Światłowody włóknowe część I

Prezentacja na temat: "Światłowody włóknowe część I"— Zapis prezentacji:

1 Światłowody włóknowe część I
optoelectronics Światłowody włóknowe część I

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

3 optoelectronics Światłowody

4 optoelectronics System światłowodowy

5 Telekomunikacja (światłowodowa)
optoelectronics Telekomunikacja (światłowodowa)

6 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)

7 Straty światłowodów optoelectronics

8 Dlaczego włókna? optoelectronics 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 10 km lub mniej można je umieścić co 100 lub 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

9 Telekomunikacja światłowodowa
optoelectronics Telekomunikacja światłowodowa

10 Telekomunikacja światłowodowa
optoelectronics Telekomunikacja światłowodowa

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

12 optoelectronics

13 Stratność szkła kwarcowego
optoelectronics Stratność szkła kwarcowego

14 Włókno optyczne jest falowodem świetlnym
optoelectronics Włókno optyczne jest falowodem świetlnym składa się z : rdzenia część wewnętrzna w której propaguje się światło płaszcza pokrycia pokrycie zabezpieczające ”jacket” zewnętrzna warstwa zabezpieczająca złącze

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

16 optoelectronics Włókno optyczne

17 optoelectronics Włókno optyczne Podstawy działania

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

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

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

21 Całkowite wewnętrzne odbicie
optoelectronics Całkowite wewnętrzne odbicie r jest zespolone: IrI - amplituda, arg{r} - faza q c 1 180 TIR 0.9 0.8 120 TIR  0.7 60 0.6 Współczynnik odbicia 0.5 Zmiany fazy (stopnie) 0.4 |R| - 0.3 60 q 0.2 p -1 20 0.1 q c -1 80 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Kąt padania, q i Kąt padania q i Modół wsp. odbicia R vs. kąt padania i dla n1=1.44 and n2=1.00. Kąt krytyczny 44. Odpowiadające zmiany fazy vs. kąt padania.

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

23 Całkowite wewnętrzne odbicie !!!
optoelectronics Całkowite wewnętrzne odbicie !!! 1 odbicie od powierzchni metalu straty ~ 1% mocy, odbija się 99%. 100 kolejnych odbić pozostawia zaledwie 36% początkowej mocy, 1 odbicie na powierzchni dielektrycznej (TIR) traci zaledwie ~ % mocy, odbija się %. 100 kolejnych odbić pozostawia % początkowej mocy.

24 optoelectronics

25 Promienie w idealnym światłowodzie
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 n1 sin 1 = n2 sin 2 sin c = n2 / n1 c = 820 most fibers 5 5 5 5

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

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

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

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

30 NA w światłowodzie gradientowym
optoelectronics NA w światłowodzie gradientowym Poniższy warunek zapewnia, że bieg światła zostanie zakrzywiony w kierunku osi włókna :  jest parametrem opisującym jak zmienia się n we włóknie GRIN

31 Rodzaje włókien i ch-ki transmisji
optoelectronics Rodzaje włókien i ch-ki transmisji

32 Apertura numeryczna: NA
optoelectronics NA definiuje stożek akceptowania światła które zostanie prowadzone we włóknie

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

34 Promienie w idealnym światłowodzie
optoelectronics Wprowadzanie światła do włókna: kąt akceptacji aperura numeryczna (NA) 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 6 6 6 6

35 Parametr V V - parametr V lub częstotliwość znormalizowana
optoelectronics V - parametr V lub częstotliwość znormalizowana a = średnica włókna o = długość fali mod : rozwiązanie równania falowego określa drogę/przestrzenny rozkład światła

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

37 Parametr V optoelectronics

38 światło niewprowadzone
optoelectronics NA a liczba modów światło niewprowadzone światło propagujące się duże NA małe NA

39 Przykład: liczba modów, l = 850 nm
optoelectronics Przykład: liczba modów, l = 850 nm Włókno ze szkła kwarcowego (step-index fiber) nf = 1.452, nc = (NA = 0.205) SELFOC graded index fiber o takiej samej NA 92 103 22 103 2 # step-index modes 46 103 11 103 716 1 # GRIN modes 2.5 200 50 1000 400 średnica (mikrony)

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

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

42 Pole EM w światłowodzie włóknowym
optoelectronics promienie główne (południkowe) i promienie skośne 1 1, 3 3 główne A meridional ray always crosses the fiber axis. Fiber axis 2 2 TE or TM modes 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 5 3 3 4 4 HE or HM modes

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

44 Pole EM w światłowodzie włóknowym
optoelectronics rozwiązania

45 Pole EM w światłowodzie włóknowym
optoelectronics Funkcje Bessla

46 Pole elektryczne modu podstawowego Natężenie pola jest największe
optoelectronics Pole EM w światłowodzie włóknowym Liniowo polaryzowane (LP) fale posiadają cechy pól TE lubTM m # max. wzdłuż promienia r 2l # max. po obwodzie Pole elektryczne modu podstawowego Core E Cladding E rozkład natężenia mod podstawowy LP01 01 LP11 LP21 r Natężenie pola jest największe w środku (osi)

47 Pole EM w światłowodzie włóknowym
optoelectronics Pole EM w światłowodzie włóknowym

48 Pole EM w światłowodzie włóknowym
optoelectronics Pole EM w światłowodzie włóknowym

49 optoelectronics Mod podstawowy Prawie gaussowski

50 Cechy światłowodu ograniczające transmisję
optoelectronics Cechy światłowodu ograniczające transmisję 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

51 optoelectronics

52 optoelectronics