Китайская народная медицина

Сервис для выполнения любых видов студенческих работ

Сервис для выполнения любых видов студенческих работ

Уборка   квартир в Москве

Уборка квартир в Москве

Выполнение 
работ на заказ. Контрольные, курсовые и дипломные работы

Выполнение работ на заказ. Контрольные, курсовые и дипломные работы

Заказ контрольной работы

Заказ контрольной работы

Интернет-магазин Olympus

Интернет-магазин Olympus

 

Туризм, путешествия: Бронирование отелей

Туризм, путешествия: Бронирование отелей

KupiVip – крупнейший онлайн-магазин

Гироскутер SmartWay

ТехносилаТехносила

Подарки

Онлайн-гипермаркет лучших товаров для детей

Заказать курсовую работу - Пишут преподаватели!
Лабораторные работы по оптоэлектронике Исследование основных параметров полупроводникового лазера Полупроводниковые детекторы оптического излучения Волоконно-оптический световод Электронно-дырочный переход

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ОПТОИНФОРМАТИКЕ

Лабораторная работа №5

Волоконно-оптический световод как среда передачи информации

Цель работы: Знакомство с моделью волоконно-оптической системы передачи, основными ее элементами и основными характеристиками волоконно-оптической линии связи на примере многомодового одножильного волокна.

Задачи, решаемые в работе:

Ознакомиться с основными элементами и принципами работы волоконно-оптических систем передачи информации.

Определить геометрические параметры исследуемого оптоволокна.

Исследовать влияние макроизгиба оптоволокна на величину потерь при прохождении излучения по волоконно-оптической линии связи. Задача. Определить, сколько киломолей и молекул водорода содержится в объеме 50 м3 под давлением 767 мм рт. ст. при температуре 18°С. Какова плотность и удельный объем газа? Лекции и задачи по физике

Определить минимальный радиус макроизгиба оптоволокна, допустимый при заданной величине потерь в линии связи.

В данной лабораторной работе исследуется работа оптического волокна, и все дальнейшее описание будет посвящено ему.

Волоконно-оптические системы передачи (ВОСП) играют определяющую роль в современной связи и демонстрируют высокий уровень внедрения оптических технологий в цифровые сети связи. Оптическое волокно и волоконная оптическая техника – основа ВОСП, первое – как среда для оптической цифровой передачи, вторая – как набор средств, дающих возможность осуществления такой передачи.

При рассмотрении упрощенной модели волоконно-оптической системы передачи (ВОСП), представленной на рис.1, можно выделить три основные элемента, обуславливающие ее функционирование: источник сигнала (излучения), волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС) и детектор излучения.

Основой волоконно-оптических линий связи является оптическое волокно (ОВ). Типичная конструкция оптического волокна представлена на рис.2.  ОВ состоит из сердцевины с показателем преломления nс, окружающей ее оболочки с показателем преломления nоб и дополнительного внешнего покрытия, которое представляет собой защитную оболочку ОВ (буфер). Буфер защищает оптоволокно и оболочку от повреждений при прокладке и монтаже волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) и от прямого контакта с окружающей средой.

При выполнении условия nс > nоб такая структура ведет себя как волновод за счет полного внутреннего отражения лучей на границе сердцевина-оболочка.

 

Рис.2.Устройство оптического волокна

Кварцевое стекло (SiO2) является основным материалом для изготовления как сердцевины, так и оболочки. Для изменения и подгонки нужных значений показателя преломления данной модификации кварцевого стекла используют легирующие примеси, такие как бор или германий.

Различают оптические волокна одномодовые и многомодовые.

Одномодовое волокно (SMF – Single Mode Fiber), как правило, имеет диаметр световедущей жилы порядка единиц мкм, что сравнимо с длиной волны передаваемого излучения и обуславливает минимальное затухание сигнала и минимальную дисперсию.

Многомодовое оптоволокно (MMF – Multi Mode Fiber) имеет диаметр сердцевины в несколько десятков мкм и предназначено для распространения по нему излучения сложного модового состава. Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) с многомодовым оптоволокном обладают значительной дисперсией, ограничивающей их длину.

Многомодовое волокно может иметь сердцевину с постоянным по сечению значением показателя преломления (ступенчатый профиль волокна), или с изменяющимся значением показателя преломления - от максимального в центре, до минимального на краю сердцевины (градиентный профиль волокна) - (см. рис.3). Волокно с градиентным профилем имеет большую полосу пропускания, чем со ступенчатым. Это объясняется тем, что моды более высокого порядка проходят области сердцевины с меньшим показателем преломления, а моды низкого порядка, проходящие вблизи оси волокна, области с более высоким показателем преломления. Тем самым выравниваются оптические пути для мод низких и высоких порядков, и выравнивается время прохождения волокна для разных мод излучения, что обуславливает неизменность длительности импульса при его распространении по волокну .

Рис.3.Типы многомодового волокна: а - волокно со ступенчатым профилем показателя преломления,  б - волокно с градиентным профилем показателя преломления.

Если сердцевина волокна имеет поперечные размеры сравнимые с длиной волны, то в таком волокне будет распространятся только одна мода, идущая вдоль оси. Такие одномодовые волокна обладают наибольшей полосой пропускания (порядка 30 Тгц). Условием распространения в волокне одной моды является следующее выражение

  (1),

где Rс - радиус сердцевины, λ - длина волны.

Из приведенного выше выражения видно, что для разных длин волн одно и то же волокно может быть одномодовым или многомодовым.

Для увеличения пропускной способности ВОЛС отдельные оптоволокна объединяют в волоконно-оптический кабель (ВОК), который может состоять из более чем 10 оптоволокон. Такие кабели могут иметь длину в несколько километров и используются для магистральных участков ВОЛС. При прокладке ВОЛС внутри зданий и сооружений используют ВОК, содержащие более 100 как одномодовых, так и многомодовых оптоволокон.

На качество передачи оптической информации большое влияние оказывает качество изготовления ОВ и геометрия прокладки кабелей ВОЛС. В частности, большое значение имеют параметры ВОЛС, которые определяются микро и макроизгибами ОВ (см. рис.4). Микроизгибы вызваны несовершенством волокна и приводят к увеличению потерь в ВОЛС, которые могут быть достаточно велики. Основная причина таких потерь кроется в процессе производства оптоволокна и кабеля. Потери от микроизгибов являются функцией диаметра поля моды, конструкции кабеля и его исполнения.

При изгибе оптоволокна, к которому приходится прибегать при прокладке оптоволоконного кабеля, например, в производственных помещениях, приходится говорить о макроизгибах. Макроизгибы соотносят с некоторым определенным радиусом изгиба ОВ. В этом случае к указанным выше потерям добавляются потери, связанные с нарушением условия полного внутреннего отражения при распространении излучения в сердцевине и выходом излучения через оболочку оптоволкна. Как правило, поизводитель кабеля указывает в спецификации минимальный радиус изгиба кабеля, при котором не происходит нарушений полного внутреннего отражения в ОВ. Кабель состоит из ряда ОВ и минимально допустимый радиус изгиба кабеля определяется также и числом волокон. Когда кабель намотан на катушку, то он сгибается по диаметру катушки. Если он прокладывакется в зданиях, то он должен сгибаться на углах. Сгибая ВОК сильнее, чем это допускается ограничениями на радиус изгиба, можно повредить кабель и волокно, что может вызвать существенное увеличение потерь в ВОЛС.

Рис.4.Варианты изгиба оптоволокна: а – макроизгиб, б – микроизгиб.

Выполняемая работа посвящена исследованию влияния радиуса изгиба оптоволокна на величину потерь в ВОЛС.

Экспериментальная установка

Экспериментальная установка, блок-схема которой приведена на рис.5, собрана на платформе и включает следующие узлы и элементы.

Узел источника излучения (ИИ) состоит из оптического тестера VF–65-BU2S или лазерного модуля KLM (l = 650 ± 5 нм), сопряженного с входным торцом волокна. Лазерный луч определяет оптическую ось экспериментального стенда.

Волокно. (Одномодовое оптоволокно 9.5/125 мкм в буферном покрытии Ø 0.9 мм с оптическими коннекторами типа SC, многомодовое волокно MMF, или другой тип волокна – уточнить у преподавателя) .

Фиксаторы положения оптоволокна (левый и правый).

Устройство изгиба оптоволокна (УИ) – набор дисков переменного диаметра от 12 мм до 60 мм для создания петли волокна.

Приемник излучения, сопряженный с выходным торцом волокна. Используется кремниевый фотодиод ФД-24К в фотогальваническом режиме.

Измерительный прибор (V) – мультиметр типа UNI-T (рекомендуется проводить эксперименты в режиме измерения тока).

При измерении габаритных размеров различных элементов необходимо использовать штангенциркуль.

Рис.5.Блок-схема экспериментальной установки. 1 – источник излучения; 2 – волокно; 3 – фиксаторы положения волокна; 4 – устройство изгиба волокна; 5 – приемник излучения; 6 – измерительный прибор.

При проведении измерений необходимо создать петлю из ОВ определенного радиуса изгиба, который определяется диаметром используемого диска устройства изгиба (Dдиска). При этом участок ОВ между источником излучения (1) и левым фиксатором (3-Л) закреплен неподвижно, и изменять положение стопорного винта фиксатора 3-Л не следует. При проведении измерений сигнала на выходе ОВ, имеющего определенный радиус изгиба, участок ОВ между двумя фиксаторами не должен иметь других изгибов кроме петли на устройстве изгиба. При работе на установке, в которой приемник излучения расположен не на оси системы (рис.5 – пунктир), следует проследить, чтобы изгиб ОВ, который может оказаться между правым фиксатором и приемником излучения (5), имел максимально большой радиус (существенно превосходящий используемый в работе максимальный радиус устройства изгиба).

В таблицу 1 заносятся экспериментальные данные каждого опыта, проведенного с петлей волокна разного диаметра. Измерения диаметра диска проводятся 3 раза (графа 2 таблицы 1 – измеряемые величины), среднее значение заносится в графу 4 таблицы 1 (расчетные величины).

При отсутствии макроизгибов, когда волокно между фиксаторами представляет собой прямую линию, прохождение сигнала осуществляется с минимальными потерями. Ослабление сигнала за счет наличия изгиба волокна (радиус изгиба - Rизг) следует рассматривать по отношению к сигналу, который прошел по прямому волокну (Rизг = ¥). Величина сигнала считывается со шкалы цифрового измерительного прибора (6).

Порядок выполнения работы

Измерить наружный диаметр оптоволокна штангенциркулем в нескольких точках и вычислить его среднее значение (DОВ).

Включить источник излучения. Оптический тестер VF-65-BU2S включается нажатием кнопки на торце тестера.

Включить измерительный прибор (шкала измерения тока – А).

Провести измерения сигнала при прямом положении ОВ между фиксаторами. Результаты занести в таблицу 1 (столбец 3).

Провести измерения сигнала при различном диаметре петли ОВ.

Измерить диаметр используемого диска – Dдиск,; результаты трех измерений занести в таблицу 1 (столбец 2).

Расфиксировать ОВ, ослабив стопорный винт правого фиксатора (3-П). Сделать петлю из ОВ и надеть ее на соответствующий диск. Подтянуть ОВ до плотного охватывания диска и зафиксировать стопорным винтом правого фиксатора.

Измерить сигнал, результат занести в таблицу 1 (столбец 3).

Измерения провести для 8 – 12 различных дисков – по указанию преподавателя.

Для контроля стабильности источника излучения во время проведения эксперимента провести измерения сигнала в прямом положении ОВ (см. пункт 4). Данные занести в последнюю строчку таблицы.

Средний диаметр волокна - <DОВ> = .

Величина сигнала при прямом положении волокна - I ¥ = .

Обработка результатов измерений

По результатам трех измерений диаметра определить средний диаметр используемого волокна <DОВ>.

2. Для каждого значения Dдиск. (кроме Dдиск.= ¥ ) рассчитать радиус изгиба волокна  по нижеприведенной формуле, учитывая, что радиус изгиба определяется расстоянием от центра изгиба до оси волокна

  (2).

Данные занести в графу 5 таблицы 1.

3. Определить среднее значение I при Dдиск = ¥, которое в дальнейшем будем обозначать как I¥.

4. Вычислить относительное изменение пропускания исследуемого участка ВОЛС по формуле

  (3).

Заполнить графу 6 таблицы 1.

5. Вычислить ослабление сигнала d в дБ, используя следующую формулу

  (4).

 Заполнить графу 7 таблицы 1.

Построить график зависимости относительного пропускания исследуемого участка оптоволокна от радиуса его однократного макроизгиба.

Построить график зависимости ослабления сигнала на исследуемом участке ВОЛС от радиуса однократного изгиба волокна.

Определить минимальный радиус однократного изгиба волокна, допустимый при заданной величине потерь. Величина потерь может быть указана преподавателем как минимальное ослабление сигнала в дБ.

Литература

Фриман Р. Волоконно-оптические системы связи, Техносфера, Москва, 2003

Иванов А.Б. Волоконная оптика. Компоненты, системы передачи, измерения. Syrus systems, 2001

Вайнберг В.Б. Саттаров Д.И. Оптика световодов, Л., Машиностроение, 1977.

Контрольные вопросы

Устройство оптического волокна.

На каком физическом явлении основана работа оптического волокна?

 3. Основные типы оптоволокна и их основные параметры.

  4. Чем обусловлены потери в оптоволокне?

 5. Единицы измерения затухания (потерь) и дисперсии в многомодовом и одномодовом волокнах.

Сравнение быстродействия p-n и p-i-n диодов, используемых в качестве детекторов излучения Цель работы: Изучение принципов работы и особенностей использования в устройствах оптоинформатики приемников оптического излучения на основе p-n и p-i-n диодов.

Исследование частотных характеристик p-n диода при различных режимах работы

Передача информации Для передачи световой информации широко используются устройства, получившие название световодов. Из этого многообразия устройств выделяются два типа: одножильный световод, называемый оптическим волокном (оптоволокном), представляющий собой тонкую сердцевину (от нескольких микрон до сотен микрон) и окружающую ее оболочку и многожильные световоды, представляющие собой "спеченое" в один жгут множество одножильных световодов - волокон или пучков световодов. Световые жгуты могут содержать десятки тысяч волокон.