Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Оптоволоконные системы и устройства: Методические указания к выполнению лабораторных работ

Голосов: 1

Изложена методика выполнения лабораторных работ исследовательского характера по основным разделам курса "Оптоволоконные устройства и системы" для студентов 6-го курса специальности 200700 - "Радиотехника". Тематика и содержание лабораторных работ по дисциплине "Оптоволоконные системы и устройства" разработаны на основании требований государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированных специалистов 654200 - "Радиотехника" (специальность 200700 - "Радиотехника").

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
           МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
                              УНИВЕРСИТЕТ


                        КАФЕДРА РАДИОТЕХНИКИ




  ОПТОВОЛОКОННЫЕ УСТРОЙСТВА
                         И СИСТЕМЫ
         Методические указания к выполнению лабораторных работ




Факультет радиоэлектроники
Направление и специальность подготовки дипломированных специалистов:
654200 – Радиотехника
200700 – Радиотехника




                              Санкт-Петербург
                                    2002


          Утверждено редакционно-издательским советом университета


УДК 621.37 (07)


Оптоволоконные системы и устройства: Методические указания к выполнению
лабораторных работ. – СПб.: СЗТУ, 2002, – 33 с.



    Изложена методика выполнения лабораторных работ исследовательского
характера по основным разделам курса “Оптоволоконные устройства и системы”
для студентов 6-го курса специальности 200700 – Радиотехника. Тематика и
содержание лабораторных работ по дисциплине “Оптоволоконные системы и
устройства”    разработаны      на   основании    требований   государственных
образовательных    стандартов    высшего   профессионального   образования   по
направлению подготовки дипломированных специалистов 654200 – Радиотехника
(специальность 200700-Радиотехника).
     Рассмотрено на заседании кафедры радиотехники 10 декабря 2001 г., одобрено
методической комиссией факультета радиоэлектроники 10 января 2002 г.



  Рецензенты: кафедра радиотехники (зав. кафедрой Г.И. Худяков д.т.н., проф.),
Д.А. Чистяков к.т.н., доцент, В.М. Жемчугов к.т.н., доцент Санкт-Петербургского
университета телекоммуникаций.


     СОСТАВИТЕЛИ: А.Б.Борисов, доц., В.И. Маккавеев, д.т.н., проф.,




 А.Б.Борисов, В.И. Маккавеев.


                                            3



                                 ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ.

     Методические указания предназначены для студентов 6 курса специальности
200700 – радиотехника, изучающих дисциплину “Оптоволоконные устройства и
системы”. Основной задачей лабораторного практикума по этой дисциплине
является закрепление теоретических знаний, изучение некоторых современных
методов научного исследования с компьютерным моделированием на основе пакета
программ MatLAB и получение навыков в области телевизионных измерений
основных характеристик многомодовых и одномодовых оптических волокон.
     Лабораторный         практикум      включает     в   себя   элементы      учебно-
исследовательской работы студентов, с требованием к студенту самостоятельно
сформулировать задачу исследования, составить схему лабораторной установки и
изложить подробные выводы по результатам последующих практических и
теоретических исследований на ЭВМ. Перед выполнением работ преподаватель
проверяет подготовленность студента. В конце каждой работы приведены вопросы
для самопроверки. Студент должен понимать физическую сущность исследуемых
процессов, уметь пользоваться приборами, производить необходимые измерения и
вычисления на ЭВМ. Каждая лабораторная работа выполняется бригадой студентов.
Количественный состав бригады определяется преподавателем.
     Работа считается законченной после проверки и утверждения полученных
экспериментальных       данных    и   данных        вычислений   при     компьютерном
моделировании.    Для      определения     погрешностей      измерений    используется
соответствующая методика и метрологические характеристики используемых
измерительных    устройств.      Оформленные        отчеты   сдаются     на   проверку
преподавателю. Отчеты о выполнении лабораторных работ должны быть защищены
студентом до сдачи         экзамена по теоретическому курсу “Оптоволоконные
устройства и системы ”.


                                           4


  ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ
                                      РАБОТ.

     Преподаватель перед лабораторными занятиями проводит инструктаж по
технике   безопасности.   Студенты,   не       прошедшие   инструктаж   по   технике
безопасности, к выполнению лабораторных работ не допускаются. Студентом
делается отметка в специальном журнале о проведенным с ним инструктаже. В этом
журнале должны расписаться все студенты, прошедшие инструктаж по инструкции
для факультета радиоэлектроники. Перед включением аппаратуры преподаватель
обязан проверить правильность собранной студентом лабораторной установки.
Включение питания производится только с разрешения преподавателя в точном
соответствии с инструкциями.
Студентам запрещается вскрывать аппаратуру.


Литература
1. Быков Р.Е. Теоретические основы телевидения. – СПб.: Лань, 1998.
2. Красюк Б.А. Корнеев Г.И. Оптические системы связи и светодиодные датчики. –
    М.: Радио и связь, 1985.
3. Световодные датчики. / Красюк Б.А., Семенов О.Г., Шереметьев А.Г.,
    Шестериков В.А. – М.: Машиностроение, 1990.
4. Быков Р.Е., Сигалов В.М., Эйсенгардт Г.А. Телевидение. – М.: Радио и связь,
    1985.
5. Кривошеев М.И. Основы телевизионных измерений. – М.: Радио и связь, 1989.
6. Гауэр Дж. Оптические системы связи. – М.: Радио и связь, 1989.
7. Иванов А.Б. Волоконная оптика: компоненты, системы передачи информации,
    измерения. – М.: Радио и связь, 1999.
8. Дьяконов В.П. Справочник по применению системы PC MatLAB. – М.: Наука,
    1993.
9. Волоконно-оптические системы передачи информации. Рабочая программа,
    методические указания, задание на контрольную работу. / Сост.: Дравских Д.А.,
    Маккавеев В.И. – СПб.: СЗТУ, 2001.
10. Основы телевидения: Методические указания к выполнению лабораторных
    работ. / Сост.: Борисов А.Б., Крестников Л.А., Михеев Н.Г. – СПб.: СЗПИ, 1992.


                                      5


                                РАБОТА №1
       ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОМОДОВЫХ И

  ОДНОМОДОВЫХ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

                     МЕТОДА ВИДЕОДИАГНОСТИКИ


I. Цель работы.
     Ознакомиться с одним из видов технического телевидения – установкой
видеодиагностики волоконно – оптических линий передачи и устройств на их
основе. Ознакомиться с основными характеристиками оптических волокон (ОВ).
Приобрести практические навыки работы на установке видеодиагностики и
произвести экспериментальные исследования основных параметров ОВ.


II. Основные теоретические положения.
     Оптическое волокно (ОВ) в настоящее время считается самой совершенной
физической средой для передачи больших потоков информации на значительные
расстояния. Это вытекает из ряда особенностей, присущих оптическим волноводам.
Оптические волокна (ОВ) подразделяются        на стеклянные   и полимерные.
Достоинствами ОВ являются:
  Широкополосность оптических сигналов, обусловленная чрезвычайно высокой
  частотой несущей (Fo=1014 Гц). Это означает, что по оптической линии связи
  можно передавать информацию со скоростью порядка 1010 бит/с. Или другими
  словами, по одному ОВ можно передать одновременно миллионы телефонных
  разговоров или видеосигналов. Скорость передачи данных может быть увеличена
  за счет передачи информации сразу в двух направлениях, так как оптические
  волны могут распространяться в одном волокне независимо друг от друга. Кроме
  того, в оптическом волокне могут распространяться оптические сигналы двух
  разных   поляризаций,   что   позволяет   удвоить   пропускную    способность
  оптического канала связи. Для повышения пропускной способности ОВ


                                          6


  используется также спектральное разделение сигналов – передачу сигналов с
  различными по длине волны оптическими несущими. На сегодняшний день
  предел по скорости передаваемой информации по оптическому волокну не
  достигнут.
  Очень малое (по сравнению с другими средами) затухание оптического сигнала в
  волокне. Лучшие образцы волокна имеют затухание менее 0.2 дБ/км на длине
  волны 1.55 мкм, что позволяет строить линии связи длиной до 300 км без
  регенерации сигналов. В оптических лабораториях разрабатываются еще более
  “прозрачные”,    примесные    так    называемые   фторцирконатные    волокна   с
  теоретическим пределом порядка 0,02 дБ/км на длине волны 2.5 мкм.
  Лабораторные исследования показали, что на основе таких волокон могут быть
  созданы линии связи с регенерационными участками через несколько тысяч
  километров при скорости передачи более 3 Тбит/с.
  Важное свойство оптического волокна – долговечность. Время жизни волокна, то
  есть сохранение им своих свойств в определенных пределах, превышает 25 лет,
  что позволяет проложить оптико-волоконный кабель один раз и, по мере
  необходимости,      наращивать       пропускную   способность   линии     путем
  модернизации (оконечной) аппаратуры.
     Волокно изготавливается из кварца, основу которого составляет двуокись
кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличие от
меди. Оптические волокна имеют диаметр около 125 мкм, то есть очень компактны
и легки, что делает их перспективными для использования в авиации,
приборостроении, в кабельной технике. Стеклянные волокна – не металл, при
строительстве систем связи автоматически достигается гальваническая развязка
сегментов. Применяя особо прочный пластик, на кабельных заводах изготавливают
самонесущие подвесные кабели, не содержащие металла и тем самым безопасные в
электрическом     отношении.   Такие    кабели   можно   монтировать   на   мачтах
существующих линий электропередач, как отдельно, так и встроенные в силовой
провод, экономя значительные средства на прокладку кабеля через реки и другие


                                             7


преграды.   Системы   связи     на       основе   оптических    волокон   устойчивы   к
электромагнитным помехам. Всякие воздействия на оптическое волокно, а также
естественное старение, влияние наличия различных неоднородностей и частичное
разрушение могут быть зарегистрированы методом мониторинга (непрерывного
контроля) целостности линии, а также с использованием специальных методов
неразрушающего контроля.
     К недостаткам оптических кварцевых волокон можно отнести следующие:
     При создании линии связи требуются высоконадежные активные элементы,
преобразующие электрические сигналы в оптические и оптические в электрические
сигналы. Используются          оптические коннекторы (соединители) с малыми
оптическими   потерями     и   большим       ресурсом   на     подключение-отключение.
Оптические потери при прохождении сигналов характеризуются, в первую очередь
неточностью   соединения       ОВ    и     другими   конструкторско-технологическими
причинами. Точность изготовления таких элементов линии связи должна
соответствовать диаметру модового поля или            длине волны излучения, то есть
погрешности должны быть порядка микрометра. Поэтому производство таких
компонентов оптических линий связи очень дорогостоящее.
     Другой недостаток заключается в том, что для монтажа оптических волокон
требуется прецизионное, а потому дорогое, технологическое оборудование. Как
следствие, при аварии (обрыве) оптического кабеля затраты на восстановление
выше, чем при работе с медными кабелями. Преимущества от применения
волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) на основе ОВ настолько значительны,
что, несмотря на перечисленные недостатки оптического волокна, эти линии связи
все шире используются для передачи информации.
     Важнейший из компонентов ВОЛС – оптическое волокно. Для передачи
сигналов применяются два вида волокна: одномодовое и многомодовое. Свое
название волокна получили от способа распространения излучения в них. Волокно
состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления n1 и n2.


                                          8




                          Рис.1. Одномодовое волокно.




                          Рис.2. Многомодовое волокно.


      В одномодовом волокне (Рис.1) диаметр сердцевины порядка 8-10 мкм, т.е.
сравним с длиной световой волны. При такой геометрии в волокне может
распространяться только один тип волны (одна мода). В многомодовом волокне
(Рис.2)   размер   сердцевины   порядка       50-60   мкм,   что   делает   возможным
распространение большого числа типов волн (много мод). Оба типа волокна
характеризуются двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией.
      Затухание обычно измеряется в дБ/км и определяется потерями на
поглощение и на рассеяние излучения в оптическом волокне. Потери на поглощение
зависят от чистоты материала и наличия в нем примесей и технологических
несовершенств. Потери на рассеяние зависят от неоднородностей показателя
преломления материала.


                                                   9




                    Затухание, дБ/км




                                              Длина волны, мкм

 Рис.3. Зависимость затухания от величины λ излучения, вводимого в волокно.

     Затухание зависит от длины волны излучения, вводимого в волокно. В
настоящее время передачу сигналов по волокну осуществляют в трех диапазонах:
0.85 мкм, 1.3 мкм, 1.55 мкм, так как именно в этих диапазонах кварц имеет
повышенную прозрачность (Рис.3).
     Другим важнейшим параметром оптического волокна является дисперсия.
Дисперсия приводит к ограничению полосы пропускания ОВ и соответственно к
уширению оптических импульсов, распространяющихся по ОВ.
    Дисперсия – это рассеяние во времени спектральных и модовых составляющих
оптического сигнала. Существуют три основных типа дисперсии: модовая,
материальная и волноводная.
    Появление    оптических               усилителей    на       основе    оптических    волокон,
легированных эрбием, способных усиливать проходящие по световоду сигналы до
50 дБ, дало начало пятому поколению систем оптической связи. В настоящее время
быстрыми темпами развиваются системы дальней оптической связи на расстояния в
десятки тысяч километров.
     Для    исследования               основных   характеристик      ОВ     используется    метод
видеодиагностики, основанный на принципах телевизионных измерений.
    Метод    видеодиагностики               включает     выделение        исследуемого     сечения
оптического пучка, регистрацию его изображения с преобразованием оптического


                                         10


сигнала    в     электрический,    с    последующим       анализом     изображения.
Видеодиагностика, осуществляемая в условиях так называемого ближнего или
дальнего поля, позволяет получить исчерпывающую информацию об оптических
свойствах какого-либо отдельного элемента или ВОЛС в целом. В ближнем поле
регистрируется    распределение    излучения    непосредственно       в   плоскости
излучающей поверхности      источника излучения (светоизлучающий диод (СИД),
лазер, торец ОВ), а в дальнем поле – на расстоянии L,

                                       L > b2 λ
где L – расстояние от излучающей поверхности до фотодетектора или фотомишени
передающей телевизионной трубки; b – размер источника излучения; λ – длина
волны излучения. Для регистрации изображения используют телевизионную
передающую камеру на видиконе. Видикон отличается высокой чувствительностью
и хорошей геометрической линейностью сигнала до 99.5%. Спектральная
чувствительность видикона распространяется в инфракрасную часть спектра до
1.5…2 мкм, что очень важно в условиях применения его в волоконной оптике.
Отношение сигнал/шум достигает 50дБ. Технически метод реализуется путем
подачи лазерного сигнала через оптические фокусирующие и юстировочные
устройства на исследуемое оптическое волокно (или другие элементы, выполненные
на основе ОВ), с выхода которого сигнал подается на передающую телевизионную
камеру и регистрируется на видеоконтрольном устройстве в виде изображения. В
разрабатываемой     установке     использован   газовый    лазер     промышленного
изготовления типа ЛГ-126 с длиной волны излучения λ=630 нм и промышленная
телевизионная установка типа ПТУ-53, в состав которой входят:
• передающая телевизионная камера КТП-57;
• блок коммутации БК-50;
• видеоконтрольное устройство ВК50В100;
• пульт управления ПУ-79.



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика