Эффективность ввода излучения в оптическое волокно

Эффективность ввода оптического излучения в оптическое волокно

Измерение оптической мощности без волокна и с волокном при напряжении и варьировании силы тока. Измерение зависимости мощности оптического излучения с волокном. Анализ зависимости оптической мощности от угла поворота лазера относительно торца волокна.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (НИ ТГУ)

Кафедра квантовой электроники и фотоники

ОТЧЕТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

«Эффективность ввода оптического излучения в оптическое волокно»

по дисциплине «Оптические системы связи»

________________ Ю. B. Маслова

Студенты 5 курса группы № 759

____________ А.Н. Спиридонов

Цель: освоение методики измерения эффективность ввода излучения в оптическом волокне.

1. Провести измерения оптической мощности без волокна и с волокном при напряжении на лазере 2V и варьированием силы тока 0 — 170 mA.

2. Измерить зависимость мощности оптического излучения с волокном, изменяя расстояния между источником и торцом волокна.

3. Измерить зависимость оптической мощности от угла поворота лазера относительно торца волокна.

1. Провели измерения оптической мощности без волокна и с волокном при напряжении на лазере 2V и варьированием силы тока 0 — 170 mA.

волокно мощность ток сила

Таблица 1. Зависимость напряжения на фотодиоде от тока накачки

По данным из таблицы 1 построили графики зависимости напряжения на фотодиоде от тока накачки лазера с волокном и без волокна.

Рисунок — 1 Зависимость напряжения на фотодиоде от тока накачки лазера без волокна

Рисунок — 2 Зависимость напряжения на фотодиоде от тока накачки лазера с волокном

2. Измерили зависимость мощности оптического излучения с волокном, изменяя расстояния между источником и торцом волокна.

Таблица 2. Зависимость мощности оптического излучения с волокном от расстояния между источником и торцом волокна

Построили график по таблице 2

Рисунок — 3 Зависимость мощности оптического излучения с волокном от расстояния между источником и торцом волокна

3. Измерили зависимость оптической мощности от угла поворота лазера относительно торца волокна.

Таблица 3. Зависимость оптической мощности от угла поворота лазера относительно торца волокна

По таблице 3 построили график

Рисунок — 4 Зависимость оптической мощности от угла поворота лазера относительно торца волокна

В ходе проведения данной работы было выявлено, что с ростом тока накачки в лазере увеличивается напряжение на фотодиоде (рисунок 1 и рисунок 2). Из рисунка 2 видим, что при вводе излучения в оптическое волокно проявляются затухания. Из рисунка 3 видим, что при отдалении источника оптического излучения от торца оптического волокна оптическая мощность на выходе волокна падает. Из рисунка 4 ясно прослеживается закономерность, что при увеличении угла поворота мощность падает.

Подобные документы

Передающие оптоэлектронные модули, их применение. Построение зависимости выходной мощности источника оптического излучения от величины электрического тока. Определение зависимости чувствительности фотодетектора от длины волны оптического излучения.

контрольная работа [231,3 K], добавлен 05.05.2014

Измерители оптической мощности с термофотодиодами и с фотодиодами. Виды источников оптической мощности. Общий метод измерения вносимых потерь. Внутренние и внешние потери. Основные уровни потерь, вносимых элементами волоконно-оптических систем.

курсовая работа [281,8 K], добавлен 08.01.2016

Конструкция оптического волокна и расчет количества каналов по магистрали. Выбор топологий волоконно-оптических линий связи, типа и конструкции оптического кабеля, источника оптического излучения. Расчет потерь в линейном тракте и резервной мощности.

курсовая работа [693,4 K], добавлен 09.02.2011

Определение затухания (ослабления), дисперсии, полосы пропускания, максимальной скорости передачи двоичных импульсов в волоконно-оптической системе. Построение зависимости выходной мощности источника оптического излучения от величины электрического тока.

контрольная работа [352,3 K], добавлен 21.06.2010

Структура оптического волокна. Устройство световода. Одномодовое и многомодовое волокна. Режимы прохождения луча. Источники и приемники излучения. Оптический модулятор, работающий на эффекте Керра и эффекте Поккельса. Расчет модовой дисперсии оптоволокна.

курсовая работа [96,4 K], добавлен 25.09.2011

Рассогласование числовых апертур передающего и принимающего волокон фирмы Corning. Определение потерь мощности оптического сигнала, возникающих из-за различия диаметров сердцевин соединяемых волокон и при их радиальном, угловом и осевом смещении.

контрольная работа [767,6 K], добавлен 15.03.2015

Знакомство с методами и способами измерения затухания и оптической мощности волоконно-оптических линий связи. Способы проектирования и изготовления измерителя оптической мощности. Общая характеристика распространенных типов оптических интерфейсов.

курсовая работа [1,9 M], добавлен 19.03.2013

Источник

Эффективность ввода излучения в оптическое волокно

В статье рассмотрены основные технологии ввода излучения из полупроводникового лазерного диода в оптическое волокно и способы фиксации элементов лазерных диодных модулей.

ВВЕДЕНИЕ
Полупроводниковый лазер и оптическое волокно – важнейшие изобретения прошлого века, имевшие колоссальное влияние на техническое развитие общества и заслуженно отмеченные Нобелевскими премиями 2000 и 2009 годов, соответственно.

Первые лазерные образцы, созданные в лаборатории Р. Н. Холла в 1962 году, представляли собой гомоструктуры на основе GaAs и работали при криогенных температурах в импульсном режиме, однако уже 1970 году группа Ж. И. Алферова продемонстрировала полупроводниковый лазер на гетероструктуре, работающий при комнатной температуре в непрерывном режиме. Далее, в 1970-х годах последовало стремительное развитие и совершенствование лазерных диодов и были предложены узкочастотные лазеры с распределенной обратной связью (DBR и DFB), лазеры на квантовых ямах и лазеры с вертикальным резонатором (VCSEL). Однако только в 1990–2000 годах технология производства позволила создавать недорогие и надежные лазерные диоды для широкого спектра применений в оптической связи, датчиках, охранных системах и биомедицинских приборах. На сегодняшний день наиболее популярными типами лазеров являются лазерные диоды с резонатором Фабри-Перо с широким спектром, состоящим из нескольких мод, лазеры с распределенной обратной связью DFB, работающие в одночастотном режиме, и лазеры с вертикальным резонатором VCSEL (рис. 1).

Эксперименты по передаче оптического излучения по стеклянному волокну проводились с начала XX века, однако только в 1970 г. компании Corning удалось уменьшить величину оптических потерь до 17 дБ/км, что сделало оптическое волокно приемлемым для передачи информации. Последующее развитие технологии позволило уменьшить оптические потери почти в 100 раз. В настоящее время используются различные типы оптических волокон на основе кварцевого стекла: одномодовые и многомодовые, волокна с и без поддержки поляризации, специализированные фотоннокристаллические волокна, spun-волокна, волокна с заполнением металлом и пр.
Чрезвычайно важным с точки зрения практического использования излучения полупроводникового лазерного диода в технике является задача ввода излучения в оптическое волокно. Если в стационарной оптической лаборатории со стабильным температурным режимом можно использовать систему линз и микрометрических подвижек для коллимации выходящего из лазера пучка и его фокусировки на торце волокна, то в составе приборов, подверженных механическим вибрациям и перепадам температур, а также при наличии жестких требований по весу и габаритам, использование громоздких и сложных оптических систем совершенно недопустимо. Именно поэтому волокно и фокусирующая линза точно юстируются и фиксируются с лазерным диодом в одном корпусе, образуя тем самым лазерный диодный модуль. Такой модуль удобно использовать в составе аппаратуры, его можно быстро и многократно монтировать и демонтировать. К лазерным диодным модулям предъявляются разнообразные требования, в частности, малый вес, компактность, высокая эффективность ввода излучения, стабильность работы при тряске, высоких и низких температурах. Все это обеспечивается как точностью и эффективностью оптической юстировки, так и конструкцией корпуса и методами крепления составных частей.
В данной статье мы рассмотрим два важных аспекта изготовления лазерных диодных модулей – ввод оптического излучения в оптическое волокно и фиксацию элементов лазерного диодного модуля в единое целое.
ВВОД ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ВОЛОКНО
Не все излучение, выходящее из лазерного диода, попадает в ведущуюся моду (рис. 2a). Часть излучения пролетает мимо волокна, часть попадает в оболочку и далее вытекает наружу, часть отражается от торца. Основная характеристика ввода излучения – коэффициент ввода η, который определяется отношением мощности, попавшей в ведущуюся моду, к падающей мощности:

.
В 1990‑х годах использовалась достаточно сложная технология ввода оптического излучения, требующая предварительного покрытия оптического волокна золотом, а далее юстировки по отношению к лазерному диоду в расплавленном припое и фиксации до остывания припоя (рис.2b). Линза при этом формировалась на торце оптического волокна чаще всего оплавлением в электрической дуге. Для упрощения центрирования припой находился в трубке, куда далее помещалось волокно [1]. Типичный коэффициент ввода излучения при помощи данного метода – 30–40%. Данный способ оказался дорогостоящим и сложным, однако имеет ограниченное применение и в настоящее время.
В конце 1990‑х годов массово стали выпускаться лазерные диоды с линзой, представляющей собой маленький шарик, вмонтированный в защитный колпачок [2] (рис.2c). Таким образом можно было вводить только около 10–20% излучения в волокно, однако несомненным достоинством данной технологии была ее дешевизна.
Эксперименты по вводу излучения в оптическое волокно при помощи градиентной линзы (градана) проводились еще в 1980‑е годы [3], однако только в начале 2000‑х лазерные диоды с граданами вместо шариковых линз стали коммерчески доступными (рис.2d). Несмотря на то, что лазерные диоды с такими линзами были и дороже, коэффициент ввода был выше и достигал 30%. Недостатком же была работоспособность такой системы в более узком диапазоне температур.
Примерно в 2010 году на массовом рынке появились лазерные диоды с асферической линзой более сложной геометрической формы и с антиотражающими покрытиями (рис.2e). Такие линзы используются и в настоящее время в качественных лазерных диодах и обеспечивают коэффициент ввода до 40%.
Компания «Лазерском» выбрала другой метод ввода излучения, при котором используется линза, сформированная прямо на торце волокна при помощи селективного травления. Это позволяет вводить до 80% оптической мощности в серийно выпускаемых изделиях. При этом отсутствуют линзы как отдельные оптические элементы, что делает юстировку оптического волокна проще и надежнее. Такой коэффициент ввода в два раза выше, чем у типичных лазерных диодных модулей, применяемых для производства оптических рефлектометров, и в пять раз выше, чем у типичных модулей, применяемых для оптической связи. Высокий коэффициент ввода позволяет получать ватт-амперные характеристики с большей крутизной и работать при меньших значениях силы тока, что существенно важно для снижения потребления электроэнергии в системах связи.
ФИКСАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ЛАЗЕРНОГО ДИОДНОГО МОДУЛЯ
Не менее важную роль в производстве лазерных диодных модулей играет метод фиксации составных элементов. Именно этот аспект обеспечивает надежность, долговечность работы и температурную стабильность параметров модулей.

До 2000 года основным методом фиксации элементов модулей была фиксация при помощи клеев на основе эпоксидных смол [4] (рис.3a). Несмотря на то, что работать с эпоксидными клеями достаточно удобно, после сборки модуля необходимо проводить термоциклирование и ускоренные испытания. Это приводит к тому, что значительная доля изделий уходит в брак.
Начиная с 2000 года в производстве стала внедряться технология лазерной сварки [5] (рис.3b). Производители лазерных диодных модулей в рекламе изделий старались подчеркнуть, что модули не содержат эпоксидной смолы. Однако лазерная сварка не лишена недостатков. Основным из них является необходимость надежной фиксации составных элементов во время сварки во избежание механических деформаций [6] и тщательного контроля воздействия сварки на оптические параметры модуля.
Технология компании «Лазерском» имеет существенное отличие от вышеперечисленных технологий. Она заключается в использовании в качестве связующего материала специально разработанного компаунда с низким коэффициентом термического расширения (рис.3c). Это обеспечивает как высокую прочность, так и отличную температурную стабильность.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Совмещение технологии формирования линзы на торце волокна с технологией фиксации элементов модуля позволяет ООО «Лазерском» создавать лазерные диодные модули с превосходными характеристиками. К примеру, стабильность мощности P излучения при вариации температуры T характеризуется величиной максимального отклонения мощности от опорной, так называемой tracking error

где T0 = 25 °C – опорная температура, а Tmin и Tmax – минимальная и максимальная температуры, соответственно. Все модули производства ООО «Лазерском» проходят температурный контроль в диапазоне температур от –20 °C до 50 °C, а также проводится избирательный контроль в диапазоне от –60 до 80 °C, и максимальное отклонение мощности Er не превышает 0,04 дБ. Модули «Лазерском» успешно проходят испытания на вибрации и радиационную стойкость. Малые габаритные размеры и низкое энергопотребление делают лазерные диодные модули перспективными для портативных приборов и аппаратуры, к которой предъявляются строгие требования по размеру и весу. Высокая крутизна ватт-амперных характеристик и высокая энергоэффективность дает разработчикам дополнительные преимущества при создании конкурентоспособной аппаратуры. Еще одной важной особенностью лазерных модулей ООО «Лазерском» является высокая стабильность оптической мощности в широком температурном диапазоне и низкий уровень низкочастотных шумов, что позволяет применять данные модули для изготовления высокостабильных источников оптического излучения.

Источник

Ввод излучения лазера в одномодовое оптическое волокно

Выше отмечалось, что СЛТ реализуются с использованием ООВ и квазикогерентных источников излучения, в частности полупроводниковых ИЛ. Инжекционные лазеры устойчиво работают в одномодовом режиме, имеют равномерную модуляционную характеристику, вплоть до нескольких гигагерц, а также другие преимущества. Но каковы бы ни были устройство и параметры современного лазера, его излучательные характеристики не согласуются с распределением напряженности поля основной моды НЕ11 возбуждаемого лазером ООВ. Поэтому потери уровня оптической мощности лазера при непосредственном вводе его излучения в ООВ могут достигать 20 дБ и более. Для уменьшения этих потерь применяют различные устройства согласования выхода лазера с торцом используемого ООВ при соблюдении высокой точности их юстирования.

Попытки применить для согласования одну сферическую линзу с относительно большими размерами приводят к потерям вводимого оптического сигнала в пределах

Оптическое согласующее устройство из двух сферических линз изображено на рис. 3.24. Результаты его использования показывают, что максимальная эффективность ввода (ЭВ), или минимум потерь при вводе излучения лазера в ООВ получается при одновременном выполнении двух условий:

Здесь и на рис. 3.24 f1 и f2, R1 и R2, п1 и п2– фокусные расстояния, радиусы и показатели преломления линз 1 и 2 соответственно.

При указанных условиях радиусы кривизны волновых фронтов пучка оптического излучения лазера и поля основной волны НЕ11 в ООВ имеют одинаковые знаки. Для значений параметров: f1 = 0,291 мм; R1 = 0,25 мм; п1= 1,75; f2 = 1,377 мм; R2= 2 мм; п2= 1,57; l3 = f2; l2 = 5 мм; диаметр поля основной моды ООВ dпм= 10 мкм; малая и большая полуоси эллиптического пучка излучения лазера равны wx= 0,8 мкм и wy= 1,0 мкм соответственно, на длине волны 1,3 мкм такое согласующее устройство обеспечивает экспериментальное значение эффективности ввода 2,6 дБ [50].

В устройствах ввода, построенных по схеме рис. 3.24, наряду со сферическими линзами могут использоваться градиентно-стержневые линзы или сочетания сферических и градиентно-стержневых линз. Такие устройства обеспечивают потери при вводе в пределах

3…5 дБ на длине волны 1,3 мкм. Известны и другие устройства ввода излучения лазера в ООВ. Они достаточно подробно рассмотрены в обзоре [45].

В работе [51] предложено анизотропное оптическое волокно (АОВ), показанное на рис.

3.25. В нем градиент показателя преломления в сердцевине 5 (4 – оболочка ОВ) создается не за счет изменения химического состава стекла, а в результате упорядочения внутренней молекулярной структуры чистого кварцевого стекла внешним электрическим полем 1 в процессе производства. При этом анизотропные молекулы материала сердцевины ориентированы так, что их оптические оси 3 направлены вдоль силового электрического поля 1. Меридиональный луч 2, входящий в торец АОВ под углом Θ0 на некотором расстоянии r0 от оси х распространяется по траектории 6. Она представляет собой затухающую к оси х синусоиду, ограниченную линиями 8. Это относится к меридиональным лучам любой моды, вводимым в торец АОВ в пределах апертурного угла.

С волновой точки зрения это означает, что указанные моды будут преобразовываться по пути их распространения в моду единой линейной поляризации НЕ11, имеющую минимальный к оси х угол следования луча.

После прохождения некоторого участка волокна, называемого длиной медового

преобразования Lмп, АОВ обеспечивает одномодовый режим распространения в волокне с эквивалентным радиусом сердцевины а1. Взаимное преобразование направляемых 156

градиентом АОВ мод на участке длиной Lмп не вызывает потерь, т. к. при этом выполняется только модовое и спектральное распределение внутри АОВ. Для сравнения на рис. 3.25 представлена траектория 7 оптического луча в изотропном градиентном ОВ с переменным в его поперечном сечении химическим составом материала ОВ.

Следовательно, АОВ с успехом может быть использовано для формирования солитонного режима передачи (см. подразд. 3.6.5) и последующего ввода значительной энергии оптических сигналов в изотропное ОВ. Кроме того, АОВ само по себе может поддерживать солитонный режим передачи, так как в таком волокне происходит концентрация (коллимация) энергии оптических сигналов вдоль оси х на основной моде НЕ11, что равносильно одномодовому режиму передачи в «толстом» АОВ.

Действительно, предположим, что на входной торец АОВ вводится многомодовый пучок лучей с удельной плотностью интенсивности излучения J0, засвечивающих все поперечное сечение сердцевины S0 = πа2/4. На выход АОВ длинной Lмп, из-за отсутствия потерь, поступает та же мощность с удельной плотностью интенсивности J, распространяющаяся в моде НЕ11 в эквивалентном одномодовом поперечном сечении

Если радиус сердцевины многомодового АОВ а = 25 мкм, а эквивалентный радиус ООВ а1 = 5 мкм (dмп = 10 мкм), то вследствие коллимации лучей на отрезке Lмп усиление

Отсюда возникла идея, что с целью уменьшения потерь при вводе АОВ может быть использовано как согласующее устройство между лазером и изотропным ООВ. При этом необходимо совместить плоскость поляризации лазера и плоскость АОВ, в которой лежит силовая линия электрического поля 1. Благодаря медовому преобразованию отрезок АОВ длиной Lмп может быть включен как между многомодовым лазером и ООВ, так и между одномодовыми лазером и ООВ. Диаметр сердцевины многомодовой стороны АОВ, обращенной к лазеру, не ограничен и может достигать 1…2 мм.

Одномодовая сторона АОВ стыкуется с ООВ непосредственно, например, сваркой или клеем. Потери при вводе излучения лазера в ООВ с использованием согласующей вставки из АОВ длиной Lмп будут определяться как максимум теми же причинами, что и в схеме на рис. 3.24, т. е. поперечным смещением лазера и АОВ на входе (максимум 1 дБ), угловым перекосом оси АОВ с осью лазерного луча (максимум 1 дБ), рэлеевскими потерями на длине Lмп и качеством соединения АОВ с ООВ. В сумме это составит не более 3 дБ.

Многомодовая (лазерная) сторона АОВ соединяется с лазером механически или с помощью клея. Если между ними существует воздушный зазор, то потери на соединение не превышают 2 дБ. Если же зазор заполнить иммерсионной жидкостью (прозрачным для

излучения лазера клеем), то указанные потери будут не более 1 дБ. В результате суммарные

потери при вводе излучения лазера в ООВ через отрезок Lмп АОВ составят менее 5 дБ, а усиление за счет коллимации лучей в АОВ при указанных параметрах а и а1 составляет 14 дБ.

Таким образом, ввод излучения одномодовых и многомодовых лазеров в изотропные ООВ через согласующие вставки из АОВ длиной модового преобразования Lмп обеспечивает (за счет коллимации в них лучей различных мод) усиление интенсивности излучения до 9 дБ. Известно пагубное влияние на режим работы лазера встречного (обратного) потока, возникающего на неоднородностях в протяженных СЛТ. В этом случае АОВ при распространении встречного потока будет преобразовывать его одномодовую природу в многомодовую с выводом высших мод в защитные оболочки, т. е. АОВ будет выполнять

роль оптического вентиля, или изолятора.

Источник: Хмелёв К. Ф. Основы SDH: Монография. – К.: ІВЦ «Видавництво «Полігехніка»», 2003.-584 с.:ил.

Источник