Pomiary kształtu Przyrządy do pomiaru chropowatość powierzchni ...
Optoelektronika II. Przyrządy fotonikiOptoelektronika II. Przyrządy fotoniki Wprowadzenie Uwaga:...
Transcript of Optoelektronika II. Przyrządy fotonikiOptoelektronika II. Przyrządy fotoniki Wprowadzenie Uwaga:...
Optoelektronika II. Przyrządy fotoniki
Wprowadzenie
Uwaga: Wykład zawiera podsumowanie wiadomości z wykładów
Światłowody I i Światłowody II.
Prezentacja zawiera kopie folii omawianych na wykładzie. Niniejsze opracowanie chronione jest prawem autorskim. Wykorzystanie niekomercyjne dozwolone pod warunkiem podania źródła.
© Sergiusz Patela 1998-2004
© Sergiusz Patela 1998-2004 Optoelektronika II - Wprowadzenie 2
Schemat łącza światłowodowego
Źródło światła(nadajnik)
Detektor światła(odbiornik)
Elektryczny sygnałwyjściowy
ŚwiatłowódElektryczny sygnałwejściowy
„szum”
© Sergiusz Patela 1998-2004 Optoelektronika II - Wprowadzenie 3
Schemat systemu światłowodowego i przyrządy fotoniki
Źródło światła
Detektor światła
Światłowody
Kompensatory
PrzełącznikiModulatory
Wzmacniacze
Multipleksery
© Sergiusz Patela 1998-2004 Optoelektronika II - Wprowadzenie 4
Jak działa światłowód?
Efekty i zjawiska, które należy uwzględnić aby w pełni zrozumieć zasadę działania i możliwości światłowodu:
• Częstotliwość światłaŚwiatło to fala elektromagnetyczna o częstotliwości 3x1014Hz, (prawie milion GHz).
• Całkowite wewnętrzne odbicie i bardzo małe tłumienie materiałuW światłowodach sygnał może rozchodzić się bez regeneracji na znaczne odległości
• Falowa natura światła (interferencja) i mody światłowoduBudowę światłowodu i wiele jego podstawowych parametrów można wyjaśnić tylko uwzględniając fakt, że światło to fala elektromagnetyczna rozchodząca się w falowodzie o małych wymiarach poprzecznych.
© Sergiusz Patela 1998-2004 Optoelektronika II - Wprowadzenie 5
Całkowite wewnętrzne odbicie
Średnica rdzenia światłowodu: 10 do 50 mmna długości 1 m daje około 10 000 odbić.
Przy współczynniku odbicia 99% doprowadzito do do wytłumienia sygnału w stosunku 0.9910 000 = 10-44
Włókno - całkowite wewnętrzne odbicie
© Sergiusz Patela 1998-2004 Optoelektronika II - Wprowadzenie 6
10 zalet włókien światłowodowych
1. Ogromna pojemność informacyjna pojedynczego włókna2. Małe straty = zdolność przesyłania sygnałów na znaczne odległości3. Całkowita niewrażliwość na zakłócenia elektromagnetyczne4. Mała waga5. Małe wymiary6. Bezpieczeństwo pracy (brak iskrzenia)7. Utrudniony (prawie niemożliwy) podsłuch przesyłanych danych.8. Względnie niski koszt (i ciągle spada)9. Duża niezawodność (poprawnie zainstalowanych łączy
światłowodowych)10 Prostota obsługi.
© Sergiusz Patela 1998-2004 Optoelektronika II - Wprowadzenie 7
Poznaj swojego wroga: wady włókien światłowodowych
1. większa cena 2. droższe nadajniki i odbiorniki 3. droższe i bardziej skomplikowane łączenie4. światłowodu nie można wykorzystać co zasilania urządzenia
końcowego (np. telefonu)
© Sergiusz Patela 1998-2004 Optoelektronika II - Wprowadzenie 8
Krótka historia optoelektroniki
1876 - Aleksander Graham Bell wynalazł (1880 opatentował) fototelefon. Urządzenie pozwalało komunikować się na odległość 200 m.
1890 - efekt światłowodowy w dielektrykach, Lord Tyndal1910 - badania i prace teoretyczne nad światłowodami, Lord Rayleigh (Hondros, Debye1910)1957 - Wynalezienie lasera (Schawlow, Townes, 1958)1962 Impulsowy laser GaAs (Hall i in., Nathan i in. 1962)1965 - propozycja stosowania światłowodów gradientowych w telekomunikacji (Miller1965)1966 - Wskazanie, że szkła kwarcowe mogą być stosowane w telekomunikacji do
wytwarzania światłowodów o małych stratach (Kao, Hockman 1966)1968 Publikacja nt małych strat w bryłach topionego kwarcu (Kao, Davis 1968)1968 Produkcja pierwszego światłowodu telekomunikacyjnego (Uchida i in. 1969)1970 Produkcja włókna o stratach < 20 dB/km, Corning Glass Company (Kapron i in.
1970)1985 Opracowanie wzmacniacza światłowodowego (zespół na University of
Southampton). Pompowanie laserem półprzewodnikowym = 650nm 3m włókna dało wzmocnienie 125 dB dla fali = 1.55 m.
1998 < Wprowadzenie systemów WDM, włókna plastikowe?
© Sergiusz Patela 1998-2004 Optoelektronika II - Wprowadzenie 9
Klasyfikacja światłowodów
Klasyfikacja (ze względu na strukturę światłowodu):włókniste - planarneszklane - plastikowejednomodowe - wielomodoweplanarne - paskowe, ...skokowe - gradientowestandardowe - specjalne
Inny typ klasyfikacji - ze względu na zastosowanie:telekom, datakomczujnikiobrazowody, wziernikioświetlenie, zdobnictwo
© Sergiusz Patela 1998-2004 Optoelektronika II - Wprowadzenie 10
Podstawowe parametry światłowodów - zestawienie
• Optyczne (tłumienie, dyspersja, straty Fresnela, współczynnik załamania, różnica współczynników załamania rdzenia i płaszcza, apertura numeryczna, modowość, częstotliwość (grubość) znormalizowana V, grubość odcięcia modu (długość fali odcięcia),maksymalna moc prowadzona)
• Geometryczne
• Mechaniczne
© Sergiusz Patela 1998-2004 Optoelektronika II - Wprowadzenie 11
Podstawowe parametry światłowodów - dane
Tłumienie [dB/km]włókna jednomodowe
1310nm 0,33-0,421550nm 0,18-0,25
włókna wielomodowe (gradientowe)850nm 2,4-2,7 (50/125) 2,7-3,2 (62,5/125)1300nm 0,5-0,8 0,6-0,9
Dyspersja chromatyczna włókien jednomodowych [ps/km.nm]1285 - 1330 nm ≤ 3,51550nm ≤ 18
Pasmo transmisji włókien wielomodowych [MHz.km]850nm 400-800 (50/125) 160-400 (62,5/125)1300nm 400-1500 300-1200
Podstawowe właściwości światłowodów - przypomnienie i krótkie podsumowanie
Metody analizy optyki geometrycznej
• Prawo odbicia
• Prawo załamania
Metody analizy optyki falowej
• Równania Maxwella
• Równanie falowe
• Równania modowe i właściwości modowe
• Dyspersja
© Sergiusz Patela 1998-2004 Optoelektronika II - Wprowadzenie 13
∇ × = −EBt
∂∂
∇ × = +HDt
J∂∂
∇ ⋅ =D ρ
∇ ⋅ =B 0gdzie:
J = gęstość prądu [A/m2], ρ = gęstość ładunku [C/m3]
D E E P= = +ε ε0
B H H M= = +µ µ0
Równania Maxwella
© Sergiusz Patela 1998-2004 Optoelektronika II - Wprowadzenie 14
Równania falowe
∇ − =22
2 0EEt
µε∂∂
∇ − =22
2 0HHt
µε∂∂
( )[ ]E E x i t zy y= −0 ( ) e x p ω β
[ ] 0022
20
2
=β−+∂
∂y
y EkxE
© Sergiusz Patela 1998-2004 Optoelektronika II - Wprowadzenie 15
Równanie modowe światłowodu planarnego - mody TE
( ) ,...2,1,0,222cos2 0 =π=Φ−Φ−θ mmtnk csf
θ−−θ
=Φsin
sin22
22
ff
cfc nn
nnθ−
−θ=Φ
sinsin
22
22
ff
sfs nn
nn
θ−−θ
=Φsin
sin22
22
2
2
ff
cf
c
fc nn
nnnn
θ−−θ
=Φsin
sin22
22
2
2
ff
sf
s
fs nn
nnnn
© Sergiusz Patela 1998-2004 Optoelektronika II - Wprowadzenie 16
Wykres modowy: TE i TM
0.2 0.4 0.6 0.8 1
d [um]
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
2Neff
nf=2., ns=1.5, nc=1.Krzywe modowe TE i TM
Zależność efektywnego współczynnika od grubości warstwy dla trzech pierwszych modów TE i TM światłowodu planarnego
© Sergiusz Patela 1998-2004 Optoelektronika II - Wprowadzenie 17
Liczba modów we włóknie światłowodowym
N V≈2
2
( ) NAannaV ⋅λ
⋅π⋅=−λ
⋅π⋅=0
2/122
21
0
22gdzie:
Przykład:Liczba modów w typowym światłowodzie wielomodowym 50/125średnica a = 25 µmApertura numeryczna NA = 0.20Długość fali 1 µm
V = 2 * 3.14 * 25 * 0.20 /1 = 31.4N = (31.4)2 /2 493
© Sergiusz Patela 1998-2004 Optoelektronika II - Wprowadzenie 18
-2 -1,5 -1 -0,5 0,5 1
-2
-1
1
2
ns = 1,5, nf = 2, nc = 1, λ = 633 nm
Rozkłady pola elektrycznego dla trzech pierwszych modów światłowodu planarnego
E
x
© Sergiusz Patela 1998-2004 Optoelektronika II - Wprowadzenie 19
TM01
EH11
HE12
HE31
HE21
TE01
HE11
b
1
654321 V
Mody hybrydowe światłowodu włóknistego
© Sergiusz Patela 1998-2004 Optoelektronika II - Wprowadzenie 20
V
LP 0 2
LP 21
LP 01
LP 11
1
654321
b
Mody LP światłowodu włóknistego
© Sergiusz Patela 1998-2004 Optoelektronika II - Wprowadzenie 21
Dyspersja włókna
Dyspersja → poszerzanie impulsu i ograniczenie pasma
Rodzaje dyspersji• międzymodowa• materiałowa (chromatyczna)• własna (światłowodowa, wynik fluktuacji n, λ, a)• polaryzacyjna
© Sergiusz Patela 1998-2004 Optoelektronika II - Wprowadzenie 22
Propagacja różnych modów w światłowodzie skokowym
t
����������������
��������
����������
���������������������
�����������
�����������
© Sergiusz Patela 1998-2004 Optoelektronika II - Wprowadzenie 23
Dyspersja modowa
0.1 1 10. 100.1. 10 -9
1. 10 -8
1. 10 -7
1. 10 -6
1. 10 -6
Długość Światłowodu [km]
Dyspersja [s]
a
b
Dyspersja modowa światłowodu wielomodowego. n1 = 1,54, NA = 0,2. a) wykres otrzymane ze wzoru, b) przykładowy wykres zmierzony. Dla włókna o długości (L) do 1 km dyspersja jest proporcjonalna do L, dla większych odległości dyspersja jest proporcjonalna do pierwiastka z L.
© Sergiusz Patela 1998-2004 Optoelektronika II - Wprowadzenie 24
Propagacja różnych modów w światłowodzie gradientowym
t��
����
1
21,8 n
nnskok
grad −=∆∆≈τ∆τ∆
© Sergiusz Patela 1998-2004 Optoelektronika II - Wprowadzenie 25
Propagacja w światłowodzie jednomodowym
t
���������
���������
���������
���������
��������������
�������
© Sergiusz Patela 1998-2004 Optoelektronika II - Wprowadzenie 26
Dyspersja chromatyczna i własna
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7-30
-20
-10
0
10
20
30
Długość fali [µm]
Dys
pers
ja [p
s/(k
m-n
m)]
Dyspersja (całkowita)
Dyspersja materiałowa
Dyspersja światłowodowaλZD
© Sergiusz Patela 1998-2004 Optoelektronika II - Wprowadzenie 27
Dyspersja całkowita włóknan
r
1.54
d = ~9 µm 125 µm
n1
n2
n2
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7-20
-10
0
10
20
Długość fali [µm]
Dys
pers
ja [p
s/(k
m-n
m)] Standardowa
Dyspersja płaska(DFF)
Dyspersja przesunięta(DSF)
© Sergiusz Patela 1998-2004 Optoelektronika II - Wprowadzenie 28
Zapotrzebowanie na urządzenia optoelektroniki zintegrowanej
2625.3
498.8
50
150
128.6
77.2
102.9
1617.8
2005
13.4Razem
190.7Inne
1.91Systemy połączeń, magistraleBackplane Applications
5.71.2Urządzenia pomiarowo kontrolne
4.93.5Wzmacniacze
2.90.8Przełączniki
3.90.8Pasywne urządzenia DWDM
61.65.4Nadajniki i odbiorniki
%in 2005
2001Produkt(mln USD)
Główne obszary zastosowań: sieci dostępowe i metropolitalneKluczowe technologie: packaging, integracja hybrydowaSource: Communications Industry Researchers Inc.
© Sergiusz Patela 1998-2004 Optoelektronika II - Wprowadzenie 29
Metody optyczne badania półprzewodników. Pomiary parametrów optycznych warstw epitaksjalnych
• mikroskopia
• spektroskopia (UV, VIS, IR, Far IR)
• spektroskopia m.-linii (m.-line spectroscopy), pomiary światłowodów planarnych
• fotoluminescencja
• pomiary absorpcji, odbicia
• refraktometria (pomiary współczynnika załamania)
© Sergiusz Patela 1998-2004 Optoelektronika II - Wprowadzenie 30
Fala świetlna, właściwości i parametry
Częstotliwość około 3.1014 Hz (duża pojemność kanału transmisyjnego), niewrażliwość na przesłuchy, brak emisji zakłóceń, "równoległość" propagacji
Parametry: natężenie, częstotliwość, prędkość, długość fali, polaryzacja, spójność, droga koherencji, monochromatyczność.
© Sergiusz Patela 1998-2004 Optoelektronika II - Wprowadzenie 31
Lasery – klasyfikacja i porównanie
Ośrodek laserujący:1. gazowe • ekscymerowe – zjonizowany gaz szlachetny (Ar) + fluorkowiec, • atomowe (He-Ne), • molekularne, cząsteczkowe (CO2, N2), • jonowe (Ar)2. na ciele stałym (rubin, Nd:YAG, ...)3. barwnikowe4. chemiczne5. półprzewodnikowe6. światłowodowe
© Sergiusz Patela 1998-2004 Optoelektronika II - Wprowadzenie 32
Lasery – zastosowania i porównanie
• metrologia
• telekomunikacja
• cięcie, spawanie, korekcja
• modyfikacja materiału
• przesyłanie informacji
• zapisywanie i przetwarzanie informacji
• fotolitografia
• medycyna: chirurgia – skalpel laserowy, koagulacja, naświetlania, prześwietlanie (IR)
© Sergiusz Patela 1998-2004 Optoelektronika II - Wprowadzenie 33
Metody modulacji światła
Modulacja bezpośrednia źródła
Modulacja pośrednia
Metody: elektrooptyczna, elastooptyczna, akustooptyczna, magnetooptyczna, termiczna (materiały)
© Sergiusz Patela 1998-2004 Optoelektronika II - Wprowadzenie 34
Światłowody - podstawowe parametry
1. Optyczne (tłumienie, dyspersja, straty Fresnela, współczynnik załamania, różnica współczynników załamania rdzenia i płaszcza, apertura numeryczna, modowość, częstotliwość (grubość) znormalizowana V, grubość odcięcia modu)
2. Geometryczne
3. Mechaniczne
© Sergiusz Patela 1998-2004 Optoelektronika II - Wprowadzenie 35
Światłowody - systematyka, porównanie
Zastosowanie:1. telekom, datakom2. czujniki3. obrazowody, wzierniki4. oświetlenie, zdobnictwo
Klasyfikacja:1. włókniste - planarne2. szklane - plastikowe3. jednomodowe - wielomodowe4. planarne - paskowe, ...5. skokowe - grandientowe
© Sergiusz Patela 1998-2004 Optoelektronika II - Wprowadzenie 36
Źródła światła - klasyfikacja
Różne typy źródeł światła, klasyfikacja aplikacyjna:
1. diody luminescencyjne
2. lasery półprzewodnikowe
3. źródła termiczne
4. wyładowanie jarzeniowe (świecejnie zjonizowanego gazu)
5. łukowe
6. słońce - energia jądrowa
Klasyfikacja lamp oświetleniowych:
żarowe
„jarzeniówki” = fluorescencyjne
jarzeniowe - neony
łukowe (sodowe, Xe, Hg)
© Sergiusz Patela 1998-2004 Optoelektronika II - Wprowadzenie 37
Źródła światła – klasyfikacja CD
Klasyfikacja ze względu na charakterystykę promieniowania:
• długość fali
• szerokość widmowa linii
• moc
Parametry wyróżniające światło laserowe: monochromatyczne, spójne (koherentne), skolimowane, spolaryzowane
© Sergiusz Patela 1998-2004 Optoelektronika II - Wprowadzenie 38
Pytania sprawdzające1. Wymienić zalety światłowodu związanie z dielektryczną naturą ośrodka
prowadzącego światło
2. Wymienić zalety światłowodu związane z właściwościami fali nośnej stosowane do transmisji
3. Jaka firma i w którym roku opracowała pierwsze komercyjne włókna światłowodowe. Ile wynosiło tłumienie tych światłowodów
4. Wyjaśnić, która dyspersja i w jaki sposób zależy od apertury numerycznej światłowodu
5. Wymienić urządzenia (główne grupy) optoelektroniki zintegrowane stosowane w nowoczesnych systemach światłowodowych
6. Narysować i porównać rozkłady pola fali świetlnej dla trzech pierwszych modów światłowodu. Jakie są konsekwencje tych rozkładów dla technologii i konstrukcji przyrządów optoelektroniki zintegrowanej.