Оптоэлектроника Электроника полупроводников Волоконно-оптический световод Мультиплексоры и демультиплексоры Фотопроводимость Фотодиоды

Лабораторные работы по оптоэлектронике Передача информации по оптоволокну

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ОПТОИНФОРМАТИКЕ

Лабораторная работа №6

Исследование характеристик светового жгута

Цель работы: Знакомство с принципом работы светового жгута и его характеристиками.

 Задачи, решаемые в работе

1.  Измерить пропускание светового жгута, определить общие потери при распространении излучения по световому жгуту и построить индикатрису его пропускания.

2. Определить частотно-контрастную характеристику светового жгута.

3. Оценить параметры светового жгута: апертурный угол и разрешение в изображении, которое может быть передано по данному жгуту.

СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

Световые жгуты изготавливаются из пучков одиночных световодов (волокон), которые протягиваются через специальную печь, где они обжимаются и спекаются друг с другом. При этом важно сохранить на входе и выходе жгута порядок укладки торцов световодов, иначе, при передаче изображения появляются искажения. Полученный жгут можно сложить с другими жгутами и провести аналогичную операцию еще раз. Такие действия можно повторять неоднократно, получая жгуты, состоящие из десятков тысяч волокон.

Существует способ изготовления световых жгутов, который заключается в намотке на барабан определенным образом одиночного волокна или “спеченного” пучка волокон. Затем следует разрезка намотанного рулона и склейка или сварка полученных после разрезки торцов, которые далее полируются. Отметим, что жгуты, полученные из пучков волокон, обладают в 2-3 раза большим разрешением, чем жгуты, полученные из отдельных волокон. 

Световые жгуты имеют разный вид укладки волокна: примеры некоторых видов приведены на рис.1. Следует отметить, что плотность укладки волокон в этих трех случаях разная.

 Квадратичная Гексагональная Шестигранники

 


Рис.1.Виды укладок волокна в жгуте.

При характеристике световодов используют следующие основные параметры.

Коэффициент пропускания светового потока ()- отношение вышедшего из световода потока излучения к потоку, вошедшему в его торец.

Потери светового жгута (δ), измеряемые в децибеллах (см. формулы во введении). Коэффициент пропускания и потери светового жгута зависят от угла наклона () луча, падающего на  торец жгута (см. рис.2 во введении). Для лучей, распространяющихся по оси световода  ( = 0,   максимально, δ – минимально; с увеличением угла уменьшается коэффициент пропускания и растут потери. Потери света в световодах  включают концевые потери на торцах световода и линейные потери внутри световода. Концевые потери обусловлены потерями на отражение света от торцевых поверхностей на входном и выходном концах жгута (так называемые, Френелевские потери) и способом заполнения его волокнами. Коэффициент пропускания для концевых потерь определяется по формуле

 кон = (1- вх вых зап (1),

где вх; вых - коэффициенты отражения от поверхностей торцов, зап = Scв/S - коэффициент заполнения, Scв - общая площадь сечения волокон, S - площадь сечения жгута.

Френелевские потери зависят от показателя преломления материала световода, от углов падения лучей на торец, от поляризации входящего в световод света. Линейные потери световода обусловлены потерями, связанными с поглощением света материалом световода, рассеянием света, нарушением полного внутреннего отражения при прохождении света по световоду. Линейные потери существенно возрастают при углах наклона лучей больших номинального апертурного угла. Поглощение материала световода зависит от длины волны излучения.

Индикатриса пропускания светового жгута, характеризующая изменение коэффициента пропускания  от угла . Геометрически индикатриса пропускания представляет собой конус, образованный лучами, прошедшими через жгут.

Числовая апертура NA = Sin , где  - апертурный угол (угол наклона образующей конуса лучей, падающих на торец, к оси световода). Максимальное значение угла , соответствующее лучам, прошедшим световод без нарушения полного внутреннего отражения, называется номинальным апертурным углом - . Величина NА = Sin называется номинальной числовой апертурой. Номинальная числовая апертура может быть больше 1, если лучи входят в жгут не из воздуха, а из какой либо среды с показателем преломления n > 1 (NА0 = n Sin).

Частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) представляет собой зависимость коэффициента передачи контраста изображения миры, переданногопо жгуту, от частоты штрихов миры (измеряемой числом штрихов на 1мм). Мира представляет собой исследуемый тест-объект (см.раздел «Термины). Контраст в изображении элемента миры, переданного по оптической системе (жгуту), определяется по формуле

 K = (IMAX - IMIN)/( IMAX + I MIN ) = IA / IСР (2),

где IMAX, IMIN – максимальное и минимальное значение интенсивности излучения в изображении миры; IA – амплитуда модуляции излучения; IСР – среднее значение интенсивности излучения, прошедшего тест-объект (см. рис.2).

 


Рис.2.Распределение интенсивности в изображении элемента миры с синусоидальным профилем штриха.

На рис.2 показано распределение интенсивности излучения в изображении элемента миры в направлении перпендикулярном штрихам миры. Коэффициент передачи контраста T рассчитывается по формуле

  T = Kвых /Kвх (3),

где Kвых и Kвх - контраст в изображении элемента миры на выходном и входном торцах световода.

Частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) определяет разрешение светового жгута, на величину которого влияют различные дефекты в волокнах, рассеяние на неоднородностях, переход света в соседние волокна, а также сильное влияние на ЧКХ оказывает мозаичность изображения, обусловленное дискретностью сечения жгута, так как свет передается отдельными волокнами. Очевидно, чем меньше диаметр волокна, тем с большим разрешением передается изображение по жгуту.

Высокочастотные диоды

 

Для них оговариваются те же параметры (основные и второстепенные), но они могут работать при высокой частоте и обладают малым временем восстановления (по сравнению с выпрямительными). Для них приводится график прямого тока в зависимости от частоты.

1.5. Импульсные диоды

 

Оговариваются те же основные параметры, что и для рассмотренных выше диодов, и приводится еще важный второстепенный параметр - импульсный ток за оговоренное время.

 

1.6. Стабилитроны и стабисторы

 

Рабочей частью ВАХ у стабилитронов является обратная ветвь. Прямая ветвь такая же как у диодов, она также может использоваться. 

Для стабилитронов указывается два основных параметра:

Uст - напряжение стабилизации стабилитрона;

Iст.н – номинальный ток стабилитрона.

Uст=3,3...170В. Для Uст указывается разброс в процентах или в вольтах, а также изменение Uст при изменении температуры. У маломощных стабилитронов Iст.min=1...3mА, Iст. max=30mA. Iст.н у мощных стабилитронов составляет несколько сот mA.

Стабисторы - это стабилитроны, у которых используется прямая ветвь ВАХ. Такая ВАХ создается технологически. Стабистор – это диод с большим падением напряжения, которое постоянно при изменении тока. Стабилитроны и стабисторы могут соединяться последовательно, но не параллельно. Они используются в стабилизаторах и ограничителях напряжения.


Доставка цветов Ишим, доставка цветов в ишиме Полупроводниковые детекторы оптического излучения