Grupa R5 Wykład 3 godzin Laboratorium w ramach lab USF Prowadzący: prof. dr hab. inż. Małgorzata Kujawińska m.kujawinska@mchtr.pw.edu.pl pok.55 Zaliczenie wykładu - kolokwia (po 3 pkt) Konieczność zaliczenia każdego kolokwium min na 6pkt
Laboratorium SUF Badanie podstawowych parametrów światłowodu wielo- i jednomodowego, problemy sprzęgania z różnymi typami źródełświatła i z detektorami. Badanie wybranych elementów toru światłowodowego: złączki, sprzęgacza, izolatora i kontrolera polaryzacji. Realizacja i badania wybranych sensorów intensywnościowych i interferencyjnych. Badanie światłowodu utrzymującego stan polaryzacji i budowa czujnika polarymetrycznego Optoelektroniczne przesyłanie sygnału audio-video torem transmisji światłowodowej
Program wykładu. Wstęp - historia i główne problemy rozwoju techniki światłowodowej. Opis propagacji fali elektromagnetycznej w światłowodach analiza propagacji dyspersja tłumienie 3. Technologia wykonania światłowodów materiały metody wytwarzania
Program wykładu 4. Elementy toru światłowodowego kabel światłowodowy złącza sprzęgacze wzmacniacze modulatory elementy polaryzacyjne 5. Wybrane zastosowania - telekomunikacja światłowodowa - czujniki światłowodowe
LITERATURA. Szustakowski M.: Elementy techniki światłowodowej, Wyd. Naukowo- Techniczne, Warszawa, 99. Majewski A.: Podstawy techniki światłowodowej, Oficyna Wyd. PW, Warszawa 3. Smoliński A.: Optoelektronika światłowodowa, Wyd. Kom. Łaczności Warszawa 985 4. Domański A.W.: Układy i urządzenia optoelektroniczne, Wyd. w ramach "Tempus Series in Applied Physics", Oficyna Wyd. PW, Warszawa 997 5. Saleh A.E., Teich M.C.: Fundamentals of Photonics, J. Wiley & Sons, Inc. New York 99, rozdziały 8 i 6. Skrypt wykładowy, Fibre Optics Sensors,Cranfield Univ. red. R. Tatama 7. R. Jóźwicki Podstawy Inżynierii Fotonicznej, Oficyna Wyd. PW 6 8. Hecht J.:Understanding fiber optics components, kurs SPIE Udd E.: Fiber optic sensors, J.Wiley and Sons Inc., 99
Historia 87 J.Tyndal - prowadzenie światła w strumieniu wody 954 A.C. Van Heel propozycja światłowodu z płaszczem 96 T.H.Maiman laser rubinowy 963 zjawisko laserowe w półprzewodnikach 966 K.C.Kao pomysł systemu telekomunikacyjnego bazującego na prowadzeniu światła w kołowym dielektrycznym falowodzie w płaszczu 97 Corning Glass światłowód o tłumieniu < db/km 97 Corning Glass światłowód o tłumieniu < 5dB/km 977 pierwsze eksperymentalne systemy łączności
Rozwój techniki światłowodowej zmniejszenie tłumienności i dyspersji i dopasowanie ich charakterystyk widmowych wzmacniacze i lasery światłowodowe lasery półprzewodnikowe urządzenia zintegrowanej optyki światłowodowej techniki modulacji i detekcji
ETAPY ROZWOJU Telekomunikacji Swiatłowodowej etap I (975): światłowody pierwszej generacji: wielomodowe, źródło diody elektroluminescencyjne.87μm - etap II (978): zastosowano światłowody jednomodowe oraz źródła i detektory Dl dla.3μm. Osiągnięto iloczyn przepływności binarnej przez długość równą Gbit km/s - etap III (98): zmniejszono tłumienność w światłowodach trzeciej generacji. Zastosowano lasery dla fal o długości.55μm, uzyskano setki Gbit km/s - etap IV (984): światłowody czwartej generacji to światłowody utrzymujące stan polaryzacji. Pojawiły się koherentne systemy transmisji - etap V (989): w piątej generacji światłowodów wykorzystano zjawiska nieliniowe, uzyskano Gbit km/s. W przypadku symulowania transmisji na dużą odległość przy użyciu pętli i światłowodów aktywnych zwiększono tą wartość tysiąckrotnie. Wykonano bramkę Gb/s, a więc możliwe jest powiększenie przepływności binarnej. - etap VI (): w szóstej generacji wykorzystanie światłowodów fotonicznych, dalsze zmniejszenie strat
TECHNIKA ŚWIATŁOWODOWA Telekomunikacja Sensory OGÓLNE TENDENCJE DO: pełnej fotonizacji systemu teletransmisji: dążenie do przesyłania sygnału CYFROWEGO a nie analogowego automatyzacji systemów produkcyjnych, komercyjnych, medycznych, transportowych i innych TŚ techniką perspektywiczną bo: limit transmisji optycznej THz a długość impulsu ps ale obecnie ograniczenia elektr. Urządzeń przetwarzających ok. 6-GHz zastąpienie wzmacniaczy elektronicznych optycznymi zastąpienie odgałęzień elektronicznych - sprzęgaczami światłowodowymi sterowanie sygnałem optycznym - nieliniowe efekty optyczne kompatybilność ze zminiaturyzowanymi źródłami światła i z detektorami Tworzenie systemów all fiber Tworzenie systemów fotonicznych: światłowodowo-planarnych
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
Zalety światłowodów Niewielka waga ok. kg 3m św. z pokryciem kabel koncentr. 4 kg 3m Mały wymiar Sw. Φ.cm - 33 światłowody (.75 mln rozmów tel.) KK Φcm Dobre zabezpieczenie przed podsłuchem/ ingerencją w przesyłane informacje Łatwość integracji toru światłowodowego z: (4.3 rozmów tel - elementami planarnymi (zintegrowane tory fotoniczne) - systemami konwencjonalnymi (możliwośc miniaturyzacji tych systemów)
Zalety światłowodów cd Elastyczność Nie pęka zginany na elemencie Φ3mm 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.55μm tylko.6db/km wzmacnianie niezbędne po kilkuset km W kablach koncentrycznych 9dB/km i wzmacniacze co km
Zalety światłowodów cd Szerokie pasmo Dla światłowodu gradientowego od do GHz. Przepływność Gbit/s. Graniczna wartość kabli koncentrycznych 4Mbit/s Multipleksing Transmisja informacji tym samym światłowodem na różnych nośnikach - różne λ, różna polaryzacja
Modowość propagującego się promieniowania skokowa zmiana n wielomodowy step-index gradientowy wielomodowy skokowy jednomodowy Podstawowa wada: dyspersja ) materiałowa ) falowodowa 3) wielomodowa
Przykładowe parametry Typ Φ rdzenia Φ płaszcza NA Kąt akceptacji μm μm stopnie Skokowy 4 5.3.4 4 5 Gradientowy 5 5. 6 Jednomodowy 3-9 5. 4 Włókno jednomodowe ma średnicę poniżej μm Im krótsza długość fali, tym mniejsza średnica Rozkłady intensywności dla różnych modów
Włókna bazujące na fotonicznych kryształach ach Światlowody fotoniczne Swiatłowód fotoniczny jest światłowodem z płaszczem wykonanym z kryształu fotonicznego a rdzeniem uformowanym w wyniku defektu w strukturze periodycznej kryształu
Propagacja fali w falowodzie -Powtórzenie płytkowy paskowy Falowody Kąt graniczny Fala prowadzona w falowodzie dla n >n sin i i > i ig i ig n n Brak spełnienia warunku fala częściowo wycieka poza falowód x n i n n z n
d x α n A i n α B z Mody falowodu Ponieważ n n Propagują się tylko te fale, które po dwóch odbiciach są w fazie z falą padającą Nazywamy je modami falowodu i warunek zgodności fazy α C d sinα AB ACcosα więc AC AB ( cos α ) d sinα lub n dcosi ϕ πm m k k n dsinα ϕ πm m,,,k gdyż + α. 5π ϕ jest skokiem fazy przy odbiciu różnym dla składowej równoległej i prostopadłej i,,,k
x d ϕ tg II ϕ tg n i n n n n ( n sini ) ( n sini ) n n cosi cosi n n z α Mody falowodu cd Kąt graniczny i g sin i Skoki fazy ϕ przy całkowitym wewnętrznym odbiciu ϕ tg II ϕ tg cos i g n n + α. 5π α cos sinαcos cos + α. 5π α cos sinα Zmiana α od do α g zmiana ϕ od π do i g α α α g g g g
Warunek zgodności fazy k Mody falowodu cd ndcosi πm ϕ m,,,k Dla składowej prostopadłej (ϕ ) można przepisać jako n d cos α cos α g tg π sinα.5m m,,,k λ sinα n Dla danego falowodu dane n, n, d i λ cos αg sinig n λ i oznaczając A jako stałą dla danego falowodu n d lewa strona równania ( α) L sin tg π sin α m A P prawa strona równania ( sinα) dla różnych m cos α cos sinα α g
π sinα L ( sinα) tg m P ( sinα) P II A Linia P Linie L cos α cos sinα α g m 3 5 7 A sinα g sinα Na przecięciu się linii L i P mamy sinα m odpowiadające modowi m kąta α m Różne linie P dla składowych II i a więc różne kąty α m
Liczba modów propagujących się w falowodzie x n d n i pg n i p i n g α g z A λ n d M więc sinα A g M d λ n dn λ n cosi n g λ dn λ d NA n n ale gdyż gdzie NA sini pg sin i n g n n cosig n sinip sinipg jest aperturą numeryczną falowodu zdefiniowaną dla kąta granicznego i pg promienia wchodzącego do falowodu z powietrza
Rozkład propagującego się pola d x α m n -α m n n z Mamy dwie fale płaskie propagujące się pod kątem α m jak i -α m n wektory propagacji modu m Składowe wektorów propagacji w płaszczyźnie x-z dla α m k( nk sin αm,nk cosαm ) Fale te interferują w i -α k( nk sin αm, nk cosαm ) obszarze falowodu m Zgodnie z warunkiem zgodności fazy k nd cosi ϕ πm następuje przeskok fazy o π między sąsiednimi modami Dla m parzystych fale się dodają, a dla nieparzystych - odejmują
V α Dla m parzystych Dla m nieparzystych Ponieważ Rozkład propagującego się pola cd V p ( x,z) V α ( x,z) + V α ( x,z) ( x,z) V ( x,z) V ( x,z) V np ( x,z) V exp[ i( k x + k z) ] V exp[ in k ( x sinα + z α )] x z m cos Więc w obszarze falowodu V V p np ( x,z) ( x,z) V cos ( nk x sinαm ) ( x sinα ) isin n k Amplitudy modów (.5 ) i exp iπ m α α ( zcosα ) exp in k Propagacja w kierunku z m m stałe przesunięcie fazowe m,,4, L m,3,5, L
V V p np ( x) ( x) Rozkład amplitud propagującego się pola V cos sin ( nkx sin αm ) m,,4, ( n k x sin α ) m,3,5, L m L Wzory dotyczą rozkładu wewnątrz falowodu.5d < x <.5d x m 3 8 mody d z Jak pole wygląda poza obszarem falowodu?