Мен және менің мектебім65. Лабораторные работы 2,3,4 Изучение параметров оптических световодов
![]()
|
ОиМВС Лабораторные работы 2, 3, 4_ 2009 Лабораторные работы 2,3,4Изучение параметров оптических световодов(4 часа на компьютере и 2 в лаборатории)Цель работы: Изучить профили показателя преломления световодов. Разобраться в методах расчета траектории светового луча в световоде и в методах расчета времени распространения светового луча по световоду в приближении геометрической оптики. Оценить модовую дисперсию в световодах с различным профилем показателя преломления. Экспериментально определить параметры задержки и затухания оптической линии передачи. Процессы, протекающие в световодахО ![]() Для передачи электромагнитной энергии по световоду используется явление полного внутреннего отражения на границе раздела двух диэлектрических сред. Поэтому необходимо, чтобы показатель преломления материала сердечника был больше, чем у оболочки n1>n2. В зависимости от величины угла , который образуют с осью лучи, выходящие из точечного источника в центре входного торца световода (рис. 1.1), имеют место волны излучения 1, волны оболочки 2 и сердцевины 3. В сердцевине и оболочке существуют два типа лучей: меридиональные, которые пересекаются в некоторой точке с осью световода, и косые, которые с осью световода не пересекаются. На рис. 1.1 показаны меридиональные лучи. Рассмотрим волны (или моды) сердцевины. Если угол падения меньше некоторого критического угла ( кр), то луч полностью отражается на границе «сердцевина—оболочка» и остается внутри сердцевины (луч 3). Не все лучи, поступающие на вход световода под углом между 0 и кр будут распространяться в световоде. Лишь те лучи, у которых первичная волна и волна, полученная после двух последовательных переотражений от границы «сердечник—оболочка» оказываются в фазе, формируют моды сердцевины. Если это условие не выполняется, то волны интерферируют так, что гасят друг друга и исчезают. Каждая мода обладает характерной для нее структурой электромагнитного поля, фазовой и групповой скоростями Такое объяснение упрощенно описывает процессы в сердцевине световода. Учет волновых свойств света позволяет установить, модовую структуру светового сигнала в сердцевине и роль оболочки. Электромагнитная энергия не полностью сосредоточена в сердцевине. В оболочке существует поверхностная волна, амплитуда которой спадает по мере удаления от сердцевины. Оболочка служит для передачи поверхностной волны и защищает распространяющийся по сердцевине свет от любых внешних воздействий и помех. Диаметр оболочки должен быть таким, чтобы напряженность поля световой волны на ее внешней поверхности была близка к нулю. Моды оболочки затухают значительно быстрее, чем моды сердцевины, а моды излучения вообще не распространяются от источника к приемнику. Это паразитные волны, которые отбирают энергию источника возбуждения и уменьшают полезную энергию, передаваемую по сердцевине. Они также возникают на геометрических нерегулярностях световода и неоднородностях материала. В зависимости от числа распространяющихся на рабочей частоте волн (мод) световоды разделяются на одномодовые и многомодовые. Параметры волн в световоде определяются профилем показателя преломления в его поперечном сечении. Коэффициент преломления в оболочке меньше чем в сердцевине и постоянен по поперечному сечению. Показатель преломления в сердцевине может быть постоянным, а может и изменяться по радиусу. Показатель преломления в сердцевине постоянен в световоде со ступенчатым профилем показателя преломления (есть ступенька показателя преломления на границе «сердечник—оболочка»). Если показатель преломления от центра к краю сердечника изменяется не ступенчато, а плавно, то световоды называются световодами с градиентным профилем показателя преломления, или градиентными световодами. Ход лучей в градиентном световоде уже не будет ломанной линией . Лучи изгибаются в направлении градиента показателя преломления и прямые линии преобразуются в кривые. Чаще всего профиль показателя преломления описывается степенной функцией: n (r) =n1 [1 - 2 (r/a)g ] , 0 r a (1) где г — текущий радиус; n1 и n2 – показатели преломления в центре сердечника и в оболочке соответственно. n1 > n2. = (n 1 – n 2) / n2 — относительная разность показателей преломления; g — показатель степени, определяющий изменение n (r); а — радиус сердечника (см. рис. 1.1). Световоды с g=2 называют параболическими, так как профиль показателя преломления описывается параболой. При изготовлении градиентных световодов по технологическим причинам часто получают в центре сердцевины область с уменьшенным значением показателя преломления. Такие световоды получили название световодов с осевым провалом в профиле показателя преломления. Используя свойство неоднородных световодов изменять свои характеристики в широких пределах в зависимости от закона изменения показателя преломления по поперечному сечению световода, можно для каждого конкретного применения подобрать световод с наилучшим соответствием его характеристик решению поставленной задачи. Величину NA = sin ( кр ) = ![]() На свойства световода наряду с числовой апертурой влияют его геометрические размеры в поперечном сечении. Для многомодовых световодов обычно диаметр сердцевины порядки 50 мкм, а диаметр оболочки 125 мкм. Диаметр сердцевины одномодового световода необходимо выбирать таким, чтобы обеспечивались условия распространения только основной моды, поэтому этот диаметр меньше. У одномодового волновода диаметр сердцевины 8 – 10 мкм, а диаметр оболочки тот же, что и у много модового, 125 мкм. Типичная разность показателей преломления между материалом собственно световода и его подложки составляет 10-3—10-2. В световодах существуют направляемые моды и моды излучения. Число направляемых мод зависит от соотношения между толщиной световода d и длиной волны λ, а также от разности между показателями преломления световода и подложки. Чем меньше разность показателей преломления, тем меньше число распространяющихся мод при той же толщине световода. Распространение светового сигнала в световоде, как и любого электромагнитного поля в любой линии передачи изучается с помощью уравнений Максвелла и Гельмгольца. В случае, если все линейные размеры много больше длинны волны, можно использовать упрощенный подход – метод геометрической оптики. В свтоводах показатель преломления ![]() Так, например, уравнение Гельмгольца для слабо неоднородной среды ![]() имеет тот же вид, что и в однородной среде, но теперь это дифференциальное уравнение с переменными коэффициентами. Уравнение Гельмгольца для слабо неоднородной среды - основа теории распространения электромагнитных волн в средах со слабой неоднородностью. |