Podstawowe w³aœciwoœci œwiat³owodów - · PDF...

Światłowody II

Właściwości i zastosowania światłowodów

Wprowadzenie

Uwaga: Wykład zawiera podsumowanie wiadomości z wykładu Światłowody I

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 Swiatłowody II - Wprowadzenie 2

Schemat systemu światłowodowego

Detektor światła(odbiornik)„szum”

Elektryczny sygnałwyjściowy

Źródło światła(nadajnik)

ŚwiatłowódElektryczny sygnałwejściowy


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.


Nietelekomunikacyjne zastosowania światłowodów

1. Medycyna: optyczne prowadnice mocy optycznej (chirurgia laserowa), wzierniki(endoskopia)

2. Przemysł samochodowy: niezawodna transmisja danych, wyświetlacze, oświetlacze

3. Czujniki np. Lab-on-a-chip

4. Układy połączeń optycznych, optyczne szyny transmisji danych (tzw. Optical bakcplane)


Włókno - całkowite wewnętrzne odbicie

Całkowite wewnętrzne odbicie

Średnica rdzenia światłowodu: 10 do 50 mm na długości 1 m daje około 10 000 odbić. Przy współczynniku odbicia 99% doprowadzi to do dowytłumienia sygnału w stosunku 0.9910 000 = 10-44

• Podać prawo Sneliusa, • zdefiniować kąt graniczny, • podać metodę obliczenia kąta granicznego dla granicy szkło-powietrze


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.


Krótka historia fotoniki

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?


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


Podstawowe właściwości światłowodów -przypomnienie i krótkie podsumowanie

•Równania Maxwella

• Równanie falowe

•Równania modowe i właściwości modowe

•Tłumienie

•Dyspersja


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


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


Równania Maxwella

tBE∂∂r

r−=×∇

JtDH

rr

r+=×∇

∂∂

ρ=⋅∇ Dr

0=⋅∇ Br

gdzie:J = gęstość prądu [A/m2],ρ = gęstość ładunku [C/m3]

PEEDrrrr

+== 0εε

MHHBrrrr

+== 0µµ


Równania falowe

∇ − =22

2 0r

r

EEt

µε∂∂

∇ − =22

2 0r

r

HHt

µε∂∂

( )[ ]E E x i t zy y= −0 ( ) e x p ω β

[ ] 0022

20

2

=β−+∂

∂y

y EkxE


Równanie modowe światłowodu planarnego - mody TE

( ) ,...2,1,0,222cos2 0 =π=Φ−Φ−θ mmtnk csf

θ−

−θ=Φ

sinsin

22

22

ff

cfc nn

nnθ−

−θ=Φ

sinsin

22

22

ff

sfs nn

nn

θ−

−θ=Φ

sinsin

22

22

2

2

ff

cf

c

fc nn

nnnn

θ−

−θ=Φ

sinsin

22

22

2

2

ff

sf

s

fs nn

nnnn


Wykres modowy: Neff lub kąt

d [µm]

°]

0.2 0.4 0.6 0.8 1.01.5

1.6

1.7

1.8

1.9

2.0

50

60

70

80

90

θ [

θ= sinfeff nN

Krzywe modowe TE0

Neff

Porównanie krzywych modowych kreślonych jako

zależności Neff(d) i θ(d). nf = 2, ns = 1.5, nc = 1


Wykres modowy: TE i TM

nf=2., ns=1.5, nc=1.Krzywe modowe TE i TM

2

0.2 0.4 0.6 0.8 1

d [um]

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

Neff

Zależność efektywnego współczynnika od grubości warstwy dla trzech pierwszych modów TE i TM światłowodu planarnego


Liczba modów we włóknie światłowodowym

N V≈

2

2

( ) NAannaV ⋅λ

⋅π⋅=−

λ⋅π⋅

=0

2/122

21

0

22 Grubość charakterystycznagdzie:

21

2

21

20

nnnn

nnnkb eff

−−

=−−β

= Unormowana stała propagacji

Przykład:Liczba modów w typowym światłowodzie wielomodowym 50/125Promień 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


Rozkłady pola elektrycznego dla trzech pierwszych modów światłowodu planarnego

-1 -0,5

-2

-1

1

2

E

x

-2 -1,5 0,5 1

ns = 1,5, nf = 2, nc = 1, λ = 633 nm


Mody hybrydowe światłowodu włóknistego

1

TM 01

EH 11

HE 12

HE 31

HE 21

TE 01

HE 11

b

1 2 3 4 5 6V


Mody LP światłowodu włóknistego

1

LP 02

LP 21

LP 01

LP 11b

1 2 3 4 5 6V


Dyspersja włókna

Dyspersja → poszerzanie impulsu i ograniczenie pasma

Rodzaje dyspersji• międzymodowa• materiałowa (chromatyczna)• własna (światłowodowa, wynik fluktuacji n, λ, a)• polaryzacyjna


Propagacja różnych modów w światłowodzie skokowym

t


Dyspersja modowa

Dyspersja [s]

1. 10-6

0.11. 10-9

1 10.

a

1. 10-6

b

1. 10-7

1. 10-8

100.

Długość Światłowodu [km]

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.


Propagacja różnych modów w światłowodzie gradientowym

t

1

21,8 n

nnskok

grad −=∆

∆≈

τ∆τ∆


Propagacja w światłowodzie jednomodowym

t


Dyspersja chromatyczna i własna

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7-30

-20

-10

0

10

20

30D

yspe

rsja

[ps/

(km

-nm

)]

Dyspersja (całkowita)

Dyspersja materiałowa

Dyspersja światłowodowaλZD

Długość fali [µm]


Dyspersja całkowita włóknan

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

Dys

pers

ja [p

s/(k

m-n

m)] Standardowa

Dyspersja płaska(DFF)

Dyspersja przesunięta(DSF)

1.54

r

Długość fali [µm]


TŁUMIENIE WŁÓKNA ZE SZKŁA KWARCOWEGO W FUNKCJI DLUGOŚCI FALI ŚWIATŁA

Okna telekomunikacyjne i generacje systemów światłowodowyc

h

[dB/km]

II ok

no

III o

kno

V ok

no?50

30

I okn

o

IV o

kno

10

5

0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8

0.30.5

1

0.1

3

Tłum

ieni

e

[µm]Długosc fali


Standardowe (ITU) okna transmisji

• O-Band (1,260nm to 1,360nm), • E-Band (1,360nm to 1,460nm),• S-Band (1,460nm to 1,530nm),• C-Band (1,530nm to 1,565nm),• L-Band (1,565nm to 1,625nm)• U-Band (1,625nm to 1,675).

• Pasmo nie zdefiniowane przez ITU, ale stosowane w sieciach światłowodowych - 850nm.

Podstawowe w³aœciwoœci œwiat³owodów - · PDF...

Documents

Transcript of Podstawowe w³aœciwoœci œwiat³owodów - · PDF...