154

ВЕСТНИК ТОМСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА№ 278 Сентябрь 2003

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ОБРАЗОВАНИИ

УДК 621.372.8

В.Б. Иволгин, А.П. Коханенко

ЛАБОРАТОРНЫЙ КОМПЛЕКС РАБОТПО ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИМ ЛИНИЯМ СВЯЗИ

В статье описан лабораторный комплекс работ по волоконно-оптическим линиям связи, разработанный на кафедре кванто-вой 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 экс-периментов студентами физических факультетов госуниверситета.

Широкое использование волоконно-оптических линий

связи (ВОЛС) в России ставит перед вузами необходимость

подготовки специалистов с высшим образованием как в об-

ласти 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 об-

ласти 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 телекоммуника-

циях» по специальности 190700 «оптико-электронные при-

боры и системы», 072309 «методы и средства телекоммуни-

каций» по специальности 072300 «лазерная техника и ла-

зерные технологии». Подготовка специалистов проводится

на базе кафедр и лабораторий радиофизического факультета

ТГУ. На кафедре Квантовой электроники и фотоники РФФ

читаются курсы лекций по оптоэлектронике, распростране-

нию 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 свя-

зи», включающие в себя как лекционные занятия, так и ла-

бораторные практикумы. Для проведения практических за-

нятий по данным курсам на кафедре КЭиФ был разработан

и создан лабораторноый комплекс работ по ВОЛС. Лабора-

торный комплекс предназначен для проведения практиче-

ских лабораторных работ и вычислительных экспериментов

студентами старших курсов высших учебных заведений фи-

зических и физико-технических специальностей. Вся необ-

ходимая методическая литература для проведения лабора-

торных работ оформлена и опубликована в цикле учебных

пособий по ВОЛС [1 – 6].

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ЛАБОРАТОРНЫЕРАБОТЫ ПО ВОЛС

Комплекс экспериментальных лабораторных работпо ВОЛС располагается на трех оптических скамьяхсо столиками и держателями для основных оптиче-ских элементов лабораторного комплекса. В составкомплекса входит: набор измеряемых ОВ, источники(полупроводниковые лазеры) и приемники оптическо-

го излучения; измерительная техника: стандартныйосциллограф, цифровой вольтметр, микроскоп; гене-ратор прямоугольных импульсов, 4 блока питания по-стоянного напряжения, источник постоянного тока.

Для проведения лабораторных работ разработаныи созданы учебные пособия, включающие в себя не-обходимый теоретических материал по данной теме сконтрольными вопросами, описание эксперименталь-ных установок и методики проведения работ [4 – 6].

Измерение полных потерь оптической мощностив оптическом волокне

Целью работы является освоение методики изме-рения полных потерь ОВ, получение практическихнавыков работы с активными и пассивными элемен-тами ВОЛС, ОВ. Перед проведением работы должныбыть изучены причины появления потерь в светово-дах, классификация потерь, методы измерения потерьОВ. На рис. 1 представлена блок-схема эксперимен-тальной установки по измерению полных потерь оп-тического излучения в ОВ.

Источникоптическогоизлучения

Г5-54

Приемникоптическогоизлучения

С1-78

Волокно 300 м

Волокно 0,5 м

Рис.1. Блок-схема лабораторной установки по измерению

полных потерь оптической мощности в оптическом волокне

Методика проведения работы следующая: вначалеизмеряют уровень выходного сигнала приемника приработе с ОВ длиной 300 м, затем, при тех же условияхввода, измеряют уровень сигнала для ОВ длиной0,5 м. Потери рассчитывают по формуле

1 020 lg( / )A Aα = − ⋅ ,

где А1 – амплитуда сигнала при 300 м; А0 – амплитудапри 0,5 м, выражаются в децибелах на километр.

Измерение потерь в зависимости от изгиба ОВ

Для лучшего понимания студентами явления рас-пространения оптических мод в диэлектрическомволноводе проводится лабораторная работа по изме-

155

рению зависимости потерь оптической мощности отизгиба волокна. Блок-схема экспериментальной уста-новки приведена на рис. 2.

Источникоптическогоизлучения

Г5-54

Приемникоптическогоизлучения

С1-78

R1

R2

R3

Рис. 2. Блок-схема лабораторной установки по измерению

потерь в зависимости от изгиба оптического волокна

В ходе проведения работы ОВ изгибается под раз-личными радиусами и одновременно фиксируется зна-чение сигнала с приемника. При изгибе ОВ под мень-шим радиусом для мод высших порядков перестаетвыполняться закон полного внутреннего отражения, иони начинают распространяться в оболочке, т.е. проис-ходит ухудшение направляющих свойств волновода инаблюдается уменьшение мощности на выходе ОВ.

Внешний вид лабораторного стенда № 1, позво-ляющего проводить измерения полных потерь опти-ческой мощности в ОВ методом «двух точек» и изме-рение зависимости потерь оптической мощности, воз-никающих в ОВ при изгибе волокна, от радиуса изги-ба волокна, представлен на рис.3.

Рис. 3. Внешний вид лабораторного стенда № 1

Измерение числовой апертуры волокна

Одним из основных параметров ОВ является чи-словая апертура (NA). От значения величины NA за-висит эффективность ввода излучения в ОВ, диспер-сия импульсов и число распространяющихся о ОВмод. Знание значения числовой апертуры ОВ необхо-димо для уменьшения потерь оптического излученияпри работе с ОВ в устройствах ввода-вывода излуче-ния и при стыковке ОВ. Блок-схема эксперименталь-ной установки по измерению числовой апертуры ОВприведена на рис. 4.

Источник Система

излучения фокусировки

ВолокноМикроскоп

Рис.4. Блок-схема лабораторной установки по измерению

числовой апертуры волокна

В основе экспериментальной лабораторной работылежит метод «трех колец». В работе проводятся на-блюдения выходного торца ОВ при различных углахпадения оптического пучка на его входной торец. Ин-терес представляет случай, когда при повороте вход-ного торца ОВ на некоторый угол на выходном торцена границе раздела сердцевина-оболочка может подмикроскопом наблюдаться световое кольцо. При вра-щение торца ОВ в противоположном направлениитакже наблюдается аналогичное явление – появлениеяркого кольца на границе раздела сердцевина-оболочка ОВ. Половина суммы этих двух показанийсоставляет угол числовой апертуры волокна. Внеш-ний вид лабораторного стенда № 2, позволяющегопроводить измерения числовой апертуры ОВ методом«трех колец», представлен на рис. 5.

Рис. 5. Внешний вид лабораторного стенда № 2

Измерение эффективности вводаоптического излучения в волокно

В практической реализации ВОЛС существует рядтрудностей, связанных, в первую очередь, с трудно-стью введения оптической мощности источника излу-чения в ОВ. При этом основной характеристикой явля-ется эффективность ввода оптического излучения вОВ. Эта характеристика определяет долю мощности,которую можно ввести в ОВ, из общей мощности оп-тического излучения светодиода (полупроводниковоголазера). Изучению этой характеристики посвященоучебное пособие [4], в котором содержатся теоретиче-ские сведения о принципах работы источников излуче-ния для ВОЛС, рассмотрен ряд оптических систем длясогласования источника излучения с волокном, конст-рукции светодиодов, применяемые в ВОЛС в настоя-щее время, а также даны методические указания попроведению экспериментальных лабораторных работпо измерению эффективности ввода оптического излу-чения в волокно. На рис. 6 представлена блок-схемаэкспериментальной установки по измерению эффек-тивности ввода излучения в волокно.

Источникоптическогоизлучения

Г5-54

Приемникоптическогоизлучения

С1-78

Волокно

Рис. 6. Блок-схема лабораторной установки по измерению

эффективности ввода оптического излучения в волокно

156

Измерение зависимости потерь оптическогоизлучения от продольного и поперечного сдвига

волокна относительно источника излучения

При стыковке ОВ необходимо выполнить условиесоосности волокон, т.е. точное совмещение соединяе-мых торцов. Для понимания важности этой проблемыполезно проведение лабораторных работ по измерениюпотерь оптической мощности от продольного и попе-речного смещения источника излучения относительноволокна. Работа проводится на той же эксперимен-тальной базе, что и в предыдущем случае. Суть ее за-ключается в следующем: источник излучения пред-ставляет из себя единую конструкцию полупроводни-кового лазера и отрезка ОВ длиной около 1 см, заклю-ченные в едином корпусе. Столик, находящийся на оп-тической скамье, на котором расположен источник из-лучения, можно смещать с помощью микровинтов какв продольном, так и в поперечных направлениях, изме-ряя дополнительные потери, вносимые этим смещени-ем. Внешний вид лабораторного стенда № 3, позво-ляющего проводить измерения эффективности вводаоптического излучения в волокно, а также измерятьдополнительные потери оптической мощности, возни-кающие как при продольном, так и при поперечномсмещении одного волокна относительно другого в мес-те их стыковки, представлен на рис. 7.

Рис. 7. Внешний вид лабораторного стенда № 3

Проведение работ по свариваниюоптических волокон

При прокладке оптического кабеля неизбежновозникают задачи, связанные с соединением ОВ. Зна-чительную часть работ при этом занимает свариваниеОВ, составляющих кабель, как в промежуточныхмуфтах, так и в оконечных устройствах (присоедине-ние соединительных шнуров). Необходимо отметить,что сварное соединение вносит дополнительные по-тери оптической мощности и является одним из са-мых уязвимых мест во всей ВОЛС. От качества еговыполнения во многом зависит надежность всей ли-нии связи. Этой проблеме посвящено учебное посо-бие [6], которое содержит описание оптических кабе-лей, используемых в настоящее время, методы ихмонтажа, методы соединения ОВ. Кроме теоретиче-ских сведений, учебное пособие содержит методиче-ские указания по проведению лабораторной работы

по свариванию многомодовых ОВ с использованиемкомплекта для сварки ОВ КСС-111.

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО ВОЛСНА ОСНОВЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО

ЭКСПЕРИМЕНТА

Цикл лабораторных работ состоит из четырех вы-числительных экспериментов, объединенных в еди-ный пакет прикладных программ, который позволяетисследовать влияние различных факторов на работуволоконно-оптической линии связи. Пакет приклад-ных программ также содержит теоретический матери-ал по всем вычислительным экспериментам, издан-ный в виде методических указаний по проведениювычислительных работ [1 – 4]. Лабораторные работы поВОЛС на основе вычислительного эксперимента исполь-зуются в настоящее время в учебном процессе сту-дентов старших курсов радиофизического факультетаТГУ в курсе «Оптические системы связи».

Моделирование согласующего устройства

Этот вычислительный эксперимент позволяет про-водить численное моделирование параметров оптиче-ского устройства (стержневая линза) для согласова-ния источника оптического излучения (светодиод, по-лупроводниковый лазер) с ОВ с заданным качествомсогласования. Установка стержневой линзы междусветодиодом (полупроводниковым лазером) и волок-ном повышает эффективность ввода оптического из-лучения в волокно по сравнению с вариантом совме-щения источника и ОВ «встык». В ходе компьютер-ного эксперимента можно оперировать десятью пара-метрами, которые имеют свои типичные конструк-тивные ограничения, указанные в скобках: размер ис-точника излучения (50 – 200 мкм); размер сердцевиныволокна (5 – 30 мкм); диаметр линзы (100 – 250 мкм);длина линзы (200 – 500 мкм); параметр фокусировки(200 – 500 мкм–1); диаграмма направленности свето-диода в параллельном направлении (20 – 35 град);диаграмма направленности светодиода в перпендику-лярном направлении (25 – 40 град); расстояние L1 (10– 100 мкм); расстояние L2 (30 – 150 мкм); апертурныйугол волокна (15 – 30 град). В ходе вычислительногомоделирования необходимо, во-первых, строго вы-полнять условие соблюдения допустимых конструк-тивных параметров. Во-вторых, необходимо, чтобысветовые лучи не выходили за апертуру линзы и нефокусировались в пределах самой линзы. Поэтомукритерием корректности расчета выступает степеньсогласования углов и расстояний не меньше 90%. Ес-ли это условие выполнено, то на экран выводитсязначение коэффициента связи (эффективности ввода);в противном случае этого не происходит, и необхо-димо, вернувшись к главному меню, изменить исход-ные параметры.

Моделирование можно считать законченным, еслиудалось найти такие параметры стержневой линзы (еёдлину и (или) параметр фокусировки), при которыхнаблюдается максимум коэффициента связи, при-чем достигнуто не менее чем 90%-е согласованиеуглов и расстояний в пределах заданных ограниченийдесяти конструктивных параметров.

157

Информационно-пропускная способность ВОЛС

Методические указания по проведению вычисли-тельного эксперимента с целью изучения основныххарактеристик ВОЛС состоят из теоретической части,контрольных вопросов, описания вычислительногоэксперимента, задания для студентов и литературы.При выполнении этой работы студент имеет возмож-ность глубже изучить влияние дисперсионных харак-теристик ОВ на информационно-пропускную способ-ность волоконно-оптических линий связи с помощьюпостроения «глаз-диаграммы». Параметры «глаз-диа-граммы» зависят от величины дисперсии в ОВ, и поним можно судить о вероятности появления ошибок вблоке принятия решения приемного элемента ВОЛС.

Компьютерный эксперимент осуществляет по-строение «глаз-диаграммы» для цифрового сигнала,представляющего собой случайную последователь-ность посылок гауссовой формы. Имеющуюся связьмежду чувствительностью к случайному изменениюамплитуды (шуму) и чувствительностью к случайно-му изменению временного положения импульса(дрожанию) пользователь программы исследует с по-мощью построения «глаз-диаграммы» для различныхпараметров отношения сигнал/шум.

Моделирование характеристикфотоприемного устройства

Этот вычислительный эксперимент позволяет про-водить численное моделирование характеристик фо-топриемных устройств для ВОЛС и рассчитывать по-рог чувствительности фотоприемного устройства дляцифровой системы передачи данных. Моделирующаяпрограмма осуществляет построение порога чувстви-тельности цифровой системы передачи данных с фо-топриемным устройством с непосредственным детек-тированием в зависимости от выбранного интервалаинформационно-пропускной способности.

Согласование одномодовых волокон

Известно, что одномодовые волокна являютсяодним из наиболее перспективных типов волокондля применения в ВОЛС, так как у них отсутствуетмежмодовая дисперсия, что повышает величинуинформационно-пропускной способности по срав-нению с многомодовыми волокнами, поэтому в па-кет прикладных программ для изучения ВОЛСвключена методика расчета параметров оптическойсистемы для согласования излучения и одномодо-вого волокна [4].

В качестве основного метода расчета взят рас-пространенный в оптике метод ABCD-матриц, спомощью которого удается рассчитать параметрыоптической системы, согласующей поле источникаизлучения (полупроводникового лазера) и одномо-дового ОВ. Перед проведением расчета студентдолжен изучить теоретический материал, касаю-щийся применения ABCD-матриц, способов и уст-ройств ввода оптического излучения в волокно. Вкачестве согласующей системы, параметры которойтребуется рассчитать, выбрана градиентная линзасо сферическим торцом, направленным на источникизлучения.

В настоящее время на кафедре КЭиФ проводит-ся расширение парка имеющихся лабораторных ра-бот. Интерес представляет создание эксперимен-тальной работы по исследованию характеристикВОЛС с помощью «глаз-диаграммы», что позволитстудентам оценить реальность предложенных вимеющемся вычислительном эксперименте при-ближений и его связь с реальными условиями рабо-ты оптических систем связи. Разработана и созданалабораторная работа по проведению имитационогоэксперимента по измерению дисперсии в многомо-довых и одномодовых ОВ на основе радиотехниче-ского макета. Учебное пособие по этой теме плани-руется опубликовать в 2003 году.

ЛИТЕРАТУРА

1. Коханенко А.П., Мягков А.С., Пойзнер Б.Н. Вычислительный эксперимент «Изучение факторов, влияющих на информационно-

пропускную 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 оп-тического 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: Учебно-

методическое 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 во-

локон: Учебное пособие. Томск: ТГУ, 2002. 33 с.