1.1 Влияние систем ввода света в ОВ на эффективный
световой поток, входящий в ядро ОВ и структуру модовых
пятен в многомодовом оптическом волокне
Наиболее распространенной конструкцией СИД для ОВ линии
является СИД Барраса [1] принципиальная схема которого приведена на
рис.1.1.1
Рис.1.1.1. Светодиод Барраса на основе двойной гетероструктуры
и система светодиода на основе двойной гетероструктуры с
самоустанавливающейся сферической линзой [2] рис.1.1.2.
Рис. 1.1.2. Схематическое изображение светодиода на основе
двойной гетероструктуры с самоустанавливающейся сферической линзой
Если излучающая область светодиода меньше сердцевины оптического
волокна, применение выпуклых линз повышает эффективность ввода
излучения светодиода в ОВ. В этих случаях линзы проецируют
излучающую область светодиода на всю площадь сердцевины волокна,
снижая
при
этом
угол
падения
лучей,
т.
е.
происходит согласование источника излучения с волокном по числовой
апертуре [3].
Важнейшим параметром, определяющим согласованность системы
ввода и ОВ являются максимальный угол входа в ядро ОВ а также размер
активной излучающей области СИД. В книге Гауэра [4] в приложении 5
приводятся общие положения о негативном влиянии размеров активной
области на эффективность системы ввода.
Промоделируем влияние параметров светодиодов на эффективный
световой поток, входящий в ОВ. Действительно, как видно из рис. 1.1.3,
чем больше размер активной области 2d тем, тем больше разница в углах
входа φ и φmax.
Рис.1.1.3. Принципиальная схема ввода излучения в ОВ
Световой поток, излучаемый элементом dx на расстоянии r под углом
φ к оси перпендикулярной оси активной области определяется
выражением:
φ max
P cos2 φ
I= ∫
dx (1.1 .1)
2 d r2
−φ
P
где: 2 d − линейная плотность мощности .
max
Из рис.1 видно, что
r 2 = ( L2 + ( R 2 + x 2 ) )
φ=arctg (
l+ x
)
L
l+ x
L
¿
1+(¿ ¿ 2 )
¿
1
1
1
=
=
2
( 1+ tg φ ) 1+tg2 arctg l+ x ¿
L
l+ x
Обозначим u= L = tg φ , тогда
cos 2 φ=
(
)
tg φmax =
R+ d
L
Подставляя в выражение (2.1.1) получаем
R+ d
L
I=
∫
−R +d
L
tg φmax
P
P
d u=
φmax +
(1 .1.2)
2 2
2 dL
2 dL(1+u )
(tg φmax 2+ 1)
(
)
О тносител ьны й эф ф ек тивны й световой поток
На рис.1.1.4 представлена зависимость эффективного
относительного светового потока входящей в ядро от максимального угла
входа света в ядро ОВ. Относительная мощность вычислялась как I/I0, где
I0 максимальный световой поток Pπ/4dL. Как видно из рис.1.1.4
относительный эффективный световой поток в значительной степени
определяется максимальным углом входа (числовой апертурой) в ядро
ОВ.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
максимальный угол входа в ядро ОВ
Рис. 1.1.4. Зависимость относительного эффективного
светового потока
входящего в ядро ОВ от максимального угла входа
Было проведено компьютерное моделирование влияния системы
ввода излучения в ОВ на максимальные углы входа в ядро ОВ. В качестве
ОВ взято стандартное многомодовое ОВ с параметрами Табл.1.1.1.
Таблица 1.1.1
Рабочая
Диаметр
Диаметр
Коэффициент
Показатель
длина
Числовая
сердцевины оболочки
затухания
преломления
волны
апертура
мкм
мкм
Дб/км
ядра
нм
50,0
125,0
1300
0,6
0,2
1,477
Ниже приведены результаты компьютерного моделирования входа
излучения в ядро ОВ при использовании системы ввода типа системы
Барраса.
2d=0.001мм, φmax=130, L=0.1мм
2d=0.01мм, φmax =110, L=0.1мм
2d=0.015мм, φmax =90, L=0.1мм
2d=0.02мм, φmax =80, L=0.1мм
2d=0.025мм, φmax =70, L=0.1мм
2d=0.03мм, φmax =50, L=0.1мм
В качестве примера для 2d=0,02мм при угле ввода 100 лучи выходят
из ядра.
д=0.02мм, φmax =100, Л=0.1мм
Моделирование хода лучей в системе ввода на основе светодиода с
двойной гетероструктурой с самоустанавливающейся сферической линзой
(n=2, Rл=0,05мм, L=0,1мм) приведено ниже.
2d=0.001мм, φmax =300
2d=0.005мм, φmax =300
2d=0.007мм, φmax =270
2d=0.01мм, φmax =270
2d=0.015, θ φmax =27
2d=0.02мм, φmax =250
2d=0.022мм, φmax =150
2d=0.023мм, φmax =100
максимальный угол входа в ОВ
На рис.1.1.5 представлена зависимость максимального угла входа в
ОВ от диаметра активной области.
СИД
СИД
СИД
СИД
Барраса эксперимент
линза эксперимент
Барраса рассчет
линза рассчет
0.01
0.01
35
30
25
20
15
10
5
0
0
0.01
0.02
0.02
0.02
0.02
0.03
0.03
размер активной области (2d) мм
Рис.1.1.5. Влияние величины активной области на максимальный
угол входа в ОВ
Из рис.1.1.5 видно, что максимальный угол входа в ОВ уменьшается
с ростом величины активной области. Для описания уменьшения
максимального угла входа в ОВ от размера активной области предложена
формула.
φm ax ≈
((
57 arctg δ θ0−
где: d – полудлина активной области;
d
(1 .1.3)
L
))
относител ьны й эф ф ек тивны й световой поток
L – расстояние от активной области СИД до ядра ОВ;
θ0 – числовая апертура ОВ;
δ = φ0 сист/ φ0 – коэффициент эффективности системы входа (φ0 сист максимальный угол с системой, φ0 – без системы).
Объединяя результаты, представленные на тис. 1.1.4 и рис.1.1.5, мы
получаем зависимость относительного эффективного светового потока
входящего в ядро ОВ от размеров активной области СИД. Результат
представлен на рис. 1.1.6. Из рис.1.1.6 видно, что при использовании линзы
в качестве концентратора лучей входящих в ОВ (ЭЛ) эффективность
системы быстро падает с ростом размера активной области. Причем
падает значительно быстрее, чем без наличия концентратора (ЭБ).
ЭБ
ЭЛ
0,50
0,45
0,40
0,35
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
0.001 0.005 0.007 0.010 0.015 0.020 0.022 0.023 0.025 0.030
размер активной области (2d) мм
Рис.1.1.6. Зависимость относительного эффективного светового
потока входящего в ядро ОВ от размеров активной области СИД
С учетом большой эффективности использования
концентраторов лучей и отрицательного влияния размеров активной
области предлагаем в качестве концентратора использовать
сегментарное параболическое зеркало, которое как раз вписывается в
требования к концентраторам:
1. Малая величина активной области.
2. Большая концентрирующая способность.
В качестве сравнения ниже приведены запатентованные
конструкции, которые могут служить прототипами предлагаемого
устройства:
В [5] описана конструкция ОЭ, имеющего три рабочие поверхности
(a, b, c) сложной асферической формы (рис.1.1.7). Особенностью
конструкции является то, что отражение от поверхности b осуществляется
либо на зеркальном, либо на прозрачном участке за счет полного
внутреннего отражения.
Рис 1.1.7.Оптический элемент с асферическими рабочими
поверхностями [5]
Там же рассмотрена конструкция ОЭ со сферической (а),
эллиптической (b), параболической (c) и плоской (d) поверхностями (рис.
1.1.8).
Рис 1.1.8. Оптический элемент со сферической (a), эллиптической
(b), параболической (c) и плоской (d) поверхностями [5]
На рис. 1.1.9 показана конструкция [6] ОЭ с поверхностями в виде
сферы (а), параболы (b), w-образного аксикона (c) и плоскости (d).
Рис 1.1.9. Оптический элемент со сферической (a), параболической
(b), w-образной (c) и плоской (d) поверхностями [6]
На всех рисунках 7-9 обозначены:
1 – излучающий кристалл
2 – полость с иммерсионной средой
3 – теплосъёмник
4 – зеркализованные участки
Рис. 1.1.10 Конструкция СИД с узкой КСС [6]
1 – Ножки с выводами
2 – Тело свечения
3 – Часть поверхности, близкой к эллиптической
4 – Часть поверхности, близкой к параболической
5 – Часть поверхности, близкой к конической
С целью проверки работоспособности предложенного устройства
была создана компьютерная модель системы ввода на основе
сегментарного параболического зеркала. Принципиальная схема
предлагаемого концентратора и ход лучей в нем показан на рис. 1.1.11.
Рис.1.1.11. Принципиальная схема предлагаемого концентратора
и ход лучей в нем:
АО – активная область 2d = 0,005мм;
СПЗ – сегментарное параболическое зеркало
Rп = 0,005мм, L = 0,14мм
Модель создана для ОВ параметра которого указаны в Табл.1.1.1.
Малый диаметр ядра ОВ жестко ограничивает геометрические размеры
концентратора. Ниже приведено моделирование хода лучей в ОВ с
использованием предлагаемого концентратора.
φ=800
Моделирование показало, что при использовании предлагаемой
модели концентратора максимальный угол входа в ядро ОВ составляет 800.
Исходя из данных представленных на рис. 1.1.4 следует, что при
использовании предлагаемой модели системы ввода относительный
эффективный световой поток, входящий в ядро ОВ составляет
порядка 95%. Это в два раза выше эффективности линзового
концентратора при той же величине активной области.
Практическая реализация изготовления сегментарного
параболического зеркала может быть выполнена двояко:
1. На основе модификации СИД Барраса заменой конуса на
указанные выше размеры сегментарного параболического зеркала.
2. Создание сегментарного параболического зеркала на основе ядра
ОВ рис. 8 с напылением отражающего состава.
Рис.1.1.12. Сегментарное параболическое зеркало на основе ядра ОВ
Оба эти способа особенно эффективны при достаточной мощности
активной области.
2.2. Влияние системы ввода излучения в ОВ на характеристики
модового пятна в многомодовом волокне
Понятие моды как одной из возможных траекторий движения луча в
ОВ, приводит к понятию «модовое пятно», как область на выходе из ОВ
характеризующаяся для каждой моды распределением энергии и
оптическими свойствами. Понятие модовое пятно нашло наиболее
широкое применение для одномодовых волокон [4] поскольку приналичии
одной, но определяющей моды естественно вызывает большой интерес к
распределению энергии и структуре модового пятна. Кроме этого, в
одномодовом ОВ значительно проще исследовать структуру модового
пятна.
В даной работе проведен компьютерный анализ влияния системы
ввода на характеристики модового поля для многомодовых волокон.
Возможные траектории распространения луча (моды) в ОВ
задавались углом входа луча в систему ввода излучения в ОВ
(сферическая линза, сегментарное параболическое зеркало). Угол ввода в
ОВ естественно определяется числовой апертурой данного волокна и как
показали расчеты сделанные в 1.1 (выражение 1.1.3) размерами активной
области СИД. В Табл. 2.1-2.3 продемонстрировано, как разные системы
ввода излучения в ОВ влияют на распределение энергии в модовом пятне и
вид модового пятна на экране.
Таблица 2.1
Распределение энергии и изображение на экране
модовых пятен
1. СИД Барраса
2d=0,001мм
Угол Распределение энергии в
Изображение модового пятна на
входа модовом пятне
экране
моды
в ОВ
(град
)
Распределение энергии и изображение на экране
модовых пятен
0
5
7
Распределение энергии и изображение на экране
модовых пятен
8
9
2d=0,01мм
0
Распределение энергии и изображение на экране
модовых пятен
5
6
7
2d=0,04мм
Распределение энергии и изображение на экране
модовых пятен
0
5
Проанализируем полученные результаты.
1. СИД Барраса:
В СИД Барраса излучение попадает в ОВ напосредственно от
активной области, поэтому максимальный угол входа в ОВ не может
превышать угла соответствующего числовой апертуре ОВ, что в нашем
случае составляет порядва 0,2. Соответствующий этой апертуре
максимальный угол входа 10-110. При размере активной области
2d=0,001мм (т.е. практически точечный источник) полученный в
компьютерной модели угол тоже порядка 100.
1.1. При 2d=0,001мм (т.е. практически точечный источник) мода с
углом входа 00 локализована в центре ОВ в области порядка нескольких
микрон. Структура моды однородна, что вместе с вышесказанным говорит
о высоком «качестве» этой моды.
1.2. При 2d=0,001мм (т.е. практически точечный источник) все моды
с большими углами входа становятся все более размытыми по ядру ОВ.
Структура моды быстро ухудшается, а при угле входа 90 модовое пятно
незначительно выходит за пределы ядра ОВ.
1.3. При 2d=0,01мм максимальный угол входа в ядро ОВ не
превышает 70 и если нулевая мода все также высоко локализована вблизи
центра ядра ОВ, то ухудшение качества модового пятна происходит очень
быстро.
1.4. При стандартном размере активной области для СИД Барраса
2d=0,04мм нулевая мода занимает все ядро ОВ и неплохого качества по
однородности освещенности. А вот уже при угле входа 50 половина
модового пятна расположена за пределами ядра ОВ.
Таблица 2.2
Распределение энергии и изображение на экране
модовых пятен
2. СИД с фокусирующей линзой (n=2, Rл=0,05мм)
2d=0,001мм
0
5
Распределение энергии и изображение на экране
модовых пятен
10
20
30
2d=0,01мм
Распределение энергии и изображение на экране
модовых пятен
0
5
10
Распределение энергии и изображение на экране
модовых пятен
15
Проанализируем полученные результаты.
2. Сферическая линза (n=2, Rл=0,05мм):
2.1. Размер сферической линзы подбирался так, чтобы достигнуть
максимального угла входа в систему ввода излучения в ядро ОВ и
дальнейшего распространения по ядру ОВ. Таким образом получилось что
активная область расположена в фокусе линзы.
2.2. При 2d=0,001мм (т.е. практически точечный источник) все моды
вплоть до максимального угла входа в систему 300 идут после линзы
параллельно главной оптической оси системы и поэтому для всех углов
наблюдается полное заполнение модовым пятном ядра ОВ. Структура
модового пятна с ростом угла входа постепенно ухудшаетя но остается
даже для 300 лучше чем в системе Барраса.
2.3. С увеличением размера активной области ее влияние на
максимальный угол входа в систему усиливается быстрее, чем СИД
Барраса. При 2d=0,01мм максимальный угол входа в систему составляет
порядка 150. Из-за протяженной активной области фокусировка оптической
системы смещается к центру ядра ОВ. Это приводит к тому, что
концентрация энергии в модовом пятне усиливается к центре ядра ОВ.
Структура модового тятна локализируется вблизи центра.
Таблица 2.3.
Распределение энергии и изображение на экране
модовых пятен
3. Сегментарное параболическое зеркало
2d=0,005мм
Распределение энергии и изображение на экране
модовых пятен
0
5
10
Распределение энергии и изображение на экране
модовых пятен
12
15
20
Распределение энергии и изображение на экране
модовых пятен
30
40
50
Распределение энергии и изображение на экране
модовых пятен
60
70
80
Проанализируем полученные результаты.
Рис. 2.1.1. Распределение энергии в модовом пятне (1), суммарная
энергия заключенная в интервале от начала модового пятна до точки
наблюдения (2)
3. Сегментарное параболическое зеркало (рис.2.1.11: R=0,005мм,
минмальный угол входа в ядро ОВ равен апертурному углу ядра ОВ
φмин=120, активная область в фокусе зеркала:
3.1. Из полученных данных видно,что при углах входа в ядро ОВ
меньше φмин=120, система ведет себя как СИД Барраса, т.е. сегментарное
параболическое зеркало не задействовано.
3.2. При углах входа близких к апертурному углу 10-120
наблюдается суперпозиция: распространение вдоль границы ядра ОВ
за счет действия сегментарного параболического зеркала и
проникновение в ядро напоминающее систему Барраса. Особенно ярко
это видно при угле входа 120. Данное распределение приведено на рис.
2.1.1. Из рис. 2.1.1 видно, что в области (а) по границе ядра ОВ (радиус
ядра ОВ равен 25мкм) проходит большая часть энергии и лиш небльшая
доля проходит по ядру (область (б)).
3.3. При углах в хода от 15-800 наблюдается четкая работа
сегментарного параболического зеркала. Вид распределения энергии в
модовом пятне паразительно схож для всех углов в указанном широм
интервале. Картина модовых пятен также схожа.
Выводы:
1. Относительный эффективный световой поток в значительной
степени определяется максимальным углом входа в ядро ОВ.
2. Эффективность системы ввода лучей в ОВ быстро падает с ростом
размера активной области.
3. При использовании предлагаемой модели системы ввода с
помощью сегментарного параболического зеркала относительный
эффективный световой поток, входящий в ядро ОВ составляет
порядка 95%. Это в два раза выше эффективности линзового
концентратора при той же величине активной области.
4. Проведено компьютерное моделирование распределения энергии и
модовой структуры для СИД Барраса, сферической линзы и предлагаемой
системы ввода излучения на основе сегментарного параболического
зеркала.
Установлено:
СИД Барраса:
В СИД Барраса излучение попадает в ОВ напосредственно от
активной области, поэтому максимальный угол входа в ОВ не может
превышать угла соответствующего числовой апертуре ОВ, что в нашем
случае составляет порядва 0,2. Соответствующий этой апертуре
максимальный угол входа 10-110. При размере активной области
2d=0,001мм (т.е. практически точечный источник) полученный в
компьютерной модели угол тоже порядка 100.
1.1. При 2d=0,001мм (т.е. практически точечный источник) мода с
углом входа 00 локализована в центре ОВ в области порядка нескольких
микрон. Структура моды однородна, что вместе с вышесказанным говорит
о высоком «качестве» этой моды.
1.2. При 2d=0,001мм (т.е. практически точечный источник) все моды
с большими углами входа становятся все более размытыми по ядру ОВ.
Структура моды быстро ухудшается, а при угле входа 90 модовое пятно
незначительно выходит за пределы ядра ОВ.
1.3. При 2d=0,01мм максимальный угол входа в ядро ОВ не
превышает 70 и если нулевая мода все также высоко локализована вблизи
центра ядра ОВ, то ухудшение качества модового пятна происходит очень
быстро.
1.4. При стандартном размере активной области для СИД Барраса
2d=0,04мм нулевая мода занимает все ядро ОВ и неплохого качества по
однородности освещенности. А вот уже при угле входа 50 половина
модового пятна расположена за пределами ядра ОВ.
2. Сферическая линза (n=2, Rл=0,05мм):
2.1. Размер сферической линзы подбирался так, чтобы достигнуть
максимального угла входа в систему ввода излучения в ядро ОВ и
дальнейшего распространения по ядру ОВ. Таким образом получилось что
активная область расположена в фокусе линзы.
2.2. При 2d=0,001мм (т.е. практически точечный источник) все моды
вплоть до максимального угла входа в систему 300 идут после линзы
параллельно главной оптической оси системы и поэтому для всех углов
наблюдается полное заполнение модовым пятном ядра ОВ. Структура
модового пятна с ростом угла входа постепенно ухудшаетя но остается
даже для 300 лучше чем в системе Барраса.
2.3. С увеличением размера активной области ее влияние на
максимальный угол входа в систему усиливается быстрее, чем СИД
Барраса. При 2d=0,01мм максимальный угол входа в систему составляет
порядка 150. Из-за протяженной активной области фокусировка оптической
системы смещается к центру ядра ОВ. Это приводит к тому, что
концентрация энергии в модовом пятне усиливается к центре ядра ОВ.
Структура модового тятна локализируется вблизи центра.
3. Сегментарное параболическое зеркало (рис.2.1.11: R=0,005мм,
минмальный угол входа в ядро ОВ равен апертурному углу ядра ОВ
φмин=120, активная область в фокусе зеркала:
3.1. Из полученных данных видно,что при углах входа в ядро ОВ
меньше φмин=120, система ведет себя как СИД Барраса, т.е. сегментарное
параболическое зеркало не задействовано.
3.2. При углах входа близких к апертурному углу 10-120
наблюдается суперпозиция: распространение вдоль границы ядра ОВ
за счет действия сегментарного параболического зеркала и
проникновение в ядро напоминающее систему Барраса. Особенно ярко
это видно при угле входа 120. Данное распределение приведено на рис.
2.1.1. Из рис. 2.1.1 видно, что в области (а) по границе ядра ОВ (радиус
ядра ОВ равен 25мкм) проходит большая часть энергии и лиш небльшая
доля проходит по ядру (область (б)).
3.3. При углах в хода от 15-800 наблюдается четкая работа
сегментарного параболического зеркала. Вид распределения энергии в
модовом пятне паразительно схож для всех углов в указанном широм
интервале. Картина модовых пятен также схожа.
5. Таким образом при наличии активной области с величиной
порядка 5мкм становится очень выгодно использовать в качестве
системы ввода излучения в ядро ОВ сегментарное параблическое
зеркало эффективность которого при прочих равных условиях, как
показано в главе 2.1, в два раза выше эффективности линзового
концентратора при той же величине активной области.
Литература:
1. Шуберт Ф. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича. — 2е изд. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. – 496 с.
2. Глущенко А.Г., Головкина М.В. Физические основы волоконной
оптики. Конспект лекций. – Самара.: ГОУВПО ПГУТИ, 2009. – 144 с.
3. Шуберт Ф. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича. — 2е изд. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. – 496 с.
4. Гауэр Дж. Оптические системы связи: Пер. с англ.— М.: Радио и
связь, 1989. — 504 с.
5. Лебедев О.А., Сабинин В.Е., Солк С.В. Полимерная оптика для
светоизлучающих диодов // Светотехника. 2001. №5. С.18-19.
6. Коган Л.М., Гальчина Н.А., Рассохин И.Т., Сощин Н.П., Варешкин
М.Г., Юнович А.Э. Спектры излучения осветителей белого свечения и
осветители на их основе // Светотехника, 2005. № 1. С.15 - 17.
7. Косицкий В.М., Коган Л.М., Рассохин И.Т. Излучающий диод. А.С.
СССР, №803772, 18.10.1979.- 5 с.
Отзывы:
Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыви хорошего настроения
удачи
успехов в конкурсе
Наверное было затрачено много времени и труда на работу
Продолжай свое исследование
Админам респект
И продвижения статьи в топы?
Как на счет взаимных комментариев под работами?)
Красиво написанная работа
Так держать
Молодец
Интересная работа!