Исследование диаграммы направленности излучения светодиодов и числовой апертуры волоконных световодов

1. Цель работы

Исследование пространственного распределения излучения светодиодов, полупроводниковых лазеров и волоконных свето­водов. Определение некоторых характеристик световодов по диа­грамме направленности излучения.

2. Особенности пространственного распределения излучения различных источников

В настоящее время в качестве источников света используют: лампы накаливания, газоразрядные лампы, газовые и твердо­тельные лазеры, полупроводниковые светодиоды и лазеры. Каж­дый из них имеет характерное угловое распределение излучения. Лампы накаливания и газоразрядные имеют разнонаправленное диффузное излучение. Светодиоды имеют направленное излуче­ние с большой угловой расходимостью. Полупроводниковые лазе­ры имеют излучение с разной расходимостью по двум осям коор­динат ортогональных к направлению излучения. Газовые лазеры обладают излучением с очень малой расходимостью (рис.1).

Вид источника, характер излучения и его пространственное распределение определяют возможность использования излучения в оптических системах. Так, например, лампы накаливания имеют непрерывное спектральное распределение, соответствующее излучению "черного тела" при температуре равной температуре спирали (≈2700К). Газоразрядные лампы имеют линейчатый спектр излучения. Их излучение является также диффузным, т.е. рассеивается в разные стороны под разными углами. Это затрудняет фокусировку излучения и использование его в спектроанализаторах.

Рис.1. Пространственное распределение излучения лампы (а), светодиода (б), полупроводникового лазера (в), твердотельного или газового лазера (г)

Светодиоды излучают в сравнительно узком спектральном диапазоне 30-50 нм с ярко выраженным цветом (синий, зеленый, желтый, оранжевый, красный). Лазеры имеют когерентное излучение с очень узким спектром излучения (3…5 нм). Существуют так называемые одночастотные лазеры с очень узкой спектральной полосой ≈100 кГц.

Лампы и светодиоды имеют диффузный характер излучения с излучающей поверхности. Это приводит к тому, что оптическая система не позволяет собрать излучение в пятно менее размера излучающей площади.

Излучение лазера обладает пространственной когерентностью (точки поверхности фронта излучения в каждый момент времени находятся на равном удалении от точек поверхности предшест­вующего момента). Благодаря этому лазерное излучение может быть сфокусировано в пятно соизмеримое с длинной волны излучения.

Количественной характеристикой пространственного распределения излучения от источника является диаграмма направленности излучения (рис. 2), т.е. распределение энергии относительно оси излучения. Обычно у светодиодов излучение имеет вид конуса с круглым сечением. Диаграмму направленности излучения, или распределение энергии относительно оси светодиода, можно измерить фотоприемником. Параметром, характеризующим расходимость излучения, является ширина диаграммы направленности или угол расходимости . Определяется он как угол между касательными к точкам диаграммы соответствующим 1/2 P_max (рис. 2.).

¹/₂ Р_max

Р_max

¹/₂ Р_max

Рис. 2. Распределение энергии излучения световода относительно оси излучения

Излучение, выходящее из любой оптической системы или из волоконного световода также характеризуются расходимостью (или сходи­мостью) и характеризуют некоторые свойства оптической сис­темы.

Излучение, выходящее из волоконного световода, имеет диаграмму направленности, показанную на рис. 2. Важнейшим параметром волоконного световода (оптического волокна) является числовая апертура (NA), определяемая как NA=sin. С другой сто­роны, известно, что NA= , где n_с и n_об - показатели прелом­ления сердцевины и оболочки. Используя алгебраические преобразования, найдем: NA=

или ,

где - разница показателей преломления сердцевины и оболоч­ки световода.

Величина NA является важным парамет­ром световода, определяющим допустимые углы ввода излучения в световод.

Величины  и NA - характеризуют также устойчивость свето­вода к внешним механическим воздействиям.

1. Описание стенда

Схема стенда представлена на рис. 3.

ИП R1 R2 VD1 МЛ УИ VD2 mA

ОВ Ш

Рис. 3. Схема стенда для измерения диаграммы направленности и апертуры световода

Схема включает: источник питания ИП, блокировочный резистор R1, регулятор тока R2, светодиод VD1, микролинзу МЛ, оптическое волокно ОВ, штекер с выходным концом волок­на Ш, устройство углового измерения УИ, фотодиод VD2, миллиамперметр мА.

1. Задание по лабораторной работе

При проведении лабораторной работы необходимо соблю­дать следующую последовательность:

1. Ознакомиться с описанием лабораторной работы, описанием стенда и основными характеристиками светодиода.

2. Осмотреть и определить основные устройства стенда и его кон­трольно-измерительные приборы.

3. Провести собеседование с преподавателем и ответить на кон­трольные вопросы.

4. Вывести сопротивление R₂ в крайнее левое положение.

5. Включить блок питания и убедиться в его работоспособности по индикаторной лампочке.

6. Провести измерение углового распределения излучения свето­диода и построить диаграмму направленности.

7. Определить ширину диаграммы направленности и числовую апертуру световода NA.

8. Рассчитать разницу показателей преломления сердцевины и оболоч­ки Δn световода.

5. Представление результатов

Результаты работы должны быть представлены в следующем виде:

1. Функциональная схема стенда.

2. Диаграммы направленности излучения из световода, свето­диода и полупроводникового лазера.

3. Результаты измерения , NA, Δn.

4. Ответы на контрольные вопросы (устно).

6. Контрольные вопросы

1. Какими свойствами обладает излучение от различных источ­ников света?

2. Как экспериментально измерить диаграмму направлен­ности излучения?

3. Какой параметр характеризует расходимость излучения?

4. Чем характеризуется диффузное и когерентное излучение?

5. Какие параметры характеризуют пространственное распре­деление излучения?

6. Какие технические параметры световода можно определить по распределению излучения в дальнем поле?

7. Как рассчитать разницу показателей преломления n серд­цевины и оболочек световода?

8. Каким способом можно уменьшить расходимость излу­чения?

9. Как определить скорость распространения света в оптическом волокне?

10. От чего зависит апертура оптического волокна?

11. От чего зависит скорость распространения света в оптическом волокне?

Лабораторная работа № 3

Измерение длины оптических волокон

и оптических кабелей

1. Цель работы

Ознакомление с техникой формирования оптических импуль­сов, методами ввода излучения в оптическое волокно и кабели, методами исследования и измерения параметров выходного импульс­ного сигнала с помощью осциллографа, методом измерения длины оптического кабеля по вре­мени задержки выходного оптического сигнала относительно импульса на входе.

2. Особенности формирования и исследования импульсных оптических сигналов и метод измерения длины волоконно-оптического кабеля

Оптические волокна широко используются для передачи инфор­мационных импульсно-кодовых последовательностей. Преиму­ществом передачи импульсных сигналов по сравнению с аналоговыми является более высокая помехоустойчивость, надеж­ность воспроизведения информации на выходном конце линии. Формирование оптических импульсов в информационных линиях связи производится с помощью оптоэлектронных передающих модулей с источником излучения в виде полупроводникового лазера и схе­мой модуляции тока лазера ключевым транзистором.

Передающий оптоэлектронный модуль (ПОМ) питается от источ­ника постоянного напряжения +6В и –6В, которое подается к штырям на задней стенке модуля в соответствии с маркировкой. На задней стенке имеется также штекер для подачи импульсного управляющего напряжения. На лицевой стороне модуля имеется втулка разъема под штекер 2.5 мм, которым, как правило, оконцо­вывается волокно или оптический кабель. Излучающая площадка светодиода расположена так, что при вводе штекера излу­чение попадает в сердцевину оптического волокна.

Регистрация импульсных оптических сигналов на выходном конце волокна осуществляется приемным оптоэлектронным моду­лем (ПРОМ), включающим фотодиод и широкополосный импульс­ный усилитель. На торцевой части данного модуля имеет­ся втулка под штекер оптического кабеля. При вводе штекера во втулку ПРОМ излучение, выходящее из волокна попадает в центральную часть фотодиода (ФД). На задней панели ПРОМ расположен разъем, для подачи напряжения питания и снятия усиленного сигнала.

В настоящей лабораторной работе передающий и приемный модули используются для измерения длины оптических волокон и кабелей по времени задержки между импульсом, подаваемым на вход волокна, и импульсом, принимаемым ПРОМ на выходе волокна.