Лабораторная работа №4
По курсу «Метрология в оптических телекоммуникационных системах»
Исследование при помощи рефлектометра дополнительных потерь
на изгибе волокна
Цель работы: изучение влияния механических воздействий на оптический световод, приобретение навыков проведения рефлектометрических измерений.
Приборы и принадлежности: Оптический рефлектометр ОР-5, многомодовое оптическое волокно на двух катушках, цилиндры различного радиуса.
Краткая теория:
При прокладке ВОЛС и в процессе изготовления волокна неизбежно возникают различного рода изгибы волокна, что приводит к дополнительным потерям мощности излучения в волокне. Изгибы можно разделить на микро - и макро - изгибы.
Одной из основных особенностей изогнутых световодов является появление избыточных потерь. Этот эффект вызван излучением мод на участке изгиба и их конверсией. Потери на излучение обусловлены тем, что при распространении плоской электромагнитной волны в изогнутом световоде ее энергия переносится одновременно внутри и вне его. Для поддержания фазового фронта этой волны в изогнутом световоде фазовая скорость волны на некотором расстоянии от оси должна была бы превысить таковую в материале, а это не возможно. Поэтому часть поля, находящаяся на большем от центра кривизны расстоянии, излучается в пространство. Указанный вид потерь преобладает при изгибе одномодовых световодов. В многомодовых световодах, кроме этого, имеет место потери за счет конверсии мод. В этом случае, при искривлении оптической оси, происходит «перекачка» энергии мод низшего порядка в высшие, которые сильнее затухают, чем низшие, из-за большей оптической длинны пути. Кроме того, наблюдается «высвечивание» высших мод, а также появляется влияние деформации поля мод на их затухание. По мере увеличения кривизны, все большее число направляемых мод преобразуется в моды оболочки и излучения.
Потери обусловлены вытеканием или излучением направляемых мод и становятся недопустимо большими при уменьшении радиуса кривизны изгиба до критических значений. Критический радиус изгиба волокна приближенно рассчитывается по формуле:
(1)
где n 1, n 2- показатели преломления сердцевины и оболочки, l - длина волны излучения.
С точки зрения определения потерь наибольший интерес представляют изменения радиусов изгиба в точках упругой линии, соответствующих наибольшей кривизне, — точках сжатия. Это объясняется тем, что числовая апертура изогнутого волоконного световода ВС в приближении геометрической оптики определяется выражением:
(2)
где n1 n2 — показатели преломления материала сердцевины и оболочки ВС; r0=2r/dc — радиус изгиба ВС r, приведенный к радиусу dc/2 его сердцевины. Согласно выражению, наименьшее значение числовой апертуры определяется наибольшей кривизной.
С точки зрения геометрической оптики, ослабление излучения, прошедшего изогнутый участок ВС, объясняется тем, что лучи, распространяющееся в световоде под углом близким к критическому и претерпевающие многократные отражения, высвечиваются. Чем больше кривизна, тем для большего числа лучей нарушаются условия распространения в ВС. Кроме этого, при изгибе происходит изменение распределения энергии по сечению ВС: она как бы прижимается к внешней (относительно центра кривизны) поверхности.
Относительная светосила (коэффициент передачи), характеризующая светопропускание, зависит от радиуса изгиба и определяется следующей формулой:
(3)
(4)
где 
— относительная светосила изогнутого ВС; r – радиус кривизны изогнутого световода, NA02 — номинальная светосила прямолинейного ВС. NA0 — числовая апертура прямолинейного ВС.
Рис. 1. Зависимость светопропускания от нормированного радиуса изгиба
Для определения изгибных потерь, а также критических радиусов изгиба применяются различные электродинамические методы; например строгое решение уравнений Максвелла при аппроксимации поля изогнутого плоского одномодового световода полем прямолинейного. В результате применения данного метода получена довольно простая формула расчета изгибных потерь, пригодная для инженерной практики:
К = К0 e —2αl (5)
где К0 —коэффициент, l – длина упругой линии ВС.
Также следует отметить зависимость потерь при изгибе оптического световода от длины волны излучения. Зависимость эта показана на рис.2. Видно, что чем больше длина волны, тем чувствительней к влиянию изгибов волоконная лини передачи.
Рис. 2. Зависимость потерь от длины волны излучения при изгибе волокна.
Описание экспериментальной установки:
|
Экспериментальная установка для изучения влияния изгиба на затухание оптического световода состоит из двух катушек с многомодовым волокном катушка №1 и №2. Катушка №1 через разъем «Лист-Х» соединен с рефлектометром ОР-5. Изгиб волокна создается между катушками наматыванием волокна на входящие в комплект цилиндры определенных размеров.
Практическая часть:
Внимание: При работе строго соблюдать правила безопасности при работе с оптическим волокном и источниками излучения.
1. Ознакомится с экспериментальной установкой технической документацией рефлектометра ОР-5. Включить рефлектометр кнопкой «Сеть». На экране рефлектометра должна появиться рефлектограмма.
2. Просмотреть и записать режимы измерений рефлектометра. Кнопками масштаб по горизонтали выбрать максимально возможную горизонтальную развертку. Поставив маркер на конечный пик рефлектограммы определить полную длину трассы.
3. Двухмаркерным методом определить затухание на полной длине и километрическое затухание данного образца световода.
4. Создать изгиб между катушками №1 и №2, намотав виток на один из цилиндров, закрепив аккуратно изолентой. Соблюдайте осторожность во избежание обламывания волокна.
5. Нажав кнопку рефлектометра «Пуск по началу» обновить рефлектограмму. На рефлектограмме найти спад в виде ступеньки, обусловленной дополнительными потерями на изгибе волокна.
6. Подвести маркер на середину изгиба. Увеличить масштаб по горизонтали и нажать кнопку «Пуск по маркеру».
7. Измерить вносимое затухание на изгибе пятимаркерным методом (смотри Порядок измерений в Руководстве ОР-5).
8. Наматывая по одному витку на цилиндры разного диаметра, исследовать зависимость потерь от радиуса изгиба α = α(R). Построить график зависимости.
9. Наматывая на один из цилиндров различное число витков, исследовать зависимость потерь от количества витков α = α(N). Построить график зависимости.
10. Проанализировать полученные экспериментально результаты. Проверить согласие с теоретической зависимостью (5).
11. Вычислить критический радиус изгиба для данного образца волоконного световода.
Содержание отчета:
Краткая теория, схема экспериментальной установки, результаты измерений и графики зависимостей, анализ результатов.
Контрольные вопросы:
1. Перечислите внешние факторы, оказывающие влияние на оптические характеристики и срок службы волокна. Каков их механизм влияния на оптическое волокно?
2. Как влияет изгиб на вносимое затухание оптического волокна?
3. Что определяет критический радиус волоконного световода?
4. Объяснить полученные в работе зависимости.
5. Какие измерения проводятся при строительстве ВОЛС?
