Optoelectronics Światłowody.

Prezentacja na temat: "Optoelectronics Światłowody."— Zapis prezentacji:

1 optoelectronics Światłowody

2 optoelectronics

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

4 optoelectronics Światłowody

5 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

6 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

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

8 optoelectronics Światłowody

9 optoelectronics Światłowody

10 optoelectronics Światłowody

11 Całkowite wewnętrzne odbicie !!!

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

13 Elementy i układy planarne
optoelectronics Elementy i układy planarne

14 Zintegrowane układy planarne

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

16 Prawa odbicia i załamania światła
optoelectronics Prawa odbicia i załamania światła n > 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

17 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 ,// , ^ //

18 Całkowite wewnętrzne odbicie
optoelectronics Całkowite wewnętrzne odbicie

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

20 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.

21 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

22 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.

23 Tunelowanie optyczne

24 Całkowite wewnętrzne odbicie !!!

25 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)

26 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

27 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

28 optoelectronics Światłowód lustrzany zwierciadło zwierciadło

29 optoelectronics Światłowód lustrzany

30 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

31 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.

32 optoelectronics Światłowód lustrzany m - to numer modu

33 Światłowód dielektryczny
optoelectronics Światłowód dielektryczny Zanikające pole Przesunięcie fazowe

34 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:

35  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 .

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

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

38 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

39 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

40 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

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

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

43 Światłowody gradientowe
optoelectronics n2 n zmienia się ciągle n1 n2

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

45 optoelectronics Technologia

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

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

48 optoelectronics Technologia

49 optoelectronics Technologia

50 Światłowody elektrooptyczne
optoelectronics Technologia Światłowody elektrooptyczne

51 optoelectronics Technologia

52 optoelectronics Technologia

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

54 optoelectronics Sprzęgacz kierunkowy

55 optoelectronics Sprzęgacz kierunkowy .

56 optoelectronics Sprzęgacz kierunkowy .

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

58 optoelectronics .

59 optoelectronics .

60 optoelectronics .

61 optoelectronics .

62 optoelectronics .