в таблицу. Запись производится с точностью до двух знаков после запятой.
1.2.Выставить на монохроматоре длину волны 0,605 или
1,005 мкм. Значение напряжения U2, измеренного на этой длине волны, также занести в таблицу.
1.3.Продолжить измерение напряжения Uiпр через каждые 20 нм по спектральному диапазону до значения 0,8–1,0 мкм или 1,005–1,6 мкм, занося эти значения в таблицу.
2.Измерение напряжения Uiсогн постоянного тока фотоприемника для согнутого волокна.
19
Результаты измерений
Длина |
Напряжениепостоянного |
Напряжениепостоянного |
Относительные |
|
волны, |
тока фотоприемника для |
тока фотоприемника для |
потери мощности |
|
λi, мкм |
прямого волокна |
согнутого волокна |
излучения |
|
Uiпр, мВ |
Uiсогн, мВ |
α(λi), дБ |
||
|
||||
0,600 |
|
|
|
|
0,620 |
|
|
|
|
……. |
|
|
|
|
0,800 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,000 |
|
|
|
|
1,020 |
|
|
|
|
….. |
|
|
|
|
1,500 |
|
|
|
2.1.Согнуть волокно на приспособлении, не меняя юстировки. Диаметр изгиба должен быть 2,0 см. Сигнал на вольтметре должен остаться неизменным. Если сигнал на согнутом волокне уменьшился, это означает, что длина волны отсечки находится выше заданного спектрального диапазона.
2.2.Перемотать счетчик монохроматора на начальное положение заданного диапазона – 0,6 или 1,0 мкм.
2.3.Измерить напряжение постоянного тока фотоприемника для согнутого волокна в соответствии с пп. 1.1–1.3.
2.4.Выключить все электроизмерительные приборы и оборудование: нажать кнопку D.C.ZERO нановольтметра УНИПАН 232В, вывести на ТЕС-42 ручки регулирования напряжения и тока в крайнее левое положение.
Обработка результатов измерений
1. Рассчитать относительные потери мощности излучения по формуле
α(λi )[дБ] = 10 lg |
Uiпр |
, |
|
||
|
Uiсогн |
|
20