CC BY
456
№ 278
ВЕСТНИК ТОМСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
Сентябрь
2003
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ОБРАЗОВАНИИ
УДК 621.372.8
В.Б. Иволгин, А.П. Коханенко
ЛАБОРАТОРНЫЙ КОМПЛЕКС РАБОТ ПО ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИМ ЛИНИЯМ СВЯЗИ
В статье описан лабораторный комплекс работ по волоконно-оптическим линиям связи, разработанный на кафедре квантовой электроники и фотоники радиофизического факультета ТГУ и применяемый в учебном процессе в настоящее время. Лабораторный комплекс предназначен для проведения как практических лабораторных работ, так и вычислительных экспериментов студентами физических факультетов госуниверситета.
Широкое использование волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) в России ставит перед вузами необходимость подготовки специалистов с высшим образованием как в области программного обеспечения локальных и глобальных сетей, так и в области практической работы с элементной базой ВОЛС. В настоящее время по всему миру проложено несколько сот миллионов километров оптических волокон (ОВ). Технология передачи данных по ОВ требует при их разработке, прокладке и обслуживании учета множества разнообразных физических, технических и технологических явлений и ограничений. Для подготовки специалистов в области телекоммуникаций необходимо изучение не только теоретических материалов, но и проведения практических лабораторных работ.
На радиофизическом факультете Томского госунивер-ситета были открыты в 1999 году специализации 190722 «оптико-электронные методы и средства в телекоммуникациях» по специальности 190700 «оптико-электронные приборы и системы», 072309 «методы и средства телекоммуникаций» по специальности 072300 «лазерная техника и лазерные технологии». Подготовка специалистов проводится на базе кафедр и лабораторий радиофизического факультета ТГУ. На кафедре Квантовой электроники и фотоники РФФ читаются курсы лекций по оптоэлектронике, распространению электромагнитных волн, интегральной оптике, теории сетей связи. На базе имеющихся теоретических курсов на кафедре разработан ряд спецкурсов по основам теории и практического использования ВОЛС: «Элементы ВОЛС», «Методы измерений в ВОЛС», «Оптические системы связи», включающие в себя как лекционные занятия, так и лабораторные практикумы. Для проведения практических занятий по данным курсам на кафедре КЭиФ был разработан и создан лабораторноый комплекс работ по ВОЛС. Лабораторный комплекс предназначен для проведения практических лабораторных работ и вычислительных экспериментов студентами старших курсов высших учебных заведений физических и физико-технических специальностей. Вся необходимая методическая литература для проведения лабораторных работ оформлена и опубликована в цикле учебных пособий по ВОЛС [1 - 6].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО ВОЛС
Комплекс экспериментальных лабораторных работ по ВОЛС располагается на трех оптических скамьях со столиками и держателями для основных оптических элементов лабораторного комплекса. В состав комплекса входит: набор измеряемых ОВ, источники (полупроводниковые лазеры) и приемники оптическо-
го излучения; измерительная техника: стандартный осциллограф, цифровой вольтметр, микроскоп; генератор прямоугольных импульсов, 4 блока питания постоянного напряжения, источник постоянного тока.
Для проведения лабораторных работ разработаны и созданы учебные пособия, включающие в себя необходимый теоретических материал по данной теме с контрольными вопросами, описание экспериментальных установок и методики проведения работ [4 - 6].
Измерение полных потерь оптической мощности в оптическом волокне
Целью работы является освоение методики измерения полных потерь ОВ, получение практических навыков работы с активными и пассивными элементами ВОЛС, ОВ. Перед проведением работы должны быть изучены причины появления потерь в световодах, классификация потерь, методы измерения потерь ОВ. На рис. 1 представлена блок-схема экспериментальной установки по измерению полных потерь оптического излучения в ОВ.
Рис.1. Блок-схема лабораторной установки по измерению полных потерь оптической мощности в оптическом волокне
Методика проведения работы следующая: вначале измеряют уровень выходного сигнала приемника при работе с ОВ длиной 300 м, затем, при тех же условиях ввода, измеряют уровень сигнала для ОВ длиной 0,5 м. Потери рассчитывают по формуле
а = -20 • ^(А / А0),
где А1 - амплитуда сигнала при 300 м; А0 - амплитуда при 0,5 м, выражаются в децибелах на километр.
Измерение потерь в зависимости от изгиба ОВ
Для лучшего понимания студентами явления распространения оптических мод в диэлектрическом волноводе проводится лабораторная работа по изме-
рению зависимости потерь оптической мощности от изгиба волокна. Блок-схема экспериментальной установки приведена на рис. 2.
Рис. 2. Блок-схема лабораторной установки по измерению потерь в зависимости от изгиба оптического волокна
В ходе проведения работы ОВ изгибается под различными радиусами и одновременно фиксируется значение сигнала с приемника. При изгибе ОВ под меньшим радиусом для мод высших порядков перестает выполняться закон полного внутреннего отражения, и они начинают распространяться в оболочке, т.е. происходит ухудшение направляющих свойств волновода и наблюдается уменьшение мощности на выходе ОВ.
Внешний вид лабораторного стенда № 1, позволяющего проводить измерения полных потерь оптической мощности в ОВ методом «двух точек» и измерение зависимости потерь оптической мощности, возникающих в ОВ при изгибе волокна, от радиуса изгиба волокна, представлен на рис.3.
Рис. 3. Внешний вид лабораторного стенда № 1
Измерение числовой апертуры волокна
Одним из основных параметров ОВ является числовая апертура (МЛ). От значения величины МЛ зависит эффективность ввода излучения в ОВ, дисперсия импульсов и число распространяющихся о ОВ мод. Знание значения числовой апертуры ОВ необходимо для уменьшения потерь оптического излучения при работе с ОВ в устройствах ввода-вывода излучения и при стыковке ОВ. Блок-схема экспериментальной установки по измерению числовой апертуры ОВ приведена на рис. 4.
Рис.4. Блок-схема лабораторной установки по измерению числовой апертуры волокна
В основе экспериментальной лабораторной работы лежит метод «трех колец». В работе проводятся наблюдения выходного торца ОВ при различных углах падения оптического пучка на его входной торец. Интерес представляет случай, когда при повороте входного торца ОВ на некоторый угол на выходном торце на границе раздела сердцевина-оболочка может под микроскопом наблюдаться световое кольцо. При вращение торца ОВ в противоположном направлении также наблюдается аналогичное явление - появление яркого кольца на границе раздела сердцевина-оболочка ОВ. Половина суммы этих двух показаний составляет угол числовой апертуры волокна. Внешний вид лабораторного стенда № 2, позволяющего проводить измерения числовой апертуры ОВ методом «трех колец», представлен на рис. 5.
Рис. 5. Внешний вид лабораторного стенда № 2
Измерение эффективности ввода оптического излучения в волокно
В практической реализации ВОЛС существует ряд трудностей, связанных, в первую очередь, с трудностью введения оптической мощности источника излучения в ОВ. При этом основной характеристикой является эффективность ввода оптического излучения в ОВ. Эта характеристика определяет долю мощности, которую можно ввести в ОВ, из общей мощности оптического излучения светодиода (полупроводникового лазера). Изучению этой характеристики посвящено учебное пособие [4], в котором содержатся теоретические сведения о принципах работы источников излучения для ВОЛС, рассмотрен ряд оптических систем для согласования источника излучения с волокном, конструкции светодиодов, применяемые в ВОЛС в настоящее время, а также даны методические указания по проведению экспериментальных лабораторных работ по измерению эффективности ввода оптического излучения в волокно. На рис. 6 представлена блок-схема экспериментальной установки по измерению эффективности ввода излучения в волокно.
Рис. 6. Блок-схема лабораторной установки по измерению эффективности ввода оптического излучения в волокно
Измерение зависимости потерь оптического излучения от продольного и поперечного сдвига
волокна относительно источника излучения
При стыковке ОВ необходимо выполнить условие соосности волокон, т.е. точное совмещение соединяемых торцов. Для понимания важности этой проблемы полезно проведение лабораторных работ по измерению потерь оптической мощности от продольного и поперечного смещения источника излучения относительно волокна. Работа проводится на той же экспериментальной базе, что и в предыдущем случае. Суть ее заключается в следующем: источник излучения представляет из себя единую конструкцию полупроводникового лазера и отрезка ОВ длиной около 1 см, заключенные в едином корпусе. Столик, находящийся на оптической скамье, на котором расположен источник излучения, можно смещать с помощью микровинтов как в продольном, так и в поперечных направлениях, измеряя дополнительные потери, вносимые этим смещением. Внешний вид лабораторного стенда № 3, позволяющего проводить измерения эффективности ввода оптического излучения в волокно, а также измерять дополнительные потери оптической мощности, возникающие как при продольном, так и при поперечном смещении одного волокна относительно другого в месте их стыковки, представлен на рис. 7.
Рис. 7. Внешний вид лабораторного стенда № 3
Проведение работ по свариванию оптических волокон
При прокладке оптического кабеля неизбежно возникают задачи, связанные с соединением ОВ. Значительную часть работ при этом занимает сваривание ОВ, составляющих кабель, как в промежуточных муфтах, так и в оконечных устройствах (присоединение соединительных шнуров). Необходимо отметить, что сварное соединение вносит дополнительные потери оптической мощности и является одним из самых уязвимых мест во всей ВОЛС. От качества его выполнения во многом зависит надежность всей линии связи. Этой проблеме посвящено учебное пособие [6], которое содержит описание оптических кабелей, используемых в настоящее время, методы их монтажа, методы соединения ОВ. Кроме теоретических сведений, учебное пособие содержит методические указания по проведению лабораторной работы
по свариванию многомодовых ОВ с использованием комплекта для сварки ОВ КСС-111.
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО ВОЛС НА ОСНОВЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
Цикл лабораторных работ состоит из четырех вычислительных экспериментов, объединенных в единый пакет прикладных программ, который позволяет исследовать влияние различных факторов на работу волоконно-оптической линии связи. Пакет прикладных программ также содержит теоретический материал по всем вычислительным экспериментам, изданный в виде методических указаний по проведению вычислительных работ [1 - 4]. Лабораторные работы по ВОЛС на основе вычислительного эксперимента используются в настоящее время в учебном процессе студентов старших курсов радиофизического факультета ТГУ в курсе «Оптические системы связи».
Моделирование согласующего устройства
Этот вычислительный эксперимент позволяет проводить численное моделирование параметров оптического устройства (стержневая линза) для согласования источника оптического излучения (светодиод, полупроводниковый лазер) с ОВ с заданным качеством согласования. Установка стержневой линзы между светодиодом (полупроводниковым лазером) и волокном повышает эффективность ввода оптического излучения в волокно по сравнению с вариантом совмещения источника и ОВ «встык». В ходе компьютерного эксперимента можно оперировать десятью параметрами, которые имеют свои типичные конструктивные ограничения, указанные в скобках: размер источника излучения (50 - 200 мкм); размер сердцевины волокна (5 - 30 мкм); диаметр линзы (100 - 250 мкм); длина линзы (200 - 500 мкм); параметр фокусировки (200 - 500 мкм-1); диаграмма направленности светодиода в параллельном направлении (20 - 35 град); диаграмма направленности светодиода в перпендикулярном направлении (25 - 40 град); расстояние ¿1 (10 - 100 мкм); расстояние ¿2 (30 - 150 мкм); апертурный угол волокна (15 - 30 град). В ходе вычислительного моделирования необходимо, во-первых, строго выполнять условие соблюдения допустимых конструктивных параметров. Во-вторых, необходимо, чтобы световые лучи не выходили за апертуру линзы и не фокусировались в пределах самой линзы. Поэтому критерием корректности расчета выступает степень согласования углов и расстояний не меньше 90%. Если это условие выполнено, то на экран выводится значение коэффициента связи (эффективности ввода); в противном случае этого не происходит, и необходимо, вернувшись к главному меню, изменить исходные параметры.
Моделирование можно считать законченным, если удалось найти такие параметры стержневой линзы (её длину и (или) параметр фокусировки), при которых наблюдается максимум коэффициента связи, причем достигнуто не менее чем 90%-е согласование углов и расстояний в пределах заданных ограничений десяти конструктивных параметров.
Информационно-пропускная способность ВОЛС
Методические указания по проведению вычислительного эксперимента с целью изучения основных характеристик ВОЛС состоят из теоретической части, контрольных вопросов, описания вычислительного эксперимента, задания для студентов и литературы. При выполнении этой работы студент имеет возможность глубже изучить влияние дисперсионных характеристик ОВ на информационно-пропускную способность волоконно-оптических линий связи с помощью построения «глаз-диаграммы». Параметры «глаз-диаграммы» зависят от величины дисперсии в ОВ, и по ним можно судить о вероятности появления ошибок в блоке принятия решения приемного элемента ВОЛС.
Компьютерный эксперимент осуществляет построение «глаз-диаграммы» для цифрового сигнала, представляющего собой случайную последовательность посылок гауссовой формы. Имеющуюся связь между чувствительностью к случайному изменению амплитуды (шуму) и чувствительностью к случайному изменению временного положения импульса (дрожанию) пользователь программы исследует с помощью построения «глаз-диаграммы» для различных параметров отношения сигнал/шум.
Моделирование характеристик фотоприемного устройства
Этот вычислительный эксперимент позволяет проводить численное моделирование характеристик фотоприемных устройств для ВОЛС и рассчитывать порог чувствительности фотоприемного устройства для цифровой системы передачи данных. Моделирующая программа осуществляет построение порога чувствительности цифровой системы передачи данных с фотоприемным устройством с непосредственным детектированием в зависимости от выбранного интервала информационно-пропускной способности.
Согласование одномодовых волокон
Известно, что одномодовые волокна являются одним из наиболее перспективных типов волокон для применения в ВОЛС, так как у них отсутствует межмодовая дисперсия, что повышает величину информационно-пропускной способности по сравнению с многомодовыми волокнами, поэтому в пакет прикладных программ для изучения ВОЛС включена методика расчета параметров оптической системы для согласования излучения и одномодового волокна [4].
В качестве основного метода расчета взят распространенный в оптике метод ABCD-матриц, с помощью которого удается рассчитать параметры оптической системы, согласующей поле источника излучения (полупроводникового лазера) и одномодового ОВ. Перед проведением расчета студент должен изучить теоретический материал, касающийся применения ABCD-матриц, способов и устройств ввода оптического излучения в волокно. В качестве согласующей системы, параметры которой требуется рассчитать, выбрана градиентная линза со сферическим торцом, направленным на источник излучения.
В настоящее время на кафедре КЭиФ проводится расширение парка имеющихся лабораторных работ. Интерес представляет создание экспериментальной работы по исследованию характеристик ВОЛС с помощью «глаз-диаграммы», что позволит студентам оценить реальность предложенных в имеющемся вычислительном эксперименте приближений и его связь с реальными условиями работы оптических систем связи. Разработана и создана лабораторная работа по проведению имитационого эксперимента по измерению дисперсии в многомодовых и одномодовых ОВ на основе радиотехнического макета. Учебное пособие по этой теме планируется опубликовать в 2003 году.
ЛИТЕРАТУРА
1. Коханенко А.П., Мягков А.С., Пойзнер Б.Н. Вычислительный эксперимент «Изучение факторов, влияющих на информационнопропускную способность волоконно-оптических линий связи»: Методические указания. Томск: ТГУ, 1997. 21 с.
2. Коханенко А.П., Мягков А.С., Пойзнер Б.Н. Вычислительный эксперимент «Изучение факторов, влияющих на эффективность ввода оптического излучения в волокно»: Методические указания. Томск: ТГУ, 1997. 14 с.
3. Коханенко А.П., Мягков А.С., Пойзнер Б.Н. Вычислительный эксперимент «Моделирование характеристик фотоприемного устройств для волоконно-оптических систем»: Методические указания. Томск: ТГУ, 1998. 14 с.
4. Иволгин В.Б., Коханенко А.П. Волоконно-оптические линии связи: эффективность ввода оптического излучения в волокно: Учебнометодическое пособие. Томск: ТГУ, 2002. 49 с.
5. Иволгин В.Б., Коханенко А.П. Волоконно-оптические линии связи: измерение параметров оптических волокон: Учебное пособие. Томск: ТГУ, 2001. 30 с.
6. Иволгин В.Б., Коханенко А.П., Деркач В.К., Четвериков Ю.С. Волоконно-оптические линии связи: методы соединения оптических волокон: Учебное пособие. Томск: ТГУ, 2002. 33 с.
