Elementy techniki światłowodowej

Elementy techniki światłowodowej Wytwarzanie Szkła: naturalne lub syntetyczne: kwarcoweczyste, domieszkowane, zeszkieł wieloskładnikowych, zeszkieł organicznych, Podstawowe szkła nieorganiczne: 1) tlenkowe: krzemionkowe i wieloskładnikowe SiO 2, B 2 O 3, GeO 2, 2) nietlenkowe, np.: fluorkowe ZrF 4, BaF 2, LaF 3, halogenowe KCl, TlBrI. szkło typuzblan(zrf 4, BaF 2, LaF 3, AlF 3 i NaF w proporcji 53 : 20 : 4 : 3 : 20. Właściwości: można silnie domieszkować, 1

stabilne, odporne termicznie i mechanicznie, mała absorpcja w zakresie 0.2 7 m, niska energia fononów szkła halogenowe Szkła tlenkowe: najlepsze właściwości optyczne i mechanicznymi, wysoka temperatura topnienia (2000 o C), mały współczynnik załamania kwarcu; 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 Piec elektryczny Roztopiony materiał rdzenia Roztopiony materiał płaszcza 2

Metoda wielotyglowa produkcji światłowodów Metody produkcji: wielotyglowa, preformowa Metoda preformowa Podstawowe materiały: chlorki SiCl 4, GeCl 4,POCl 4, CCl 4, SOCl 2 i BCl 4, także SiF 4, SF 6, BBr 3. Reakcje chemiczne, by otrzymać: a) szkła rdzenia SiCl 4 O 2 SiO 2 2Cl 2, GeCl 4 O 2 GeO 2 2Cl 2, 4POCl 3 3O 2 2P 2 O 5 6Cl 2, b) szkła płaszcza SiCl 4 O 2 SiO 2 2Cl 2, 4BCl 3 3O 2 2B 2 O 3 6Cl 2. Metody utleniania par chlorków: 1) osadzanie warstw na wewnętrznej powierzchni rury kwarcowej, 2) osadzanie warstw szkła nazewnętrznej 3

powierzchni pręta metalowego, ceramicznego lub grafitowego, 3) osadzanie objętościowe szkła najego zarodkach. Rura kwarcowa Chlorki O 2 Warstwa szkła Palnik Metoda MCVD otrzymywania preform Plazma Chlorki O 2 Reaktor mikrofalowy Piec Metoda PCVD Rura kwarcowa Cewka wielkiej częstotliwości Plazma Chlorki O 2 Palnik Warstwa szkła 4

Metoda PMCVD Masa szklista Pręt grafitowy Chlorki O 2 Palnik Metoda OVD Mechanizm do wyciągania He + Cl 2 Piec grafitowy Wylot gazów Chlorki O 2 Palnik Metoda VAD 5

Wyciąganie świałowodów Sruba napędowa Preforma Piec elektryczny Światłowód Prowadnice Bęben Schemat urządzenia do wyciąganie światłowodów z preform (na rysunku skala nie jest zachowana) 1. Topienie preformy za pomocą palników tlenowych, laserów CO 2, pieców oporowych i indukcyjnych. 2. Wyciągania w atmosferze argonu. 3. Kontrola grubości włókna. 4. Pokrywanie włókna folią polimerową lub lakierem utwardzanym światłem UV. Pierwsza warstwa ochronna z miękkiego lakieru, co daje pewną swobodę w układaniu się włókna minimalizującą 6

naprężenia. Następna warstwa lakieru twardego zwiększa wytrzymałość mechaniczną włókna, ale przede wszystkim ogranicza kontakt włókna z otoczeniem, zwłaszcza z jonami OH. 5. Sprawdzenie geometria produktu końcowego. 6. Test na obecność naprężeń wewnętrznych. Kable Osłony ochronne Elementy nośne Światłowody Elementy nośne Typowe kable światłowodowe 7

Pomiary charakterystyk a) b) Wejście Wyjście Realizacja stabilnego rozkładu modów w światłowodzie Mieszacz modów (ang. mode scrambler) (norma: Należy na szpulę o średnicy 1/2 cala nawinąć 5zwojówświatłowodu na długości nie przekraczającej 1/2 cala. Zwoje powinny być nawinięte luźno, bez naprężeń ). Eliminator (pułapka) modów płaszczowych (ang. mode stripper). Pomiar tłumienia Współczynnik tłumienności P 0 10 L log 10 db/km, P gdzie: P 0 i P moce optyczne 8

promieniowania wprowadzonego do światłowodu i wychodzącego. Metoda odcinania Współczynnik tłumienności 10 log P 2 L 1 L 10. 2 P 1 Reflektometr Pomiar rozkładu współczynnika załamania Metoda odbiciowa Jeżeli na czoło rdzenia pada promieniowanie o natężeniu I 0,topo odbiciu 2 I 1 I n 1 1 0. n 1 1 Dla płaszcza 2 I 2 I n 2 1 0. n 2 1 Stąd wyznaczamy różnice n 1 n 2 w funkcji I 1 /I 2. Metoda interferencyjna 9

Metoda bliskiego pola (ang. Near Refracted Field NRF). Realizacja polega skanowaniu powierzchni rdzenia wzbudzonego falowodu przez obiektyw mikroskopowy i pomiarze zebranego światła. Numeryczna apertura zmienia się z promieniem, zmienia się też zdolność wprowadzania światła do włókna. Dla włókien gradientowych definiuje się lokalną aperturę numeryczną (n 0 1) NA sin c r n r 2 n 2 2. Można pokazać, że P r P 0 n r 2 2 n 2 n 0 2 n, 2 2 gdzie: P r natężenie w odległości r od osi światłowodu, gdzie współczynnik załamania wynosi n 1 r, n 1 0 współczynnik załamania światłowodu na osi rdzenia. Dla światłowodu o profilu (a promień rdzenia) n 2 r n 2 0 1 2 f r a zatem 10 P r P 0 1 f r a.

Przez pomiar P r wyznaczamy rozkład współczynnika załamania f r/a. Metoda załamanych promieni (ang. Refracted Ray Method) Czoło światłowodu oświetla się za pomocą źródła, którego apertura kilkakrotnie (2 3 ) przewyższa aperturę numeryczną światłowodu. n 2 θ, θ n 1 n L Przesłona Ekran Bieg promienia w metodzie pomiaru współczynnika załamania (za [35]) Moc zbierana za przesłoną P A sin 2 sin 2 S. Moc światła przechodzącego tylko przez 11

ciecz P 0 A sin 2 sin 2 S istąd n 2 r n L 2 P P 0 P 0 sin 2 sin 2. Zalety: 1) brak konieczności korekcji wyników na istnienie modów wyciekających, 2) możliwość stosowania lasera jako oświetlacza, co zwiększa dokładność oceny współczynnika załamania (do 10 4 )i precyzję prowadzenia wiązki w przestrzeni (ok. 4 m), 3) możliwość badańświatłowodów jednomodowych. Wyznaczenie rozkładu współczynnika załamania włókna z rozkładu w preformie Pomiar średnicy włókna 12

Pomiar apertury numerycznej Apertura numeryczna 1) informuje o zdolności zbierającej światłowodu, 2) od niej zależyjakość sprzężenia między światłowodami, 3) czułość na ewentualne przesunięcia włókien względem siebie, 4) jest niezbędna do oceny innych parametrów światłowodów, takich jak: rozkład współczynnika załamania, tłumienia itp. Pomiar przez skanowanie na ekranie przekroju poprzecznego wiązki opuszczającej światłowód o długości ok. 2 m. Rozkład mocy P(r) 5% P(0) Światłowód θ 5 P(0) 5% P(0) Schemat pomiaru apertury numerycznej 13

Wielkość NA wyznacza się ze wzoru (n 0 1) NA sin 5, gdzie: 5 kąt wyznaczony między osią światłowodu, a punktem, w którym moc optyczna promieniowania wynosi 5% maksimum. Reflektometr Optical time domain reflectometer 14

Sprzęgacze Złącza światłowodowe Sprzęgacze światłowodowe Y X N włókien Gwiazda 1XN Sprzęgacze typu X, Y, Gwiazda i 1xN Sprzęganie: czołowe boczne Sprzęganie czołowe Światłowody Soczewki 15 Przykłady złącz rozłączalnych

Złącza PC (ang. Physical Contact), np. FC/PC. Standardy: FC, ST i SC, E2000. Występ naprowadzający Kabel światłowodowy Łącznki Światłowód w tulei Otwory montażowe Konstrukcja złącza FC/PC Straty energii: nałączach stałych 0.01 0.1dB narozłączalnych 0.3 1.5dB. Wynikają z: 1) straty rozproszeniowe, 2) straty odbiciowe związane 3) straty spowodowane niedopasowaniem: współczynników załamania, średnic rdzeni i płaszcza, apertur numerycznych, 16

geometrii łączonych światłowodów, 4) straty wynikające z niedopasowania wzajemnego ustawienia światłowodów i dokładności obróbki płaszczyzn łączenia (czół światłowodów). 17

Sprzężenie światłowodu ze źródłem światła Efektywność sprzężenia. P r P d. d θ d θ r r d d d r Sprzężenie czołowe diody laserowej (luminescencyjnej) ze światłowodem za pomocą soczewki Z równania soczewki 1 d d 1 d r 1 f. Powiększenie M d r d r. d d Czyli 1 2 d d d tg d 1 2 r d r tg r. Jeśli wymiary diody i rdzenia światłowodu są znacznie mniejsze niżśrednica soczewki, to 18

d d r d d r r d r. Z definicji apertury numerycznej w przybliżeniu paraksjalnym NA d r d NA. Kąt bryłowy odpowiadający aperturze numerycznej 2 1 cos NA 2. Efektywność sprzężenia proporcjonalna do kwadratu apertury numerycznej r d NA 2. Czyli 2 r NA r T, d NA d gdzie: T jest współczynnikiem transmisji czoła rdzenia. Wiązka gaussowska 2w 0 2a Sprzężenie czołowe diody laserowej (luminescencyjnej) ze 19

światłowodem za pomocą soczewki Można pokazać, że optymalne sprzężenie do modu HE 11 w 0 0.61a, gdzie: a jest promieniem rdzenia. Dla światłowodów skokowych (w przybliżeniu) w a 2lnV. Maksymalna efektywność sprzężenia wyno si 85%. Użycie soczewek typu GRIN lub SELFOC W przypadku dowolnego profilu rdzenia definiuje się lokalną aperturę numeryczną NA L, n sin max,, gdzie: max, maksymalny kąt między osią rdzenia, a propagowanym modem. Dla parabolicznych światłowodów NA L n 2 n 2 a, gdzie: n a n cos max. Dla światłowodów parabolicznych 20

NA L NA 1 a x. Dla źródła lambercjańskiego: L const. Stąd moc optyczna wprowadzona do rdzenia (sin ) a P d 0 2 0 d NA L 0 2 Lcos sin d a NA 1 a x 4 2 L d cos sin d 0 2 NA 2 L d 1 2 a 2 NA 2 L x x 2. Moc optyczna źródła P d 2 d 2 L. Zatem współczynnik sprzężenia a2 x d 2 NA 2 x 2, jeśli b a. a 0 0 a x 21

1) Jeśli powierzchnia źródła i jego apertura (rozbieżność) są większe niż powierzchnia rdzenia i jego NA wydajność sprzężenia nie może być poprawiona przez układ optyczny. 2) Jeśli powierzchnia źródła jest mniejsza niż powierzchnia rdzenia, ale apertura numeryczna źródła jestwiększa niż rdzenia, wtedy sprzężenie można poprawić przez optyczny układ powiększający. 3) Przy mniejszej aperturze numerycznej i powierzchni źródła niż rdzenia możliwe jest uzyskanie sprzężenia 100% przez bezpośrednie połączenie. 4) Jeśli źródłomawiększą powierzchnię niż rdzeń, ale mniejszą aperturę, to pomniejszający układ optyczny znacznie poprawi efektywność sprzężenia. 5) Szczególna ostrożność jest wymagana przy sprzężeniu światłowodów gradientowych, w których NA 0 w pobliżu płaszcza. 22

Sprzęganie boczne Za pomocą siatki i pryzmatu x Natężenie pola Θ Pryzmat n p n p x n a n 1 n a n 1 z n 2 modu n 2 Sprzężenie za pomocą pryzmatu Dla pryzmatu przekazywanie jest największe, jeśli k p sin f, gdzie: f stała propagacji fali w światłowodzie, a k p k 0 n p, oraz jeśli długość oddziaływania wynosi L 2, gdzie: jest stałą oddziaływania między modami 23

Siatka dyfrakcyjna Pokrycie Rdzeń n 1 n 2 Sprzężenie za pomocą siatki dyfrakcyjnej Optyczny efekt tunelowy n 1 n 2 n 1 n 2 Przykłady metod sprzęgania światłowodów 24

Sprzęgacze kierunkowe Optyczny sprzęgacz kierunkowy Niech pole E x,y,z a z E x,y, gdzie: a z zespolona amplituda z exp i 1 z. normalizacja P a z 2 a z a z. W przybliżeniu wolnozmiennej amplitudy da z i dz 1 a z, gdzie: 1 jest stałą propagacji. Dla drugiego światłowodu db z i dz 2 a z. Przy sprzężeniu da z i dz 1 a z i 12 b z, db z i dz 2 a z i 21 a z. 25 L

Szukamy rozwiązania a z a 0 e i z i Stąd b z b 0 e i z. a 0 1 12 b 0 0, b 0 2 21 a 0 0. Zatem 2 1 2 1 2 2 0, gdzie: 12 21 1/2. Czyli s,a 1 2 1 2 1 4 1 2 2 2 1/2. Ogólne rozwiązanie a z a s e i sz a a e i az b z s 1 12 a s e i sz a 1 12 a a e i az. Niech 1 2 0. s 0, a 0. Jeżeli s,tob 0 a 0 oraz dla a mamy b 0 a 0. 26

Niech a z 0 a s a a 1, b z 0 s 1 12 a s a 1 12 a a 0. Stąd Podstawiając a s 1 a s a, a a 1 s s a. a z 2 1 2 0.25 2 2 sin2 0.25 2 2 1/2 z, b z 2 2 0.25 2 2 sin2 0.25 2 2 1/2 z, gdzie: 1 2. Wymiana energii między światłowodami z okresem h 0.25 2 2. 1/2 Długością sprzężenia L c h/2 Też 2 b max 2 0.25 2 2, 1/2 Dla 0 przekazanie energii jest 27

całkowite L c0 2. s a Dla modu podstawowego LP 01 d 0 2 n 1 U 2 a 2 V 2 K 0 W d a K 1 2 W, gdzie: a promień rdzenia o współczynniku załamania n 1, d odległość między osiami rdzeni, K x zmodyfikowana funkcja Bessela, oraz U k 0 a n 2 1 n 2 e 1/2, W k 0 a n e 2 n 2 2 1/2, V U 2 W 2 1/2, a k 0 2 / 0 i n e /k 0 efektywny współczynnik załamania. Dla sprzęgacza ze światłowodów gradientowych (formuła empiryczna) d,v 2 a exp A Bd Cd 2, gdzie: 28

A 5.2789 3.663V 0.3841V 2, B 0.7769 1.2252V 0.0152V 2, C 0.0175 0.0064V 0.0009V 2 oraz n 2 1 n 2 2 /n 2 1 i d d/a. Wyrażenie jest poprawne (z dokładnością do 1%), jeśli: 1.5 V 2.5 i 2.0 d 4.5. W realnych warunkach długości L c0 są rzędu kilkuset mikrometrów do centymetrów. Sprzęgacz jako demultiplekser 1 L m i 2 L m 1 2. λ, λ 1 2 λ 1 L λ 2 Optyczny sprzęgacz kierunkowy, jako demultiplekser 29

Modulatory światłowodowe Napięcie modulujące V Wejście Wyjście Rdzeń piezoelektryczny Modulator na rdzeniu ceramicznym V Napięcie modulujące Piezoelementy Wyjście Wejście Światłowód Modulator zaciskowy fazy Pręty dystansowe Napięcie modulujące V Wyjście Wejście Światłowód Dyski piezoelektryczne Modulator dyskowy 30

a) Sygnał modulujacy V b) Sygnał modulujacy Falowody paskowe Modulatory paskowe Wykorzystanie sprzęgaczy kierunkowych Soczewki światłowodowe Soczewki światłowodowe odcinki światłowodów gradientowych. W ogólności n 2 r n 2 0 1 gr 2 h 4 gr 2 2 h 6 gr 2 3..., gdzie: r odległość punktu od osi soczewki, n 0 współczynnik załamania na osi soczewki, g stała rozkładu współczynnika załamania, h 4, h 6 są współczynniki rozwinięcia. Niech 31

inaczej n 2 r n 0 2 1 gr 2, n r n 0 1 g 2 r2. Równanie promienia d 2 r gr 0. 2 dz Rozwiązanie oscylująca funkcja. Okres trajektorii P 2 g. Ogniskowa f 1 n 0 g sin g L. Apertura numeryczna NA gn 0 R, gdzie: R promień rdzenia. Odległość pracy ctg g L S, n 0 g Położenie płaszczyzny głównej 32

h 1 n 0 g tg g L 2 Zastosowania. Przykłady soczewek światłowodowych i ich zastosowań Polaryzatory światłowodowe P y Metal P x Rdzeń Polaryzator z metalicznym pokryciem 33

P y Metal Rdzeń P x Polaryzator z odcięciem modu Zamiast warstwy metalicznej stosuje się kryształy dwójłomne, światłowody dwójłomne, światłowody typu W, niecentrycznie względem rdzenia położonym płaszczem metalicznym itd. Cyrkulatory optyczne 1 2 Schemat ideowy cyrkulatora doskonałego 45 o 45 o. Budowa cyrkularora z czterema portami 3 34

-45 o +45 o Rotatory Faradaya -45 o +45 o 3 +45 o +45 o 4-45 o +45 o +45 o +45 o +45 o +45 o +45 o +45 o 1-45 o +45 o 2-45 o +45 o Ćwierćfalówki +45 o +45 o Płytki dwójłomne Schemat cyrkulatora optycznego (za [37]) Cyrkulator jako demultiplekser λ, λ,..., λ 1 2 n λ, λ, λ, λ,..., λ 1 2 3 5 n λ 4 λ 4 Schemat optycznego cyrkulatora światłowodowego wykorzystywanego do rozdzielenie kanałów (demultiplexing) Cyrkulator w komunikacji dwukierunkowej 35

Nadajnik Nadajnik Odbiornik Światłowód Odbiornik Rys. IV.53. Schemat transmisji dwukierunkowej przy użyciu optycznych cyrkulatorów Wytwarzanie światłowodowych siatek Bragga Rola Ge w szkliwie kwarcowym 1. Technika jednowiązkowa 2. Holograficznej metodzie dwuwiązkowej las 2sin, gdzie: 2 jest kątem między wiązkami. 3.Metoda maski fazowej 36

Literatura 1. B. Ziętek, Optoelektronika, Wydawnictwo UMK, Toruń 2004. 2. J. Advantovic, D. Uttamchandini, Principles of modern optical system, Artech House, Norwood (MA) 1989. 3. Fundamentals of Optical Fiber Communications, ed. M. K. Baronski, Academic Press, New York 1976. 4. K. J. Eberling, Integrated optoelectronics, Springer-Verlag, Berlin 1993. 5. G. Einarsson, Podstawy techniki światłowodowej, WKŁ, Warszawa 1996. 6. A. K. Ghatak, K. Thyagarajan, Optical electronics, Cambridge University Press, Cambridge 1989. 7. R. G. Hunsperger, Integrated optics, Springer-Velag, Berlin 1995. 8. A. Kowalski, Podstawy telekomunikacji, Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 1998. 9. Laboratorium podstaw optoelektroniki i miernictwa optoelektronicznego, red. J. Helsztyński, Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 1997. 10. W. Lauterborn, T. Kurz, W. Wiesenfeldt, Coherent Optics, Springer-Verlag, Berlin 1993. 11. A. Majewski, Nieliniowa optyka światłowodowa, Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 1993. 37

12. M. Marciniak, Modelowanie falowodów optycznych metodą propagacji wiązki, WKŁ, Warszawa 1995. 13. Y. N. Nosov, Optoelektronika, Radio i Swiaz, Moskwa 1989. 14. J. C. Palais, Zarys telekomunikacji światłowodowej, WKŁ, Warszawa 1991. 15. A. Pawluczyk, Elementy i układy optoelektroniczne, WKŁ, Warszawa 1984. 16. J. Petykiewicz, Podstawy fizyczne optyki scalonej, PWN, Warszawa 1989. 17. J. Siuzdak, Wstęp dowspółczesnej telekomunikacji światłowodowej, WKŁ, Warszawa 1999. 18. M. Szustakowski, Elementy techniki światłowodowej, WNT, Warszawa 1992. 19. T. Tamir, Integrated Optics, Springer-Verlag, Berlin 1975. 20. J. Wilson, J. F. Hawkes, Optoelectronics an introduction, Prentice Hall, New York 1989. 21. B. E. A. Saleh, M. C. Teich, Fundamentals of photonics, John Wiley & Sons, New York 1991. 22. A. K. Ghatak, K. Thyagarajan, Optical electronics, Cambridge University Press, Cambridge 1989. 23. R. W. Boyd, Nonlinear Optics, Academic Press, San Diego, New York 1992. 24. A. K. Ghatak, K. Thyagarajan, Introduction to fiber 38

optics, Cambridge University Press, Cambridge 2000. 25. Optical Fibers Rotation Sensing, ed. W. K. Burns, Academic Press, Boston 1994. 26. J. E. Midwinter, Optoelektronika i technika światłowodowa, WKŁ, Warszawa 1995. 27. F. G. Smith, T. A. King, Optics and photonics, John Wiley & Sons, Ltd., New York, Toronto 2000. 28. M. Young, Optics and Lasers, Springer-Verlag, Berlin 2000. 29. K. Iizuka, Elements of Photonics, John Wiley & Sons, New York 2002. 30. M. Malinowski, Lasery światłowodowe, Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 2003. 31. J. Hecht, Understanding Fiber Optics, Pearson Prentice Hall, New Jersey 2002. 32. A. Majewski, Podstawy techniki światłowodowej, Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 2000. 33. R. Mentzel, Photonics, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York 2001. 34. E. F. Schubert, Light Emitting Diodes, Cambrige University Press, Cambridge 2003. 35. K. Booth, S. Hill, The essence of optoelectronics, Prentice Hall, London New York Paris 1998. 36. A. B. Sharma, S. J. Halme, M. M. Butusov, Optical 39

fiber systems and their components, Springer-Verlag, Berlin 1981. 37. J. A. Buck, Fundamentals of Optical Fibers, John Wiley & Sons, New York 2004. 40