Typy światłowodów: Skokowy wielomodowy Gradientowy wielomodowy Skokowy jednomodowy Zmodyfikowany dyspersyjnie jednomodowy Jednomodowy utrzymujący stan polaryzacji Swiatłowody fotoniczne
Propagacja światła w światłowodach wielomodowych Skokowe: dobrze określony war. całkow.wew.odbicia Duża dyspersja modowa Gradientowe: zmniejszenie różnicy dróg optycznych, mniejsza dyspersja modowa
Światłowody jednomodowe Propagacja jednego modu (dwóch polaryzacyjnych) mod zdegenerowany β x = β y Brak modowej dyspersji Brak szumu modowego Odległość transmisji limitowana dyspersją chromatyczną Światło propaguje się również częściowo poza rdzeniem
Światłowody jednomodowe Długość fali odcięcia = najkrótsza długość fali dla transmisji jednomodowej w danym światłowodzie Dla fal krótszych dany światłowód jest wielomodowy Należy uważać przy stosowaniu jednomodowych światłowodów telekomunikacyjnych do systemów pracujących np. z laserami He-Ne
Modowość propagującego się promieniowania skokowa zmiana n wielomodowy step-index gradientowy wielomodowy skokowy jednomodowy
TYPY DYSPERSJI Modowa (nsec/km) największa, zależy od liczby modów Chromatyczna (psec/nm, km) zwiększa się z pasmem spektralnym źródła - D. chromatyczna = D. materiałowa + D. falowodowa Materiałowa (psec/nm,km) Falowodowa (psec/nm, km) Modów polaryzacyjnych
Dyspersja modowa Miarą dyspersji jest różnica maksymalnego i minimalnego opóźnienia grupowego Δτ g = τ gmax τ gmin Światłowód o profilu: skokowym gradientowym (parabolicznym) ( NA) 2 4 Δ τ = ( ) g 2cn( 0) Δτ = NA g 3 8cn ( 0)
Dyspersja chromatyczna Prędkość fazowa Prędkość grupowa v f = c n v g = c N Grupowy współczynnik załamania N = dn n + ω dω = dn n λ dλ
DYSPERSJA MATERIAŁOWA Powstaje w wyniku zależności n od długości fali Zależy od typu materiału Domieszkowanie powoduje przesunięcie zera dyspersji mat. Wyznaczana jest z opóźnienia grupowego prom. E-M Opóźnienie grupowe określa zmianę czasu przejścia promieniowania na drodze L w funkcji długości fali Dyspersja mat. jest pochodną opóźnienia grupowego względem długości fali
Współczynnik załamania, opóźnienie grupowe i dyspersja - relacje
DYSPERSJA FALOWODOWA Wynika z zależności między wymiarem falowodu i długości fali propagującej Dystrybucja światła i dyspersja zależy od zaprojektowania złącza rdzeń-płaszcz (dyspersja falowodowa rośnie wraz ze wzrostem różnicy współczynników załamania) Jest proporcjonalna do zakresu spektralnego źródła i długości światłowodu Ma te same miana co dyspersja materiałowa Może zniwelować dyspersję materiałową o ile ich znaki są przeciwne
DYSPERSJA CHROMATYCZNA Wykres dla światłowodu skokowego jednomodowego
PRZESUNIĘCIE DYSPERSJI Zmiana dyspersji falowodowej przesuwa punkt zerowej dyspersji Wykres dla światłowodu jednomodowego z przesunięciem dyspersji
Dyspersja chromatyczna w światłowodach jednomodowych Wpływ różnych rozwiązań konstrukcyjnych światłowodów jednomodowych na położenie krzywych dyspersji chromatycznej zero-dispersion shifted zerowa dyspersja dla 1550nm!!!!
MODYFIKACJA ROZKŁADU WSPÓŁCZYNNIKA ZAŁAMANIA W ŚWIATŁOWODACH JEDNOMODOWYCH
Światłowody jednomodowe typu W ( i wielopłaszczowe) cel: kompensacja dyspersji chromatycznej dla źródeł o stosunkowo szerokim zakresie spektralnym Tu np: dla n 1 -n 3 = n 3 n 2 = 0,01 n 1 Oraz promienia rdzenia a = 3.6 μm i grubość wew. płaszcza t = 0.3 a = 1.08 μm uzyskuje się kompensację dyspersji dla zakresu promieniowania 1.3 1.7 μm
DYSPERSJA MODÓW POLARYZACYJNYCH Światłowód jednomodowy transmituje tzw. mod zdegenerowany składający się z dwóch prostopadłych modów polaryzacyjnych Materiał izotropowy Mat. dwójłomny ta sama prędkość propagacji opóźnienie jednego modu obu modów względem drugiego
DYSPERSJA MODÓW POLARYZACYJNYCH DMP mieszanie modów polaryzacyjnych powoduje rozszerzenie impulsu na drodze L Mechanizm: dwójłomność naturalna w światłowodach ma przypadkową wartość i orientację i jest zmienna w czasie. Światło przesuwa się miedzy modami polaryzacyjnymi DMP stosunkowo duża, trzeba uwzględniać przy dużych przepustowościach > 40Gbit/s*km
Straty materiałowe straty wywołane przez absorpcję wywołane przemianą energii świetlnej. Szkło kwarcowe (SiO 2 ), z którego najczęściej wytwarzane są światłowody, jest przepuszczalne w zakresie długości fal od 0.4 μm do 4 μm. Dodatkową absorpcję powodują zanieczyszczenia, defekty i domieszki innych składników (szczególnie jonów OH), określając tzw. okna transmisyjne światłowodów: krótkofalowe (ok. 0.85 μm) i długofalowe (1.3 μm i 1.55μm) straty wywołane przez rozpraszanie wynikające z przechodzenia części energii modów prowadzonych do innych modów i jej wypromieniowania. Rozróżnia się rozpraszanie Rayleigha dominujące w zakresie fal krótkich i wynikające z lokalnych, przypadkowych zmian gęstości i składu materiału oraz rozpraszanie Mie powstające na skutek niedoskonałej struktury światłowodu np. nieregularności na granicy płaszcz rdzeń (ucieczka energii z modów transmisyjnych)
Straty w światłowodach Suma minimalnej absorpcji i rozpraszania określa teoretyczna granicę strat
STRATY WE WŁÓKNACH TELEKOMUNIKACYJNYCH
Zależność tłumienności od długości fali w typowym światłowodzie ze szkła kwarcowego
Straty absorpcyjne wywołane przez jony pierwiastków przejściowych: So, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, N oraz przez jony OH -mogą powstać linie rezonansowe absorpcji harmoniczne drgań wiązań O-H (1.38 μm, 0.95 μm, 0.725 μm, 0.585) harmoniczne drgań kombinowanych wiązań O-H i Si-O (1,23; 1.125 μm, 1.03, 0.88...) Zależność tłumienia światłowodów walcowych o znikomej zawartości jonów OH
Straty rozproszeniowe Rozpraszanie objawia się jako opóźnienie fazy propagującego się promieniowania EM Rozproszenie Reyleigha wynika z bardzo niewielkich zmian przenikalności elektrycznej ε n wywołanych nieperiodyczną strukturą molekularną materiału dla szkła kwarcowego (czystego) R - główne źródło strat dla λ 0.6 1.6 μm Również dostajemy wsteczne rozproszenie Reyleigha gdy: są defekty (złącza, zakończenia...) obszary niejednorodnego współczynnika załamania indukowane: temperaturą, promieniowaniem (jonizacją), ciśnieniem α = 11.4 0.515 λ 4
Czujnik rozproszony bazujący na rozproszeniu Reyleigha Impuls wejściowy Sprzęgacz Pola zaburzające Laser impulsowy D Światłowód Układ przetwarzania Wy α i Końcówka światłowodu α i
Rozproszenie Mie - gdy rozmiary niejednorodności w szkle są porównywalne z λ Rozproszenie Brillouina i stymulowane rozproszenie Ramana zjawiska nieliniowe, występujące przy dużych gęstościach energii dla RB P> 35 mw dla RR P>3W zwłaszcza dla światłowodów jednomodowych o skompensowanej dyspersji. Wiązka o dużej energii moduluje n i rozszerza impuls RB i RR produkują dodatkowe linie spektralne wokół λ fali padającej RB bardzo niewielkie przesunięcia pików bocznych RR znaczne przesunięcie W wyniku, w kablach transoceanicznych dodatkowe tłumienie 0.05dB/km Wykorzystanie zjawiska w czujnikach np. temperatury
Straty falowodowe mody radiacyjne (straty radiacyjne) straty mikrozgięciowe (zwłaszcza w światłowodach wielomodowych) Przemieszczenie Światłowód Mody prowadzone Sensor mikrozgięciowy Mody wypromieniowane Odprowadzenie promieniowania Źródło Modulator demultiplekser
Wpływ promieniowania jonizującego na tłumienie światłowodów szkła wieloskładnikowe mogą być bardzo czułe zmiany tłumienności indukowanej promieniowaniem neutronowym w światłowodzie kwarcowym zanik tłumienności indukowanej w czasie Wykorzystanie obu zjawisk w czujnikach
MATERIAŁY NA ŚWIATŁOWODY Podstawowy materiał: szkło kwarcowe, ale temp. topnienia ok. 2000 C Dodatki: tlenki sodu i wapnia (1400 C) sodowo-ołowiowe, sodowo-glinowe (1400 C) sodowo-borowe (1240 C) 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=1.4585 utrudnia dobór szkieł na płaszcz (SiO 2 B 2 O 3, SiO 2 -F 2 ) - 1% Szkła trójskładnikowe pozwalają osiągnąć większe różnice współczynników załamania rdzenia i płaszcza Materiały na płaszcz dla św. wielomodowych również tworzywa sztuczne polimery fluorowane lub żywice silikonowe duże straty rozproszeniowe)
STRATY W ŚWIATŁOWODACH Z TWORZYW SZTUCZNYCH Tanie, bardziej podatne od światłowodów szklanych Duże tłumienie, ograniczony zakres temperaturowy pracy
ŚWIATŁOWODY DLA ZAKRESU IR Większe straty i mniejsza stabilność, ale dopuszczalne bo głównie dla potrzeb sensoryki i transmisji energii (medycyna)
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) Odcinki światłowodów do 10 km i więcej 2 metoda: proces dwuetapowy 1 etap: przygotowanie preformy 2 etap: wyciąganie światłowodu z preformy Technologie: rdzeń włożony do rury o niższym współczynniku załamania procesy wewnętrznego osadzania szkła (CVD i pochodne) fazowego oczyszczania szkła i dyfuzji domieszek do niego 3 metoda: wyciąganie rdzeniowego włókna kwarcowego z bezpośrednim pokrywaniem go płaszczem z gumy silikonowej
PRZYGOTOWANIE PREFORM: PRĘT W RURZE Głównie światłowody wielomodowe skokowe
WYTWARZANIE PREFORM PRZEZ OSADZANIE SZKŁA Osadzania składników szkła wytwarzanych w wysokotemperaturowych reakcjach doprowadzanych gazów CVD - Chemical Vapour Deposition Osadzanie warstw szkła na wewnętrznej powierzchnii rury kwarcowej, MCVD i PMCVD (Plasma Modified Chemical Vapour Deposition) Osadzanie warstw szkła na zewnętrznej powierzchni pręta kwarcowego, OVD Outside Vapour Deposition Osadzanie objętościowe szkła na jego zarodku, VAD Vapour- Phase Axial Deposition
METODA WEWNĘTRZNEGO OSADZANIA SZKŁA Duża czystość składników Pojedyncza warstwa osadzana 10 μm Kolaps rury w podwyższonej temperaturze ok. 2000 C (zaciśnięcie się pod wpływem napięcia powierzchniowego) PMCVD - wytworzenie plazmy wewnątrz rury (T ok. 5000 C) Preformy wystarczają na wyciągnięcie kilkunastu km światłowodu
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. 1000 warstw pręt usuwa się, a pozostały osad spieka w temp. 1500 C Duże preformy wyciągnięcie do 40 km światłowodu
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
WYCIĄGANIE ŚWIATŁOWODÓW Zmniejszenie średnicy preformy do 300 razy, temp. do 2100 C Średnica włókna utrzymywana z dokł. 0,1%
Światłowody utrzymujące stan polaryzacji