Лабораторная работа №6: передача данных по оптоволокну

 

Цель работы: Ознакомиться с принципом действия и конструкцией оптоволокна и осуществить с помощью него передачу лазерного излучения. Освоить принципы построения оптико-электронных систем с использованием микроконтроллеров и оптоэлектронных приборов.

Краткая теория

Первое оптическое волокно с потерями 20 дБ/км (на длине волны 0,633 мкм) было изготовлено фирмой в 1970 г. В 1972 г. Потери на ОВ были снижены до 4 дБ/км, а современные волокна имеют потери менее 0,2 дБ/км (на длине волны 1,55 мкм). Изначально волокно было хрупким. Использование такого ОВ в качестве надежного компонента системы ограничивалось требованием высокого качества ОВ (без изъянов и защита от механического воздействия). Современное оптоволокно может быть завязано в узел диаметром 5 мм и не разрушиться при этом.

Световод включает в себя внутреннюю область – сердцевину, с высоким показателем преломления (n₁), однородную в направлении распространения излучения, а также внешнюю оболочку с меньшим показателем преломления (n₂ < n₁) (рис. 1). По сердцевине распространяется излучение. Сечения световодов различны, наиболее часто встречающийся тип сечения – круглый. Свет, распространяющийся по световоду, представляет собой электромагнитную волну, поэтому для проведения строгого анализа необходимо решать волновое уравнение, вытекающее из уравнений Максвелла.  Ограничимся представлениями геометрической оптики. В разных средах световой луч распространяется с разной скоростью. Попадая на границу раздела двух прозрачных сред луч света частично отражается, частично преломляется (рис. 2). Угол отражения луча равен углу падения, а угол преломления луча зависит от соотношения показателей преломления сред. Согласно закону Снеллиуса: световые лучи на границе двух сред преломляются так, что произведение показателя преломления на синус угла между нормалью к границе раздела и направлением луча, остается постоянным.

 

Рис. 2  Прохождение света через границу раздела двух сред

Необходимым условием передачи информации по оптоволокну является его полное внутренне отражение, так что бы луч не проникал во вторую среду двигаясь вдоль границы раздела сред. При этом угол γ = 90^о, что позволяет вычислить критический угол

.

Эта формула объясняет эффект полного внутреннего отражения на котором основана оптоволоконная техника.

Рассмотрим прохождение излучения по плоскому световоду (рис.3.). Оптический луч,

Рис. 3. Распространение света, падающего на световод, по оптоволокну.

 

проходя по световоду, испытывает полное многократное отражение от границы раздела «сердцевина–оболочка». На рисунке 3: 1 – угол приема лучей 2 θ_max, 2 – свет, который не передается по световоду (θ > θ_кр), 3 – оболочка световода с показателем преломления n₂, 4 – сердцевина световода с показателем преломления n₁, 5 – распространяющееся излучение, 6 – фазовый сдвиг при отражении. Если угол падения θ становиться больше критического значения, полного отражения не происходит и излучение проникает в оболочку.