Лабораторные работы по сапр веамprop

жүктеу/скачать 0,87 Mb.

бет	3/6
Дата	20.12.2023
өлшемі	0,87 Mb.
	#198153
түрі	Лабораторная работа

1 2 3 4 5 6

Байланысты:
labbeam11 (1)

Перед началом работы изучить описание САПР BeamPROP. Двойным щелчком открыть BeamDEMO. Загрузить модель направленного ответвителя С:\BEAMDEMO\EXAMPLES\Coupler.ind

Лабораторная работа №3.
Исследование направленного волоконно-оптического ответвителя.

1. Цель работы: Изучение программного пакета САПР BeamPROP (демоверсия). Изучение принципов распространения излучения в направленном волоконно-оптическом ответвителе. Исследование характеристик направленного волоконно-оптического ответвителя.
2. Приборы и принадлежности: Автоматизированное рабочее место на базе компьютера с установленным программным обеспечением.
3. Теоретическая часть.
В этой работе исследуется направленный ответвитель из одномодового и многомодового волокна.

Рис.1. Сплавной направленный ответвитель. Разделение поляризаций пучка в длинном ответвителе с сужением.

В сложных приборах, в системах связи возникает необходимость передачи излучения из одного волокна в другое. Для этого применяют направленные ответвители. Их изготавливают травлением или полировкой одномодовых или многомодовых волокон, с тем, чтобы сблизить их сердцевины вплотную друг к другу, либо путем сплавления пары волокон и вытяжки, обеспечивающей их тесное сжатие.

Полированные ответвители изготавливаются путем вклейки волокон в стеклянные блоки и последующей полировки блоков до обнажения сердцевин. Затем половинки складываются и юстируются до получения оптимальной величины коэффициента связи. Обычно эта величина составляет 3 дБ, но соответствующей полировкой можно добиться любого значения коэффициента связи.
Потери в лучших одномодовых ответвителях не превышают 0,027 дБ, хотя типичное значение – около 0,1 дБ.
Полированные одномодовые ответвители выполняются и из волокна сохраняющего поляризацию, что позволяет осуществлять как связь с сохранением поляризации, так и поляризационно-селективную связь. Даже для ответвителей из обычных волокон состояние поляризации в области связи сохраняется.
Полированные одномодовые ответвители обладают некоторой спектральной селективностью, однако, различие проявляется лишь в диапазоне волновых чисел порядка нескольких сотен. Для повышения спектральной селективности можно применять различные волокна, с тем, чтобы постоянные распространения были согласованы лишь на одной длине волны.
Основной принцип работы сплавных одномодовых ответвителей заключается в следующем. В области связи волокна растянуты до состояния, при котором возникает отсечка для моды сердцевины и происходит адиабатическое возбуждение мод всей сплавленной структуры. Свет в одном из входных волокон возбуждает линейную комбинацию симметричных и антисимметричных мод низшего порядка. Обе моды имеют различные постоянные распространения и если относительный сдвиг фаз в области связи составляет 180⁰, то свет переходит в другое волокно. Величины коэффициента связи можно регулировать в процессе вытяжки. Перед сплавлением волокно нередко подвергают травлению.
В длинных ответвителях, где относительный фазовый сдвиг меняется на много полупериодов, наблюдается сильная зависимость коэффициента связи от длины волны. Эту спектральную селективность используют для спектрального уплотнения.
В многомодовых сплавных направленных ответвителях из ступенчатых или градиентных волокон моды высшего порядка поступающие в порт 1 (портом называется входная или выходная точка для излучения), за счет входного сужения выходят в оболочку и в результате становятся общими в оболочке сплавленных волокон. Далее за счет выходного расширения эти оболочечные моды вновь входят в сердцевины портов.
Потери, вносимые многомодовым разветвителем с некоторым заданным коэффициентом связи (от 3 до 20 дБ) в случае градиентного волокна в 2-3 раза выше, чем в случае ступенчатого волокна с теми же диаметрами сердцевины и оболочки.
Вносимые потери типичного разветвителя с 20 дБ коэффициентом связи составляют приблизительно 1 дБ.
С учетом обозначений на рис.1 определим:
Коэффициент передачи между каналами (1)
Коэффициент направленного действия (развязка) (2)
Во многих случаях применяется коэффициент направленного действия (развязка) равный 40 дБ, что позволяет пренебречь величиной Р₂ по сравнению с Р₁.
Вносимые потери (3)
Поток мощности Р₁(z) или Р₂(z) в каждом световоде определяется интегралом от интенсивности по бесконечному поперечному сечению . Предполагая, что на входе Р₁(0)=1 и Р₂(0)=0, получаем:

где
 - постоянная распространения для решения скалярного волнового уравнения ₁и ₂ цилиндрического невозмущенного световода,
_ - постоянные распространения для симметричных и антисимметричных мод, являющихся решением ₊и _- скалярного волнового уравнения оптического волновода, состоящего из двух одинаковых световодов.

Полная мощность, переносимая вдоль сложного волновода, которым является направленный ответвитель, остается неизменной. Более того, она осциллирует из одного световода в другой. Поведение такого волновода аналогично поведению двух связанных одинаковых маятников. Если z_b- длина биений, т.е. расстояние вдоль оси волновода, на котором мощность перекачивается из одного световода в другой и обратно, то получаем

При увеличении расстояния между световодами ₊_- и длина биений возрастает по экспоненциальному закону. Физической причиной перекачки мощности является интерференция, или биения, полей основных мод, определяющих полной поле.

4. Практическая часть.
Перед началом работы изучить описание САПР BeamPROP.

Двойным щелчком открыть BeamDEMO. Загрузить модель направленного ответвителя С:\BEAMDEMO\EXAMPLES\Coupler.ind используя меню File \ Open или соответствующую кнопку.

Открыть Глобальные установки . Установить следующие параметры волновода:
Длина волны (Free space wavelength) - 1.3 мкм.
Показатель преломления оболочки (Background Index)- 1.4537.
Разница показателей преломления оболочки и сердцевины (Index Difference) – задается преподавателем.
Ширина сердцевины (Waveguide Width) - 2 мкм.
Профиль показателя преломления (Profile Type) – ступенчатый (Step Index).
Vector Mode – Full.
Упражнение 1.

1. В символьном столе (Symbols… ) установить следующие значения:

Length (длина отрезка ответвителя) – 500 мкм.
Separation (расстояние между волокнами в ответвителе)– 3 мкм.
Width – ширина волокна (диаметр) – 2 мкм.

2. После установки первых значений всех параметров волокна установить расчетные параметры.

Нажать кнопку выбора пути , посмотреть, что выбрано два пути прохождения излучения. В этом же окне нажать «Monitors…», затем снова «New» - будет указан номер монитора, номер пути и параметры, которые будут рассчитаны.
Следует установить для пути №1 следующие параметры:
Монитор №1.
Monitor Type: Slab Mode Power (мощность волоконной моды).
Monitor Mode: 0 (номер моды).
Нажать кнопку «New» - монитор № 3.
Monitor Type: Slab Mode Power (мощность волоконной моды).
Monitor Mode: 1 (номер моды, или другой номер моды по требованию преподавателя).
Нажать кнопку «New» - монитор № 4.
Monitor Type: Total Power (полная мощность).
Monitor Polarization: TE (также рассмотреть варианты при ТМ поляризации по требованию преподавателя).
Нажать кнопку «New» - монитор № 5.
Monitor Type: WG Power (мощность в волноводном канале по 1-му пути).

Нажать кнопку выбора пути и для пути №2 установить расчетные параметры:

Монитор №2.
Monitor Type: Slab Mode Power (мощность волоконной моды).
Monitor Mode: 0 (номер моды).
Нажать кнопку «New» - монитор № 6.
Monitor Type: Slab Mode Power (мощность волоконной моды).
Monitor Mode: 1 (номер моды, или другой номер моды по требованию преподавателя).
Monitor Polarization: TE (также рассмотреть варианты при ТМ поляризации по требованию преподавателя).
Нажать кнопку «New» - монитор № 7.
Monitor Type: WG Power (мощность в волноводном канале по 2-му пути).

3. Установить параметры излучения. Кнопка «Launch…» .

Launch Type: Slab Mode.

4.Затем запустить программу вычисления заданных параметров .

Display Mode: Slices (или Contour Map (XZ)).
Зарисовать графики в тетрадь.

5. Запустить программу вычисления спектра мод. Записать значения в тетрадь.

Исследовать, как вытекают моды (при вычислении установить Contour map (XZ)) и как перераспределяется излучение между плечами ответвителя.

6. Выполнить пункты 1, 4, 5 для следующих значений:

а) длины Length 500мкм, 1000мкм, 2000мкм, 5000мкм, от 10000мкм до 50000 мкм с шагом 10000мкм. Это длина каждого отрезка ответвителя, общая длина= Length* 3;
б) расстояния между волокнами Separation - от 0 до 7 мкм; длина – 8000 мкм, диаметр задан преподавателем.
в) диаметра волокна - от 2 до 10 мкм с шагом 2, от 10 до 50 мкм с шагом 10 (для значений диаметра волокна 10 и более длину Length установить 10000 мкм, для диаметра от 2 до 8 мкм Length – 5000 мкм). Для многомодовых волокон, диаметром больше 10 мкм, использовать многомодовый тип излучения MultiMode (стр.21 описания BeamPROP), число мод 0-10. Separation = 3.

Активизировать «галочки » в области Z при установке режима вычисления (кнопка «светофор»).

Использовать опцию View (стр.6 описания BeamPROP) в меню для лучшей наглядности. Full – полный вид ответвителя, Last – прежний вид, или использовать Set view parameters – уменьшить или увеличить изображение по необходимости (max Z).

г) Определить расстояние между волокнами ответвителя, при котором перехода излучения в соседнее волокно не происходит, т.е. ответвитель перестает работать. При этих же параметрах определить длину волны, при которой ответвитель начнет работать. Длина волны – 0.63 мкм, Separation = 3, тип излучения Slab Mode, длина=5000 мкм, диаметр ответвителя задается преподавателем.

Зарисовать полученные графики и рисунки. Показать преподавателю.

7. Исследовать прохождение излучения по ответвителю в зависимости от длины волны. Длину волны изменять от 0.63 до 2 мкм (внутри имитационной программы кнопка Symbol…). Separation = 2, тип излучения Multi Mode, число мод 0-10, длина =4000 мкм, диаметр ответвителя задается преподавателем.

Построить график зависимости мощности проходящего излучения от длины волны P_i(), где i – номер пути.
Упражнение 2
Найти оптимальное значение длины Length при котором выходная мощность в плечах ответвителя становиться равной или близкой по значению, т.е. моделировать реально используемые ответвители. Установить: =0.85, separation=3, width=4, ширина области излучения равна 4 мкм, для этого установить параметры излучения:
Launch X -0,
Launch Y - 0,
Launch Width – 4,
Launch Height – ,
Mode – 0,
Launch Type –Slab Mode.
Длину ответвителя менять от 1000 до 8000 мкм.

Отчет должен содержать:
Название работы, цель работы, входные и изменяемые параметры волокна, рисунки, диаграммы, ответы на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы.
1. Какова структура направленного волоконно-оптического ответвителя?
2. Как распространяется излучение по направленному ответвителю?
3. Какие параметры ответвителя и как влияют на проходящее излучение?
4. Показать на графиках направляемые и вытекающие моды.
5. Как рассчитывают потери излучения в ответвителе?
6. Опишите явление туннелирования излучения.
7. Объяснить графики, полученные в ходе выполнения работы.
Литература
1.А.Снайдер, Дж. Лав. Теория оптических волноводов. Пер. с англ.-М: Радио и связь, 1987.- 656с., ил.
2. Волоконная оптика и приборостроение. Под ред. М.М.Бутусова.-Л.: Машиностроение, 1987.-328с., ил.
3. Дж.Гауэр. Оптические системы связи. Пер. с англ.-М.:Радио и связь,1989.-502с., ил.
4. Дональд Дж. Стерлинг. Техническое руководство. Волоконная оптика. Пер. с англ.-М.: Лори, 1998.-288с., ил.

жүктеу/скачать 0,87 Mb.

Достарыңызбен бөлісу:

1 2 3 4 5 6