Измерение числовой апертуры волоконных световодов

Проведен обзор и сравнение методов измерения числовой апертуры волоконных световодов. Рассмотрены такие методы, как: метод измерения числовой апертуры с полупрозрачным экраном, метод измерения числовой апертуры с помощью микроскопа, метод измерения числовой апертуры с помощью точечного фотоприемника, метод измерения числовой апертуры с помощью телевизионной камеры, метод измерения числовой апертуры с помощью фотодиода.
Обоснован выбор метода для лабораторной работы. Метод измерения числовой апертуры с помощью фотодиода имеет ряд преимуществ по отношению к остальным методам: высокая точность измерений (погрешность порядка 2%), простота исполнения стенда и не сложный алгоритм измерений.
В соответствии с требованиями к лабораторному стенду было составлено техническое задание на его изготовлен ...

Содержание
Введение………………………………………………………………………..…….7
1. Оптические и передаточные параметры волоконных световодов……………………………………………………………………...…9
1.1. Структура и виды оптических волокон………………..…………...…....9
1.2. Представление о модах……………………………….…………….…...11
1.3. Числовая апертура……………………..…………………………….…..14
2. Обзор методов измерения числовой апертуры. Обоснование выбора метода измерения числовой апертуры волоконных жгутов для лабораторной работы……………………….…………………………………………….……..16
2.1. Метод измерения числовой апертуры с полупрозрачным экраном….17
2.2. Метод измерения числовой апертуры с помощью микроскопа……...18
2.3. Метод измерения числовой апертуры с помощью точеченого фотоприемника…………………………………………………………...…19
2.4. Метод измерения числовой апертуры с помощью телевизионной камеры………………………………………………………………..……....20
2.5. Метод измерения числовой апертуры с помощью фотодиода……..…22
2.6. Обоснование выбора метода измерения числовой апертуры волоконных жгутов для лабораторной работы…………………………....23
3. Сборка стенда для измерения числовой апертуры волоконных жгутов. Результаты измерений…………..……………………………………………...25
3.1. Техническое задание на изготовление лабораторного стенда………..25
3.2. Расчет оптической схемы лабораторного стенда……...........................26
3.3. Сборка лабораторного стенда для измерения числовой апертуры волоконных жгутов……………………………………………………...….28
3.4. Результаты измерений…………………………………………………...33
Заключение………………………………………………………………………….40
Список использованной литературы……………………………………………...42

Волоконные световоды широко применяются в телекоммуникационных системах. Они с каждым днем получают все более широкое распространение, поскольку являются непревзойденными по характеристикам передачи и позволяют обеспечить высочайшую информационную емкость канала связи. Волоконные световоды характеризуется невосприимчивостью к различного рода помехам, а так же низкими потерями [1].
Характеристиками волоконных световодов являются оптические и механические параметры, такие как:
- рабочая длина волны;
- коэффициент затухания;
- числовая апертура;
- коэффициент широкополосности;
- коэффициент хроматической дисперсии;
- стойкость к статическим и динамическим растягивающим усилиям;
- стойкость к изгибам.

Числовая апертураЧисловая апертура - это параметр оптического волокна, определяющий его способность собирать свет, попадающий на его торец.Все лучи, попадающие на торец волокна, входят в него под разными углами к оптической оси. Часть этих лучей, вошедшая под очень большим углом, сразу же выходит из сердцевины и поглощается в оболочке. Другая часть распространяется до противоположного конца волокна. Для полного внутреннего отражения света, входящего в волокно под углом θ, необходимо, чтобы выполнялось условие:0≤θ≤arcsinn12-n22 (1.5)Поскольку разница между коэффициентами преломления в сердцевине и оболочке лежит в пределах 0,01, то величину θmax можно представить следующим образом:θmax≈arcsinn12-n22(1.6)Это максимальный апертурный угол, при котором луч распространяется в сердцевине [4].Значению этого угла соответствует величина, которая носит название номинальной числовой апертуры (или эффективной числовой апертуры):NA=n0sinθmax, (1.7)где n0 – показатель преломления окружающей среды .Кроме эффективной числовой апертуры существует расчетная числовая апертура - безразмерная величина, численно равная квадратному корню из разности квадратов показателей преломления сердцевины и оболочки:NA=n12-n22 (1.8)Величина числовой апертуры колеблется от 0,1 до 0,5 в зависимости от разности показателей преломления сердцевины и оболочки световода [5].Обзор методов измерения числовой апертуры. Обоснование выбора метода измерения числовой апертуры волоконных жгутов для лабораторной работыВ настоящее время для измерения числовой апертуры применяют следующие методы:Метод измерения числовой апертуры с полупрозрачным экраном [4]Метод измерения числовой апертуры с помощью микроскопа [4]Метод измерения числовой апертуры с помощью точечного фотоприемника [6]Метод измерения числовой апертуры с помощью фотодиода [6]Метод измерения числовой апертуры с полупрозрачным экраномУстановка, используемая для измерения числовой апертуры световодов, состоит из следующих элементов:Рисунок 2.1 – Схема установки для измерения числовой апертуры с полупрозрачным экраном При работе с многомодовыми световодами в качестве источника излучения используется лампа белого света, а для одномодовых световодов – лазерный источник. Для более точного ввода излучения от источника в световод между источником и волокном устанавливается микрообъектив, обеспечивающий равномерную засветку торца световода. Принцип измерения состоит в том, что если на конечном расстоянии от торца световода установить полупрозрачный экран, то на нем наблюдается световое пятно. Расстояние х от торца до экрана измеряется с помощью миллиметровой бумаги. Зная диаметр сердцевины световода, можем вычислить расходимость пучка на выходе. Рисунок 2.2 – Расходимость светового пучка на выходе световодаdc- диаметр сердцевины;dn- диаметр пятна, наблюдаемого на экране;х- расстояние от торца световода до экрана;α- угол расходимости светового пучка. Угол расходимости светового пучка определяем по формуле:α=arctg(dn-dc2х) (2.1) Числовая апертура световода в таком случае определяется следующим образом:NA=sinα=sin(arctg(dn-dc2х)) (2.2) Результаты измерения этим методом нельзя считать корректными из-за нечеткости границы светового пятна на экране и, следовательно, большой погрешности измерения диаметра пятна. Кроме того, с помощью миллиметровой бумаги расстояние х невозможно измерить с высокой точностью, что так же отрицательно сказывается на результате измерений.Данный метод используется в существующей лабораторной работе. Результаты измерений, проводимые этим методом, получаются некорректными из-за больших порешностей.Метод измерения числовой апертуры с помощью микроскопа Установка, используемая для измерения числовой апертуры световодов, состоит из следующих элементов:Рисунок 2.3 - Схема установки для измерения числовой апертуры с помощью микроскопа Принцип измерения схож с методом измерения числовой апертуры с полупрозрачным экраном. Разница лишь в том, что пятно наблюдается на прозрачном экране, на заднюю поверхность которого наведен микроскоп. Выходной торец исследуемого световода закреплен на трехкоординатном столике, т. е. он имеет возможность перемещения, что используется при измерении числовой апертуры. Данный метод удобен тем, что позволяет постоянно наблюдать за размером светового пятна на экране, т. е. дает возможность измерять его величину на любом расстоянии х между экраном и торцем. Недостатком метода является невысокая точность измерений из-за нечеткости границ светового пятна на экране и сильных засветок оболочечных мод световода.2.3. Метод измерения числовой апертуры с помощью точечного фотоприемникаМетод измерения основан на определении зависимости интенсивности излучения в дальней зоне (в элементе телесного угла) от угла между оптическими осями волокна и точечного фотоприёмника в плоскости, проходящей через эти оси. Фотоприёмник вращается вокруг торца оптического волокна, апертурный угол определяется на уровне 0,1 от максимального значения сигнала на выходе фотоприёмника. Для повышения чувствительности фотоприёмника, оптическое излучение как правило модулируют гармоническим сигналом. Структурная схема измерителя со сканирующим вокруг выходного торца волокна точечным фотоприёмником представлена на рис. 2.4. Рисунок 2.4 - Схема установки для измерения числовой апертуры с помощью точечного фотоприемникаСущественным недостатком рассмотренного метода является его ограниченность, связанная с возможностью проведением измерений лишь в одной плоскости конуса излучения волокна. Наличие сколов на торце оптического волокна может привести к ошибкам при проведении измерений. Для повышения достоверности измерения следует проводить в нескольких плоскостях, поворачивая выходной участок волокна (кабеля) вокруг оси.Метод измерения числовой апертуры с помощью телевизионной камерыМетод заключается в том, что приемником излучения является телевизионная камера. Выделяя одну строку телевизионного сигнала, можно на экране осциллографа или монитора зарегистрировать распределение интенсивности оптического излучения света вдоль выделенной строки (в одной плоскости конуса излучения). По виду полученной кривой можно рассчитать апертуру оптического волокна и оценить качество торца волокна. При реализации метода необходимо учитывать, что фоточувствительная поверхность передающей телевизионной трубки плоская. Реальное значение интенсивности излучения будет отличаться от измеренного и следует вводить поправку. Апертурный угол оптического волокна (кабеля) определяется формулой: α=arctg(D02L), (2.5)где L - расстояние от фоточувствительной поверхности передающей телевизионной трубки до торца оптического волокна, Dо - диаметр засвеченной области передающей телевизионной трубки при котором измеренная интенсивность оптического излучения будет равна: (2.6)где Iо - расчетная интенсивность оптического излучения, Imax - максимальное значение интенсивности (см. рис. 2.5). Рисунок 2.5 – Распределение интенсивности оптического излученияНедостатком рассматриваемого метода является отсутствие стандартных промышленных телевизионных камер, работающих на длинах волн оптического излучения более 0,9 мкм, как у нас в стране, так и за рубежом. Нестандартные специальные камеры на диапазон 1,3 мкм - 1,55 мкм очень дороги. Другим недостатком метода является невысокая точность измерений, связанная с неравномерностью чувствительности поверхности передающей телевизионной трубки. Метод измерения числовой апертуры с помощью фотодиодаДля обеспечения максимального согласования при передачи оптической энергии между источником излучения и волокном, либо между двумя разнородными волокнами, целесообразно измерять эффективную числовую апертуру. Эффективная числовая апертура определяется аналогично числовой апертуре, но критерием её оценки является изменение мощности в конусе излучения, а не изменение интенсивности в одной плоскости конуса. Метод заключается в измерении мощности оптического излучения волокна фотоприёмником с большой чувствительной областью, перед активной площадкой которого установлена диафрагма. Фотоприёмник перемещается вдоль оси волокна, при этом измеряется расстояние (L) от торца волокна до поверхности чувствительной области фотодиода (см. рис. 2.6).Рисунок 2.6 - Схема установки для измерения числовой апертуры с помощью фотодиодаОпределяется расстояние L, при котором мощность оптического излучения волокна, фиксируемая фотоприёмником, уменьшается до уровня 0,9 от максимального значения с учётом поправки на то, что не все лучи попадают на активную область фотоприёмника под прямыми углами. Эффективная числовая апертура находится из формулы: NAэф = n*sin α, (2.7)где n - показатель преломления среды (для воздуха n=1), α - критический угол, который определяется из выражения: (2.8) где d - диаметр диафрагмы перед чувствительной областью фотоприёмника, L - расстояние от торца волокна до поверхности чувствительной области фотодиода, при котором мощность оптического излучения волокна, фиксируемая фотоприёмником, уменьшается до уровня 0,9 от максимального значения с учётом поправок. Для повышения чувствительности фотоприёмника оптическое излучение модулируют гармоническим сигналом. При использовании модулированного по интенсивности света для усиления сигнала с выхода фотодиода может быть использован узкополосный селективный усилитель, настроенный на частоту модуляции.Обоснование выбора метода измерения числовой апертуры волоконных жгутов для лабораторной работы.Из анализа методов измерения числовой апертуры волоконных жгутов видно, что наиболее точные показания можно получить методом измерения числовой аппретуры с помощью фотодиода.Таблица 2.1.Сравнение методов измерения числовой апертуры волоконных световодовМетод измерения NA с полупрозрачным экраномБольшие погрешности из-за нечеткости границы светового пятна на экране и сильных засветок оболочечных мод световодаМетод измерения NA с помощью микроскопаБольшие погрешности измерений, т.к. на экране помимо основного пятна рассеяния появляется достаточно яркое пятно засветки оболочечных модМетод измерения NA с помощью точечного фотоприемникаНаличие сколов и грязи на торце волокна приводит к большим погрешностямМетод измерения NA с помощью телевизионной камерыНевысокая точность измерений, связанная с неравномерностью чувствительности поверхности передающей телевизионной трубкиМетод измерения NA с помощью фотодиодаПогрешности минимальны, практически полностью исключена засветка оболочечных мод и засветка чувствительной поверхности фотодиодаМетод измерения числовой апертуры с помощью фотодиода имеет простой алгоритм вычислений. После юстировки системы фотодиод перемещается внутри тубуса и фиксируется так, чтобы показания вольтметра были максимальными. Затем по шкале на тубусе измеряется расстояние от торца световода до рабочей поверхности фотодиода. Далее, используя одну единственную формулу для вычислений, получаем численной значение числовой апертуры с точностью «четвертого знака после запятой».Для изготовления лабораторного стенда можно использовать уже имеющиеся приборы и материалы. Необходимо изготовить: лазерный диодный модуль, зажимы для волоконных жгутов, тубус с фотодиодом и измерительной шкалой.Сборка стенда для измерения числовой апертуры волоконных жгутов с помощью фотодиода. Результаты измеренийТехническое задание на изготовление лабораторного стендаЦель работы. изготовление и сборка лабораторного стенда для измерения числовой апертуры волоконных жгутов ГРЖВ-Т.Общие данные.Разработка лабораторного стенда производится на базе имеющегося стенда для измерения числовой апертуры с полупрозрачным экраном.Технические требования к изделию.Состав изделия:Источник света, микрообъектив, фотодиод, вольтметр, оптическая скамья, два зажима световода, крепления компонентов к оптической скамье, волоконно-оптические жгуты ГРЖВ-Т.Технические требования:Измеряемый элемент – волоконно-оптический жгут ГРЖВ-Т;Приемник излучения – фотодиод ФД-7К;Точность измерения вольтметра не меньше 10мкВ;Источник света – полупроводниковый лазер с длиной волны 620нм;Точность измерения числовой апертуры ±5%.Расчет оптической схемы лабораторного стендаРасчет оптической схемы необходим для правильного расположения компонентов системы относительно друг друга, а именно необходимо расчитать:Расстояние от выходного зрачка микрообъектива до торца волоконного жгута (L1);Диапазон перемещения фотодиода относительно торца волоконного жгута;Рисунок 3.1 – Схема расположения основных компонентов стендаПо паспортным значениям микрообъектив Nikon 10x иммет фокусное расстояние равное 16мм. Исходя из этого, можно посчитать на каком расстоянии от него должен быть торец жгута, чтобы световой поток фокусировался только на сердцевину (без возбуждения оболочечных мод).Dвых.зр=3мм; Dс.жг=3мм; следовательно L1=2f'=32мм.Числовая апертура определяется по формуле (2.7):NA=n0sin⁡(arctgDL);По паспортным данным волоконно-оптический жгут ГРЖВ-Т имеет числовую апертуру равную 0,25. В соответствии с этим можно рассчитать расстояние от рабочей поверхности фотодиода до торца волокна, при котором величина числовой апертуры будет близка к 0,25.L2=Dtg(arcsin⁡(NA)=10ммtg(arcsin⁡(0,25)=38,72мм;Так как числовая апертура жгутов может отличаться от паспортной, необходимо обеспечить возможность перемещения фотодиода относительно торца жгута ±15% от полученного значения L2. А именно, диапазон перемещения фотодиода должен удовлетворять неравенству: 32,9мм<L2<44,53мм.Сборка лабораторного стенда для измерения числовой апертуры волоконных жгутовДля измерения числовой апертуры волоконных жгутов с помощью фотодиода была разработана схема лабораторного стенда.Рисунок 3.