O p i s s p e c j a l n o ś c i

Transkrypt

1 Optoelektronika i technika światłowodowa O p i s s p e c j a l n o ś c i Wprowadzenie do techniki światłowodowej i optoelektroniki 1

2 Co i kto, albo sylwetka absolwenta Nowoczesna technika powszechnie stosuje dziś światło do przesyłania, przetwarzania i przechowywania informacji. Światłowody, lasery półprzewodnikowe, detektory i wyświetlacze rewolucjonizują elektronikę i telekomunikację. Sieci komputerowe i telekomunikacyjne są nie do pomyślenia bez udziału światłowodów. W trakcie wykładów z zakresu Optoelektroniki i Techniki Światłowodowej studenci zdobywają wiedzę na temat światłowodów i innych elementów optoelektronicznych, telekomunikacji i sieci światłowodowych. Wiedza ta daje umiejętność tworzenia i eksploatacji światłowodowych systemów telekomunikacyjnych i sieciowych oraz przygotowanie do projektowania i obsługi urządzeń optoelektronicznych. Wprowadzenie do techniki światłowodowej i optoelektroniki 2

3 Światłowód do Słońca i w 24 godziny do środka Ziemi (i z powrotem) Do tej pory rozmieszczono ~150 milionów kilometrów kabli światłowodowych codziennie układa się prawie km światłowodów. Wprowadzenie do techniki światłowodowej i optoelektroniki 3

4 Przykład zastosowania światłowodu w niewielkiej sieci lokalnej- Dom nad wodospadem, F. L. Wright Światłowodowa sieć łączności odporna na wilgoć, spełniająca wymogi aplikacji multimedialnych, rozszerzająca zakres usług (finanse, rezerwacje), rozwojowa. Wprowadzenie do techniki światłowodowej i optoelektroniki 4

5 Plan prezentacji 1. System światłowodowy 2. Era informacji (społeczeństwo informatyczne) 3. Co to jest światłowód? 4. Krótka charakterystyka specjalności 5. Prace w laboratoriach (dydaktyczne i badawcze) 6. Możliwości zatrudnienia 7. SNS, praktyki, wyjazdy, konferencje, WWW. Wprowadzenie do techniki światłowodowej i optoelektroniki 5

6 Era informacji (społeczeństwo informatyczne)??? co to oznacza i jakie stąd wnioski na przyszłość Rozwój cywilizacji będzie w przyszłości określony przez: 1. Generację informacji 2. Transport informacji (lasery, światłowody, detektory) 2. Składowanie informacji (CD-ROM, DVD, hologram) 3. Obróbkę informacji (przełączniki fotoniczne, komputer optyczny) 4. Prezentację informacji (wyświetlacze) Wniosek: po epoce elektroniki nadchodzi era fotoniki Wprowadzenie do techniki światłowodowej i optoelektroniki 6

7 Schemat systemu światłowodowego Źródło światła (nadajnik) szum Detektor światła (odbiornik) Elektryczny sygnał wejściowy Światłowód Elektryczny sygnał wyjściowy Wprowadzenie do techniki światłowodowej i optoelektroniki 7

8 Schemat włókna światłowodowego Rdzeń Płaszcz Pokrycie Wprowadzenie do techniki światłowodowej i optoelektroniki 8

9 Całkowite wewnętrzne odbicie n 2 n 1 Całkowite wewnętrzne odbicie na granicy rdzeń-płaszcz Średnica rdzenia światłowodu: 10 do 50 µm na długości 1 m daje około odbić. Przy współczynniku odbicia 99% doprowadzi to do do wytłumienia sygnału w stosunku = Wprowadzenie do techniki światłowodowej i optoelektroniki 9

10 Podstawowa klasyfikacja światłowodów Ze względu na strukturę, charakterystyki modowe i stosowane materiały światłowody możemy dzielić na następujące grupy: struktura: włókniste i planarne, charakterystyka modowa: jednomodowe i wielomodowe, rozkład współczynnika załamania w rdzeniu: skokowe i gradnientowe, materiał: szklane, plastikowe, półprzewodnikowe,... zastosowania: pasywne, aktywne, specjalne Wprowadzenie do techniki światłowodowej i optoelektroniki 10

11 Podstawowa klasyfikacja światłowodów: włóknisty i planarny Światłowód włóknisty Światłowód planarny Pokrycie Rdzeń Płaszcz Pokrycie Wars twa ś wiatłowodowa Podło że Wprowadzenie do techniki światłowodowej i optoelektroniki 11

12 Podstawowa klasyfikacja światłowodów: jedno i wielomodowy Światłowód wielomodowy Światłowód jednomodowy współczynnik załamania (n) Rdzeń Płaszcz współczynnik załamania (n) SMF-28 0,36% odległość od osi (r) odległość od osi (r) Przykład 50 lub 62,5 µm ~8 µm 125 µm 125 µm Wprowadzenie do techniki światłowodowej i optoelektroniki 12

13 Podstawowa klasyfikacja światłowodów: skokowy - gradientowy Światłowód skokowy Światłowód gradientowy współczynnik załamania (n) współczynnik załamania (n) odległość od osi (r) odległość od osi (r) Przykład 50 lub 62,5 µm 125 µm Wprowadzenie do techniki światłowodowej i optoelektroniki 13

14 Podstawowa klasyfikacja światłowodów - materiały SiO 2 (domieszkowane) ZBLAN (Zr, Ba, La, Al, Na) Światłowody plastikowe (PMMA) Wielowarstwy epitaksjalne (np. GaAs/AlGaAs) Warstwy dielektryczne (Ta 2 O 5, ZnO, Si 3 N 3 /SiO 2 ) Warstwy polimerowe (PMMA, PS) Wprowadzenie do techniki światłowodowej i optoelektroniki 14

15 Jak działa światłowód? Efekty i zjawiska, które należy uwzględnić aby w pełni zrozumieć zasadę działania i możliwości światłowodu: Częstotliwość światła Światło to fala elektromagnetyczna o częstotliwości 3x10 14 Hz, (prawie milion GHz). Całkowite wewnętrzne odbicie i bardzo małe tłumienie materiału W światłowodach sygnał może rozchodzić się bez regeneracji na znaczne odległości Falowa natura światła (interferencja) i mody światłowodu Budowę światłowodu i wiele jego podstawowych parametrów można wyjaśnić tylko uwzględniając fakt, że światło to fala elektromagnetyczna rozchodząca się w falowodzie o małych wymiarach poprzecznych. Wprowadzenie do techniki światłowodowej i optoelektroniki 15

16 Nietelekomunikacyjne zastosowania światłowodów WARTOŚĆ [mld] Tra nsmisja danych Wyświetlacze Oświetlenie Czujniki Analiza możliwości wykorzystania światłowodów w przemyśle samochodowym Wprowadzenie do techniki światłowodowej i optoelektroniki 16

17 Koszty montażu łączy światłowodowych Porównanie kosztów instalacji 50 metrowego łącza światłowodowego i miedzianego (Cat. 5 UTP). Kabel miedziany - skrętka kat.5 Światłowód wielomodowy włókno 50/125* Nieekrano Ekranowa złącze ST złącze SC Volition, wana na (2 szt.) (2 szt.) złącze VF-45 Gniazdko 20,68 zł. 32,50 zł. 31 zł 31 zł 11 zł (3M) Patch panel 21,40 zł. 28,90 zł. 34 zł 34 zł Złączki nie dotyczy 3M Volition nie 15 zł 21 zł patchcord (3 m) dotyczy 61 zł Kabel (50 m) 56,00 zł. 77,40zł. 145 zł 145 zł 145 zł Koszt instalacji 108,00 zł. 112,00 zł.?? Razem 205,90 zł. 250,56 zł. 225 zł + inst. 231 zł + inst. Różne rodzaje sieci wymagają stosowania różnych kabli miedzianych. Ta sama linia światłowodowa może być zastosowana do budowy każdej odmiany sieci Ethernet. Wprowadzenie do techniki światłowodowej i optoelektroniki 17

18 10 zalet włókien światłowodowych 1. Ogromna pojemność informacyjna pojedynczego włókna 2. Małe straty = przesyłanie sygnałów na znaczne odległości 3. Całkowita niewrażliwość na zakłócenia i przesłuchy e-m 4. Mała waga 5. Małe wymiary 6. Bezpieczeństwo pracy (brak iskrzenia) 7. Utrudniony (prawie niemożliwy) podsłuch przesyłanych danych. 8. Względnie niski koszt (i ciągle spada) 9. Duża niezawodność (poprawnie zainstalowanych łączy światłowodowych) 10.Prostota obsługi. Wprowadzenie do techniki światłowodowej i optoelektroniki 18

19 Krótka historia światłowodu Aleksander Graham Bell wynalazł (1880 opatentował) fototelefon. Urządzenie pozwalało komunikować się na odległość 200 m efekt światłowodowy w dielektrykach, Lord Tyndal badania i prace teoretyczne nad światłowodami, Lord Rayleigh (Hondros, Debye 1910) Wynalezienie lasera (Schawlow, Townes, 1958) 1962 Impulsowy laser GaAs (Hall i in., Nathan i in. 1962) propozycja stosowania światłowodów gradientowych w telekomunikacji (Miller 1965) Wskazanie, że szkła kwarcowe mogą być stosowane w telekomunikacji do wytwarzania światłowodów o małych stratach (Kao, Hockman 1966) 1968 Publikacja nt małych strat w bryłach topionego kwarcu (Kao, Davis 1968) 1968 Produkcja pierwszego światłowodu telekomunikacyjnego (Uchida i in. 1969) 1970 Produkcja włókna o stratach < 20 db/km, Corning Glass Company (Kapron i in. 1970) 1985 Opracowanie wzmacniacza światłowodowego (zespół na University of Southampton). Pompowanie laserem półprzewodnikowym = 650nm 3m włókna dało wzmocnienie 125 db dla fali = 1.55 m ? Wprowadzenie do techniki światłowodowej i optoelektroniki 19

20 Charakteryzacja światłowodów - jednostki Długość fali światła wyraża się w: µm = 10-6 m nm = 10-9 m Tłumienie światłowodu wyraża się w db/km (znak minus pomija się): A[ db / km] = 10log L P P WY WE 3 db = 50% 20 db = 1% 30 db = 0,1% 40 db = 0,01% Wprowadzenie do techniki światłowodowej i optoelektroniki 20

21 Okna telekomunikacyjne i generacje systemów światłowodowych [db/km] TŁUMIENIE WŁÓKNA ZE SZKŁA KWARCOWEGO W FUNKCJI DLUGOŚCI FALI ŚWIATŁA Tłumienie I okno II okno III okno Długosc fali [µm] Wprowadzenie do techniki światłowodowej i optoelektroniki 21

22 Przykłady sieci 1. Token-ring IEEE standard. 2. Ethernet (IEEE 802.3) 3. FDDI... Wprowadzenie do techniki światłowodowej i optoelektroniki 22

23 Ewolucja w kierunku sieci WDM Przykład: rozbudowa łącza światłowodowego OC-48 (2,5 Gb/s) do OC-192 (10 Gb/s) 1. Instalacja dodatkowych włókien (nowego kabla) 2. Cztery kanały WDM 3. Zastosowanie 4-krotnie szybszej elektroniki < 50 km 1, 2,3 > 50 km 2, 3, 1 TE λ 1 λ 1 TE TE λ 2 λ 1, λ 2, λ 3, λ 4 λ 2 TE TE λ 3 λ 3 TE TE λ 4 λ 4 TE Wprowadzenie do techniki światłowodowej i optoelektroniki 23

24 Laboratoria Optoelektroniki Dr. Marek Tłaczała, dr Sergiusz Patela Wytwarzanie i pomiary elementów i układów optoelektronicznych Stanowisko MOCVD. Fragment linii technologicznej wytwarzania detektorów, laserów półprzewodnikowych i diod luminescencyjnych Pomiary parametrów spektralnych elementów optoelektronicznych (lasery, detektory,...) Wprowadzenie do techniki światłowodowej i optoelektroniki 24

25 Laboratorium Techniki Światłowodowej Dr Anna Sankowska Obróbka, łączenie i pomiary światłowodów i systemów światłowodowych Spawarka światłowodowa Obraz światłowodu w mikroskopie polaryzacyjnym Wprowadzenie do techniki światłowodowej i optoelektroniki 25

26 Laboratorium Telekomunikacji (światłowodowej) I-28 Dr. Zbigniew Siwek Łącza światłowodowe i systemy telekomunikacyjne Wprowadzenie do techniki światłowodowej i optoelektroniki 26

27 Laboratorium Techniki Laserowej I-28 Prof. Krzysztof Abramski Systemy laserowe Modulator światła Wprowadzenie do techniki światłowodowej i optoelektroniki 27

28 Zatrudnienie absolwentów - przykłady TP S.A., Dialog Interned Service Providers (obsługa usług internetowych) Tworzenia systemów oprogramowania - S3 Sprzęt telekomunikacyjny (Lucent Technologies) Consulting komputerowy Telewizja Kablowa (Gosat Servis) Automatyka przemysłowa (Elektrownia Bełchatów) Przedstawicielstwo handlowe (Sony) Programowanie mikroprocesorów, Działalność gospodarcza, prywatne zakłady elektroniczne Programiści (TETA, Erickson) Edukacja i badania Wydział Elektroniki PWr, Wydział Fizyki PWr, ATR Bydgoszcz Doktoranci (co roku 2-3, Wrocław, Drezno, Glasgow, Berlin) Wprowadzenie do techniki światłowodowej i optoelektroniki 28

29 Praktyki, wyjazdy zagraniczne, konferencje, SNS 1999: Glasgow, Irlandia S3 (pod Dublinem), 1999: 3 Niemcy W czerwcu1999: praktyka w Dreźnie W lipcu 2000: warsztaty w Dreźnie konferencje: xAustria, 1999 ok. 10xPolska SNS - jesienią 1999, 2000 zorganizował Szołę Fotonika i Mikrosystemy w Szklarskiej Porębie Wprowadzenie do techniki światłowodowej i optoelektroniki 29

30 Specjalność: Optoelektronika i Technika Światłowodowa opiekun specjalności: prof. Benedykt Licznerski doradca toku studiów: dr Jacek Radojewski, p. 002 C-2 dr Sergiusz Patela, C-2, p. 404, Wprowadzenie do techniki światłowodowej i optoelektroniki 30