Optoelektronika II. Przyrządy fotoniki

Transkrypt

1 Optoelektroika II. Przyrządy fotoiki Wprowadzeie Uwaga: Wykład zawiera podsumowaie wiadomości z wykładów Światłowody I i Światłowody II. Prezetacja zawiera kopie folii omawiaych a wykładzie. Niiejsze opracowaie chroioe jest prawem autorskim. Wykorzystaie iekomercyje dozwoloe pod warukiem podaia źródła. Sergiusz Patela

2 Schemat łącza światłowodowego Źródło światła (adajik) szum Detektor światła (odbiorik) Elektryczy sygał wejściowy Światłowód Elektryczy sygał wyjściowy Sergiusz Patela Optoelektroika II - Wprowadzeie

3 Schemat systemu światłowodowego i przyrządy fotoiki Źródło światła Wzmaciacze Kompesatory Detektor światła Światłowody Przełącziki Modulatory Multipleksery Sergiusz Patela Optoelektroika II - Wprowadzeie 3

4 Jak działa światłowód? Efekty i zjawiska, które ależy uwzględić aby w pełi zrozumieć zasadę działaia i możliwości światłowodu: Częstotliwość światła Światło to fala elektromagetycza o częstotliwości 3x10 14 Hz, (prawie milio GHz). Całkowite wewętrze odbicie i bardzo małe tłumieie materiału W światłowodach sygał może rozchodzić się bez regeeracji a zacze odległości Falowa atura światła (iterferecja) i mody światłowodu Budowę światłowodu i wiele jego podstawowych parametrów moża wyjaśić tylko uwzględiając fakt, że światło to fala elektromagetycza rozchodząca się w falowodzie o małych wymiarach poprzeczych. Sergiusz Patela Optoelektroika II - Wprowadzeie 4

5 Włóko - całkowite wewętrze odbicie Całkowite wewętrze odbicie Średica rdzeia światłowodu: 10 do 50 mm a długości 1 m daje około odbić. Przy współczyiku odbicia 99% doprowadzi to do do wytłumieia sygału w stosuku = Sergiusz Patela Optoelektroika II - Wprowadzeie 5

6 10 zalet włókie światłowodowych 1. Ogroma pojemość iformacyja pojedyczego włóka. Małe straty = zdolość przesyłaia sygałów a zacze odległości 3. Całkowita iewrażliwość a zakłóceia elektromagetycze 4. Mała waga 5. Małe wymiary 6. Bezpieczeństwo pracy (brak iskrzeia) 7. Utrudioy (prawie iemożliwy) podsłuch przesyłaych daych. 8. Względie iski koszt (i ciągle spada) 9. Duża iezawodość (poprawie zaistalowaych łączy światłowodowych) 10 Prostota obsługi. Sergiusz Patela Optoelektroika II - Wprowadzeie 6

7 Pozaj swojego wroga: wady włókie światłowodowych 1. większa cea. droższe adajiki i odbioriki 3. droższe i bardziej skomplikowae łączeie 4. światłowodu ie moża wykorzystać co zasilaia urządzeia końcowego (p. telefou) Sergiusz Patela Optoelektroika II - Wprowadzeie 7

8 Krótka historia optoelektroiki Aleksader Graham Bell wyalazł (1880 opatetował) fototelefo. Urządzeie pozwalało komuikować się a odległość 00 m efekt światłowodowy w dielektrykach, Lord Tydal badaia i prace teoretycze ad światłowodami, Lord Rayleigh (Hodros, Debye 1910) Wyalezieie lasera (Schawlow, Towes, 1958) 196 Impulsowy laser GaAs (Hall i i., Natha i i. 196) propozycja stosowaia światłowodów gradietowych w telekomuikacji (Miller 1965) Wskazaie, że szkła kwarcowe mogą być stosowae w telekomuikacji do wytwarzaia światłowodów o małych stratach (Kao, Hockma 1966) 1968 Publikacja t małych strat w bryłach topioego kwarcu (Kao, Davis 1968) 1968 Produkcja pierwszego światłowodu telekomuikacyjego (Uchida i i. 1969) 1970 Produkcja włóka o stratach < 0 db/km, Corig Glass Compay (Kapro i i. 1970) 1985 Opracowaie wzmaciacza światłowodowego (zespół a Uiversity of Southampto). Pompowaie laserem półprzewodikowym = 650m 3m włóka dało wzmocieie 15 db dla fali = 1.55 m < Wprowadzeie systemów WDM, włóka plastikowe? Sergiusz Patela Optoelektroika II - Wprowadzeie 8

9 Klasyfikacja światłowodów Klasyfikacja (ze względu a strukturę światłowodu): włókiste - plaare szklae - plastikowe jedomodowe - wielomodowe plaare - paskowe,... skokowe - gradietowe stadardowe - specjale Iy typ klasyfikacji - ze względu a zastosowaie: telekom, datakom czujiki obrazowody, wzieriki oświetleie, zdobictwo Sergiusz Patela Optoelektroika II - Wprowadzeie 9

10 Podstawowe parametry światłowodów - zestawieie Optycze(tłumieie, dyspersja, straty Fresela, współczyik załamaia, różica współczyików załamaia rdzeia i płaszcza, apertura umerycza, modowość, częstotliwość (grubość) zormalizowaa V, grubość odcięcia modu (długość fali odcięcia), maksymala moc prowadzoa) Geometrycze Mechaicze Sergiusz Patela Optoelektroika II - Wprowadzeie 10

11 Podstawowe parametry światłowodów - dae Tłumieie [db/km] włóka jedomodowe 1310m 0,33-0,4 1550m 0,18-0,5 włóka wielomodowe (gradietowe) 850m,4-,7 (50/15),7-3, (6,5/15) 1300m 0,5-0,8 0,6-0,9 Dyspersja chromatycza włókie jedomodowych [ps/km.m] m 3,5 1550m 18 Pasmo trasmisji włókie wielomodowych [MHz.km] 850m (50/15) (6,5/15) 1300m Sergiusz Patela Optoelektroika II - Wprowadzeie 11

12 Podstawowe właściwości światłowodów - przypomieie i krótkie podsumowaie Metody aalizy optyki geometryczej Prawo odbicia Prawo załamaia Metody aalizy optyki falowej Rówaia Maxwella Rówaie falowe Rówaia modowe i właściwości modowe Dyspersja

13 Rówaia Maxwella B E = t D H = + J t D = ρ B = 0 gdzie: J = gęstość prądu [A/m], ρ = gęstość ładuku [C/m3] D = ε E = ε 0 E+ P B= µ H = µ 0 H + M Sergiusz Patela Optoelektroika II - Wprowadzeie 13

14 Rówaia falowe E E µε = t H H µε = t 0 0 [ ( )] E = E 0 ( x ) exp i ω t β z y y E x 0 y + [ ] k β E = 0 0 y Sergiusz Patela Optoelektroika II - Wprowadzeie 14

15 Sergiusz Patela Optoelektroika II - Wprowadzeie 15 Rówaie modowe światłowodu plaarego - mody TE (),... 0,1,, cos 0 = π = Φ Φ θ m m t k c s f θ θ = Φ si si f f c f c θ θ = Φ si si f f s f s θ θ = Φ si si f f c f c f c θ θ = Φ si si f f s f s f s

16 Wykres modowy: TE i TM Krzywe modowe TE i TM f=., s=1.5, c= Neff d [um] Zależość efektywego współczyika od grubości warstwy dla trzech pierwszych modów TE i TM światłowodu plaarego Sergiusz Patela Optoelektroika II - Wprowadzeie 16

17 Liczba modów we włókie światłowodowym N V gdzie: V = π a λ 0 a ( ) π 1/ = NA 1 λ 0 Przykład: Liczba modów w typowym światłowodzie wielomodowym 50/15 średica a = 5 µm Apertura umerycza NA = 0.0 Długość fali 1 µm V = * 3.14 * 5 * 0.0 /1 = 31.4 N = (31.4) / 493 Sergiusz Patela Optoelektroika II - Wprowadzeie 17

18 Rozkłady pola elektryczego dla trzech pierwszych modów światłowodu plaarego E 1 x - -1,5-1 -0,5 0, s = 1,5, f =, c = 1, λ = 633 m Sergiusz Patela Optoelektroika II - Wprowadzeie 18

19 Mody hybrydowe światłowodu włókistego 1 HE 11 TM 01 b TE 01 EH 11 HE 31 HE 1 HE V Sergiusz Patela Optoelektroika II - Wprowadzeie 19

20 Mody LP światłowodu włókistego 1 LP 0 1 LP 11 b LP 1 LP V Sergiusz Patela Optoelektroika II - Wprowadzeie 0

21 Dyspersja włóka Dyspersja poszerzaie impulsu i ograiczeie pasma Rodzaje dyspersji międzymodowa materiałowa (chromatycza) własa (światłowodowa, wyik fluktuacji, λ, a) polaryzacyja Sergiusz Patela Optoelektroika II - Wprowadzeie 1

22 Propagacja różych modów w światłowodzie skokowym t Sergiusz Patela Optoelektroika II - Wprowadzeie

23 Dyspersja modowa Dyspersja [s] a b Długość Światłowodu [km] Dyspersja modowa światłowodu wielomodowego. 1 = 1,54, NA = 0,. a) wykres otrzymae ze wzoru, b) przykładowy wykres zmierzoy. Dla włóka o długości (L) do 1 km dyspersja jest proporcjoala do L, dla większych odległości dyspersja jest proporcjoala do pierwiastka z L. Sergiusz Patela Optoelektroika II - Wprowadzeie 3

24 Propagacja różych modów w światłowodzie gradietowym t τ τ grad skok 1, = 8 1 Sergiusz Patela Optoelektroika II - Wprowadzeie 4

25 Propagacja w światłowodzie jedomodowym t Sergiusz Patela Optoelektroika II - Wprowadzeie 5

26 Dyspersja chromatycza i własa 30 Dyspersja [ps/(km-m)] Dyspersja materiałowa Dyspersja (całkowita) λ ZD Dyspersja światłowodowa Długość fali [µm] Sergiusz Patela Optoelektroika II - Wprowadzeie 6

27 Dyspersja całkowita włóka d = ~9 µm 15 µm r Dyspersja [ps/(km-m)] Stadardowa Dyspersja płaska (DFF) Dyspersja przesuięta (DSF) Długość fali [µm] Sergiusz Patela Optoelektroika II - Wprowadzeie 7

28 Zapotrzebowaie a urządzeia optoelektroiki zitegrowaej Produkt Nadajiki i odbioriki (ml USD) % i Pasywe urządzeia DWDM Przełącziki Wzmaciacze Urządzeia pomiarowo kotrole Systemy połączeń, magistrale Backplae Applicatios Ie Razem Główe obszary zastosowań: sieci dostępowe i metropolitale Kluczowe techologie: packagig, itegracja hybrydowa Source: Commuicatios Idustry Researchers Ic. Sergiusz Patela Optoelektroika II - Wprowadzeie 8

29 Metody optycze badaia półprzewodików. Pomiary parametrów optyczych warstw epitaksjalych mikroskopia spektroskopia (UV, VIS, IR, Far IR) spektroskopia m.-liii (m.-lie spectroscopy), pomiary światłowodów plaarych fotolumiescecja pomiary absorpcji, odbicia refraktometria (pomiary współczyika załamaia) Sergiusz Patela Optoelektroika II - Wprowadzeie 9

30 Fala świetla, właściwości i parametry Częstotliwość około Hz (duża pojemość kaału trasmisyjego), iewrażliwość a przesłuchy, brak emisji zakłóceń, "rówoległość" propagacji Parametry: atężeie, częstotliwość, prędkość, długość fali, polaryzacja, spójość, droga koherecji, moochromatyczość. Sergiusz Patela Optoelektroika II - Wprowadzeie 30

31 Lasery klasyfikacja i porówaie Ośrodek laserujący: 1. gazowe ekscymerowe zjoizoway gaz szlachety (Ar) + fluorkowiec, atomowe (He-Ne), molekulare, cząsteczkowe (CO, N ), joowe (Ar). a ciele stałym (rubi, Nd:YAG,...) 3. barwikowe 4. chemicze 5. półprzewodikowe 6. światłowodowe Sergiusz Patela Optoelektroika II - Wprowadzeie 31

32 Lasery zastosowaia i porówaie metrologia telekomuikacja cięcie, spawaie, korekcja modyfikacja materiału przesyłaie iformacji zapisywaie i przetwarzaie iformacji fotolitografia medycya: chirurgia skalpel laserowy, koagulacja, aświetlaia, prześwietlaie (IR) Sergiusz Patela Optoelektroika II - Wprowadzeie 3

33 Metody modulacji światła Modulacja bezpośredia źródła Modulacja pośredia Metody: elektrooptycza, elastooptycza, akustooptycza, magetooptycza, termicza (materiały) Sergiusz Patela Optoelektroika II - Wprowadzeie 33

34 Światłowody - podstawowe parametry 1. Optycze (tłumieie, dyspersja, straty Fresela, współczyik załamaia, różica współczyików załamaia rdzeia i płaszcza, apertura umerycza, modowość, częstotliwość (grubość) zormalizowaa V, grubość odcięcia modu). Geometrycze 3. Mechaicze Sergiusz Patela Optoelektroika II - Wprowadzeie 34

35 Światłowody - systematyka, porówaie Zastosowaie: 1. telekom, datakom. czujiki 3. obrazowody, wzieriki 4. oświetleie, zdobictwo Klasyfikacja: 1. włókiste - plaare. szklae - plastikowe 3. jedomodowe - wielomodowe 4. plaare - paskowe, skokowe - gradietowe Sergiusz Patela Optoelektroika II - Wprowadzeie 35

36 Źródła światła - klasyfikacja Róże typy źródeł światła, klasyfikacja aplikacyja: 1. diody lumiescecyje. lasery półprzewodikowe 3. źródła termicze 4. wyładowaie jarzeiowe (świecejie zjoizowaego gazu) 5. łukowe 6. słońce - eergia jądrowa Klasyfikacja lamp oświetleiowych: żarowe jarzeiówki = fluorescecyje jarzeiowe - eoy łukowe (sodowe, Xe, Hg) Sergiusz Patela Optoelektroika II - Wprowadzeie 36

37 Źródła światła klasyfikacja CD Klasyfikacja ze względu a charakterystykę promieiowaia: długość fali szerokość widmowa liii moc Parametry wyróżiające światło laserowe: moochromatycze, spóje (koherete), skolimowae, spolaryzowae Sergiusz Patela Optoelektroika II - Wprowadzeie 37

38 Pytaia sprawdzające 1. Wymieić zalety światłowodu związaie z dielektryczą aturą ośrodka prowadzącego światło. Wymieić zalety światłowodu związae z właściwościami fali ośej stosowae do trasmisji 3. Jaka firma i w którym roku opracowała pierwsze komercyje włóka światłowodowe. Ile wyosiło tłumieie tych światłowodów 4. Wyjaśić, która dyspersja i w jaki sposób zależy od apertury umeryczej światłowodu 5. Wymieić urządzeia (główe grupy) optoelektroiki zitegrowae stosowae w owoczesych systemach światłowodowych 6. Narysować i porówać rozkłady pola fali świetlej dla trzech pierwszych modów światłowodu. Jakie są kosekwecje tych rozkładów dla techologii i kostrukcji przyrządów optoelektroiki zitegrowaej. Sergiusz Patela Optoelektroika II - Wprowadzeie 38