optoelectronics Światłowody

optoelectronics

Rewolucja informatyczna lata 1800-1900 optoelectronics Rewolucja informatyczna lata 1800-1900 Prędkość przesyłania danych

optoelectronics Światłowody

Możliwe było przesyłanie sygnału mowy na odległość do 200 m optoelectronics Aleksander Graham Bell przeprowadził próby transmisji informacji za pomocą modulowanego światła słonecznego. Jego „fotofon” powstał w 1880 r. Możliwe było przesyłanie sygnału mowy na odległość do 200 m

optoelectronics Two of these units were used between building to re-establish a high speed communication link. FSO communication between Merrill Lynch Brokerage and Wall Street in New York following the terrorist attack that destroyed normal fiber optic link

Atmospheric attenuation and scatter optoelectronics Atmospheric attenuation and scatter 6.5 dB/km 150 dB/km 225 dB/km 300m distance to tall building

optoelectronics Światłowody

optoelectronics Światłowody

optoelectronics Światłowody

Całkowite wewnętrzne odbicie !!!

US Patent 5534101, Keyworth & McMullin optoelectronics Światłowody planarne Laser-written Direct Dispensed US Patent 5534101, Keyworth & McMullin

Elementy i układy planarne optoelectronics Elementy i układy planarne

Zintegrowane układy planarne

Światłowody planarne n n1 n2 Swiatło > Płaszcz Rdzeń 2 optoelectronics Światłowody planarne Płaszcz Rdzeń Swiatło n 2 n1 > n2

Prawa odbicia i załamania światła optoelectronics Prawa odbicia i załamania światła n1 > n2 I R T i t Prawo Snella n1 sin1 = n2 sin2 Wzory Fresnela opisują współczynniki odbicia i załamania t = 1-r korzystamy z prawa Snella by wyeliminować t : ) sin ( cos 2 1 - + = ^ n r i q

Całkowite wewnętrzne odbicie optoelectronics Całkowite wewnętrzne odbicie Gdy wstawiając do wzoru powyżej mamy 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 ,// , ^ //

Całkowite wewnętrzne odbicie optoelectronics Całkowite wewnętrzne odbicie

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

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

D z = 2 d tan q d = głębokość wnikania B A Przesunięcie Goos’a-Hanchen’a i tunelowanie optyczne q i n 2 1 > Fala padająca Fala odbita r D z Wirtualna płaszczyzna odbicia Głębokość wnikania, d y A B Promień odbity w całkowtym wewnętrznym odbiciu wydaje się przesunięty poziomo na granicy ośrodków o Dz - przesunięcie Goosa-Hanchena D z = 2 d tan q i d = głębokość wnikania

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 ~ 0.00001% mocy, odbija się 99.99999%. 100 kolejnych odbić pozostawia 99.99900000495% początkowej mocy.

Tunelowanie optyczne

Całkowite wewnętrzne odbicie !!!

Analiza warunków propagacji optoelectronics Analiza warunków propagacji Płaszcz Rdzeń Swiatło n 2 n1 > n2 - obraz optyki geometrycznej (promienie świetlne) - obraz optyki falowej (rozwiązanie równań Maxwella dla struktury)

Analiza warunków propagacji optoelectronics Analiza warunków propagacji obraz optyki geometrycznej (promienie świetlne) Światłowód lustrzany: dwa płasko-równoległe, idealne zwierciadła umieszczone jedno nad drugim w odległości d

Światłowód lustrzany y Fala propagująca się w światłowodzie optoelectronics Światłowód lustrzany Fala propagująca się w światłowodzie wzdłuż światłowodu na granicy rdzeń/płaszcz y Interferencja fal E1 i E2 tworzy falę biegnącą wzdłuż osi z oraz falę stojącą wzdłuż y

optoelectronics Światłowód lustrzany zwierciadło zwierciadło

optoelectronics Światłowód lustrzany

Światłowód lustrzany B A  d C Dwie fale O optoelectronics Światłowód lustrzany B A  d C Dwie fale O Każdemu odbiciu towarzyszy przesunięcie fazy o p, ale amplituda i polaryzacja nie zmieniają się. Warunek samouzgodnienia = po dwóch odbiciach fala odtwarza się: AC-AB = wielokrotność długości fali = lm, gdzie m = 1,2,3, ... z zależności trygonometrycznych

Dozwolone są tylko wybrane kąty odbicia m=0,1,2,.. optoelectronics Światłowód lustrzany Dozwolone są tylko wybrane kąty odbicia m=0,1,2,.. inaczej; warunki propagacji spełnione są tylko dla wybranych kątów  dyskretne widmo kątów Wyższym m odpowiadają niższe m.

optoelectronics Światłowód lustrzany m - to numer modu

Światłowód dielektryczny optoelectronics Światłowód dielektryczny Zanikające pole Przesunięcie fazowe

Światłowód dielektryczny optoelectronics Światłowód dielektryczny Dwie dowolne fale 1 i 2, które są początkowo w fazie muszą pozostać w fazie po dwóch odbiciach Inaczej występuje interferencja destruktywna i fale wygaszą się Trzeba dodatkowo uwzględnić przesunięcie fazy przy odbiciu dwa razy fr n 2 z a y A 1 C q ¢ B p -2 - /2 k E x Warunki prowadzenia:

 Światłowód dielektryczny y kx k q kz=b z optoelectronics Światłowód dielektryczny wektor falowy k1 można rozłożyć na dwie składowe,  i k, wzdłuż i w poprzek osi światłowodu z. y kx k q kz=b z Stała propagacji w kierunku „z” Poprzeczna; „y” stała propagacji  Tylko wybrane kąty odbicia są dozwolone m=0,1,2,.. Wyższym m odpowiadają niższe m. Każdemu m odpowiada inna stała propagacji m wzdłuż światłowodu Gdy mamy interferencję wielu fal, fala sumacyjna posiada stacjonarny rozkład pola elektrycznego w kierunku y, i ten wzór przemieszcza się w kierunku osi z ze stałą propagacji m .

Światłowód dielektryczny optoelectronics Światłowód dielektryczny Po przekształceniach trygonometrycznych i wprowadzeniu c mamy:

l, Dn, d Światłowód dielektryczny sin równanie dyspersyjne optoelectronics Światłowód dielektryczny równanie dyspersyjne światłowodu planarnego sin l, Dn, d

Przykł. n1=1.47, n2=1.46  max=9.9º i NA=0.17 optoelectronics Apertura numeryczna n2 n1 n2 Całkowite wewnętrzne odbicie (  c) czyli sinmax  NA NA definiuje kąt akceptacji promieni padających które będą prowadzone w światłowodzie Przykł. n1=1.47, n2=1.46  max=9.9º i NA=0.17

Światłowód dielektryczny optoelectronics Światłowód dielektryczny   c  skończona liczba modów   c    dNA/m  c/m jeśli <c może propagować się tylko mod podstawowy m=1 przykład; NA=0.17 n1=1.47, n2=1.46, d=10 mm c =1.71 mm m

Światłowód dielektryczny optoelectronics Światłowód dielektryczny Apertura numeryczna = NA Liczba modów = M V częstotliwość znormalizowana światłowodu planarnego Warunek pracy jednomodowej: Efektywny współczynnik załamania modu N = n1 sin (q) gdzie qmin < q £ p/2

Światłowód dielektryczny optoelectronics Światłowód dielektryczny Apertura numeryczna = NA Liczba modów = M Liczba modów typu TE w funkcji częstotliwości w światłowodzie planarnym

Światłowód dielektryczny optoelectronics optoelectronics Światłowód dielektryczny Rozkłady pól w skokowym światłowodzie dielektrycznym

Światłowody gradientowe optoelectronics n2 n zmienia się ciągle n1 n2

Technologia światłowodów planarnych i warstw optycznych optoelectronics Technologia światłowodów planarnych i warstw optycznych

optoelectronics Technologia

Technologia światłowodów planarnych i warstw optycznych optoelectronics Technologia światłowodów planarnych i warstw optycznych

Technologia światłowodów planarnych i warstw optycznych optoelectronics Technologia światłowodów planarnych i warstw optycznych stratność szkła kwarcowego

optoelectronics Technologia

optoelectronics Technologia

Światłowody elektrooptyczne optoelectronics Technologia Światłowody elektrooptyczne

optoelectronics Technologia

optoelectronics Technologia

US Patent 5534101, Keyworth & McMullin optoelectronics Światłowody planarne - Integrated Optics Laser-written Direct Dispensed US Patent 5534101, Keyworth & McMullin

optoelectronics Sprzęgacz kierunkowy

optoelectronics Sprzęgacz kierunkowy .

optoelectronics Sprzęgacz kierunkowy .

Sprzęgacz kierunkowy sterowany e-o . optoelectronics Sprzęgacz kierunkowy sterowany e-o .

optoelectronics .

optoelectronics .

optoelectronics .

optoelectronics .

optoelectronics .