Szálelmélet 2007/2008 I.félév

1. Szálelmélet2007/2008 I.félév Gyárfás András Diamont cég SZTÁV anyaga alapján Szálelmélet

2. Geometriai optika Fénytörés • A Snellius-Descartes törési törvény: • Ha n1 = nvákum=1, akkor n2 / n1 = n2 = n • A törésmutató (n) egy viszonyszám, a fényvezető közeg vákumhoz viszonyított törésmutatója. • Azt mutatja, hogy az adott közeg a vákuumhoz képest mennyivel “sűrűbb”, mint a vákuum • A képletből is látható, hogy a sűrűbb optikai közegbe lépő fény (n2>n1) törési szöge lesz a kisebb. Szálelmélet

3. Geometriai optika Fénytörés. Snellius-Descartes törvény Szálelmélet

4. Geometriai optika Fénysebesség • Optikai közegben a fény sebessége mindig kisebb a vákuumban mért c sebességnél : v=c/n ahol c = 299792.5 km/s a fény sebessége vákuumban, v fordítottan arányos a törésmutatóval • A fény a különböző törésmutatójú közegben különböző sebességgel halad, és a sebességek fordítva arányosak a törésmutatókkal: v1/v2=n2/n1 • Ha optikailag sűrűbb közegből érkezik a fény ritkább anyag felé, akkor a törési szög lesz a nagyobb. Szálelmélet

5. Geometriai optikaFénytörés Határesetben a1 = ah (B=90º) a fény a két közeg határán halad : ahol a1 = ah. Tovább növelve a beesés szögét az anyagból már nem fog a fény távozni, hanem teljes egészében visszaverődik (teljes visszaverődés ill. totál reflexió). Ez a jelenség fel használható FV szálak gyártására. Szálelmélet

6. Geometriai optikaFényvezetés Szálelmélet

7. Geometriai optika Fényvezetés • Egy üveg rúd egyik végén becsatolt fény a másik végén megjelenik. Feltételek: • a beesési szög dh határszögnél nagyobb legyen, • az üveg rudat körülvevő közeg törésmutatója kisebb legyen, mint az üvegrúdé. • Veszteséget csak az üveg “szennyezettsége” okoz. Szálelmélet

8. Geometriai optika Száljellemzők A FV szál elején d beesési szöggel érkező fénysugár g törési szöggel indul el a szálban. A fénytörés szerint: Ha nlevegő = 1, akkor : sin d = n1 sin g Mivel : g = 90o - a, így : sin g = sin (90-a) = cos a, ezért : sin d = n1 cos a= n1(1 - sin2a )1/2 A mag héj átmenetre: sin ah/sin 90º= n1/n2 Szálelmélet

9. Geometriai optika Száljellemzők. Numerikus apertura Behelyettesítve a cos2a = 1 - sin2a összefüggést, valamint sin = n1/n2 –et a következő összefüggést kapjuk: sin = • Azt a legnagyobb dh szöget, amelyen belül belépő fénysugarat a szál még kilépés nélkül továbbvezeti, akceptanciaszögnek nevezik. A sindh a numerikus apertúra, jele: NA. • Ha tehát a belépési szögnél (akceptanciaszögnél) nagyobb szög alatt érkezik a fénysugár, akkor kilép a szálból. Szálelmélet

10. Geometriai optika Megtört és visszavert sugár • Az optikai adók fénykilépési szöge a sugárzó-szál illesztésnél fontos • n függ a fény színétől (l-tól), így a dh is különböző az egyes színek esetén. Pl: a prizma esetén a kék fény törik meg legjobban, a vörös a legkevésbé. • A visszavert sugárban nincs ilyen felbomlás, mert a visszavert sugár szöge azonos a beesési szögével, függetlenül a törésmutatótól és a fény színétől. • A fénytörésen alapuló eszközöket (például a lencséket) színre korrigálni kell, a fényvisszaverődésen alapulókat pedig nem. Szálelmélet

11. Geometriai optika Fresnel reflexió • Egy másik határeset, mikor a fény merőlegesen esik a felületre. A beeső fény egy kis része visszaverődik. Fresnel (frenel) reflexió, értéke: Szálelmélet

12. Geometriai optika Szálak típusai • Az ábrán az optikai szál három alaptípusa látható az n eloszlás és a módusok száma szerint. • A módus az optikai szálban haladó egyes fényhullámok “útvonalát” írják le. • A többmódusú szálakban több úton terjed a fény, míg az egymódusúban csak egyetlen módon (itt csak egyetlen diszkrét megoldása létezik a hullámegyenletnek). Szálelmélet

13. Optikai szálak Szálak típusai Szálelmélet

14. Optikai szálak Multimódusú SI szálak • Lépcsős törésmutatójú, multimódusú (SIMM) szálak (első generációs szálak). • A fény a magban egyenes vonalban terjed a szál mentén a mag/héj határfelületről visszaverődve. • Az érkezés szögétől függően, több különböző módusban terjedhet a fény a magban. Mintegy 4000 módus lehetséges. • Nagy magátmérő (100 mm) és alig valamivel nagyobb (140mm) héjátmérő jellemzi a szálat • Ma mar alig használják. Szálelmélet

15. Optikai MM GI szálak • Gradiens indexű, multimódusú (GIMM) szálakat még ma is alkalmaznak. Az n a mag közepe felé fokozatosan nő, innen kapta a nevét. • Az egyes módusok a belépéstől függően különböző utakat futnak be. A kisebb magátmérő és a gradiens index miatt már jóval kevesebb módus található (néhány 100) • Mag/héj átmérője 50/125mm, de gyártják 62,5/125mm méretben is. • Átviteli tulajdonságai sokkal jobbak az előzőnél, rövidtávú összeköttetésekre alkalmazzák. Szálelmélet

16. Optikai szálakSM szál • Egymódusú (lépcsős törésmutatójú) szálakban annyira lecsökkentették a mag átmérőjét, hogy csak egyetlen egy módus tud kialakulni, • Jobb átviteli tulajdonságokkal rendelkezik. • A mag átmérője 9-10mm. • Nagytávolságú összeköttetéseknél alkalmazzák. Szálelmélet

17. Optikai szálak A fény hullámtermészete • Huygens: a fényt hullámmozgás.Interferencia, polarizáció jelenségek magyarázhatók , (a geometriai optika nem tudta). • Bár a hullámoptika módszereivel nehezen magyarázhatók azok a jelenségek, amelyeket a geometriai optika egyszerű módon tárgyalt, de mint határeset ez is megoldható ilyen úton. • A hullámoptika a fénykibocsátás és fényelnyelés mechanizmusát nem tudja megmagyarázni, erre már csak a kvantummechanika képes. Szálelmélet

18. Optikai szálak A fény hullámtermészete • Az elektromágneses (EM) rezgések és a fény közötti kapcsolatot Faraday mutatja ki, majd Maxwell egyenletekben rögzíti. • Az EM hullámnak jellemzői a frekvencia ( f ) ill. a hullámhossz ( l ). • Az ábrán láthatjuk az elektromágneses (EM) hullámok felosztását, külön kiemelve a fénytávközlés céljára szolgáló részt. • A látható fény 360-760 nm-ig terjed, a fénytávközlés az infravörös tartományt használja, (itt kisebb a közvetítő közeg, a kvarcüveg csillapítása). Szálelmélet

19. Optikai szálak A fény hullámtermészete Szálelmélet

20. Optikai szálak A fény hullámtermészete • Az f és a l közti kapcsolat: l* f = c • Er ( relatív ) dielektromos állandó és n törésmutatóazonos fogalmak, a kettő között az összefüggés: Az elméletből az is következett, hogy az elektromágneses hullámok és a fény terjedése azonos: Szálelmélet

21. Optikai szálak A fény hullámtermészete • ahol E0 = 8,8543*10-12 (As/Vm) vákuum dielektromos állandója • µ0 = 1,2567*10-6 (As/Vm) vákuum permeabilitása • A fenti egyenletet felírva dielektrikumban, azaz pl. egy optikailag sűrűbb közegben: Szálelmélet

22. Optikai szálak A fény hullámtermészete • A c ill. v a fázissebesség, amellyel egy színusz hullámnak egy kiválasztott pontja (fázisa) halad. • Er és így n illetve v is erősen fázisfüggő. A frekvenciafüggés oka, hogy az EM hullám (fény) periodikus erőtere az anyag elektronjait rezgésre kényszeríti. • A rezgő elektronok által keltett erőtér az eredeti erőtérre szuperponálódik és az eredő erőtér más sebességgel halad. Szálelmélet

23. Optikai szálak A fény hullámtermészete • Az elektronok és a nagy tömegű atommagok mechanikai kölcsönhatásban vannak egymással, ezek frekvencia függő rendszert alkotnak. • Egy rezgő rendszernek fontos jellemzője a rezonancia frekvencia. • Egy atom vagy molekula összetett rezgő rendszert is alkothat, így többszörös rezonancia is felléphet, több rezonancia-frekvenciával. • A fény hatására bekövetkező elektron rezgések amplitúdója mindössze 10-17 m nagyságrendű, mégis ez a kis amplitúdójú rezgés okozza, hogy n = 1 és közvetve ez az oka a fénytörés és a reflexió jelenségének is. Szálelmélet

24. Optikai szálak Átviteli paraméterek • Csillapítás a (dB). Az amplitúdónak (intenzitásnak) csökkenése. • Diszperzió. Szó szerint szóródást jelent. Optikában a fényvezető szálakban terjedő elemi fénymomentumok futásidő különbségéből eredő jeltorzulást, időbeni szóródását értjük alatta. Szálelmélet

25. Optikai szálak Átviteli paraméterek • A levágási hullámhossz megmutatja, hogy a szál milyen l-tól kezdve működik SM-ként. • Felrajzoltuk a hőmérséklet függvényében az optikai szál fajlagos csillapítását normalizálva. • Ez azt jelenti, hogy kiindulásnak (egységnyinek) nevezzük a normál szobahőmérsékleten felvett csillapítás értéket. Szálelmélet

26. Optikai szálak Átviteli paraméterek Szálelmélet

27. Optikai szálak Átviteli paraméterek • Látható, hogy magas hőmérsékleten (70°C fölött) illetve alacsony hőmérsékleten (-20°C alatt) megnövekszik a szál fajlagos csillapítása. • Pl. légvezetékek esetén a téli nagy hidegek hatására megnő a csillapítás, ezért a tervezésnél nagyobb maximális csillapítás értékkel kell számolni. • Az ábrán lévő függvényt alakja miatt kádgörbének is nevezik. • T-n kívül két paramétertől függ az üveg csillapítása: • az üveg tisztaságától és a • hullámhossztól. Szálelmélet

28. Optikai szálak Átviteli paraméterek • Ha szennyező anyag kerül a szál mag részébe, az n- ek különbsége miatt megtörik vagy visszaverődik a fény egy része. • Így kevesebb fény jut át a szálon, megnő a csillapítása is. • Tipikus szennyező anyagok a fémionok, illetve az OH- ionok. • a fény mint EM hullám az anyagon való áthaladáskor az atomok (ill. molekulák) elektronját rezgésbe hozza (hisz negatív töltése van). • Vannak olyan hullámhosszak, melyeknél ez a rezgés felerősödik, úgynevezett rezonanciafrekvenciája van, és ez gátolja a fény áthaladását, ezzel csillapítást okozva. Szálelmélet

29. Optikai szálak Átviteli paraméterek • Rezonanciafrekvenciával rendelkezik maga a kvarcüveg is. • Két ilyen nagy rezonancia helye van, • az egyik az UV (ultraviola) • a másik az IR (Infra Red = infravörös) tartományban 1800 nm fölött. • Rayleigh szórás. Az üveg kristályhibák miatt a fény egy része szóródik, "kitörik" az anyagból. • A Rayleigh szórásból adódó csillapítás értéket folytonos, monoton csökkenő vonallal ábrázoltuk. Szálelmélet

30. Optikai szálak A csillapítás hullámhosszfüggése Szálelmélet

31. Optikai szálak A csillapítás hullámhosszfüggése • A csillapítás görbe helyi minimumhelyei, az átviteli ablakok. • Az I. az un. első generációs ablaknál (850 nm) a = 2,5 - 3 dB/km. Ennél a l-nál adót már elő tudtak olcsón állítani. • A II. ablak az 1300 nm-nél lévő, un. minimális diszperziójú ablak. Itt a = 0.36 dB/km (az áthidalható kábelszakasz 10 km-ről 70-80 km-re nőtt). • A III. a minimális csillapítású ablak, l =1550 nm környezetében van, a=0.24 dB/km, itt viszont a diszperzió értéke nagyon nagy. Szálelmélet

32. Optikai szálak Diszperzió • A diszperziót (jelszóródás) a FV szálak esetében az optikai jel komponenseinek, módusainak vagy különböző frekvenciájú spektrum összetevőinek eltérő futásideje okozza. • A gyakorlatban ez a jel kiszélesedéséhez, ellaposodásához vezet. • Három fajta diszperziót különböztetünk meg: módus-, anyagi-, és a hullámvezető diszperziót. • A módusdiszperziót a különböző módusok egymástól eltérő futásidő különbség okozza. A MM szálak esetében az ebből eredő jelromlás nagyobb, mint az anyagi diszperzióé. Szálelmélet

33. Optikai szálak Diszperzió • A SIMM szálaknál a különböző módusok különböző szögben érkeznek a szálba és más útvonalakon haladnak, amelyeknek hosszai különbözők. • Mivel a fény mindenütt azonos sebességű, a futási idő különbözni fog. • A szál végén a különböző utakat megtevő módusok összegződnek, a visszanyert jel impulzus szélessége nagyobb, intenzitása pedig kisebb lesz. Szálelmélet

34. Optikai szálak Diszperzió • A GIMM szálnál is a módusok különböző utakat futnak be (diszperziós hatás). Értéke kisebb, mint SIMM szálnál: • a kisebb magátmérő és a szál szerkezete miatt nem tud olyan sok módus kialakulni. • a GI eloszlású n miatt a fény sebessége nem állandó a mag belsejében. Ez a hatás valamelyest kompenzál, így nem lesznek akkora futásidő különbségek. Szálelmélet

35. Optikai szálak Diszperzió • Az SM szálban csak egyetlen egy módus terjed, így nincs futásidő különbség. • Az anyagi (M) - és a hullámvezető (G) diszperzió azonban frekvenciafüggő (együttesen kromatikus diszperzió:D). • Amíg M a kvarcüveg az anyagi tulajdonságaiból adódik, • addig a G a fény magban való terjedési egyenetlenségeinek a következménye. • G függ a mag átmérőjétől valamint n profiljának kialakításától. Szálelmélet

36. Optikai szálak Kromatikus diszperzió Szálelmélet

37. Optikai szálak Kromatikus diszperzió • Az 1. görbe egy normál SM kvarcüveg szál D-ját mutatja. A l =1300 nm-nél, D= 0. A negatív D érték annyit jelent, hogy diszperziós jel siet a jel csoportfutási idejéhez képest, míg a pozitív D értéknél késik. (1300 nm-en ezzel a hatással nem kell számolni). • a legkedvezőbb csillapítása l= 1550 nm-en van. Itt a csillapítás kétharmada a második ablakénak, a diszperzió viszont 18 - 20 ps/nm kilométerenként. Szálelmélet

38. Optikai szálak Különleges diszperziójú szálak • A törésmutató profil megfelelő megválasztásával elérhető, hogy az a (dB) minimum és a D minimum, azonos ablakba essenek. • Erre mutat két példát a 2 és a 3 görbe. Ezeket eltolt diszperziójú szálaknak nevezik. • A jobb sarokban a különböző törésmutató profilok láthatók. Kialakításuk megnöveli a kábel előállítási költségeit. Szálelmélet

39. Optikai szálak Diszperzió • Mint láttuk a = f(l) és n = f(l) tehát nem lesz azonos a futásidejük (diszperzió). • Sajnos az adók által kibocsátott fénynek a spektruma nem dirac-delta, hanem véges szélessége van. Szálelmélet

40. Optikai szálak Diszperzió • Az adók által kibocsátott fénynek jellemzője a félérték szélessége (Dl) a fél teljesítménynél mért spektrum-szélesség. • lézerek esetében tipikus érték a 2 - 5 nm, • LED-eknél ez a 30 - 40 nm-t is eléri. • Minél nagyobb Dl, annál több l összetevőjű fényt tartalmaz a szálba becsatolt impulzus és annál nagyobb lesz ezáltal a diszperziója is. • Ezért nagy távolságoknál már csak lézert alkalmaznak adóként. Szálelmélet

41. Optikai szálak Levágási hullámhossz • Az SM szálaknál a magátmérő, összemérhető l-val, ekkor csak egyetlen módus, az un. alapmódus terjed. • Minél kisebb l, annál kisebb magátmérőjű optikai szálra van szükségünk. • Megfordítva, egy adott magátmérőjű szál csak egy bizonyos l-tól, a levágási hullámhossztól (lc) lesz egymódusú, amelynél összemérhetővé válik l a keresztmetszettel (kb 1:10 szorzó). • Egy 10 mikron magátmérőjű optikai szálnál lc=1280 nm. Ez azt jelenti, hogy a II. és a III. ablak hullámhosszaira nézve SM a szál, míg l = 850 nm -nél MM-sú. Szálelmélet

42. Optikai szálak Egyéb száljellemzők • A FV-ők hajlításakor veszteség keletkezik, amely a hajlítási sugár csökkenésével exponenciálisan nő. A gyakorlatban 5-8 cm átmérőnél a veszteség már olyan kicsi, hogy nem mérhető. (Ezt nevezik makrohajlatnak.) • A veszteségek egy másik csoportját alkotják az úgynevezett mikrohajlat veszteségek. Ez a szál tengelyvonalának kismértékű, véletlenszerű elmozdulása, hullámzása. Ezek a FV szálak kábelezésekor fellépő feszültségek hatására keletkeznek, és jelentős veszteségeket okozhatnak. Szálelmélet

43. Optikai szálak Egyéb száljellemzők • A FV-k alapját képező kvarc törékeny és nagy a húzószilárdsága (1.6· 104 N/mm2). • Ez erősen csökken a gyártás során keletkező felületi hibák és repedések miatt, melyek az idővel, a különböző igénybevételek hatására megnövekednek, csökkentve ezzel a kábelek élettartamát. • A mechanikai igénybevételen túl az öregedést elősegíti még az üvegszálba diffundáló különböző anyagok káros hatása is, különösen a hidrogéngáz. Ennek kiküszöbölésére az üvegszálat egy műanyag védelemmel látják el. Szálelmélet

44. Optikai szálak Egyéb veszteségek • A csatolási veszteségek szintén hibát (illetve csillapítást) okoznak a rendszerben. • Ha két különböző magátmérőjű szálat illesztünk össze, akkor az átvitt jel csillapítása megnövekedhet. • Ha kisebb átmérőjűből megy a fény a nagyobb felé, nem okoz csillapítást, míg fordított esetben a fény egy része reflektálódik, így kevesebb jut át a közegen. • Ez azt eredményezi, hogy egy kábelszakaszon a két irányban mért csillapítás érték sohasem egyezik meg. • Ezért mindig minden átviteli utat, melyen kötés van, két irányból meg kell mérni Szálelmélet

45. Optikai szálak Egyéb veszteségek Szálelmélet

46. Optikai szálak Egyéb veszteségek • Magátmérő különbség lehetséges a különböző típusú szálak esetén is. • Ilyen például, amikor egy 9 mm -os és egy 10 mm-os kerül szembe egymással. • Ennél még durvább az eset, mikor egy SM szálat egy MM-hoz kívánunk illeszteni, melynek 50 m a magátmérője. • Koncentricitási (központositási) hiba esetén a két héj átmérője megegyezik, de a két mag nem középen helyezkedik el, illesztésnél nem fedik le pontosan egymást, így az átviendő fény egy része reflektálódik, szintén csillapítást viszünk be a rendszerbe. Szálelmélet

47. Optikai szálak Egyéb veszteségek • A harmadik gyártási hiba a köralak hiba. Ekkor a mag keresztmetszete nem kör alakú, szintén nem hozható a másik szállal fedésbe, azaz csillapítást okoz. • Még egy hibafajta van, mely a gyártási folyamat közben előfordul, az n eloszlás a szál mentén nem egyenletes. Ilyen törésmutató különbség szintén csillapítást eredményez. Előidézhetünk azonban mi is ilyen hibát, mégpedig amikor két különböző n-ű szálat illesztenek össze (főleg két fajta kábel összekötésénél). Szálelmélet

48. Optikai szálak Egyéb veszteségek Szálelmélet

49. Optikai szálak Egyéb veszteségek • A legsúlyosabb a két csatlakozó esetében a két mag koncentricitási hibája. 5 mm eltérésnél már a fénynek 60%-a elveszik, 10 mm fölött pedig már semmi fény nem jut a másik szálba. • A második görbe a szögeltérést mutatja. Ez elég gyakori hiba lehet, ha a csatlakozókat rosszul dugjuk be a helyére. Ennek határa az akceptancia szög, melynél nagyobb eltérés esetén már csak pár %-nyi fény jut át a rendszeren. Szálelmélet

50. Optikai szálak Egyéb veszteségek • A harmadik esetben a kilépő fény nyílásszöge okoz gondot. • Ha párhuzamosan lépne ki az anyagból a fény, akkor elméletileg csak a ki és belépés veszteségével kellene számolni. • A numerikus apertúra miatt ez az érték a távolság növelésével arányosan nő. Ez a leggyakrabban előforduló hiba, a rosszul illesztett csatlakozó nem fekszik fel rendesen és így nem lehet szorosan illeszteni őket. Szálelmélet