Оптические соединители. Элементы волоконно-оптических трактов

Параметры волоконно–оптических систем передачи в значительной степени определяются параметрами оптического волокна, оптического кабеля, а также характеристиками других оптических элементов. К их числу следует отнести оптические соединители (разъемные и неразъемные), наконечники оптических волокон, оптические аттенюаторы, а также фоточувствительные элементы (фотодиоды). Изучению основных принципов работы этих устройств, расчету параметров, экспериментальному исследованию их характеристик и посвящен данный цикл лабораторных работ.

При выполнении расчетов рекомендуется использовать программу компьютерного моделирования OPTICS.

Лабораторная работа № 5

ОПТИЧЕСКИЕ СОЕДИНИТЕЛИ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение типов оптических соединителей, погрешностей соединений волоконных световодов, измерение параметров оптических соединителей, определение потерь оптических волокон и их соединений.

2. СВЕДЕНИЯ ОБ ОПТИЧЕСКИХ СОЕДИНИТЕЛЯХ

Для соединения элементов волоконно–оптических систем передачи (ВОСП) между собой требуются простые и надежные соединители волоконных световодов (ВС) друг с другом, с излучателями, фотодетекторами и полосковыми световодами.

Оптические соединители (ОС) представляют собой один из самых ответственных классов пассивных компонентов для ВОСП. От их качества зависят предельные возможности и сроки эксплуатации систем. Совокупность требований, предъявляемых к ОС, может быть сформулирована следующим образом: малые оптические потери; стабильность параметров в процессе эксплуатации; устойчивость к внешним механическим и физико–химическим воздействиям; надежность, а также простота сборки, низкая стоимость, герметичность.

Соединители ВС основаны чаще всего на непосредственном соединении световодов “встык”, иногда в них используются коллимирующие  и  фокусирующие  элементы.

Оптические потери при непосредственном (торцевом) соединении волоконных световодов можно разделить на три группы:

1)   потери, связанные с неидентичностью параметров соединяемых волоконных световодов;

2)   потери, определяемые взаимным расположением волоконных световодов в ОС;

3)   потери, связанные с отражением от торцов световодов.

Для оценки величины различных типов потерь обычно применяют энергетический метод расчета [1]. Он основан на применении энергетически – усредненных граничных условий с учетом волн излучения. При этом предполагается, что задача о собственных функциях световодов решена. Для диэлектрических  волноводов  полная  система  таких функций  включает в себя дискретное число направляемых волн излучения.

2.1. Потери, связанные с неидентичностью

параметров световодов

При стыковке неидентичных ВС могут не совпадать следующие параметры: геометрические размеры, диэлектрические проницаемости, форма поперечного сечения.

Анализ с применением энергетического метода расчета [1] показывает, что параметры стыка в значительной мере определяются различием числовых апертур соединяемых волокон. Числовая апертура является одним из важнейших параметров ОВ и определяется по формуле:

где  и  – показатели преломления сердцевины и оболочки волокна. Оптимальным является вариант, когда стыкуемые волноводы имеют одинаковые NA. При этом потери мощности на излучение и преобразование мод полностью отсутствуют. Для этого случая коэффициент отражения (R₀) и передачи по основной моде (Т₁₀) оказываются соответственно равны:

,     .

Индекс (0) приписан параметрам волновода, из которого падает волна. Если NA стыкуемых световодов существенно различны, то потери мощности на стыке существенно возрастают. При этом становится необходимым учитывать как излучение, так и преобразование