книги / Фотоника и оптоинформатика

Рис. 6. Схема экспериментальной установки для измерения показателя поглощения активного волокна: ИБС – источник белого света; ОВ – активное оптоволокно, патч-корд; OSA – спектроанализатор

Измерение спектров пропускания проводится на большом и коротком отрезках волокна. Затем коэффициент поглощения (в Вт/м) определяется по формуле (модификация формулы (1)):

где P1(λ) – мощность выходного сигнала, измеренная для длинного отрезка волокна; P2(λ) – мощность выходного сигнала, измеренная для короткого отрезка волокна; L1 – длина длинного отрезка волокна, м; L2 – длина короткого отрезка волокна, м.

Порядок выполнения работы

1.Очистить конец исследуемого активного ОВ длиной 100 см

ипатч-корда(рис. 7) отзащитногопокрытияспомощьюстриппера.

2.Оба конца протереть салфеткой, смоченной спиртом.

3.При помощи скалывателя сделать скол концов ОВ.

4.Чтобы скол получился ровный под углом 90º, необходимо использовать держатели с соответствующими канавками. В данном случае на 250 и 900 мкм (рис. 8).

5.Волокна уложить в сварочный аппарат (рис. 9, 10).

6.Для запуска процесса сварки нажать кнопки Open/close и SET. На экране сварочного аппарата появится изображение, показанное на рис. 11.

В данном примере видно, что угол скола не слишком большой, торец ОВ чистый и недеформированный.

7.Для сварки был выбран режим «2:SM AUTO». Снова нажать кнопку SET. По завершении процесса сварки на экране появится изображение, показанное на рис. 12.

41

42

8.Подготовить второй конец ОВ, как описано в п. 1, и вставить в адаптер (рис. 13).

9.Адаптер поместить в источник белого света (рис. 14).

10.Включить источник белого света и прогреть.

Спектр самого источника света представляет собой практически ровную полосу, так как содержит все длины волн. Это означает, что при пропускании белого света через активное волокно в спектре будут наблюдаться два перевернутых пика: для поглощения длины волны накачки 980 нм и поглощения на длине волны 1530 нм (область люминесценции). Процессы поглощения и люминесценции происходят одновременно, и так как мощность источника белого света мала, поглощение будет преобладать.

11.Экспериментальная схема представлена выше, на рис. 5. Для получения спектров был использован спектроанализатор

(OSA) (рис. 15).

12.Включить спектроанализатор и выполнить настройки.

12.1.Выбрать максимально возможный диапазон измерений

(600–1700 нм).

43

Рис. 15. Спектроанализатор

12.2.Разрешение (resolution) выставить на 1 нм.

12.3.Чувствительность (sensitive) выставить на HIGH3.

12.4.Для проведения измерений оптического спектра на спектроанализаторе устанавливались параметры согласно табл. 2.

13. Подключить с помощью устройств ввода и вывода излучения исследуемый образец одним концом к источнику белого света, а другим – к спектроанализатору.

44

14.Произвести запись спектра.

15.После получения спектра, необходимо зафиксировать данные на выбранной дорожке, заменив WRITE на FIX. Для этого нужно нажать кнопку TRACE на спектроанализаторе. Затем нужно выбрать свободную дорожку для нового измерения.

16.Конец исследуемого образца, вставленный в спектроанализатор, освободить и укоротить. Выбрать шаги по длине ОВ 20

и40 см, чтобы увидеть, насколько сильно влияет длина активного участка на спектр поглощения и люминесценции.

17.Активное ОВ укорачивать перед каждым новым измерением: 80, 60, 20 см (после обрыва ОВ конец обязательно должен быть вновь зачищен и сколот).

18.Исследуемый образец подключить с помощью устройств ввода и вывода излучения обратно в схему.

19.Произвести запись спектра.

20.Повторить пп. 13–16 с новыми длинами волн.

45

21.По завершении измерений данные записать на флешкарту в формате CSV файла. Для выполнения этого действия нужно нажать кнопку FILE на спектроанализаторе.

22.На рис.16 представлен скриншот экрана спектроанализатора после проведения измерений (для получения скриншота нужно выбрать «graphics» перед сохранением данных с дорожки). Отчетливо видны два пика поглощения.

Рис. 16. Скриншот экрана спектроанализатора

Обработка результатов измерения

Коэффициент поглощения можно рассчитать по формуле (3). Для обработки данных для множества длин исследуемого образца можно воспользоваться функцией из MC Excel. Она позволит «положить» общий уровень оптического сигнала на отметку нуль по оси y и, таким образом, увидеть зависимость ко-

46

эффициента поглощения от длины волны излучения для исследуемого активного волокна. Вся интенсивность будет считаться относительно нуля: =-НАКЛОН (значения мощностей относительно длины волокна; длины волокна). Данная функция производит расчет коэффициента поглощения в дБ/м на каждой длине волны, избавляя от необходимости считать вручную (рис. 17).

Рис. 17. Скриншот примера использования MC Excel

На рис. 18 изображен пример графика зависимости коэффициента поглощения от длины волны излучения.

Рис. 18. Зависимость коэффициента поглощения активного ОВ от длины волны излучения

47

Выводы

Экспериментально получены спектры поглощения активного волокна длиной 100, 80, 60 и 20 см, проведено исследование зависимости коэффициента оптического поглощения активных волокон от длины волны излучения и подтверждены значения длин волн пиков поглощения для ОВ, легированного Er3+ в области 980 и 1530 нм.

Контрольные вопросы

1.Запишите и объясните формулу для дифференциальной эффективности источника излучения.

2.Закон Бугера – Ламберта.

3.Методикаизмеренияспектрапоглощенияактивныхволокон.

Список литературы

1.Салех Б., Тейх М. Оптика и фотоника. Принципы и применения: пер. с англ.: учеб. пособие: в 2 т. – Долгопрудный, 2012. – Т. 1. – С. 742.

2.Кирчанов В.С. Физические основы нанотехнологий фотоники и оптоинформатики: учеб. пособие. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2020. – 351 с.

3.Инструкция к спектроанализатору.

4.Инструкция к источнику белого света.

5.Инструкция к сварочному аппарату для сварки ВОС.

6.Инструкция к адаптеру.

48

Лабораторная работа № 4 Измерение затухания в оптическом волокне

в зависимости от его длины

Цель работы: определить зависимость коэффициентов затухания и пропускания волокна от его длины.

Оборудование: источник питания GPS-&@303(ИП), измеритель оптической мощности FTB-1750-02X-4 (ИМ), стриппер, скалыватель, сварочныйаппарат, адаптер, оптическоеволокно1 м(ОВ).

Краткие теоретические сведения

Затухание и дисперсия ограничивают возможности использования оптических волокон в качестве каналов для передачи информации. Затухание ограничивает величину передаваемой мощности. Оно связано с потерями различного рода. Дисперсия ограничивает скорость передачи сигналов, уменьшая частоту следования импульсов, несущихинформацию, из-заихрасплывания.

Мощность света, распространяющегося по оптическому волокну, экспоненциально убывает с расстоянием в результате поглощения и рассеяния согласно закону Ламберта – Бугера:

где P(z) – мощность прошедшего света; P(0) – мощность падающего света; α – коэффициент затухания с размерностью: [α] = км–1 (длинаволокнаL приэтомдолжнаизмерятьсявкм).

После логарифмирования соотношения (1) получаем формулу для коэффициента затухания:

Коэффициент затухания α, дБ/км, может быть выражен в децибелах на километр (при длине волокна z = L):

49

Коэффициентпропусканияτ приопределенииα поформуле(3):

Преобразование τ в децибелы показано на рис. 1. Затухание в 3 дБ/км соответствует коэффициенту пропускания τ = 0,5 волокна длиной 1 км.

При прохождении света через каскад систем с потерями коэффициенты пропускания перемножаются, а полное затухание в децибелахравносуммезатуханийвсехэлементовкаскадавдецибелах.

Рис. 1. Значения коэффициента пропускания τ в логарифмической шкале в децибелах

Коэффициент затухания плавленого кварца сильно зависит от длины волны (рис. 2). Имеются две полосы сильного поглощения в средней инфракрасной области (ИК), вызванные колебательными переходами и в ультрафиолетовой области (УФ), связанной с электронными и молекулярными переходами. Конец УФ-полосы и начало ИК-полосы образуют «окно прозрачности» в ближнем

50