Technologia elementów optycznych

Transkrypt

1 Technologia elementów optycznych dr inż. Michał Józwik pokój 507a Część 6 Wybrane zagadnienia technologii światłowodów na podstawie wykładu prof. dr hab. inż. M. Kujawińskiej Technika światłowodowa

2 Światłowód Podstawowe zadanie: Prowadzenie światła przy jak najmniejszych stratach (tłumienie i rozpraszanie jak najmniejsze)

3 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

4 Zalety światłowodów Niewielka waga ok. 2kg 300m św. z pokryciem kabel koncentr. 40 kg 300m Mały wymiar SwΦ=1.2cm światłowody (1.75 mln rozmów tel.) KK Φ=12cm ( rozmów tel.) Dobre zabezpieczenie przed podsłuchem/ ingerencją w przesyłane informacje Łatwość integracji toru światłowodowego z: - elementami planarnymi (zintegrowane tory fotoniczne) - systemami konwencjonalnymi (możliwość miniaturyzacji tych systemów)

5 Zalety światłowodów cd Elastyczność Nie pęka zginany na elemencie Φ=3mm 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 = 1.55µm tylko 0.16dB/km wzmacnianie niezbędne po kilkuset km W kablach koncentrycznych 19dB/km i wzmacniacze co 1km

6 Zalety światłowodów cd Szerokie pasmo Dla światłowodu gradientowego od 1 do 10GHz. Przepływność 1Gbit/s. Graniczna wartość kabli koncentrycznych 400Mbit/s Multipleksing Transmisja informacji tym samym światłowodem na różnych nośnikach - różne λ, różna polaryzacja

7 Modowość propagującego się promieniowania skokowa zmiana n wielomodowy step-index gradientowy wielomodowy skokowy jednomodowy Podstawowa wada: dyspersja 1) materiałowa 2) falowodowa 3) wielomodowa

8 Przykładowe parametry Typ Φ rdzenia Φ płaszcza NA Kąt akceptacji µm µm stopnie Skokowy Gradientowy Jednomodowy Włókno jednomodowe ma średnicę poniżej 10 µm Im krótsza długość fali, tym mniejsza średnica Rozkłady intensywności dla 2 różnych modów

9 Światlowody fotoniczne Swiatłowód fotoniczny jest światłowodem z płaszczem wykonanym z kryształu fotonicznego a rdzeniem uformowanym w wyniku defektu w strukturze periodycznej kryształu

10 MATERIAŁY NA ŚWIATŁOWODY Szkła: naturalne lub syntetyczne: kwarcowe czyste, domieszkowane, ze szkieł wieloskładnikowych, ze szkieł organicznych, Podstawowy materiał: szkło kwarcowe, temp. topnienia ok C Dodatki: tlenki sodu i wapnia (1400 C) sodowo-ołowiowe, sodowo-glinowe (1400 C) sodowo-borowe (1240 C) Podstawowe szkła nieorganiczne: 1) tlenkowe: krzemionkowe i wieloskładnikowe : SiO 2, B 2 O 3, GeO 2, 2) nietlenkowe fluorkowe : ZrF 4, BaF 2, LaF 3, halogenowe : KCl, TlBrI. szkło typu ZBLAN ( ZrF 4, BaF 2, LaF 3, AlF 3 i NaF w proporcji 53 : 20 : 4 : 3 : 20).

11 MATERIAŁY NA ŚWIATŁOWODY Właściwości materiałów na światłowody: można silnie domieszkować, stabilne, odporne termicznie i mechanicznie, mała absorpcja w zakresie 0.2-7µm, niska energia fononów Konieczność stosowania bardzo czystych surowców Typowe szkło - duże zanieczyszczenia i obecność tlenków alkalicznych o małej odporności na wodę (obecność jonów OH) Niski współczynnik załamania kwarcu (rdzeń) n= utrudnia dobór szkieł na płaszcz Domieszki: a) płaszcz: np.: SiO 2 -B 2 O 3, SiO 2 -F 2 b) rdzeń: np.: GeO 2, P 2 O 5, Al 2 O 3

12 STRATY W ŚWIATŁOWODACH Z TWORZYW SZTUCZNYCH Tanie, duże tłumienie, ograniczony zakres temperaturowy pracy

13 ŚWIATŁOWODY DLA ZAKRESU IR Większe straty i mniejsza stabilność, ale dopuszczalne bo głównie dla potrzeb sensoryki i transmisji energii (medycyna)

14 METODY WYTWARZANIA ŚWIATŁOWODÓW 1 metoda: bezpośrednie wyciąganie włókien z podgrzanych w podwójnym tyglu mas wieloskładnikowych światłowody skokowe lub gradientowe (wymiana jonowa między szkłem płaszcza i rdzenia), światłowody wielopłaszczowe (m. wielotyglowa)

15 METODY WYTWARZANIA ŚWIATŁOWODÓW 2 metoda: proces dwuetapowy 1 etap: przygotowanie preformy 2 etap: wyciąganie światłowodu z preformy

16 METODY WYTWARZANIA ŚWIATŁOWODÓW 3 metoda: wyciąganie rdzeniowego włókna kwarcowego z bezpośrednim pokrywaniem go płaszczem z gumy silikonowej Zmniejszenie średnicy preformy do 300 razy, temp. do 2100 C Średnica włókna utrzymywana z dokładnością do 0,1%

17 PRZYGOTOWANIE PREFORM: PRĘT W RURZE Głównie światłowody wielomodowe skokowe

18 WYTWARZANIE PREFORM PRZEZ OSADZANIE SZKŁA Osadzania składników szkła wytwarzanych w wysokotemperaturowych reakcjach doprowadzanych gazów: CVD - Chemical Vapour Deposition MCVD i PMCVD ((Plasma) - Modified Chemical Vapour Deposition) osadzanie warstw szkła na wewnętrznej powierzchnii rury kwarcowej, OVD (Outside Vapour Deposition) osadzanie warstw szkła na zewnętrznej powierzchni pręta kwarcowego, VAD (Vapour-Phase Axial Deposition) osadzanie objętościowe szkła na jego zarodku,

19 METODA WEWNĘTRZNEGO OSADZANIA SZKŁA Duża czystość składników Pojedyncza warstwa osadzana 10 µm Kolaps rury w podwyższonej temperaturze ok C (zaciśnięcie się pod wpływem napięcia powierzchniowego) PMCVD - wytworzenie plazmy wewnątrz rury (T ok C) Preformy wystarczają na wyciągnięcie kilkunastu km światłowodu

20 Proces zewnętrznego osadzania szkła na pręcie z tlenku glinu lub grafitu Surowce gazowe doprowadzane przez palnik gazowy przesuwany ruchem posuwisto-zwrotnym. Osadzone proszki o kontrolowanym składzie tworzą masę szklistą. Po nałożeniu ok warstw pręt usuwa się, a pozostały osad spieka w temp C Duże preformy wyciągnięcie do 40 km światłowodu

21 PROCES OBJĘTOŚCIOWEGO OSADZANIA SZKŁA Aparatura podobna jak przy wyciąganiu monokryształów Surowce dostarczane przez palniki wodorowo-tlenowe Proszki osadzają się na końcu obracającego się pręta kwarcowego zarodka pierścieniowy piec grafitowy

22 Telekomunikacyjne kable światłowodowe

23 Telekomunikacyjne kable światłowodowe

24

25

26

27

28

29

30 Technologia złączy stałych Złącza klejone centrowanie włókien za pomocą odpowiednich prowadnic zalewanie klejem lub żywicą ( ciecz immersyjna) termokurczliwa opaska rowki cylindryczne kapilary (szklane, ceramiczne, metalowe)

31 Technologia złączy stałych Złącza spawane Spaw: kruchy i nietrwały naprężenia termiczne łuk elektryczny palnik gazowy laser dużej mocy

32 Technologia złączy stałych Etapy tworzenia złączy trwałych 1. identyfikacja łączonych światłowodów w kablu i wybór łączonych par 2. zdjęcie pokryć ochronnych z kabla i światłowodów, odsłonięcie włókien szklanych 3. przygotowanie czół światłowodów cięcie 4. justowanie i połączenie światłowodów (klejenie/spawanie) 5. naniesienie pokryć ochronnych i zabezpieczenie mechaniczne

33 Technologia złączy stałych Porównanie efektywności złącz Złącza spawane Złącza klejone Straty złącza 0,1 0,2 dβ 0,2 0,4 dβ Znaczne osłabienie wytrzymałości tak nie Wymagana sprawność obsługi średnia wysoka Automatyzacja procesu stosowana nie Potencjalne ryzyko złego złącza tak nie

34 Technologia złączy rozłączalnych Złącza rozłączalne małe tolerancje na poprzeczne, kątowe i poosiowe przesunięcia łączonych światłowodów, a więc dobra dokładność mechaniczna obróbki detali trwałość i wielokrotność połączeń (często szczelność)

35 Straty energii na łączach stałych dB na rozłączalnych dB. Wynikają z: 1) straty rozproszeniowe, 2) straty odbiciowe związane 3) straty spowodowane niedopasowaniem: współczynników załamania, średnic rdzeni i płaszcza, apertur numerycznych, geometrii łączonych światłowodów, 4) straty wynikające z niedopasowania wzajemnego ustawienia światłowodów i dokładności obróbki płaszczyzn łączenia (czół światłowodów).

36 Złącza rozłączalne Straty mocy w złączach przez odbicia Przerwa powietrzna Immersja + = α 2 2 p p 2 1 F n n n n 1 log 20 Straty Fresnela

37 Złącza rozłączalne FC ST SC

38 Pojedyncze i szeregowe złączki handlowe

39 Sprzęganie boczne Bezpośredni kontakt optyczny włókien wzdłuż osi na długości sprzęgacza L Sprzęganie boczne technologia spawania (stapianie włókien) technologia klejenia (klejenie włókien) przewężenie stożkowe, skręcanie, trawienie chemiczne zginanie włókien, boczne ścinanie włókien UWAGA: słabe mechanicznie! 1) równoległe włókna 2) skręcenie 3) spawanie i stopienie w jeden falowód 1) umieszczenie w bloczkach z rowkiem 2) polerowanie płaszcza (rdzenia) 3) łączenie i sklejenie bloczków (imersja)

40 Technologia sprzęgaczy bocznie klejonych sprzęgacze 2 x 2 włókien jednorodnych i niejednorodnych, standardowych i przenoszących polaryzację sprzęgacze włókno - źródło sprzęgacze włókno - falowód planarny Uwaga: bardzo trudna automatyzacja a) b) Rodzaje sprzęgaczy z zastosowaniem zginania i polerowania bocznego i ze zginaniem: a) sprzęgacz typu X, b) sprzężenia światłowodu z falowodem paskowym (lub planarnym) (wg M.Zhanga, E.Garmire'a)

41 Sprzęgacze bocznie spawane typu X i N x N Przykład: parametry sprzęgaczy standardowych światłowodów jednomodowych 8/125 µm - średnie straty 0.05 db (min db, max db) - średnia dewiacja sprzężenia od 50% podziału ±0.4% - długość przewężenia stożkowego 10 mm φ20 µm - stosunek średnicy zewnętrznej światłowodu do φ przewężenia 1:6 - czas wykonywania czynności zautomatyzowanych: spawanie 0.5min, wyciąganie z podgrzewaniem 9 min., justowanie sprzężenia 5 min. Razem - 15 min. Proces wykonywania sprzęgaczy metodą spawania z rozciąganiem ruchome mikropalniki kształtowanie strefy spawania Para 1 i 2 - spawanie Para 3 i 4 - ujednorodnienie temperatury Lokalizacja mikropalników względem geometrii spawania: a) światłowodów standardowych spawanych z wyciąganiem i skręcaniem, b) światłowodów przenoszących polaryzację z wyciąganiem bez skręcania. c) łączy spawanych czołowo