Визначення числової апертури ВС

Лабораторна робота №1.

 

Дослідження ефективності узгодження волоконних світловодів з напівпровідниковими джерелами оптичного випромінювання

 

Загальні відомості.

Особливістю волоконних світловодів (ВС) є неможливість введення в них значних рів­нів потужності оптичного потоку від звичайних джерел світла (ДС) (операцію введення оптичного потоку в ВС називають іще “збудженням ВС”). Обумовлюється це двома при­чинами. Перша з них - вельми мала площа поперечного перерізу світловедучого осердя ВС, через яке і відбувається ввід в них світлового потоку. Друга причина - мала числова апертура ВС. Все це в першу чергу стосується стандартних одномодових (ОМ) ВС на ос­нові кварцевого скла, які призначаються для побудови волоконно-оптичних ліній зв’язку (ВОЛЗ) великої протяжності. Для таких ВС діаметр світловедучого осердя складає вели­чину ~ 7¸10 мкм, а числова апертура ~ 0,1.

Виходячи з цього, можна сформулювати вимоги до ДС для збуджування таких ВС. Для найкращого узгодження з ВС поверхня ДС, що випромінює світло, має бути круглою, з та­ким же діаметром, як і у світловедучого осердя ВС. Діаграма спрямованості ДС при цьому має бути осесиметричною, а її кутовий розмір - не перевершувати апертурного кута ВС. Очевидно, найкраще перерахованим вимогам відповідають лазерні ДС. Для таких ДС ха­рактерними є висока ступінь монохроматичності випромінюваного ними оптичного пото­ку (а, отже, і висока його когерентність), високі об’ємні густини енергії в потоці та мала його розбіжність (вузька діаграма спрямованості). Це означає, що навіть коли поперечний переріз лазерного пучка суттєво перевищує поперечний переріз світловедучого осердя ВС, то і тоді його можна зфокусувати в межах поперечного перерізу світловедучого осердя ВС і його апертурного кута.

Очевидно, найкраще відповідають цим вимогам лазерні ДС. Напівпровідникові лазери мають до того ж ще й високий коефіцієнт корисної дії та хороші масогабаритні характе­ристики, що суттєво спрощує проблему їх механічного і оптичного узгодження із ВС. Тут же зауважимо, що напівпровідникові лазери є продуктами високих технологій, а отже є і відносно дорогими виробами, порівняно, наприклад, зі світловипромінюючими діодами (СВД).

Таким чином, для збудження ВС в трактах волоконно-оптичних (ВО) ліній далекого зв’язку (ЛЗ), коли в них необхідно вводити оптичні потоки порівняно великої потужності, використання лазерних ДС є виправданим. Разом з тим, для коротких ВОЛЗ, створюваних для потреб зв’язку в межах окремих об’єктів, чи бортових ВОЛЗ, вхідні рівні потужності оптичних сигналів можуть бути значно меншими, що дає можливість використовувати для збудження ВС в таких ВОЛЗ значно дешевших СВД. При цьому слід зазначити, що використання звичайних СВД, з тих що випускаються промисловістю серійно, наприклад, АЛ-107, буде дуже малоефективним саме з причини неможливості їх ефективного узгод­ження з ВС. Якщо площа СВД, що світиться, значно перевищує площу поперечного пере­різу світловедучого осердя і має діаграму спрямованості випромінювання близьку до сфе­ричної (так звані “ламбертівські ДС”), то жодні оптичні елементи (лінзи, дзеркала, фокони і ін.) не в змозі зібрати випромінювання з поверхні СВД так, щоб все його можна було ввести в ВС. Більше того, використання вищезгаданих оптичних елементів, здатне тільки погіршити ефективність узгодження такого ДС з ВС. Найпростішим розв’язком проблеми в даному випадку буде просто розташування торця ВС навпроти СВД так, щоб їх поверхні були паралельними. При цьому відстань між цими поверхнями може бути якою завгодно, хоча б і нулевою - аби лиш площа СВД перебувала в межах зрізу апертурного конусу ВС. Краще за все тоді торець ВС просто приставити “впритул” до поверхні СВД, а для забез­печення надійного механічного контакту ДС із торцем ВС, його кінець можна і приклеїти (за допомогою оптичного клею) до поверхні СВД, що світиться. Зрозуміло, що ті елемен­ти поверхні СВД, які опинилися поза межами площі торця світловедучого осердя ВС, пра­цюють “даремно” і фактично є непотрібними. Саме так іноді і роблять, виготовляючи мі­ніатюрні СВД “по розміру” площі поперечного перерізу світловедучого осердя ВС, і на­клеюючи їх на торець ВС за допомогою спеціального оптичного клею, оптична густина якого є такою ж, як і у світловедучого осердя ВС.

Мета роботи.

Метою даної лабораторної роботи є визначення ефективності узгодження ВС різних типів з різними типами напівпровідникових ДС.

 

1.2. Підготовка до виконання лабораторної роботи.

Кількісну оцінку ефективності узгодження h ВС з ДС можна отримати розрахунковим шляхом, скориставшись виразом:

, (1)

де n - число, яке характеризує міру “витягнутості” діаграм спрямованості ДС (Власне, n є показником степені при функціїї косинуса у виразі, що описує діаграму спрямованості йо­го випромінювання, задану в полярних координатах: І = І₀Cosⁿj. Величина кута j відра­ховується від перпендикуляра, опущеного на поверхню ДС. Якщо n = 1 і поверхня ДС, що світиться, є плоскою, то це випадок так званих, ламбертівських ДС, куди можна віднести і СВД; характерною ознакою цих ДС є те, що їх яскравість не залежить від кута, під яким ці ДС спостерігають. Для напівпровідникових лазерів, діаграма спрямованості є вже значно вужчою і величина n для них може лежати в межах від 5 до 15). Числова апертура ВС NA = SinJ_A, де J_A - це той найбільший кут падіння оптичного віпромінювання на торець світ­ловедучого осердя ВС, при якому воно, потрапивши в об’єм осердя ВС, ще буде каналю­ватися ним; S_BC - площа поперечного перерізу світловедучого осердя ВС; S_Дж - площа поверхні ДС, через яку з нього виходить світло.

В даній роботі визначається ефективність узгодження для двох типів ВС з двома типа­ми ДС. В якості ВС використовуються стандартні кварцеві ВС фірми CORNING GLASS, що призначаються для побудови ліній далекого зв’язку: а) ОМ ВС, з діаметром світлове­дучого осердя d_c = 7 мкм і діаметром світлоізолюючої оболонки d_об = 125 мкм; б) багато­модові (БМ) ВС з градієнтним профілем показника заломлення, з діаметром світловедучо­го осердя d_c = 50 мкм і діаметром світлоізолюючої оболонки d_об = 125 мкм. Ці ВС мають також полімерне захисно-зміцнювальне покриття на основі поліакрилатних смол. Загаль­ний зовнішній діаметр цих ВС складає d_заг = 270 мкм (див. мал.1)

 

Мал.1. Схематична будова (структура) ВС.

 

В даній лабораторній роботі в якості ДС використовуються: а) СВД з р-n-переходом на основі фосфіду галія, що світиться червоним кольором при пропусканні через нього струму при прямому зміщенні переходу; б) напівпровідниковий лазер типу ИЛПН-106 з гетеропереходом на основі четверних сполук А^ІІІВ^V, який випромінює в інфрачервоній області спектру з довжиною хвилі 0,85 мкм. Загальний вигляд поверхонь ДС, через які із них виходить світловий потік, показана на мал. 2.

 

а) б)

Мал. 2. а) поверхня СВД; а ´ а - розміри світловипромінюючої поверхні; б) поверхня лазера; b ´ c - розміри світловипромінюючої поверхні.

1.3. Хід виконання лабораторної роботи.

1.3.1. Визначення числового значення коефіцієнта n.

Необхідно задатися величиною числа n, яке входить до складу виразу (1) і характери­зує діаграму спрямованості ДС. Для СВД приймаємо n = 1; для напівпровідникового лазе­ра величину n приймаємо рівною одному з можливих його значень, що лежать в діапазоні від 5 до 15 (конкретне значення числа n для лазерного ДС задає для кожної бригади керів­ник лабораторних робіт).

Визначення числової апертури ВС.

З курсу лекцій відомо, що числова апертура NA ВС визначається синусом найбільшо­го кута падіння свтлового променя на торець світловедучого осердя ВС, за якого він, по­трапивши в об’єм світловедучого осердя, ще буде каналюватися ним. Виходячи із цього, для визначення NA слід було б зформувати тонкий світловий промінь з плоским хвильо­вим фронтом, спрямувати його на торець світловедучого осердя ВС і поступово збільшу­ючи кут його падіння на поверхню торця ВС визначити, за якої величини цього кута ін­тенсивність світлового потоку, що виходить з вихідного кінця ВС почне швидко зменшу­ватися. Визначений таким чином кут і буде визначати апертуру ВС. Одначе, визначення NA таким способом в лабораторних умовах, співпряжене з серйозними апаратурними труднощами.

Значно простішим, в сенсі його практичної реалізації, є метод визначення апертурного кута ВС, який грунтується на відомому з оптики принципі зворотності ходу оптичних про­менів. Суть цього методу полягає в тому, що оптичний потік вводиться в ВС таким спосо­бом, щоб у його світловедучому осерді збуджувалися всі можливі моди (типи коливань). Практично це можна реалізувати, вводячи в ВС оптичний потік, наприклад, від лазера за допомогою короткофокусної лінзи. В такому разі випромінювання з ВС буде виходити та­кож під всіма можливими кутами нахилу до його осі, при цьому максимальний вихідний кут випромінювання і буде апертурним кутом для даного ВС. Розташувавши вихідний то­

рець ВС на певній висоті Н над деяким екраном, що дифузно розсіюює світло (наприклад, над бі­лим аркушем паперу), отримаємо на ньому світну пляму певного діаметра D. Схема проведення цьо­го досліду зрозуміла з мал. 3. Визначивши експе­риментально величини Н і D за допомогою, на­приклад, звичайної учнівської лінійки, числову апертуру ВС NA можна розрахувати за виразом:

(2)

При визначенні числової апертури таким способом, слід використовувати лазер, який генерує оптичний потік у видимому діапазоні довжин хвиль, що значно полегшує прове­дення цього експерименту. В якості такого лазера можна використати, наприклад, будь-який із широко розповсюджених типів Не-Ne лазерів, які генерують червоне світло з дов­жиною хвилі 628,3 нм.

В даній лабораторній роботі для експериментального визначення NA використовується Не-Ne лазер типу ЛГН-105, змонтований на одній оптичній лаві з короткофокусною мік­ролінзою (F = 5 мм) та трикоординатним мікропозиціонером, що має затискач для закріп­лення в ньому кінця ВС. Для забезпечення якісного введення в ВС оптичного потоку (з максимально можливою потужністю), слід належним чином підготувати поверхню його вхідного торця: вона має бути рівною (плоскою), орієнтованою перпендикулярною до осі ВС, та чистою (вільною від будь-яких сторонніх часток). Це досягається механічним ско­лом кінця ВС після попереднього нанесення на його бічну поверхню подряпини, перпен­дикулярної до осі ВС, гострим твердотільним інструментом. В якості такого інструменту можна використовувати алмазну вставку різака для різання скла, гострий скол твердого кристалу, наприклад рубіну, загострений твердосплавний різець, тощо. Слід зауважити, що отримання якісного сколу кінця ВС потребує певних навичок і якщо з першої спроби не вдалося отримати належної якості сколу, то ці спроби слід повторювати до отримання бажаного результату. Критерієм якості сколу вхідного торця ВС є реалізація введення в ВС оптичного потоку, достатнього для проведення експерименту рівня потужності, що оцінюється візуально по рівню яскравості світної плями на поверхні екрану за вихідним торцем ВС. У випадку БМ ВС ця пляма має бути чіткої круглої форми, що утворюється із великої кількості дібних світлих плямин, кожна з яких є світним слідом окремої світлової моди, які всі разом формуються і розповсюджуються в осерді ВС. Щонайменша деформа­ція ВС приводить до зміни умов формування мод та перерозподілу енергії між ними, що візуально сприймається як хаотичний рух згаданих дібних світлих плямин (як їх хаотичне перемішування) в межах спільної для них великої світної плями.

Якщо ж вихідна пляма на екрані має спотворену (не круглу) форму - це свідчить про те, що вихідний торець ВС не має належної якості сколу (він, наприклад, може бути чи­мось забрудненим) і для успішного проведення експерименту цю якість слід забезпечити таким же способом, як це проводилося при формуванні якісного сколу на вхідному торці ВС. Додатковим критерієм якості вихідного торця ВС може слугувати ще й така ознака: якщо споглядаючи вихідний торець ВС збоку (під кутом, що значно перебільшує апертур­ний), ми бачимо, що він “світиться”, це однозначно свідчить про його погану якість - світ­ло через торець ВС, який має хорошу якість, виходить назовні тільки в межах порівняно вузького апертурного кута. Для того, щоб отримати хорошу якість торця, формування йо­го сколу слід повторювати доти, поки він не буде “світитися” при спостеріганні його за межами його апертурного кута. При цьому світна пляма на екрані, що утворюється випро­мінюванням, яке виходить з торця, також набуде форми чіткого круга.

При наступному проведенні цього ж експерименту по визначенню числової апертури для ОМ ВС слід бути готовим до того, що на екрані буде видно не одну світну плямину, як того слід було б очікувати для ОМ ВС, а кілька. Пояснюється це тим, що досліджувані ОМ ВС розраховані на використання їх для роботи у третьому вікні прозорості кварцу, що відповідає довжині хвилі l = 1,55 мкм, і за такої довжини хвилі ці ВС дійсно здатні кана­лювати лише одну, центральну, моду. При збудженні ж цього ВС світлом від Не-Ne лазе­ра, що генерує світло зі значно меншою довжиною хвилі (l = 0,633 мкм), в осерді ВС мо­же (і буде) формуватися більше ніж одна мода (реально їх може бути від 3 до 5). Очевид­но, що результат вимірювання числової апертури ВС “по одній” з таких мод, буде дуже заниженим. Вимірювання ж числової апертури “по всіх модах” хоча дасть трохи і завище­ний результат, та все ж він буде значно ближчим до його реальної величини. Для кращого проведення вимірювання на екрані діаметра світної плями від ОМ ВС, під час вимірюван­ня геометричних параметрів за мал.3, одному із членів бригади слід безперервно трохи де­формувати вільну частину ВС (досить просто “ворушити” її) для того, щоб відбувалася зміна умов формування мод та відбувався перерозподіл енергії між ними, щоб положення світних плям на екрані весь час змінювалося в межах загальної світної плями.