Zbigniew Porada Wprowadzenie do optoelektroniki i techniki œwiat³owodowej

Transkrypt

1 Zbigniew Porada Wprowadzenie do optoelektroniki i techniki œwiat³owodowej Wrzesieñ 2014

2 PODRÊCZNIK DLA ELEKTRYKÓW praca zbiorowa pod redakcj¹ Jana Strojnego Wprowadzenie do optoelektroniki i techniki œwiat³owodowej Autor: dr hab. in. Zbigniew Porada, prof. PK Recenzent: prof. dr hab. in. Tadeusz Pisarkiewicz Tekst dostarczono we wrzeœniu 2014 r. Od Wydawcy Optoelektronika jest dziedzin¹ techniki obejmuj¹ca projektowanie, produkcjê i badanie urz¹dzeñ przetwarzaj¹cych sygna³y elektryczne na sygna³y optyczne i zamianê sygna³ów œwietlnych na sygna³y elektryczne i stanowi obecnie jedn¹ z najszybciej rozwijaj¹cych siê dziedzin techniki nowoczesnej elektroniki w zakresie budowy i stosowania przetworników sygna³ów elektrycznych na optyczne lub odwrotnie. Optoelektronika wykorzystuje zjawiska zwi¹zane z rozchodzeniem siê, obróbk¹ i oddzia³ywaniem promieniowania elektromagnetycznego, a tak e problemami emisji oraz detekcji promieniowania, g³ównie w zakresie widzialnym. Wymaga to odpowiedniej znajomoœci podstaw optyki i elektroniki. Optoelektronika zajmuje siê tak e konstrukcj¹ i zastosowaniem urz¹dzeñ do emisji i detekcji œwiat³a, które znajduj¹ obecnie coraz szersze zastosowania w ró nych dziedzinach techniki, a tak e i np. w medycynie. Jednym z g³ównych zastosowañ wspó³czesnej optoelektroniki jest te przesy³anie informacji na du e odleg³oœci, w postaci sygna³ów œwietlnych i w takim przypadku mówimy o technice œwiat³owodowej, która znajduje równie zastosowanie np. w elektroenergetyce w technice zabezpieczeñ linii energetycznych. Znajomoœæ podstaw optoelektroniki i techniki œwiat³owodowej sta³a siê ju konieczna dla pracy in ynierów elektryków Tym zagadnieniom poœwiêcony jest obecny zeszyt naszego Podrêcznika. Jednoczeœnie w ramach programu humanizacji zawodu, we wstêpie autor przedstawi³ krótki rys historyczny zagadnienia Redakcja INPE Copyright by: COSiW SEP Zak³ad Wydawniczy INPE w Be³chatowie Utwór w ca³oœci ani we fragmentach nie mo e byæ powielany, ani rozpowszechniany za pomoc¹ urz¹dzeñ elektronicznych, mechanicznych, kopiuj¹cych, nagrywaj¹cych i innych bez pisemnej zgody posiadacza praw autorskich. Miesiêcznik INPE (Informacje o Normach i Przepisach Elektrycznych) ISSN Zeszyty Podrêcznika INPE dla Elektryków (bezp³atny dodatek dla ca³orocznych prenumeratorów INPE) Wydawca i Redakcja: SEP COSiW Zak³ad Wydawniczy INPE ul. Czapliniecka 96 wejœcie B, Be³chatów, tel redinpe@neostrada.pl, NIP: Redaktor naczelny: Tadeusz Malinowski, tel Z-ca Redaktora naczelnego: Jan Strojny, tel Biuro i ksiêgowoœæ: Ma³gorzata Filipiak, tel Sk³ad komputerowy: KON Tekst Kraków, Rok wyd. XX Druk: Leyko Kraków Nak³ad: do 5500 egz. 2 Podręcznik

3 SPIS TREŒCI 1. Wiadomoœci wstêpne Fale elektromagnetyczne i œwiat³o widzialne Optyka geometryczna (podstawowe pojêcia i postulaty) Odbicie i za³amanie œwiat³a Zasada Fermata i jej zastosowania Zjawisko ca³kowitego wewnêtrznego odbicia Soczewki W³aœciwoœci absorpcyjne i dyspersyjne materia³ów ród³a œwiat³a ród³a szerokopasmowe i o pojedynczej linii widma Pó³przewodnikowe Ÿród³a œwiat³a Rekombinacja promienista w pó³przewodnikach Diody LED, zasada dzia³ania i konstrukcje Homoz³¹czowe diody elektroluminescencyjne Heteroz³¹czowe diody elektroluminescencyjne Diody superluminescencyjne Diody laserowe, zasada dzia³ania i rodzaje Œwiat³owody Zasada dzia³ania œwiat³owodów Propagacja œwiat³a w œwiat³owodach Apertura numeryczna i mody w œwiat³owodzie Rodzaje œwiat³owodów i ich wytwarzanie Metody wytwarzania œwiat³owodów Straty mocy w œwiat³owodach, dyspersja i czas narastania Okna optyczne œwiat³owodów Straty mocy na po³¹czeniach Dyspersja w œwiat³owodach Dyspersja w œwiat³owodach jednomodowych Obliczanie ca³kowitej dyspersji i czasu narastania Sprzê enie Ÿród³a œwiat³a ze œwiat³owodem Œwiat³owody fotoniczne Solitony Detekcja œwiat³a Parametry fotodetektorów Szumy i ich rodzaje Detektory fotonowe Fotorezystory 61 3

4 Fotodiody Fotodiody p-i-n Fotodiody Schottky'ego Fotodiody lawinowe Fototranzystory Reakcja ludzkiego oka na œwiat³o Podstawowe wiadomoœci z teorii detekcji optycznej Ograniczenia kwantowe System z zak³óceniami miêdzysymbolowymi Wyœwietlacze, ich typy i parametry Wyœwietlacze plazmowe Wyœwietlacze ciek³okrystaliczne Wyœwietlacze elektroluminescencyjne Wyœwietlacze wykorzystuj¹ce OLED-y Wybrane przyk³ady zastosowañ Zastosowania w telekomunikacji Czujniki œwiat³owodowe Zastosowania w medycynie Optyka zintegrowana 103 Literatura 106 Sta³e uniwersalne 109

5 Wprowadzenie do optoelektroniki i techniki œwiat³owodowej STRESZCZENIE Optoelektronika jest obecnie jedn¹ z najszybciej rozwijaj¹cych siê dziedzin techniki, która obejmuje badania, projektowanie i produkcjê sprzêtu oraz urz¹dzeñ przetwarzaj¹cych sygna³y elektryczne na sygna³y optyczne i odwrotnie. Ka de urz¹dzenie, które dzia³a jako przetwornik sygna³ów elektrycznych na optyczne lub sygna³ów optycznych na elektryczne jest uwa ane za urz¹dzenie optoelektroniczne. Badania wchodz¹ce w zakres optoelektroniki wykorzystuj¹ zjawiska zwi¹zane z rozchodzeniem siê, obróbk¹ i oddzia³ywaniem promieniowania elektromagnetycznego, a tak e emisji oraz detekcji takiego promieniowania. Optoelektronika zajmuje siê tak e konstrukcj¹ i zastosowaniem urz¹dzeñ do emisji i detekcji œwiat³a. Zastosowania te obejmuj¹ ró ne dziedziny techniki, a tak e medycyny. Jednym z g³ównych zastosowañ optoelektroniki jest te przesy³anie informacji na du e odleg³oœci, w postaci sygna- ³ów œwietlnych (technika œwiat³owodowa). W niniejszym opracowaniu we wstêpie skrótowo opisano fale elektromagnetyczne oraz podstawowe pojêcia z optyki geometrycznej. W dalszej czêœci opisano pó³przewodnikowe Ÿród³a œwiat³a, nastêpnie œwiat³owody oraz ich rodzaje i w³aœciwoœci. W kolejnych czêœciach opracowania omówiono rodzaje detektorów i zagadnienia zwi¹zane z detekcj¹ œwiat³a, a nastêpnie opisano wybrane rodzaje wyœwietlaczy, w tym plazmowe, ciek³okrystaliczne, elektroluminescencyjne i oparte na OLED-ach. W ostatniej czêœci skrótowo przedstawiono wybrane przyk³ady zastosowañ optoelektroniki, w tym zastosowania telekomunikacyjne, medyczne oraz opisano kilka czujników œwiat³owodowych. Introduction to optoelectronics and fiber optics ABSTRACT Optoelectronics is now one of the fastest growing areas of technology, which includes research, design and production of equipment and processing equipment electrical signals to optical signals and vice versa. Any device that operates as a transmitter of electrical signals to optical or optical to electrical signal is considered an optoelectronic device. Research within the scope of optoelectronics use phenomena of propagation, processing and effects of electromagnetic radiation, and the emission and detection of such radiation. Optoelectronics deals with the design and application of devices for emission and detection of light. These applications include various fields of technology and medicine. One of the main applications of optoelectronics is also sending information over long distances, in the form of light signals (fiber optics). In this paper, the introduction briefly describes the electromagnetic waves and the basic concepts of geometrical optics. Hereinafter the semiconductor light source, optical fibers and then the kinds and properties. The following sections discuss the development of types of detectors and issues related to the detection of light, and then describes some types of displays, including plasma, liquid crystal, electroluminescent and based on OLEDs. The last section summarizes selected examples of applications of optoelectronics, including the use of telecommunications, medical, and describes several fiber optic sensors. 5