ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

Е. Н. Мищенко

Исследование апертурных черт волоконных

Световодов

Ростов-на-Дону

УДК 621.375.1

Мищенко, Е.Н. Исследование апертурных черт волоконных световодов: Методические указания к лабораторной работе / Е.Н. Мищенко. - Ростов на дону н/Д: Рост. гос. ун-т путей сообщения. - 23 с.

Приводятся главные теоретические положения, описание оборудования, устройств, схемы исследования, порядок выполнения работ, контрольные ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ вопросы и содержание отчета. Методические указания созданы для студентов специальности 23.05.05 «Системы обеспечения движения поездов».

Табл. 1. Ил.. 9. Библиогр. 6 назв.

Рецензент: ктн доцент Швалов Дмитрий Викторович

© Ростовский Муниципальный институт

путей сообщения, 2015

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Исследование физических эффектов, связанных с распространением оптического излучения по волоконному световоду, и оценка апертурных черт отдельных образцов световодов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ черт ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ многомодового световода при возбуждении его когерентным источником и источником с низкой когерентностью

Анализ черт многомодового световода

Определение допустимого радиуса извива световода

Исследование работы скремблера

Определение числовой апертуры многомодового и одномодового волокна

ОБОРУДОВАНИЕ И ПРИБОРЫ

3.1 Лабораторная установка, включающая:

- когерентный источник (Не-Ne лазер с блоком питания);

- когерентный источник (полупроводниковый лазерный диодик с фокусирующей насадкой и блоком питания);

- блок входных ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ разъемов, в каких размещены входные торцы исследуемых волоконных световодов;

- скремблер, с регулируемым радиусом извива волокна;

- одномодовый (маломодовый) световод, многомодовый световод в защитной оболочке с градиентным профилем коэффициента преломления и многомодовый световод без защитной оболочки со ступенчатым профилем коэффициента преломления;

- блок выходных разъемов, в каком расположены выходные торцы исследуемых световодов ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ;

- телекамера с микрообъективом и блоком питания

Черно-белый монитор с блоком питания

Телевизионный осциллограф с блоком выделения строчки

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Проверка готовности студента к выполнению лабораторной работы

Исследование теоретических основ, описывающих волновые явления на границе раздела 2-ух диэлектрических сред

Ознакомление с лабораторной установкой, устройствами и порядком выполнения лабораторной работы

4.4 Выполнение нужных исследовательских работ, предусмотренных содержанием ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ лабораторной работы

Составление письменного отчета о проделанной работе

4.6 Ответы на контрольные вопросы

Главные СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

Нрав распространения электрических волн в направляющих системах, структура поля и частотный спектр систем зависят, сначала, от класса волны, применяемой для канализации энергии. Есть волны последующих классов (см. набросок 1). - поперечная электрическая; - электронная волна; - магнитная волна; и ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ - гибридные, смешанные волны.


Вместе с делением на классы электрические волны делятся также по типам. Тип волны, либо по другому мода, определяется сложностью структуры, т.е. числом максимумов и минимумов поля в поперечном сечении. Мода обозначается 2-мя числовыми индексами: и . Индекс значит, к примеру, в круглых волноводах число конфигураций поля по ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ периметру волновода, а индекс - число конфигураций поля по поперечнику.

Волна содержит только поперечные составляющие поля: и . Она существует исключительно в двухпроводных линиях передачи. Электрические волны несимметричного типа и возбуждаются в железных волноводах.

С электродинамической точки зрения волоконный световод представляет собой разновидность диэлектрического волновода круглого сечения. Потому в волоконных световодах ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ могут существовать только два типа волн: симметричные - и , или несимметричные гибридные и .

Конструктивно оптический световод состоит из сердцевины и оболочки (см. набросок 2), которые заданны поперечниками соответственно и . На практике волоконный световод окружается защитной оболочкой и дополнительными элементами, которые обеспечивают его защиту от наружных воздействий. Обычно, их свойства не ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ оказывают влияние на процесс распространения оптических волн в световоде и потому тут эти элементы не рассматриваются.

Для аналитического описания электрического поля в волоконном световоде употребляют цилиндрическую систему координат. В этой системе координат продольная ось совмещена с осью световода (набросок 2). Положение точки в этой системе координат определяется 3-мя величинами ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ: длиной радиус-вектора , азимутальным углом и продольной координатой .

Электрическая волна в общем случае описывается проекциями векторов напряженности электронногои магнитного поля на единичные орты системы координат. Для цилиндрической системы ортами являются три вектора: , , . Электрическая волна будут определяться шестью проекциями: на орт - и , на орт - и , на орт - и :

; . (1)

Серьезное решение задачки на ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ базе электродинамического представления для продольных составляющих поля и для различных областей волокна имеют вид:

для сердцевины

(2)


;

,

для оболочки

(3)
;

,

где A, B, C, D - неизменные интегрирования, определяемые из граничных критерий на поверхности сердцевины;

- функция Бесселя;

- функция Ганкеля;

, - неизменные, учитывающие частоту волны и электронные характеристики материала световода.

Как видно из соотношений (2) и (3), содержащих ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ индекс в очевидном виде, этот индекс может принимать только целочисленные значения. В неприятном случае при изменении угла (0¼ ) эти соотношения будут иметь точку разрыва, что противоречит условиям физичности.

J3
J2
J1
J0
На рисунке 3 приведены графики нулевого и первых 3-х порядков.

Индекс в обозначении типа волны это номер корня ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ функции , на физическом уровне значащий, сколько раз напряженность электронного либо магнитного поля становится равной нулю при движении повдоль радиуса до , где - радиус сердцевины волоконного световода. Очевидно, индекс также не может принимать в таком случае какие-либо другие значения не считая целочисленных.

При решения (2) и (3) получаются более ординарными. Происходит полное ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ разделение поперечных электронных и магнитных мод, так как либо оказывается равным нулю и несимметричные гибридные волны и преобразуются в симметричные и .

При лучевом подходе любой из этих мод соответствует лучи, расположенные в плоскости проходящей через ось световода как это показано на рисунке 4(а). Такие лучи именуются меридиональными. Таким макаром ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ, симметричным волнам соответствуют меридиональные лучи.

Несимметричным гибридным волнам соответствуют косые лучи, не пересекающие ось световода (набросок 4(б)). Форма зигзага, по которому происходит распространение, находится в зависимости от длины волны оптического источника, возбуждающего световод , величин и , также от коэффициентов преломления сердцевины и оболочки .

Распространение волн в волоконном световоде ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ обеспечивается за счет явления полного внутреннего отражения. Это явление может быть в случае, если коэффициенты преломления сердцевины и оболочки оптического волокна различны при этом . Отражение происходит от границы раздела меж этими элементами. Потому принципиальной чертой световода является закон конфигурации коэффициента преломления в сердцевине и оболочке повдоль координаты .

В простом случае, коэффициент преломления ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ меняется скачком на границе раздела меж этими элементами. Таковой световод именуют ступенчатым. На практике величина скачка коэффициента преломления: .

С целью минимизации искажений оптического сигнала, возникающих в процессе распространения волн в световоде, употребляют более сложные зависимости коэффициента преломления от координаты r. Такие световоды получили заглавие градиентных. В градиентном световоде ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ ограничение области распространения оптической волны происходит по этим же причинам, что и в ступенчатых, но более сложным образом. Тут уже нет ярко выраженной границы раздела, но за счет того, что коэффициент преломления возрастает при приближении к центру световода, линия движения, по которой движется энергия оптической волны, искривляется (набросок 5(б ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ)). В итоге, при выполнении определенных критерий, линия движения концентрируется в ограниченной области, прилегающей к центру световода.

Сущность явлений, происходящих в градиентном и ступенчатом световоде, почти во всем подобна. Потому в предстоящем анализ проводится на базе рассмотрения более обычный модели световода со ступенчатым конфигурацией коэффициента преломления на границе раздела ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ.

Высококачественный анализ процесса распространения волн можно проводить, используя законы геометрической оптики, полагая, что линии движения распространение оптических лучей совпадают с направлением распространения волн. Таковой подход не всегда оправдан, так как при всем этом пропадает информация о нраве конфигурации электрического поля и его поляризации. Пример лучевого подхода приведен на набросок 5, где показаны ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ линии движения лучей в ступенчатом и градиентном световодах.

Набросок 5 - Линии движения распространения лучей света в ступенчатом (а) и градиентном (б) световодах

Для выполнения критерий полного внутреннего отражения нужно, чтоб луч падал на границу раздела сердцевина-оболочка в ступенчатом световоде под углом , превосходящем критичное значение . При всем ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ этом, как понятно, луч света будет распространяется повдоль световода по сложному извилистому пути (набросок 5(а,б)), который в литературе именуют извилистой волной.

Всем лучам, которые падают на границу раздела сердцевина-оболочка под углами, превосходящими - угол полного отражения, соответствуют так именуемые, направляемые волны (моды) световода.

Общей особенностью всех направляемых мод будет то ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ, что их составляющие поля в округи центра световода, описываются осциллирующими функциями - они счетное количество раз добиваются наибольших и малых значений. При удалении от центра все составляющие поля однообразно убывают до нуля (см. набросок 3). Основная толика энергии электрической волны переносится в области, где происходят осцилляции. Ее поперечные размеры и определяют "физический ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ поперечник" световода, при этом он имеет различное значение для каждой моды. Его значение превосходит поперечник сердечника , потому в процессе производства принципиально обеспечить высококачественные свойства не только лишь материала сердечника, да и оболочки.

Серьезный анализ указывает, что моды отличаются друг от друга не только лишь структурой поля, "физическим поперечником", да ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ и скоростью, с которой энергия электрического поля переносится повдоль световода. Условия существования данной моды в световоде производятся только тогда, когда длина волны источника света будет меньше некого критичного значения - . Оно находится в зависимости от геометрических размеров сердечника и оболочки, также - от величины . Основная мода обладает большим значением , которое миниатюризируется ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ с ростом индекса моды.

Не считая направляемых в световоде могут существовать моды излучения либо вытекающие. Лучи, которыми они образуются, падают на границу раздела под углами, наименьшими критичного значения . Потому для их не производится условие полного внутреннего отражения и в итоге каждого падения на границу раздела, часть энергии, переносимая ими ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ, уходит за границы световедущей области. Утраты, которые они испытывают при отражении, значительно больше по величине, чем для направляемых мод. Но если качество материала, из которого сделан световод, высочайшее, то толика энергии, переносимая ими, оказывается значимой даже на большенном расстоянии (до 10-ов км) от источника света. Наличие этих мод ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ служит источником дополнительных шумов и искажений инфы в оптической полосы связи. Убрать их воздействие на качество связи можно, используя скремблирование. Особые устройства именуемые скремблерами, нарушают регулярность световода на маленьком участке: искажают его профиль, заносят резкие извивы (набросок 6).

Из-за этого в месте нарушения регулярности резко растут утраты, которые обоснованы ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ нарушением критерий полного внутреннего отражения на границе раздела сердцевина - оболочка. Это приводит к частичному выводу энергии всех волн за границы световедущей области, при этом для излучаемых и вытекающих мод в более значимой степени, чем для направляемых. При достаточной протяженности такового участка нарушения регулярности все ненужные моды выходят за границы световода ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ и не участвуют дальше в процессе распространения.

Создаваемые нерегулярности обычно характеризуются радиусом извива. Применительно к скремблеру радиус извива может быть оценен исходя из геометрических представлений, поясняемых рисунком 7. Как видно из рисунка радиус извива может быть найден на базе известного соотношения для длины хорды

,

стягивающей дуга с разыскиваемым радиусом ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ и данной величиной стрелки дуги . Откуда несложно выразить радиус извива

. (4)

Соотношение (4) корректно при условии, что . По другому окружность преобразуется в эллипс и расчет радиуса извива следует вести, используя соотношение

. (5)

При всем этом следует подразумевать, что из физических суждений радиус извива не может быть меньше радиуса штыря .

При построении волоконно-оптической ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ полосы связи принципиально обеспечить действенный ввод излучения, которое формируется наружным источником, в световод. Обычно, в современных линиях связи используются полупроводниковые источники - лазерные диоды (ЛД) либо светоизлучающие диоды (СИД). Они делают пучок оптических лучей, которые, распространяясь в воздушной среде, падают на торец световода под разными углами. Характеристики этого пучка оцениваются расходимостью в 2-ух ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ взаимно перпендикулярных плоскостях. Она определяется углом меж оптической осью источника и направлением, в каком интенсивность излучения миниатюризируется вдвое.

При падении лучей, сделанных источником, на границу раздела световод - воздух происходит их частичное отражение, вызванное различием в коэффициентах преломления этих 2-ух сред (Френелевское отражение). В итоге это определяет один из источников ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ энергетических утрат в полосы. Для уменьшения их используют особые способы согласования характеристик стыкуемых сред.

Эффективность ввода излучения в значимой степени определяется согласованием расходимости пучка лучей, сделанного источником, с чертами волоконного световода. Для того чтоб попавшие в сердцевину волокна лучи испытывали полное внутреннее отражение на границе раздела сердцевина ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ - оболочка нужно, чтоб на торец световода (набросок 8) они падали под углами, не превосходящими некое значение - угловой апертуры световода. При всем этом они будут соответствовать направляемой моде световода. Как следует, имеются ограничения на наивысшую расходимость пучка света , создаваемого источником излучения.

Значение угла является принципиальной чертой световода, именуемой апертурой волоконного ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ световода. Таким макаром, апертурой волоконного световода именуется угол меж оптической осью волоконного световода и одной из образующих оптического конуса падающего в торец волоконного световода при котором производятся условия полного внутреннего отражения. На практике употребляется величина, получившая заглавие "числовая апертура" - NA, которая связана с обычным соотношением:

. (6)

Используя законы геометрической оптики, просто получить ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ связь числовой апертуры с параметрами световода и :

. (7)

Некие значения числовой апертуры при и разных значениях приведены в таблице 1. Существующими техническими критериями определено, что .

Таблица 1 – Некие значения числовой апертуры

n2 1,49 1,495 1,5 1,505
NA 0,245 0.212 0,173 0,123

Принципиальной чертой световода является количество направляемых мод, которое сразу может существовать в нем. Условно все световоды можно разбить на два ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ класса: одномодовые и многомодовые. Число мод определяется, сначала, соотношением меж длиной волны , определяемой источником света, и поперечником сердечника световода . Оно вырастает при увеличении либо уменьшении . Зависимость числа мод от длины волны источника излучения и определяет условность деления световодов на два класса.

В оптических линиях связи обычно употребляются источники ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ, обеспечивающие излучение на длинах волн 0.85 мкм, 1.3 мкм и 1.55 мкм. Это связано с тем, что материалы, применяемые для производства световодов, владеют в обозначенных спектральных спектрах наименьшими потерями.

Так как вероятные длины волн источников излучения определены, в текущее время размеры сердечников и оболочек стандартизованы. Стандартное значение для многомодовых волокон - 50 мкм/125 мкм и ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ 62.5 мкм / 125 мкм. Для одномодовых волокон размер сердечника обычно колеблется в границах (8 ¼ 10) мкм, а оболочка имеет поперечник, таковой же, как у многомодовых световодов ( /125мкм).

Наличие огромного числа мод без принятия особых мер приводит к возникновению специфичного источника шумов в волоконной полосы, именуемых модовыми. Особенностью процесса распространения по световоду каждой отдельной ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ моды будет то, что извилистая линия движения луча (см. набросок 5) соответственного ей, отличается от всех других. Как следует, отрезок световода конечной длины любая мода будет проходить за различное время. С волновой точки зрения это значит, что за счет распространения по световоду любая отдельная мода получает хороший от ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ других фазовый сдвиг ( - индекс моды).

На выходном торце световода электрические поля, надлежащие разным модам, складываются. Это сложение может происходить 2-мя разными методами.

1-ый реализуется тогда, когда источник излучения, возбуждающий световод, не когерентен. При всем этом фазовые сдвиги меж полями разных мод не остаются размеренными во времени, а повсевременно меняются. Это приводит ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ к тому, что на выходном торце световода физическим прибором (к примеру, глазом, фотодиодом либо объективом телекамеры) можно зарегистрировать только усредненный во времени итог сложения. Реально складываются интенсивности полей отдельных мод. При всем этом наблюдается равномерная засветка торца световода, однообразно спадающая к его краям. Модовая структура при всем этом ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ никак не проявляется.

2-ой метод сложения реализуется при использовании когерентного источника света. В данном случае фазовые сдвиги fi меж полями отдельных мод размеренны во времени и происходит их интерференционное сложение. В итоге на выходном торце световода наблюдается непростая интерференционная картина, представляющая собой чередование участков с наибольшей и нулевой ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ засветкой. За счет колебаний температуры, механической деформации и всех других воздействий, при которых происходит изменение оптического пути моды по световоду, интерференционная картина на его торце изменяется. Реально это проявляется в неизменном изменении положения светлых и черных участков. Так как она проектируется на чувствительную площадку фотоприемника и определяет его ток, в ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ системе связи появляются шумы, обусловленные всеми причинами, приводящими к изменению интерференционной картины. Убрать этот шум можно, если использовать вместе с многомодовым волокном некогерентный источник света. При всем этом моды на выходном торце волокна не могут интерферировать. Они складываются по мощности, образуя равномерную засветку чувствительной площадки фотоприемника. Рассредотачивание интенсивности этой засветки ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ не подвержено никаким случайным изменениям.

2-ой вариант, устраняющий "модовый шум" в волоконной полосы - внедрение одномодового световода вместе с когерентным источником света. При всем этом картина засветки также размеренна, так как она появляется только одной модой, распространяющейся по световоду. Интерференции и в данном случае нет.

Шум, схожий модовому, появляется, если ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ одномодовое волокно употребляется вместе с некогерентным источником света. В данном случае случайные конфигурации засветки происходят не в пространстве (на выходном торце световода), а во времени. Они обоснованы тем, что случайным образом изменяются условия возбуждения одномодового световода некогерентным источником.


osnovnie-tendencii-blagotvoritelnosti-v-kievskoj-rusi-knyazheskaya-podderzhka-i-zashita.html
osnovnie-tendencii-i-prognozi-raboti-torgovih-predpriyatij-v-razvitii-rinochnoj-v-ekonomiki.html
osnovnie-tendencii-lichnosti-i-vozmozhnie-psihologicheskie-krizisi-5-glava.html