WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 |

Источником света является гелий-неоновый лазер (=0,63 мкм). Луч лазера проходит через оптическую систему, состоящую из поляризатора (3), щели (4), линзы (5) и попадает на входную призму (7), установленную на исследуемом волноводе (9). Если угол падения луча на призму такой, что выполняется условие синхронизма с какой-либо модой в волноводе, тогда именно эта мода и возбуждается. После распространения по волноводу (9) оптическое излучение возбужденной моды выходит из него через выходную призму (10) и попадает на фотодетектор (11) или на экран (13), где можно наблюдать яркую «mлинию», соответствующую тому углу, под которым свет вводился в волновод для возбуждения этой m-моды.

Измерительная ячейка с волноводом (9) и призмами (7, 10) помещается на столике гониометра (6) таким образом, чтобы ее можно было поворачивать в горизонтальной плоскости XZ (см. рис.1) и изменять этим угол падения луча лазера на входную призму. Такое вращение дает возможность возбуждать все моды волновода последовательно одну за другой. Для равномерного возбуждения всех мод призма (7) должна располагаться так, чтобы при повороте столика (5) точка падения светового луча не перемещалась по основанию призмы. С помощью отсчетного устройства гониометра измеряется угол падения света на входную призму, при котором на выходе появляется яркая m-линия. За начало отсчета принимается нормаль к входной грани призмы.

Рис. 1. Схема установки для исследования распространения света в пленочных интегрально-оптических волноводах: 1 – гелий-неоновый лазер (=0,63 мкм);

2– механический модулятор; 3 – поляризатор; 4 – щель; 5 – линза; 6 – столик гониометра; 7, 10 – призмы для ввода и вывода света; 8 – подставка для крепления измерительной ячейки; 9 – волновод; 11 – фотодетектор; 12 – усилитель; 13 – экран.

Измерение спектра оптических мод Составляющая постоянной распространения, параллельная основанию призмы ~ N связана с углом падения света на призму следующим соотношением ~ N = ( ) = sin cos + (n2 - sin2 )1/ 2 sin, (1) p kгде - угол падения света на призму; - угол призмы; np - показатель преломления призмы; k0 = - волновое число; 0 - длина волны света.

Когда эта составляющая совпадает с постоянной распространения какой-либо m моды в волноводе N =, то именно эта мода и возбуждается, а на экране kнаблюдается m-линия этой моды.

Измерение параметров призмы (угла и показателя преломления np ) проводится по стандартной методике с помощью гониометра – угол призмы измеряется автоколлимационным методом; показатель преломления np - методом угла наименьшего отклонения.

Определение толщины и показателя преломления однородного пленочного волновода Как известно, связь между параметрами пленочного волновода ( n1, n2, n3, ) и постоянными распространения оптических мод определяется kдисперсионными соотношениями, которые являются трансцендентными уравнениями. Если известны показатели преломления подложки, пленки и покрытия ( n1, n2, n3 ), то, решая эти уравнения с помощью специального программного обеспечения, можно рассчитать спектры ТЕ и ТМ мод в зависимости от толщины волновода и длины волны света 0. На практике часто возникает необходимость решения обратной задачи, т.е. определения n2 и, исходя из экспериментально полученных значений для различных мод.

kДля расчета n2 и достаточно знать постоянные распространения только двух мод, а остальные использовать для контроля и корректировки по методу наименьших квадратов величин n2 и. Если из эксперимента известны ~ значения постоянных распространения двух мод одной поляризации n = и k~ ~ ~ n = и их номера и. Константы n и n связаны с неизвестными kвеличинами n2 и посредством дисперсионных уравнений вида 2 k0(n2 - nm)1/ 2 = m(n2, nm), (2) где m (n2, nm ) = m + 0 (n2, nm ) + 2 (n2, nm ) и фазовый сдвиг n2 nm - nj+ (n2, nm ) = arctg[( )2 ( )]1/ 2, j 2 n n2 - nm j j =0, 2 ( j = 0 - граница подложка-пленка; j = 2 - граница покрытие-пленка), =0, 2 ( =0 – ТЕ мода, = 2 - ТМ мода).

~ ~ Подставляя экспериментальные значения n и n в (2), получают два уравнения, из которых можно исключать k0. При этом результирующее уравнение для n2 имеет вид 2 n2 = F(n2 ), (3) 2 ~ ~ 2 2 где F(n2 ) = (n 2 - n ) /(2 - ).

Уравнение (3) не может быть решено точно относительно n2, его решения получают итеративными методами.

На практике параметры однородного волновода определяют приближенными методами. Показатель преломления волновода n2 приближенно рассчитывают по формуле TE TE - TE 0 0 n2 + (4) k0 2kTE - TE 0 с погрешностью n2 <, которая уменьшается с ростом числа мод, т.е. с 2kувеличением толщины волновода.

Толщина волновода рассчитывается по формуле (TEm+1) - (TEm) (TEm) + (5) 2 n1 - n3 / m + arctg( )2 (TEm+1) - (TEm) n2 - nс погрешностью <, (TEm) =, 2 2 k0(n2 - n1 )1 / 2 n2 n1 - n3 / m + arctg[( )2( )1 ] 2 n1 n2 - n(TMm) =.

2 k0(n2 - n1 )1 / Здесь (TEm), (TMm) - минимальная толщина для распространения TEm и TMm мод, соответственно. Для рассмотренного метода величина погрешностей nи в случае достаточно большого числа мод ( m > 5 ) составляет ~ 10-2.

Порядок выполнения работы 1. Ознакомиться с лабораторной установкой.

2. Включить лазер.

3. Меняя светофильтр, подобрать необходимую интенсивность излучения.

4. При помощи пластинки /2 и поляризатора выбрать требуемую поляризацию излучения.

5. Установить исследуемый пленочный волновод в измерительную ячейку и закрепить при помощи прижимной рамки входную и выходную призмы на поверхности волновода.

6. Визуально контролируя прохождение света и соблюдая осторожность, добиться получения оптического контакта между соприкасающимися поверхностями призмы и волновода при помощи дополнительного прижима вблизи прямого угла призмы.

7. Поместить собранную ячейку с волноводами и призмами на столик гониометра.

8. Ввести излучение в волновод через входную призму.

9. Визуально контролируя излучение из выходной призмы по m-линиям, последовательно настроиться на различные моды ТЕ и ТМ поляризации и определить количество мод, распространяющихся в волноводе.

10. При помощи гониометра измерить углы падения излучения на входную призму, при которых происходит возбуждение соответствующих мод волновода.

11. Учитывая экспериментально полученные углы возбуждения и параметры призмы и пользуясь формулой (1), рассчитать постоянные распространения оптических мод волновода.

12. Используя полученные данные для модового состава волновода и пользуясь формулами (4), (5), рассчитать показатель преломления и толщину волноводного слоя.

Контрольные вопросы 1. Что понимают под «модами волновода», «эффективным показателем преломления моды волновода» и «эффективной толщиной» для данной моды 2. Каким образом происходит возбуждение волноводных оптических мод при призменном методе ввода излучения 3. Какие параметры волновода связывает дисперсионное соотношение 4. Как экспериментально определить значения постоянных распространения оптических мод в волноводе 5. Поясните, как определить показатель преломления и толщину волноводного слоя, исходя из его модового состава ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №11. Измерение профиля показателя преломления градиентной линзы методом фокусировки Цель работы: измерение распределения показателя преломления градиентной линзы Интерес к градиентным оптическим линзам был стимулирован развитием волоконной оптики. Основными преимуществами градиентных линз перед однородными являются: плоскостность, возможность снижения сферических аберраций, высокое светопропускание. Среди большого разнообразия градиентных линз наиболее распространенными являются цилиндрические с плоскими торцами и радиальным распределением показателя преломления. В таких линзах траектория хода луча в меридиональной плоскости может быть описана плавной периодической функцией, например синусоидой (см. рис. 1) y = y0 sin 2z / P, где y и z - координаты произвольной точки траектории; y0 - амплитуда; P - длина одного периода траектории хода луча.

В узлах сопряжения оптических волокон используют градиентные линзы «в четверть периода», называемые также селфоками (от английского self focusing).

Рис. 1. Ход луча в градиентной линзе Метод фокусировки основан на фокусирующих свойствах градиентной линзы при поперечном ее освещении.

На помещенную в иммерсионную жидкость градиентную линзу под прямым углом к оси линзы направляется параллельный некогерентный световой пучок постоянной интенсивности. Луч, входящий в линзу на расстоянии l от оптической оси (рис. 2), преломляется и выходит из линзы под углом, отличающимся от угла входа. В плоскости изображения линзы зондирующий луч попадает в точку на расстоянии y = y(l) от оптической оси. Количественная связь показателя преломления n и координаты y(l) описывается для параксиальных лучей уравнением d y / dx2 = (1/ n1)n / y, откуда наклон луча dy / dx на выходе из линзы определяется интегрированием:

dy 1 n ( )x= = dx. (1) dx n1 -y Рис. 2. Схема измерения распределения профиля показателя преломления в градиентной линзе методом фокусировки Для рассматриваемого осесимметричного объекта распределение показателя преломления является функцией радиальной координаты r, связанной с переменной интегрирования x соотношением x = r2 - l2, т.е. dx = rdr / r2 - l2, а следовательно (dn / dy) = (n / r)(r / y) = (n / y)(y / r) (n / y)(l / r). Угол наклона луча с учетом (1) выражается интегральным соотношением dy 2l n r ( )x= =. (2) dx n1 l r r2 - lВертикальная координата y луча в плоскости изображения, показанной на рис.2.

y(l) = l + L(dy / dx)x=. (3) Из (2) и (3) интегральное уравнение для искомой функции n(r), т.е.

радиального распределения показателя преломления, имеет вид:

n dr n= [y(l) - l]. (4) r r2 - l2 2lL l Если функция [y(l) - l] известна, то распределение показателя преломления является решением интегрального уравнения (4).

Обозначим n1 [y(l) - l] G(r) = n(r) - n1, F(l) =, (5) rL l тогда уравнение (4) принимает вид:

G dr F(l) =. (6) r r2 - lt Здесь верхний предел интеграла, поскольку G(r) = 0 для r > a.

Функция G(r) имеет вид:

G(r) = g(u)cos(ur)du, (7) тогда F(l) = - (8) ug(u)J (ul)du, где J0 - функция Бесселя нулевого порядка.

Уравнение (8) является преобразованием Ханкеля обратного интегрального преобразования:

g(u) = - (9) lF(l)J (ul)dl.

Подставляя (9) в (7), можно получить развернутое интегральное представление G(r) от F(l) :

G(r) = lF(l){cos(ur)J (ul)du}dl.

0 При интегрировании по u окончательно получается 2 l G(r) = - F(l)dl ; (10) r2 - lr n1 [l - y(l)] n(r) - n1 = dl. (11) L l2 - rr Входящая в уравнение (11) функция y(l) определяется путем прямого интегрирования плотности потока излучения на входе в линзу P(l). Поскольку из закона сохранения энергии в потоке излучения мощность P(y)dy, переносимая через элемент длины dy не зависит от координаты x, то P(l)dl = P(y)dy, где P(y) - плотность потока в плоскости изображения. При нормировании плотности потока излучения таким образом, чтобы P(l) = 1, получается дифференциальное выражение dl = P(y)dy, после интегрирования которого y l(y) = P( y')dy' (12) определяется обратная функция. Из нее находится требуемая прямая функция y(l), входящая в уравнение (11). При измерениях плоскость изображения определяется предметной плоскостью, на которую сфокусирован объектив видеокамеры.

Уравнение (11) справедливо, если объектив видеокамеры, наведенный на плоскость изображения, согласован с показателем преломления путем погружения в иммерсионную жидкость. При отсутствии иммерсионной жидкости, необходимо учесть отражение и преломление света на границе жидкость – воздух. При этом (11) преобразовывается к виду 1 [l - y(l)] n(r) - n1 = dl. (13) L l2 - rr Схема измерительной установки представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема установки для измерения распределения профиля показателя преломления в градиентной линзе методом фокусировки:

1 – источник оптического излучения, 2 – коллиматор, 3 щель, 4 – кювета с иммерсионной жидкостью, 5 – градиентная линза, 6 – видеокамера, 7 – персональный компьютер Порядок выполнения работы 1. Поместить исследуемую градиентную линзу в кювету с иммерсионной жидкостью. При этом желательно иммерсию подобрать таким образом, чтобы края линзы были незаметны при нахождении линзы в иммерсии, т.е.

n1 = n(a).

2. Разместить видеокамеру таким образом, чтобы ее предметная плоскость (плоскость изображения линзы) находилась на расстоянии L, меньшем расстояния до точки пересечения рефрагировавших лучей (в противном случае при пересечении рефрагировавших лучей нарушается однозначное соответствие между y и l ).

3. Вывести изображение, полученное видеокамерой на монитор персонального компьютера. При помощи перемещения щели в направлении OY установить соответствие координат луча на входе l и на выходе из линзы в плоскости изображения y(l).

4. Пользуясь формулой (13), определить распределение профиля показателя преломления градиентной линзы и построить графическую зависимость n(r).

Контрольные вопросы 1. В чем заключаются преимущества градиентных линз перед однородными 2. Каким образом происходит компенсация сферических аберраций градиентными линзами 3. Почему траектория хода лучей в градиентной линзе имеет вид непрерывной периодической функции 4. Приведите примеры устройств, в которых используются градиентные линзы.

5. Объясните метод фокусировки для измерения профиля показателя преломления градиентных линз.

6. С какой целью используется иммерсионная жидкость при измерении профиля показателя преломления градиентных линз методом фокусировки ЛИТЕРАТУРА 1. Д. Маркузе. Оптические волноводы. – М.: Мир, 1974.

2. Введение в интегральную оптику. / под ред. М. Барноски. – М.: Мир, 1977.

3. Интегральная оптика. / под ред. Т. Тамира.- М.: Мир, 1978.

4. Маркузе Д., Пресби Х.М. Измерение профиля показателя преломления и оценка характеристик волоконных световодов// ТИИЭР. – 1980. – т.68, №6, - с. 32 – 65.

5. Вычислительная оптика: Справочник/ М.М. Русинов, А.П. Грамматин, П.Д. Иванов и др. под общ. ред. М.М. Русинова. – Л.: Машиностроение.

Ленингр. отд-ние, 1984.

6. Р. Ханспеджер. Интегральная оптика. Теория и технология. – М.: Мир, 1985.

7. Л.М. Андрушко, И.И. Гроднев, И.П. Панфилов. Волоконно-оптические линии связи. – М.: Радио и связь, 1984.

8. М.М. Бутусов, С.Л. Галкин, С.П. Оробинский, Б.П. Пал. Волоконная оптика и приборостроение. – Л.: Машиностроение, 1987.

9. А.Ф. Котюк, Ю.А. Курчатов, Ю.П. Майборода и др. Введение в технику измерений оптико-физических параметров световодных систем. – М.:

Радио и связь, 1987.

10. Лазарев Л.П., Мировицкая С.Д. Контроль геометрических и оптических параметров волокон. – М.: Радио и связь, 1988.

11. Грейсух Г.И., Ефименко И.М., Степанов С.А. Оптика градиентных и дифракционных элементов. – М.: Радио и связь, 1990.

12. Волноводная оптоэлектоника. / под ред. Т. Тамира. – М.: Мир, 1991.

13. Б.П. Хромой, В.Л. Серебрин, А.Л. Сенявский и др. Метрологическое обеспечение систем передачи: учебное пособие для Вузов. – М.: Радио и связь, 1991.

14. М.М. Бутусов, С.М. Верник, С.Л. Галкин и др. Волоконно-оптические системы передачи: Учебник для Вузов. – М.: Радио и связь, 1992.

15. И.Г. Бакланов. Технология измерений в современных телекоммуникациях. – М.: Эко-Трендз, 1998.

16. Р.Р. Убайдуллаев. Волоконно-оптические сети. – М.: Эко-Трендз, 1998.

17. В.А. Бурдин. Измерения на ВОЛС методом обратного рассеяния. – Самара, 1997.

18. В.А. Бурдин. Основы измерений оптическим рефлектометром. – Самара, 1997.

19. И.Г. Бакланов. Методы измерений в системах связи. – М.: Эко-Трендз, 1999.

20. А.Б. Иванов. Волоконная оптика. Компоненты, системы передачи, измерения. – М.: Syrus Systems, 1999.

21. Волоконно-оптическая техника. / под ред. Дмитриева С.А., Слепова Н.Н.– М.: Connect, 2000.

22. И.Г. Бакланов. Тестирование и диагностика систем связи. – М.: ЭкоТрендз, 2001.

23. Р. Фриман. Волоконно-оптические системы связи. – М.: Техносфера, 2003.

24. О.К. Скляров. Волоконно-оптические сети и системы связи. – М.: СолонПресс, 2004.

История кафедры Физики и техники оптической связи Кафедра химии входила в состав первых 14 кафедр ЛИТМО, сформированных в 1930 году. В 30-60 годах кафедра работала в рамках факультета точной механики, возглавлял кафедру профессор С.А. Щукарев.

С момента второго рождения Инженерно-физического факультета в 1976 г.

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 |






















© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.