Изучение принципа передачи сигналов по ВОЛС, оптической схемы, назначение элементов

СОДЕРЖАНИЕ

          Цель работы…………………………………………………………………3

          1.Краткая теория……………………………………………………………3

          2.Описание лабораторной установк……………………………………….5

3.Рачёт……………………………………………………………………….5

          Цель работы:     В результате выполнения работы изучить принцип передачи сигналов по ВОЛС, оптическую схему, назначение элементов. Провести согласование оптического излучения с волокном. Определить на входе волокна потери на отражении, измерить мощность оптического сигнала на входе и выходе волокна.

1.  Краткая теория

Наибольшее распространение в ВОЛС получили диэлектрические волноводы круглого поперечного сечения, состоя­щие из двух или нескольких концентри­ческих слоев диэлектрика. Показатель преломления (ПП) внутреннего слоя – сердцевины – в общем случае является функцией радиальной координаты. Эту функцию называют профилем показате­ля преломления (ППП). ПП внешних слоев – оболочек – постоянны. Для существования поверхностных мод (волн), поле которых убывает при удалении от сердцевины, необходимо, чтобы n₁ пре­вышало n₂, где n₁ – наибольшее значение ПП сердцевины, n₂ – ПП внешней оболочки. Основными параметрами, характери­зующими тип волоконного световода (ВС), являются: число и структура рас­пространяющихся мод, ППП, числовая апертура, геометрические размеры серд­цевины и оболочки, оптические характе­ристики (затухание и уширение импуль­сов). Каждая собственная мода светово­да обладает характерными для нее структурой электромагнитного поля, фа­зовой и групповой скоростями. ВС, под­держивающие распространение одной моды, называются одномодовыми, боль­шого числа мод – многомодовыми. Иногда ВС, число мод в которых не пре­вышает ста, называют маломодовыми. ВС, состоящий из однородной сердце­вины и однородной оболочки, называет­ся двухслойным или ВС со ступенчатым ППП. ВС, состоящие из не­скольких однородных концентрических слоев диэлектрика, в зависимости от со­отношений между ПП слоев называют кольцевыми световодами; световодами W-типа или кольцевыми W-типа. Если ПП сердцевины непрерывно изменяется вдоль радиальной координаты, ВС на­зывается градиентным или граданом. Наиболее изучены харак­теристики ВС, для которых ППП

где r – текущий радиус;  – относительная разность ПП сердцевины и оболочки; g – показатель степени, определяющий изменение n(r); а – радиус сердцевины.

          Волоконные световоды с g = 2 называ­ют параболическими, так как ППП опи­сывается параболой. При изготовлении градиентных ВС по техноло-гическим причинам часто получают в центре серд­цевины область с уменьшенным значе­нием ПП. Такие ВС получили название световодов с осевым провалом в ППП.

          Важным параметром ВС является чис­ловая апертура, которая определяется выражением . От ее значения зависят эффек­тивность ввода излучения лазера или светодиода в ВС, потери на микроизги­бах, дисперсия импульсов, число рас­пространяющихся мод. Для однородного двухслойного ВС число мод , для ВС со степенным ППП

,

для градиентного ВС с нормированным ППП  - число                                                                                                                                                                                                                                                                          мод . Здесь  - нормированная рабочая частота; λ – рабочая длина волны; . Число мод в градиентном ВС меньше, чем в двух­слойном тех же геометрических разме­ров и с теми же значениями n₁ и n₂.

          Числовая апертура зависит от матери­ала и способа изготовления световодов. ВС изготовляют из стекла или пласт­масс. В пластмас­совых ВС сердцевина выполнена из поли­стирола с последующим покрытием из полиметилметакрилата (PS/PMMA) или из полиметилметакрилата с покрытием из сополимера (РММА/сополимер) с меньшим показателем преломления. Пластмассовые ВС имеют боль­шие значения числовой апертуры, одна­ко и коэффициенты затухания у них выше.

          Широко распространены световоды на основе кварцевых стекол, получаемые способом осаждения из газовой фазы и его модификациями. Для изменения ПП окиси кремния SiO₂ используют различ­ные добавки, в том числе фосфор, герма­ний, бор, титан, алюминий. Получаемые ВС имеют малое затуха-ние, средние ти­повые потери градиентных ВС составля­ют около 2,7 дБ/км на λ = 0,85 мкм и 0,8 дБ/км на λ = 1,3 мкм. ПП оболочки обычно равен ПП чистого квар­ца, иди кварца с добавками окиси бора.

          Волоконные световоды с большой апер­турой (0,2 - 0,6) изготовляют на основе многокомпонентных стекол (натрийборосиликатных, силикатов калия, алюмо­силикатов натрия) методом двойного тигля.

          Одной из важнейших оптических ха­рактеристик ВС является коэффициент затухания. Потери ВС определяют длину ретрансляционного участка ВОЛС, т.е. расстояние, на которое можно переда­вать сигнал без усиления. Затухание света в ВС обусловлено рас­сеянием и поглощением света в матери­але, рассеянием, связанным с геометри­ей световода, с наличием соединений ВС.

          Распространение импульса света в волокне приводит к изменению его фазовых и временных характеристик, в частности к уширению импульса т.е. изменению фронтов. Уширение импульса (дисперсия) при его распространении по волокну, является наиболее важным параметром при передаче информации по волоконно-оптическому кабелю. Чем меньше дисперсия тем выше пропускная способность линии. Как правило учитывают три вида дисперсии: волноводную, обусловленную направляюшими свойствами оптоволокна; материальную, определяемую зависимостью ППП от частоты, и межмодовую, вызываемую различием групповых скоростей распространяющихся мод.

          Для измерения затухания оптического сигнала в ВОЛС существует несколько методов измерения: двухточечный, замещения, обратного релеевского рассеяния во временной области. Наиболее широко используется двухточечный метод подразделяющийся на три разновидности: метод обламывания, безобрывный метод и метод комбинированного рассеяния. Метод обламывания заключается в следующем. Входной торец жестко фиксируется совместно с излучателем. На выходе волокна измеряется мощность Р₀, затем обламывается волокно длинны L, оставшаяся часть от передатчика торцуется, полируется и на выходе оставшегося волокна измеряется мощность Р₁. Затухание в ОВ длинной L определяется как:

Безобрывный метод заключается в следующем. Имеется калиброванный источник излучения на заданной λ и калиброванный приемник. К выходу излучателя подключают исследуемое ОВ и на выходе через стандартный разъём подключается калиброванный приемник. Зная входную мощность Р₀ излучателя, определяют мощность Р₁ на выходе оптоволокна. По известному соотношению рассчитывают затухание.

2.  Описание лабораторной установки

В состав лабораторной установки  по ВОЛС входят: лазер ЛГ-79, фокусирующая линза, сдвоенный волоконно-оптический кабель длинной L = 300 м, ВЧ генератор прямоугольных импульсов, лазерный диод, фотоприемник – лавинопролетный диод ЛФД, усилитель накачки для излучателя, ВЧ усилитель фототока, источник питания для усилителя, двухлучевой ВЧ осциллограф для измерения и контроля частотных параметров ВОЛС.

3.  Расчёт

3.1. Расчёт потерь в ВОЛС

 

          3.2. Измерение динамических параметров

·  Определение F_max и F_min

·  Фазо-частотная характеристика

          3.3. Измерение дисперсии сигнала

·  Рассчёт максимальной пропускной способности ВОЛС и дисперсии по паспортным данным ОВ

сти