1 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Образовательная программа С1 Волоконно-оптические измерения Лихачев М.Е. Научный центр волоконной оптики РАН

2 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Лекция 1 1. Что такое волоконный световод: Закон преломления. Принцип работы световода. Одномодовые и многомодовые световоды. Основные параметры одномодовых волоконных световодов. 2. Методы измерения основных параметров волоконных световодов: Профиль показателя преломления (в заготовке и световоде). Длина волны отсечки. Диаметр поля моды. Дисперсия.

3 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Закон преломления Менее плотная среда Более плотная среда n 2 > n 1 n1n1 n2n2 1 2

4 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Полное внутреннее отражение Менее плотная среда Более плотная среда n 2 > n 1 n1n1 n2n2 1 =90 кр

5 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Волоконный световод n сер > n об n = n сер – n об << n сер, n об << 90 n об = n n об n сер кр

6 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Волоконный световод Полимерное покрытие Стекло оболочки Стекло сердцевины n об n сер

7 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Апертура световода n об = n n сер = n+ n кр 0 Апертура (NA) – это синус половинного угла, под которым излучение выходит из световода

8 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Моды и лучи n об = n n сер = n+ n R ПРИМЕР: Стандартный ММ световод 50/125 мкм, NA=0.2 Число мод N на длине волны 1.55 мкм: 205 Электрическое поле

9 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Одномодовый световод - распространяется одна мода n сер = n+ n n об = n - длина волны отсечки (длина волны, при которой перестает распространяться вторая мода) ПРИМЕР: Стандартный световод SMF28 8/125 мкм, n = 0.005: Нормированная частота на длине волны 1.55 мкм: 1.95 Длина волны отсечки: 1.26 мкм

10 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Что такое основная мода? n об = n n сер = n+ n 0 кр

11 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Что такое основная мода? Лучевая теория не применима для случая одномодового световода! Необходимо использовать волновой анализ!

12 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Что такое основная мода? Фундаментальная мода Вторая мода Третья мода

13 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Диаметр поля основной моды В отличие от многомодового световода, где основной характеристикой является диаметр сердцевины, свойства одномодового световода определяются диаметром поля моды

14 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Диаметр поля основной моды - Petermann I (наиболее распространенное определение, используется при оценках порога нелинейных эффектов, изгибных потерь и т.п.) -Petermann II (используется для оценок величины потерь на сварку, волноводной дисперсии ) - Уровень 1/e (используется при приблизительных оценках)

15 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Что такое апертура в одномодовом световоде? световод фотоприемник

16 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Что такое апертура в одномодовом световоде? Профили показателя преломления различных световодов

17 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Что такое апертура в одномодовом световоде? Для характеризации одномодовых световодов понятие апертура несет мало информации и используется в основном для удобства (при характеризации максимального показателя преломления в световодах с профилем, близким к ступенчатому) Для определения свойств одномодового световода необходимо измерять профиль показателя преломления!

18 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Постоянная распространения n+ n n

19 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Волноводная дисперсия n+ n n =632nm =2000nm

20 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Волноводная дисперсия

21 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Материальная дисперсия

22 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Групповая скорость - групповой показатель преломления

23 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Групповой показатель преломления

24 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Дисперсия Коэффициент хроматической дисперсии D определяется по разнице в групповой задержке световых сигналов с различными длинами волн ( ) в волокне известной длины: Хроматическая дисперсия – это уширение светового импульса в оптическом волокне, вызванное разностью вызванное разностью групповых различных длин волн, составляющих спектр сигнала

25 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Дисперсия Материальная дисперсия Волноводная дисперсия Полная хроматическая дисперсия Дисперсия, пс/(нм км) Длина волны, мкм ПРИМЕР: Дисперсия на длине волны 1.55 мкм составляет ~ 15 пс/нм км Уширение импульса спектральной шириной 1 нм после прохождения 100 км световода составит 15 пс/нм км*1 нм*100 км = 1.5 нс !!расстояние между импульсами при скорости передачи со скоростью 500Мбит/с составляет 2 нс!!

26 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Параметры, характеризующие волоконный световод 1. Профиль показателя преломления 2. Длина волны отсечки 3. Диаметр поля моды 4. Коэффициент хроматической дисперсии

27 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение профиля показателя преломления в заготовке ВС Лазерный луч Заготовка

28 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение профиля показателя преломления в заготовке ВС Заготовка Лазерный луч

29 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение профиля показателя преломления в заготовке ВС n n+ n /2 /2 << n<< n

30 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение профиля показателя преломления в заготовке ВС

31 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение профиля показателя преломления в заготовке ВС

32 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение профиля показателя преломления в заготовке ВС Профиль показателя преломления может быть рассчитан из функции отклонения

33 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение профиля показателя преломления в заготовке ВС Ошибки метода связаны с ограниченным диапазоном измеряемых углов и возникают стандартных установках (P , PK2600) в двух случаях: - большие dn (>0.04) - ПП в тонких кольцах (~0.1 мм)

34 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение профиля показателя преломления в световоде кварц иммерсия световод

35 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение профиля показателя преломления в световоде

36 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение профиля показателя преломления в световоде Ограничения метода обусловлены минимальным размером пятна, в которое удается сфокусировать лазерный луч: разрешение ~ 0.5 мкм

37 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение длины волны отсечки: метод изгиба Вблизи отсечки существенная доля мощность второй моды распространяется вне сердцевины: При изгибе вторая мода не удерживается в сердцевине

38 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение длины волны отсечки: метод изгиба Стандарт: длина световода 2 м, диаметр изгиба 28 см

39 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение длины волны отсечки: метод изгиба Измеренная отсечка ~ 1195 нм Математическая отсечка ~ 1220 нм

40 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение длины волны отсечки: скачек мощности При возбуждении световода диффузным источником (лампочка) вблизи длины волны отсечки большее количество мод переносит большую мощность

41 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение диаметра поля моды: метод смещения Измеряется квадрат интенсивности! (используется для оценки диаметра поля моды в некоторых сварочных аппаратах)

42 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение диаметра поля моды: сканирование в ближнем поле Единственный прямой метод (недостаток - чувствительность результата к фокусировке)

43 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение диаметра поля моды: сканирование в дальнем поле Наиболее точный метод (недостаток – требуется пересчет интенсивности в ближнем поле по результатам измерения в дальнем поле)

44 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение диаметра поля моды: методы производные от метода сканирования в дальнем поле Метод сканирующей апертуры в дальнем поле Метод переменной апертуры в дальнем поле Метод острия ножа Достоинство: больше сигнал Недостаток: меньше точность

45 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение хроматической дисперсии: фазовый метод Модулированный источник излучения Монохроматор Измеряемый световод аттенюатор фотоприемник усилитель Линия задержки ЭВМ Измеритель разности фаз f – частота модуляции сигнала (измеряемые длины~1 км)

46 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение хроматической дисперсии: фазовый метод

47 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение хроматической дисперсии: дифференциальный фазовый метод Измерение сразу на двух длинах волн 1 и 2 Сразу определяется величина дисперсии на данной длине волны (измеряемые длины~1 км)

48 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение хроматической дисперсии: импульсный метод Импульсный источник излучения Монохроматор Измеряемый световод аттенюатор фотоприемник усилитель Линия задержки ЭВМ Измеритель задержки f – частота модуляции сигнала (измеряемые длины~1 км)

49 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение хроматической дисперсии: интерференционный метод (измеряемые длины~1 м) Корегентное и некогерентное сложение: длина когерентности Когерентное сложение Не когерентное сложение Длина когерентности

50 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение хроматической дисперсии: интерференционный метод (измеряемые длины~1 м)

51 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Измерение хроматической дисперсии: интерференционный метод (измеряемые длины~1 м)

52 Волоконно-оптические измерения, НЦВО Спасибо за внимание!