Wojciech Gawlik, Materiały fotoniczne II, wykł /2011 2

Transkrypt

1 W łókno optyczne Typowe rozmiary włokien kwarcowych: światłowód jedno-modowy (SMF): 8 µm core, 125 µm cladding światłowód wielo-modowy (MMF): 50, 62.5, 100 µm core, 125 µm cladding Profil współczynnika załamania: Skok vs. gradientowy, vs. wiele skoków Wojciech Gawlik, Materiały fotoniczne II, wykł /2011 1

2 Wojciech Gawlik, Materiały fotoniczne II, wykł /2011 2

3 Podstawowa klasyfikacja światłowodów struktura: włókniste i planarne, rozkład współczynnika załamania w rdzeniu: skokowe i gradientowe, charakterystyka modowa: jedno- i wielomodowe, materiał: szklane, plastikowe, półprzew.,... zastosowania: pasywne, aktywne, specjalne Wojciech Gawlik, Materiały fotoniczne II, wykł /2011 3

4 Wytwarzanie światłowodów podstawa kontrola współczynnika załamania szkła (domieszkowanie) Gerd Keiser, Optical Fiber Communications, 2d ed., New York: McGraw-Hill, 1991 Wojciech Gawlik, Materiały fotoniczne II, wykł /2011 4

5 Wytwarzanie światłowodów - technologia Wojciech Gawlik, Materiały fotoniczne II, wykł /2011 5

6 Wytwarzanie światłowodów wg.: Clean room: fused silica nano-droplets formed by hydrolysis of silicon tetrachloride (SiCl 4 ) inside a hydrogenoxygen torch. The soot body is dried in a dehydration furnace to remove hydroxyl groups created during the deposition process. The soot body is then vitrified into a transparent glass body by means of a large sintering furnace. These nanoparticles are then deposited using multiple torches onto a rotating bait tube. This hours-long deposition process results in a chalk-like, nanoporous silica body (known as soot body) weighing nearly 250 kgs Machining a cylinder with a precision drilled inside diameter and precision ground outside diameter Wojciech Gawlik, Materiały fotoniczne II, wykł /2011 6

7 In tubing draw towers, the high purity synthetic fused silica cylinders are drawn into wave-guide tubes. Wave-guide tubes are separated into two categories: substrate tubes used in the manufacture of core rods (with wall thickness of typically 2-3 mm) and thicker wall jacket tubes for single mode and multimode fibers. Jacket tubes are used to overclad core rods making up finished preforms or directly drawn fibers. Production of the core rod material - the chemical vapor deposition process. This process can be done using conventional burners, electrical furnaces, or plasma as the energy source for creating the deposition reaction. The light-guiding region of the core rod is created by the deposition of higher refractive index material on the inner surface of the substrate tube. The higher refractive index is achieved by doping Germanium into the glass matrix. The substrate tube is then collapsed into a rod using high heat and vacuum. Wojciech Gawlik, Materiały fotoniczne II, wykł /2011 7

8 Using the Online RIT (Rod-In-Tube) process, a jacket tube and core rod are simultaneously drawn directly into 125 µm diameter optical fiber in a fiber draw tower. An alternative to the RIT technique, is overcladding the core rod with a large machined cylinder (Online RIC - Rod-In-Cylinder). This enables customers to produce several thousand kilometers of fiber in a single-step process. The RIC process sets a new technological standard which results in a highly cost effective method for the production of optical fiber. Wojciech Gawlik, Materiały fotoniczne II, wykł /2011 8

9 Manufacturing of Optical Fiber Pulling the fiber from a given preform Wojciech Gawlik, Materiały fotoniczne II, wykł /2011 9

10 Wojciech Gawlik, Materiały fotoniczne II, wykł /

11 Wojciech Gawlik, Materiały fotoniczne II, wykł /

12 Nanoszenie warstw dielektrycznych Napylanie próżniowe Wojciech Gawlik, Materiały fotoniczne II, wykł /

13 niektóre materiały (np. półprzewodniki GaAs) mają współcz. załamania zależny od pola elektrycznego 3 światłowody elektrooptyczne n = n r V / 2t) 41 ( konieczne elektrody Wojciech Gawlik, Materiały fotoniczne II, wykł /

14 Apertura numeryczna: NA = sinus największego kąta wejścia dla światłowodu ze skokiem współcz. zał. NA 2 2 = sin( θ m) = n1 n2 n1 2 = n1 n n 1 2 Wojciech Gawlik, Materiały fotoniczne II, wykł /

15 Mody poprzeczne: dla danego rozmiaru i profilu współczynnika, całkowita liczba propagujących modów. Mod stabilny rozkład pola nie zmieniający się przy propagacji. Im większy rząd modu, tym ostrzejszy kąt mniejsza stała propagacji gorsze prowadzenie w rdzeniu Wojciech Gawlik, Materiały fotoniczne II, wykł /

16 Wzmacniacze światłowodowe Nanophotonics - The Emergence of a New Paradigm Richard S. Quimby, Department of Physics, Worcester Polytechnic Institute Wojciech Gawlik, Materiały fotoniczne II, wykł /

17 Materiały kompozytowe: cienkie warstwy dielektryczne najpierw 3 warstwy: E i E 1 E 2 jeśli n 2 >n 1 to zmiana fazy E 1 wzgl. E i ϕ 1 = π n 1 (n L ) n 2 (n H ) n 3 (n s ) jeśli 2π ϕ2 = k 2l = n2 2l λ λ n2l =, to 4 ϕ 2 = π możliwa konstr. interferencja lustro! Wojciech Gawlik, Materiały fotoniczne II, wykł /

18 więcej warstw lepsze lustro: n=1 n H n L H L H L H n S J warstw gdy nieparzyste (reflektor zaczyna się i kończy na n H ) Wojciech Gawlik, Materiały fotoniczne II, wykł /

19 Przykład: dla λ=1,06 µm, H rutyl (TiO 2 ) n H = 2,28, L kwarc (SiO 2 ) n L = 1,45 S szkło BK7 n S =1,54 R 3 62%, R = 15 J = J 99,8%, mimo, że na pojedynczej granicy H/L: R n n H L H / L = = nh + nl 2 4,9% jeśli wziąć inną grubość warstw, to inne własności, np. dla n H l = λ / 2 - interfer. destruktywna warstwa antyrefleksyjna Wojciech Gawlik, Materiały fotoniczne II, wykł /

20 cienka warstwa struktura periodyczna 1D 5d 4d 3d 2d d Filtry interferencyjne, ν = c 2nd lustra Bragga x Wojciech Gawlik, Materiały fotoniczne II, wykł /

21 światłowodowa siatka braggowska Wojciech Gawlik, Materiały fotoniczne II, wykł /