optoelectronics

optoelectronics Światłowody włóknowe część I

optoelectronics Włókno optyczne Włóko optyczne Prof. Charles Kao uważany za twórcę optyki światłowodowej (1998 IEE Savoy Place, London, UK; courtesy of IEE)

optoelectronics Światłowody

optoelectronics System światłowodowy

optoelectronics Telekomunikacja (światłowodowa)

optoelectronics Telekomunikacja (światłowodowa) Pasmo = Fhigh–Flow (zakres częstości = spectrum) Opóznienie => Propagation Delay per km Single mode fibre New dispersion shifted fibre has even better range dB = 10Log10 (Pout/Pin)

optoelectronics Straty światłowodów

Większa niż dla przewodów elektrycznych przepływność binarna => Mniejsze rozmiary i waga => tańsza i mniej pracochłonna instalacja Niższe straty propagacyjne => większy zasięg i mniejsza ilość wzmacniaczy, niższe koszty sieci Zamiast wzmacniaczy co 10km lub mniej można je umieścić co 100 lub 1000 km Niższe moce zasilające (elektryczne), mniejsza infrastruktura, mniejsza obsługa Niewrażliwość na zakłócenia EM => i.e. mniejsza interferencja ze strony sieci radiowych, radarowych, telefonicznych etc. wyższy SNR optoelectronics Dlaczego włókna?

optoelectronics Telekomunikacja światłowodowa

optoelectronics Włókno optyczne • Przepływność: • 640 Gbps • 1000.000 równoczesnych rozmów tele. • Koszt (full) około 100 US$/ Gbps/km

optoelectronics

optoelectronics Stratność szkła kwarcowego

optoelectronics Włókno optycznejest falowodem świetlnym składa się z : rdzeniaczęść wewnętrzna w której propaguje się światło płaszcza pokryciapokrycie zabezpieczające ”jacket”zewnętrzna warstwa zabezpieczająca złącze

optoelectronics Włókno optyczne • Pojedyncze włókno • Rdzeń 8-100 µm • Kabel z trzema włóknami W przypadku włókien kładzionych pod ziemią stosuje się dodatkowe zabezpieczenia Typowo, instaluje się pęczki od 10 do 100 włókien

optoelectronics Włókno optyczne

optoelectronics Włókno optyczne Podstawy działania

optoelectronics Całkowite wewnętrzne odbicie uciekają (swobodne) uciekają (swobodne) n2 płaszcz n1 pozostają w rdzeniu (prowadzone) rdzeń i i i kąt krytyczny i  c dla TIR

optoelectronics . . . q q q q n n sin sin n n sin i i i i 2 2 . . n q q sin sin n n sin ( 90 ) 1 c c 2 n n 2 q sin c n n 1 Całkowite wewnętrzne odbicie słabe zanikające pole n2 n1 i

optoelectronics n 2 q =90° t E Fala zanikająca t , ^ n > n q q E r i 1 2 i , // E r , ^ E i , ^ E r ,// Fala padająca Fala odbita Całkowite wewnętrzne odbicie Gdy staje się zespolone Całkowite wewnętrzne odbicie Total internal Reflection(TIR) t = 0 czyli cała moc zostaje odbita

optoelectronics Całkowite wewnętrzne odbicie r jest zespolone: IrI - amplituda, arg{r} - faza q c 1 180 TIR 0.9 120 0.8 TIR  0.7 60 0.6 Współczynnik odbicia 0.5 Zmiany fazy(stopnie) 0 0.4 |R| - 60 0.3 q 0.2 p -1 20 q 0.1 c 0 -1 80 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 q Kąt padania, q Kąt padania i i • Modółwsp. odbicia Rvs. kąt padaniaidlan1=1.44 and n2=1.00. Kąt krytyczny 44. • Odpowiadającezmiany fazyvs. kąt padania.

optoelectronics n 2 q =90° t E Fala zanikająca t , ^ n > n q q E r i 1 2 i , // E r , ^ E i , ^ E r ,// Fala padająca Fala odbita Całkowite wewnętrzne odbicie Total Internal Reflection

optoelectronics Całkowite wewnętrzne odbicie !!! • 1 odbicie od powierzchni metalu straty ~ 1% mocy, odbija się 99%. 100 kolejnychodbić pozostawia zaledwie 36% początkowej mocy, • 1 odbicie na powierzchni dielektrycznej (TIR) tracizaledwie ~ 0.00001% mocy, odbijasię 99.99999%. 100 kolejnych odbić pozostawia 99.99900000495% początkowej mocy.

optoelectronics

światło zawarte w rdzeniu o wyższej wartości współczynnika załamania (n1 ) niż płaszcz (n2) różnica Dn wynosi ok. 1% gdy średnica rdzenia >> , światło porusza się po liniach prostych kąt krytyczny TIR wynosic światło jest ograniczone w rdzeniu gdy pada na granicę ośrodków pod katem ok.80 optoelectronics Promienie w idealnym światłowodzie n1 sin 1 = n2 sin 2 sin c = n2 / n1 c = 820 most fibers

Pole w idealnym światłowodzie optoelectronics f r a Funkcje Bessela Częstotliwość znormalizowana

Optyka geometryczna rdzeń cylindrycznyotoczony płaszczem, rdzeń: szkło silica(SiO2): Ge, P, n 1.45, optoelectronics Propagacja światła we włóknie 1sec ~ 200,000km( szkło) 1ms ~ 200 m 1ns ~ 20 cm

optoelectronics Rodzaje włókien światłowodowych nc skokowy- wielomodowy nf nc skokowy- jednomodowy nc nf nc nc gradientowyGRIN nf nc

optoelectronics Światłowody gradientowe nc kwadratowy profil n nf nc działa jak siła zwrotna

optoelectronics NA w światłowodzie gradientowym Poniższy warunek zapewnia, że bieg światła zostanie zakrzywiony w kierunku osi włókna :  jest parametrem opisującymjakzmienia się nwe włóknie GRIN

optoelectronics Rodzaje włókien i ch-ki transmisji

optoelectronics Apertura numeryczna: NA NA definiuje stożek akceptowaniaświatła które zostanie prowadzone we włóknie

optoelectronics musi być > kąta krytycznego  NA dla światłowodu skokowego nc nf ni 90-t t max ni= 1 powietrze

Wprowadzanie światła do włókna: kąt akceptacji aperura numeryczna (NA) optoelectronics Promienie w idealnym światłowodzie NA = n12 - n22 • NA jest miarą zdolności włókna do „zbierania” światła • włókna telekomunikacyjne mają małe NA W-ki na całkowite wewnętrzne odbicie wyznaczają rozmiar stożka

optoelectronics Parametr V V - parametr V lub częstotliwość znormalizowana a = średnica włóknao = długość fali • mod : • rozwiązanierównania falowego • określadrogę/przestrzenny rozkładświatła

optoelectronics Jak kontrolować liczbę modów Parametr V liczbę modów można zmniejszyć poprzez zmniejszenie: (1)NA(2)średnicy( ) aż do uzyskania włókna jednomodowego

optoelectronics Parametr V

optoelectronics NA a liczba modów światło niewprowadzone światło propagujące się dużeNA małeNA

optoelectronics średnica (mikrony) 2.5 50 200 400 1000 # step-index modes 2 1.4 103 22 103 92 103 2.4 106 # GRIN modes 1 716 11 103 46 103 1.2 106 Przykład: liczba modów, l = 850nm Włókno ze szkła kwarcowego(step-index fiber) nf = 1.452, nc = 1.442 (NA = 0.205) SELFOCgraded index fibero takiej samejNA

optoelectronics 1.4 1.2 1 air NA n , 1.457 , 1.00 0.8 f NA n , 1.457 , 1.33 f 0.6 water 0.4 0.2 0 0 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 n f NA zależy od n

optoelectronics Strumień światła a NA moc wprowadzonego światła ~ NA2 przykład: włókno oNA= 0.66 posiada 43% przenoszenia mocy optycznej w stosunku do włókna oNA= 1.0

optoelectronics Pole EM w światłowodzie włóknowym promienie główne (południkowe)ipromienie skośne 1, 3 1 3 główne A meridional ray always crosses the fiber axis. Fiber axis TE or TM modes 2 2 1 A skew ray does not have to cross the fiber axis. It zigzag around the fiber axis. 2 1 skośne 2 Fiber axis 5 3 5 3 4 4 HE or HM modes

optoelectronics Pole EM w światłowodzie włóknowym równanie Helmholtza układ cylindryczny kształt rozwiązań wtedy

optoelectronics Pole EM w światłowodzie włóknowym rozwiązania

optoelectronics Pole EM w światłowodzie włóknowym Funkcje Bessla

optoelectronics Pole EM w światłowodzie włóknowym Liniowo polaryzowane (LP)fale posiadają cechy pólTElubTM m # max.wzdłuż promienia r 2l # max.po obwodzie Pole elektryczne modu podstawowego Core E Cladding rozkład natężenia mod podstawowyLP01 E LP11 LP21 01 r Natężenie pola jest największe w środku (osi)

optoelectronics Pole EM w światłowodzie włóknowym

optoelectronics Mod podstawowy Prawie gaussowski

Straty Sprzężenia światła do/od światłowodu Absorpcyjne Rozpraszanie Dyspersja Chromatyczna Modowa Światłowodowa Efekty nieliniowe Wymuszone rozpraszanie Ramana, Stimulated Raman Scattering (SRS) Wymuszone rozpraszanie Brilloina, Stimulated Brillouin Scattering (SBS) Samomodulacja fazy, Self phase modulation (SPM) Polaryzacyjna dyspersja modowa, Polarisation mode dispersion (PMD) Cross phase modulation (XPM) Four wave mixing optoelectronics Cechy światłowodu ograniczające transmisję

optoelectronics