światłowód światłowód gradientowy n 2 <n 1 n 1

Transkrypt

1 światłowód n 2 <n 1 n 1 światłowód gradientowy

2 rodzaje światłowodów

3 zastosowania światłowodów lokalne sieci transmisyjne telekomunikacja światłowodowa czujniki światłowodowe obrazowody optyczne układy scalone inne... historia światłowodów włóknistych teoria światłowodu kołowego (Hondros, Debye) światłowody bezpłaszczowe (Baird, Hansell, Lamm) idea włókna optycznego (Kao, Hockam) światłowód włóknisty 20dB/km (Kapron, Keck, Maurer)

4 szkło SiO 2 0,5 ~1/λ nm 0,4 razem straty 0,3 0,2 absorpcja IR 0,1 0,0 0,7 0,9 1,1 1,3 1,6 1,8 2,0 długość fali [µm]

5 światłowód telekomunikacyjny 1550 nm 1280 nm 1625 nm 50 THz

6 w kablu koncentrycznym (φ 7mm) 1% energii na odległości: ~1000m dla 10MHz ~300m dla 100MHz ~100m dla 1000MHz w światłowodzie (φ 0,1mm) 1% energii na odległości: ~100 km dla 100THz

7 1 E n 2 A B y θ θ 2a A C π 2θ 2θ π/2 k 1 x θ 2 n 1 1 n 2 B z mody światłowodowe 1 m=0 m=1 y sinθ m=2 m=3 n 2 E(y) m= 0 m= 1 m= 2 2a n 1 sinθ GR V=(n 12 n 22 ) 1/2 a/λ n 2

8 impulsy czasowe A(t) A(ω) t ω A(t) impuls przesłany przez światłowód ulega wydłużeniu w wyniku dyspersji v=c/n dyspersja t ω

9 dyspersja w światłowodzie Współczynnik dyspersji [ps km -1 nm -1 ] 30 n dyspersja materiałowa r 0-10 λ 1 λ 2 dyspersja wypadkowa -20 dyspersja falowodowa λ [µm]

10

11

12 światłowody utrzymujące polaryzację światłowody dwójłomne E-core, E-clad, Bow-tie, PANDA L B ~ 50 m dla SMF L B < 5 mm dla HBF

13 sprzęgacz kierunkowy ), )exp(, ( ) ( ) )exp(, ( ) ( ),, ( z i y x z A z i y x z A z y x β β + = E E E ( ) ( ) , 2 exp, 2 exp β β δ δ κ δ κ = = = z i A A dz d i z i A A dz d i A 1 (L) z=0 y z x z=l A 2 (L) A 0

14 sprzęgacz kierunkowy , ,8 700 P / P 0 0,6 0,4 δ = 0 δ = 0.5κ , ,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 κz / π

15 sprzęgacz kierunkowy 1.0 P out / P in długość sprzęgacza 1 λ 1 + λ 2 λ 1 λ 2 λ 1 λ 2 λ 1 + λ 2

16 sprzęgacz kierunkowy

17 optyczny cyrkulator

18 elektrooptyczne zjawisko w światłowodzie paskowym Coplanar strip electrodes V(t) Thin buffer layer Polarized input light L d E a LiNbO 3 LiNbO 3 EO Substrate y x Waveguide z Cross-section

19 światłowodowe modulatory elektrooptyczne V(t) In C A B Electrode B D A Waveguide Out interferometr Macha-Zehndera LiNbO 3 EO Substrate V(t) sprzęgacz kierunkowy Out LiNbO 3 EO Substrate

20 Wzmacniacz optyczny w domieszkowanym erbem światłowodzie EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) Er 3+ (10-20 m) λ = 1550 nm λ = 1550 nm λ = 980 nm

21 scalony układ 4 laserów do WDM

22 czujniki światłowodowe źródło sensor Detektor źródło sensor Detektor

23 CZUJNIKI ŚWIATŁOWODOWE: natężeniowe interferometryczne polarymetryczne SYGNAŁ OPTYCZNY: amplituda (natęż ężenie) rozkład widmowy faza (częstotliwo stotliwość) stopień spójno jności stan polaryzacji stopień polaryzacji

24 termometr światłowodowy GaAs LED Det d λ abs dt 0,28 nm/k

25 czujniki polarymetryczne czujniki polarymetryczne ( ),...;,, ; 2 ε λ π δ δ p T X X n L X L n X = + = Φ x y światłowód HB POLARYZATOR φ ANALIZATOR α L I(z=L) = 0.5[1+cos2αcos2φ + γ sinαsin2φcos Φ, Φ = βl

26 zjawisko Sagnaca L ~ Ω Ω Ω φ = φ R φ L = γ Ω

27 żyroskop światłowodowy (Interferometric Fiber-Optic Gyro) PM DC Pol DC SLD Ω Det I det = I 0 + I r cos ( γω + f sinω m t )

28 żyroskop światłowodowy (Interferometric Fiber-Optic Gyro) liczne zastosowania (samoloty, rakiety taktyczne, pojazdy samosterujące, statki wodne) długa pętla światłowodu dwójłomnego zwiększa czułość podraża koszty czuła na zmiany temperatury

29 żyroskop światłowodowy (Resonator Fiber-Optic Gyro) Det DC FS Ω DC DC LD DC FS Det

30 α>α 0 R>R 0 log P czujniki rozłożone one (OTDR) LD DC t = 2z/v Det P ~ R exp ( 2 ) α( z) d z

31 SIEĆ CZUJNIKÓW duża a pojemność kanału światłowodowego rozwinięte systemy lokalnych sieci światłowodowych mniejsze koszty jednostkowe czujnika wiele sposobów w tworzenia sieci czujników światłowodowych SYSTEMY ADRESOWANIA przestrzenne (SDM) czasowe (TDM) różne długod ugości fali (WDM) modulacja częstotliwo stotliwości (FDM) różny stopień koherencji mieszane ortogonalna modulacja (różne parametry fali świetnej)

32 CZUJNIKI ŚWIATŁOWODOWE korzystające z nowych technologii mało o rozpowszechnione drogie wymagające dalszych udoskonaleń CZUJNIKI ŚWIATŁOWODOWE elektrycznie obojętne szerokopasmowe bezpieczne w wybuchowym środowisku nieczułe e na zakłócenia elektromagnetyczne o wysokiej czułości ci o małych rozmiarach i cięż ężarze pomiary na dużych odległościach bezpośrednio sprzęgane z liniami telekomunikacyjnymi

33 kryształy fotonowe ε 1 ε 2 ε 2 ε 1 PBG PBG ε 2 ε 1 PBG

34 światłowód fotoniczny n 2 /n 3 n 1 n 2 /n 3 całkowite odbicie w wyniku odbicia od struktury periodycznej

35 światłowody fotoniczne klasyczny swiatłowód

36 światłowód fotoniczny

37

38 FOTONIKA fotony są nośnikiem danych w układach przesyłania i przetwarzania informacji

39 wytwarzanie, przesyłanie i przetwarzanie informacji