Światłowody włóknowe część I optoelectronics Światłowody włóknowe część I

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)

optoelectronics Światłowody

optoelectronics System światłowodowy

Telekomunikacja (światłowodowa) optoelectronics Telekomunikacja (światłowodowa)

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)

Straty światłowodów optoelectronics

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 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

Telekomunikacja światłowodowa optoelectronics Telekomunikacja światłowodowa

Telekomunikacja światłowodowa optoelectronics Telekomunikacja światłowodowa

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

optoelectronics

Stratność szkła kwarcowego optoelectronics Stratność szkła kwarcowego

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

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

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

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

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 ,// , ^ //

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.

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 !!! 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.

optoelectronics

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Parametr V optoelectronics

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

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

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

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

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

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

Pole EM w światłowodzie włóknowym optoelectronics rozwiązania

Pole EM w światłowodzie włóknowym optoelectronics Funkcje Bessla

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)

Pole EM w światłowodzie włóknowym optoelectronics Pole EM w światłowodzie włóknowym

Pole EM w światłowodzie włóknowym optoelectronics Pole EM w światłowodzie włóknowym

optoelectronics Mod podstawowy Prawie gaussowski

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

optoelectronics

optoelectronics