Grupa R51 Wykład 30 godzin Laboratorium w ramach lab USF. Prowadzący: prof. dr hab. inż. Małgorzata Kujawińska pok.

Transkrypt

1 Grupa R5 Wykład 3 godzin Laboratorium w ramach lab USF Prowadzący: prof. dr hab. inż. Małgorzata Kujawińska m.kujawinska@mchtr.pw.edu.pl pok.55 Zaliczenie wykładu - kolokwia (po 3 pkt) Konieczność zaliczenia każdego kolokwium min na 6pkt

2 Laboratorium SUF Badanie podstawowych parametrów światłowodu wielo- i jednomodowego, problemy sprzęgania z różnymi typami źródełświatła i z detektorami. Badanie wybranych elementów toru światłowodowego: złączki, sprzęgacza, izolatora i kontrolera polaryzacji. Realizacja i badania wybranych sensorów intensywnościowych i interferencyjnych. Badanie światłowodu utrzymującego stan polaryzacji i budowa czujnika polarymetrycznego Optoelektroniczne przesyłanie sygnału audio-video torem transmisji światłowodowej

3 Program wykładu. Wstęp - historia i główne problemy rozwoju techniki światłowodowej. Opis propagacji fali elektromagnetycznej w światłowodach analiza propagacji dyspersja tłumienie 3. Technologia wykonania światłowodów materiały metody wytwarzania

4 Program wykładu 4. Elementy toru światłowodowego kabel światłowodowy złącza sprzęgacze wzmacniacze modulatory elementy polaryzacyjne 5. Wybrane zastosowania - telekomunikacja światłowodowa - czujniki światłowodowe

5 LITERATURA. Szustakowski M.: Elementy techniki światłowodowej, Wyd. Naukowo- Techniczne, Warszawa, 99. Majewski A.: Podstawy techniki światłowodowej, Oficyna Wyd. PW, Warszawa 3. Smoliński A.: Optoelektronika światłowodowa, Wyd. Kom. Łaczności Warszawa Domański A.W.: Układy i urządzenia optoelektroniczne, Wyd. w ramach "Tempus Series in Applied Physics", Oficyna Wyd. PW, Warszawa Saleh A.E., Teich M.C.: Fundamentals of Photonics, J. Wiley & Sons, Inc. New York 99, rozdziały 8 i 6. Skrypt wykładowy, Fibre Optics Sensors,Cranfield Univ. red. R. Tatama 7. R. Jóźwicki Podstawy Inżynierii Fotonicznej, Oficyna Wyd. PW 6 8. Hecht J.:Understanding fiber optics components, kurs SPIE Udd E.: Fiber optic sensors, J.Wiley and Sons Inc., 99

6 Historia 87 J.Tyndal - prowadzenie światła w strumieniu wody 954 A.C. Van Heel propozycja światłowodu z płaszczem 96 T.H.Maiman laser rubinowy 963 zjawisko laserowe w półprzewodnikach 966 K.C.Kao pomysł systemu telekomunikacyjnego bazującego na prowadzeniu światła w kołowym dielektrycznym falowodzie w płaszczu 97 Corning Glass światłowód o tłumieniu < db/km 97 Corning Glass światłowód o tłumieniu < 5dB/km 977 pierwsze eksperymentalne systemy łączności

7 Rozwój techniki światłowodowej zmniejszenie tłumienności i dyspersji i dopasowanie ich charakterystyk widmowych wzmacniacze i lasery światłowodowe lasery półprzewodnikowe urządzenia zintegrowanej optyki światłowodowej techniki modulacji i detekcji

8 ETAPY ROZWOJU Telekomunikacji Swiatłowodowej etap I (975): światłowody pierwszej generacji: wielomodowe, źródło diody elektroluminescencyjne.87μm - etap II (978): zastosowano światłowody jednomodowe oraz źródła i detektory Dl dla.3μm. Osiągnięto iloczyn przepływności binarnej przez długość równą Gbit km/s - etap III (98): zmniejszono tłumienność w światłowodach trzeciej generacji. Zastosowano lasery dla fal o długości.55μm, uzyskano setki Gbit km/s - etap IV (984): światłowody czwartej generacji to światłowody utrzymujące stan polaryzacji. Pojawiły się koherentne systemy transmisji - etap V (989): w piątej generacji światłowodów wykorzystano zjawiska nieliniowe, uzyskano Gbit km/s. W przypadku symulowania transmisji na dużą odległość przy użyciu pętli i światłowodów aktywnych zwiększono tą wartość tysiąckrotnie. Wykonano bramkę Gb/s, a więc możliwe jest powiększenie przepływności binarnej. - etap VI (): w szóstej generacji wykorzystanie światłowodów fotonicznych, dalsze zmniejszenie strat

9 TECHNIKA ŚWIATŁOWODOWA Telekomunikacja Sensory OGÓLNE TENDENCJE DO: pełnej fotonizacji systemu teletransmisji: dążenie do przesyłania sygnału CYFROWEGO a nie analogowego automatyzacji systemów produkcyjnych, komercyjnych, medycznych, transportowych i innych TŚ techniką perspektywiczną bo: limit transmisji optycznej THz a długość impulsu ps ale obecnie ograniczenia elektr. Urządzeń przetwarzających ok. 6-GHz zastąpienie wzmacniaczy elektronicznych optycznymi zastąpienie odgałęzień elektronicznych - sprzęgaczami światłowodowymi sterowanie sygnałem optycznym - nieliniowe efekty optyczne kompatybilność ze zminiaturyzowanymi źródłami światła i z detektorami Tworzenie systemów all fiber Tworzenie systemów fotonicznych: światłowodowo-planarnych

10 Zalety systemów światłowodowych bardzo duża przepływność i pojemność informacyjna długie odcinki międzyregeneratorowe brak zakłóceń powodowanych zewnętrznym polem elektromagnetycznym brak efektów zwarć wewnętrznych bezpieczeństwo transmisji danych małe rozmiary i masa dostępność materiału (kwarc) możliwości zastosowań w systemach pomiarowych

11 Zalety światłowodów Niewielka waga ok. kg 3m św. z pokryciem kabel koncentr. 4 kg 3m Mały wymiar Sw. Φ.cm - 33 światłowody (.75 mln rozmów tel.) KK Φcm Dobre zabezpieczenie przed podsłuchem/ ingerencją w przesyłane informacje Łatwość integracji toru światłowodowego z: (4.3 rozmów tel - elementami planarnymi (zintegrowane tory fotoniczne) - systemami konwencjonalnymi (możliwośc miniaturyzacji tych systemów)

12 Zalety światłowodów cd Elastyczność Nie pęka zginany na elemencie Φ3mm Odporny na szumy elektromagnetyczne Odporny na korozję, wysokie temperatury i wpływ ośrodków skażonych (szkodliwych dla zdrowia) Bezpieczny dla pracy w ośrodkach grożących wybuchem (brak zwarcia i iskrzenia przewodów) Niska tłumienność Dla λ.55μm tylko.6db/km wzmacnianie niezbędne po kilkuset km W kablach koncentrycznych 9dB/km i wzmacniacze co km

13 Zalety światłowodów cd Szerokie pasmo Dla światłowodu gradientowego od do GHz. Przepływność Gbit/s. Graniczna wartość kabli koncentrycznych 4Mbit/s Multipleksing Transmisja informacji tym samym światłowodem na różnych nośnikach - różne λ, różna polaryzacja

14 Modowość propagującego się promieniowania skokowa zmiana n wielomodowy step-index gradientowy wielomodowy skokowy jednomodowy Podstawowa wada: dyspersja ) materiałowa ) falowodowa 3) wielomodowa

15 Przykładowe parametry Typ Φ rdzenia Φ płaszcza NA Kąt akceptacji μm μm stopnie Skokowy Gradientowy Jednomodowy Włókno jednomodowe ma średnicę poniżej μm Im krótsza długość fali, tym mniejsza średnica Rozkłady intensywności dla różnych modów

16 Włókna bazujące na fotonicznych kryształach ach Światlowody fotoniczne Swiatłowód fotoniczny jest światłowodem z płaszczem wykonanym z kryształu fotonicznego a rdzeniem uformowanym w wyniku defektu w strukturze periodycznej kryształu

17 Propagacja fali w falowodzie -Powtórzenie płytkowy paskowy Falowody Kąt graniczny Fala prowadzona w falowodzie dla n >n sin i i > i ig i ig n n Brak spełnienia warunku fala częściowo wycieka poza falowód x n i n n z n

18 d x α n A i n α B z Mody falowodu Ponieważ n n Propagują się tylko te fale, które po dwóch odbiciach są w fazie z falą padającą Nazywamy je modami falowodu i warunek zgodności fazy α C d sinα AB ACcosα więc AC AB ( cos α ) d sinα lub n dcosi ϕ πm m k k n dsinα ϕ πm m,,,k gdyż + α. 5π ϕ jest skokiem fazy przy odbiciu różnym dla składowej równoległej i prostopadłej i,,,k

19 x d ϕ tg II ϕ tg n i n n n n ( n sini ) ( n sini ) n n cosi cosi n n z α Mody falowodu cd Kąt graniczny i g sin i Skoki fazy ϕ przy całkowitym wewnętrznym odbiciu ϕ tg II ϕ tg cos i g n n + α. 5π α cos sinαcos cos + α. 5π α cos sinα Zmiana α od do α g zmiana ϕ od π do i g α α α g g g g

20 Warunek zgodności fazy k Mody falowodu cd ndcosi πm ϕ m,,,k Dla składowej prostopadłej (ϕ ) można przepisać jako n d cos α cos α g tg π sinα.5m m,,,k λ sinα n Dla danego falowodu dane n, n, d i λ cos αg sinig n λ i oznaczając A jako stałą dla danego falowodu n d lewa strona równania ( α) L sin tg π sin α m A P prawa strona równania ( sinα) dla różnych m cos α cos sinα α g

21 π sinα L ( sinα) tg m P ( sinα) P II A Linia P Linie L cos α cos sinα α g m A sinα g sinα Na przecięciu się linii L i P mamy sinα m odpowiadające modowi m kąta α m Różne linie P dla składowych II i a więc różne kąty α m

22 Liczba modów propagujących się w falowodzie x n d n i pg n i p i n g α g z A λ n d M więc sinα A g M d λ n dn λ n cosi n g λ dn λ d NA n n ale gdyż gdzie NA sini pg sin i n g n n cosig n sinip sinipg jest aperturą numeryczną falowodu zdefiniowaną dla kąta granicznego i pg promienia wchodzącego do falowodu z powietrza

23 Rozkład propagującego się pola d x α m n -α m n n z Mamy dwie fale płaskie propagujące się pod kątem α m jak i -α m n wektory propagacji modu m Składowe wektorów propagacji w płaszczyźnie x-z dla α m k( nk sin αm,nk cosαm ) Fale te interferują w i -α k( nk sin αm, nk cosαm ) obszarze falowodu m Zgodnie z warunkiem zgodności fazy k nd cosi ϕ πm następuje przeskok fazy o π między sąsiednimi modami Dla m parzystych fale się dodają, a dla nieparzystych - odejmują

24 V α Dla m parzystych Dla m nieparzystych Ponieważ Rozkład propagującego się pola cd V p ( x,z) V α ( x,z) + V α ( x,z) ( x,z) V ( x,z) V ( x,z) V np ( x,z) V exp[ i( k x + k z) ] V exp[ in k ( x sinα + z α )] x z m cos Więc w obszarze falowodu V V p np ( x,z) ( x,z) V cos ( nk x sinαm ) ( x sinα ) isin n k Amplitudy modów (.5 ) i exp iπ m α α ( zcosα ) exp in k Propagacja w kierunku z m m stałe przesunięcie fazowe m,,4, L m,3,5, L

25 V V p np ( x) ( x) Rozkład amplitud propagującego się pola V cos sin ( nkx sin αm ) m,,4, ( n k x sin α ) m,3,5, L m L Wzory dotyczą rozkładu wewnątrz falowodu.5d < x <.5d x m 3 8 mody d z Jak pole wygląda poza obszarem falowodu?