Światłowody II. Właściwości i zastosowania światłowodów. Wprowadzenie. Uwaga: Wykład zawiera podsumowanie wiadomości z wykładu Światłowody I

Transkrypt

1 Światłowody II Właściwości i zastosowaia światłowodów Wprowadzeie Uwaga: Wykład zawiera podsumowaie wiadomości z wykładu Światłowody I Prezetacja zawiera kopie olii omawiaych a wykładzie. Niiejsze opracowaie chroioe jest prawem autorskim. Wykorzystaie iekomercyje dozwoloe pod warukiem podaia źródła. Sergiusz Patela

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

3 Jak działa światłowód? Eekty i zjawiska, które ależy uwzględić aby w pełi zrozumieć zasadę działaia i możliwości światłowodu: Częstotliwość światła Światło to ala 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 (itererecja) i mody światłowodu Budowę światłowodu i wiele jego podstawowych parametrów moża wyjaśić tylko uwzględiając akt, że światło to ala elektromagetycza rozchodząca się w alowodzie o małych wymiarach poprzeczych. Sergiusz Patela Swiatłowody II - Wprowadzeie 3

4 Nietelekomuikacyje zastosowaia światłowodów 1. Medycya: optycze prowadice mocy optyczej (chirurgia laserowa), wzieriki(edoskopia). Przemysł samochodowy: iezawoda trasmisja daych, wyświetlacze, oświetlacze 3. Czujiki p. Lab-o-a-chip 4. Układy połączeń optyczych, optycze szyy trasmisji daych (tzw. Optical bakcplae) Sergiusz Patela Swiatłowody 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 = Podać prawo Seliusa, zdeiiować kąt graiczy, podać metodę obliczeia kąta graiczego dla graicy szkło-powietrze Sergiusz Patela Swiatłowody II - Wprowadzeie 5

6 10 zalet włókie światłowodowych 1. Ogroma pojemość iormacyja 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 Swiatłowody II - Wprowadzeie 6

7 Krótka historia otoiki Aleksader Graham Bell wyalazł (1880 opatetował) ototeleo. Urządzeie pozwalało komuikować się a odległość 00 m eekt 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 o Southampto). Pompowaie laserem półprzewodikowym = 650m 3m włóka dało wzmocieie 15 db dla ali = 1.55 m < Wprowadzeie systemów WDM, włóka plastikowe? Sergiusz Patela Swiatłowody II - Wprowadzeie 7

8 Klasyikacja światłowodów Klasyikacja (ze względu a strukturę światłowodu): włókiste - plaare szklae - plastikowe jedomodowe - wielomodowe plaare - paskowe,... skokowe - gradietowe stadardowe - specjale Iy typ klasyikacji - ze względu a zastosowaie: telekom, datakom czujiki obrazowody, wzieriki oświetleie, zdobictwo Sergiusz Patela Swiatłowody II - Wprowadzeie 8

9 Podstawowe właściwości światłowodów - przypomieie i krótkie podsumowaie Rówaia Maxwella Rówaie alowe Rówaia modowe i właściwości modowe Tłumieie Dyspersja Sergiusz Patela Swiatłowody 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 ali odcięcia), maksymala moc prowadzoa) Geometrycze Mechaicze Sergiusz Patela Swiatłowody 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 Swiatłowody II - Wprowadzeie 11

12 Rówaia Maxwella r B r E = t r r D r H = + J t D r = ρ B r = 0 gdzie: J = gęstość prądu [A/m], ρ = gęstość ładuku [C/m3] r r r D = ε E = ε 0E + r r r B µ H = µ H + = 0 r P r M Sergiusz Patela Swiatłowody II - Wprowadzeie 1

13 Rówaia alowe r r E E µε = t r r H H µε = t 0 0 [ ( )] E y = E 0 y ( x ) exp i ω t β z E x 0 y + [ ] k β E = 0 0 y Sergiusz Patela Swiatłowody II - Wprowadzeie 13

14 Sergiusz Patela Swiatłowody II - Wprowadzeie 14 Rówaie modowe światłowodu plaarego - mody TE ( ),... 0,1,, cos 0 = π = Φ Φ θ m m t k c s θ θ = Φ si si c c θ θ = Φ si si s s θ θ = Φ si si c c c θ θ = Φ si si s s s

15 Wykres modowy: Ne lub kąt N e = si θ N e Krzywe modowe TE d [µm] θ [ ] Porówaie krzywych modowych kreśloych jako zależości N e (d) i θ(d). =, s = 1.5, c = 1 Sergiusz Patela Swiatłowody II - Wprowadzeie 15

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

17 Liczba modów we włókie światłowodowym N gdzie: V V = π a ( ) 1/ = NA π a Grubość λ 1 λ charakterystycza 0 0 b β k 0 e = Uormowaa stała 1 = 1 propagacji Przykład: Liczba modów w typowym światłowodzie wielomodowym 50/15 Promień a = 5 µm Apertura umerycza NA = 0.0 Długość ali 1 µm V = * 3.14 * 5 * 0.0 /1 = 31.4 N = (31.4) / 493 Sergiusz Patela Swiatłowody 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, =, c = 1, λ = 633 m Sergiusz Patela Swiatłowody 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 Swiatłowody II - Wprowadzeie 19

20 Mody LP światłowodu włókistego 1 LP 01 LP 11 b LP 1 LP V Sergiusz Patela Swiatłowody II - Wprowadzeie 0

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

22 Propagacja różych modów w światłowodzie skokowym t Sergiusz Patela Swiatłowody 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 Swiatłowody II - Wprowadzeie 3

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

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

26 Dyspersja chromatycza i własa 30 Dyspersja [ps/(km-m)] Dyspersja materiałowa Dyspersja (całkowita) λ ZD Dyspersja światłowodowa Długość ali [µm] Sergiusz Patela Swiatłowody 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 ali [µm] Sergiusz Patela Swiatłowody II - Wprowadzeie 7

28 Oka telekomuikacyje i geeracje systemów światłowodowyc h [db/km] Tłumieie TŁUMIENIE WŁÓKNA ZE SZKŁA KWARCOWEGO W FUNKCJI DLUGOŚCI FALI ŚWIATŁA I oko II oko V oko? III oko IV oko Długosc ali [µm] Sergiusz Patela Swiatłowody II - Wprowadzeie 8

29 Stadardowe (ITU) oka trasmisji O-Bad (1,60m to 1,360m), E-Bad (1,360m to 1,460m), S-Bad (1,460m to 1,530m), C-Bad (1,530m to 1,565m), L-Bad (1,565m to 1,65m) U-Bad (1,65m to 1,675). Pasmo ie zdeiiowae przez ITU, ale stosowae w sieciach światłowodowych - 850m. Sergiusz Patela Swiatłowody II - Wprowadzeie 9