Wprowadzenie

Transkrypt

Wprowadzenie

Światłowody II
Właściwości i zastosowania światłowodów
Wprowadzenie
Uwaga: Wykład zawiera podsumowanie wiadomości z wykładu Światłowody I
Prezentacja zawiera kopie folii omawianych na wykładzie. Niniejsze
opracowanie chronione jest prawem autorskim. Wykorzystanie
niekomercyjne dozwolone pod warunkiem podania źródła.
© Sergiusz Patela 1998-2004
Schemat systemu światłowodowego
Źródło światła
(nadajnik)
„szum”
Detektor światła
(odbiornik)
Elektryczny sygnał
wyjściowy
Elektryczny sygnał
wejściowy
Światłowód
Swiatłowody II - Wprowadzenie
2
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 3x1014Hz, (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.
3
Nietelekomunikacyjne zastosowania światłowodów
1. Medycyna: optyczne prowadnice mocy
optycznej (chirurgia laserowa),
wzierniki(endoskopia)
2. Przemysł samochodowy: niezawodna transmisja
danych, wyświetlacze, oświetlacze
3. Czujniki np. Lab-on-a-chip
4. Układy połączeń optycznych, optyczne szyny
transmisji danych (tzw. Optical bakcplane)
4
Włókno - całkowite wewnętrzne odbicie
Całkowite wewnętrzne odbicie
Średnica rdzenia światłowodu: 10 do 50 mm na długości 1 m daje około
10 000 odbić. Przy współczynniku odbicia 99% doprowadzi to do do
wytłumienia sygnału w stosunku 0.9910 000 = 10-44
• Podać prawo Sneliusa,
• zdefiniować kąt graniczny,
• podać metodę obliczenia kąta granicznego dla granicy szkło-powietrze
5
10 zalet włókien światłowodowych
1. Ogromna pojemność informacyjna pojedynczego włókna
2. Małe straty = zdolność przesyłania sygnałów na znaczne odległości
3. Całkowita niewrażliwość na zakłócenia elektromagnetyczne
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.
6
Krótka historia fotoniki
1876 - Aleksander Graham Bell wynalazł (1880 opatentował) fototelefon. Urządzenie
pozwalało komunikować się na odległość 200 m.
1890 - efekt światłowodowy w dielektrykach, Lord Tyndal
1910 - badania i prace teoretyczne nad światłowodami, Lord Rayleigh (Hondros, Debye
1910)
1957 - Wynalezienie lasera (Schawlow, Townes, 1958)
1962 Impulsowy laser GaAs (Hall i in., Nathan i in. 1962)
1965 - propozycja stosowania światłowodów gradientowych w telekomunikacji (Miller
1965)
1966 - 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.
1998 < Wprowadzenie systemów WDM, włókna plastikowe?
7
Klasyfikacja światłowodów
Klasyfikacja (ze względu na strukturę światłowodu):
włókniste - planarne
szklane - plastikowe
jednomodowe - wielomodowe
planarne - paskowe, ...
skokowe - gradientowe
standardowe - specjalne
Inny typ klasyfikacji - ze względu na zastosowanie:
telekom, datakom
czujniki
obrazowody, wzierniki
oświetlenie, zdobnictwo
8
Podstawowe właściwości światłowodów przypomnienie i krótkie podsumowanie
•Równania Maxwella
• Równanie falowe
•Równania modowe i właściwości modowe
•Tłumienie
•Dyspersja
9
Podstawowe parametry światłowodów - zestawienie
• Optyczne (tłumienie, dyspersja, straty Fresnela, współczynnik
załamania, różnica współczynników załamania rdzenia i płaszcza,
apertura numeryczna, modowość, częstotliwość (grubość)
znormalizowana V, grubość odcięcia modu (długość fali odcięcia),
maksymalna moc prowadzona)
• Geometryczne
• Mechaniczne
10
Podstawowe parametry światłowodów - dane
Tłumienie [dB/km]
włókna jednomodowe
1310nm
0,33-0,42
1550nm
0,18-0,25
włókna wielomodowe (gradientowe)
850nm
2,4-2,7 (50/125) 2,7-3,2 (62,5/125)
1300nm
0,5-0,8
0,6-0,9
Dyspersja chromatyczna włókien jednomodowych [ps/km.nm]
1285 - 1330 nm
≤ 3,5
1550nm
≤ 18
Pasmo transmisji włókien wielomodowych [MHz.km]
850nm
400-800 (50/125)
160-400 (62,5/125)
1300nm
400-1500
300-1200
11
Równania Maxwella
r
r
∂B
∇× E = −
∂t
r
r ∂D r
∇× H =
+J
∂t
r
∇⋅D = ρ
r
∇⋅B = 0
gdzie:
J = gęstość prądu [A/m2],
ρ = gęstość ładunku [C/m3]
r
r
r r
D = ε E = ε0E + P
r
r
r r
B = µ H = µ0 H + M
12
Równania falowe
r
r
∂ E
2
∇ E − µε
2 = 0
∂t
r
2
r
∂ H
2
∇ H − µε
2 = 0
∂t
2
E
y
[
= E 0 y ( x ) e x p i (ω t − β z )
∂ 2 E0 y
∂x
2
[
]
]
+ k 2 − β 2 E0 y = 0
13
Równanie modowe światłowodu planarnego - mody TE
2k0 n f t cos(θ) − 2Φ s − 2Φ c = 2πm, m = 0,1,2,...
Φc =
Φc =
n 2f sin θ − nc2
Φs =
n 2f − n 2f sin θ
n 2f
n 2f sin θ − nc2
nc2
Φs =
n 2f sin θ − ns2
n 2f
n 2f sin θ − ns2
ns2
14
Wykres modowy: Neff lub kąt
Krzywe modowe TE0
2.0
90
1.9
Neff
80
1.8
70
1.7
60
1.6
1.5
N eff = n f sin θ
θ [ °]
50
0.2
0.4
0.6
d [ µ m]
0.8
1.0
Porównanie krzywych modowych kreślonych jako
zależności Neff(d) i θ(d). nf = 2, ns = 1.5, nc = 1
15
Wykres modowy: TE i TM
Krzywe modowe TE i TM
nf=2., ns=1.5, nc=1.
2
Neff
1.9
1.8
1.7
1.6
1.5
0.2
0.4
0.6
0.8
1
d [um]
Zależność efektywnego współczynnika od grubości warstwy dla trzech
pierwszych modów TE i TM światłowodu planarnego
16
Liczba modów we włóknie światłowodowym
V2
N≈
2
gdzie:
V=
2⋅π⋅a 2
n1 − n22
λ 0
(
)
1/ 2
=
2⋅π⋅a
⋅ NA
λ 0
β k 0 − n2 neff − n2
b=
=
n1 − n2
n1 − n2
Grubość
charakterystyczna
Unormowana stała
propagacji
Przykład:
Liczba modów w typowym światłowodzie wielomodowym 50/125
Promień a = 25 µm
Apertura numeryczna NA = 0.20
Długość fali 1 µm
V = 2 * 3.14 * 25 * 0.20 /1 = 31.4
N = (31.4)2 /2 493
17
Rozkłady pola elektrycznego dla trzech
pierwszych modów światłowodu planarnego
E
2
1
x
-2
-1,5
-1
-0,5
0,5
1
-1
-2
ns = 1,5, nf = 2, nc = 1, λ = 633 nm
18
Mody hybrydowe światłowodu włóknistego
1
HE 11
TM 01
TE 01
b
EH 11
HE 31
HE 12
HE 21
1
2
3
V 4
5
6
19
Mody LP światłowodu włóknistego
1
LP 01
LP 11
b
LP 21
LP 02
1
2
3
V
4
5
6
20
Dyspersja włókna
Dyspersja → poszerzanie impulsu i ograniczenie pasma
Rodzaje dyspersji
• międzymodowa
• materiałowa (chromatyczna)
• własna (światłowodowa, wynik fluktuacji n, λ, a)
• polaryzacyjna
21
Propagacja różnych modów w światłowodzie skokowym
t
22
Dyspersja modowa
Dyspersja [s]
-6
1. 10
a
-6
1. 10
b
-7
1. 10
-8
1. 10
-9
1. 10
0.1
1
10.
100.
Długość Światłowodu [km]
Dyspersja modowa światłowodu wielomodowego. n1 = 1,54, NA = 0,2. a) wykres
otrzymane ze wzoru, b) przykładowy wykres zmierzony. Dla włókna o długości
(L) do 1 km dyspersja jest proporcjonalna do L, dla większych odległości dyspersja
jest proporcjonalna do pierwiastka z L.
23
Propagacja różnych modów w światłowodzie
gradientowym
t
n1 − n2
∆τ grad ∆
≈ , ∆=
skok
8
n1
∆τ
24
Propagacja w światłowodzie jednomodowym
t
25
Dyspersja chromatyczna i własna
30
Dyspersja materiałowa
Dyspersja [ps/(km-nm)]
20
10
Dyspersja (całkowita)
0
-10
λZD
Dyspersja światłowodowa
-20
-30
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
Długość fali [µm]
26
Dyspersja całkowita włókna
n
1.54
20
n1
n2
n2
Dyspersja [ps/(km-nm)]
d = ~9 µ m
10
Standardowa
125 µm
Dyspersja płaska
(DFF)
0
Dyspersja przesunięta
(DSF)
-10
-20
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
Długość fali [µm]
27
r
Okna telekomunikacyjne
i generacje systemów światłowodowyc
h
TŁUMIENIE WŁÓKNA ZE SZKŁA KWARCOWEGO
W FUNKCJI DLUGOŚCI FALI ŚWIATŁA
5
IV okno
I okno
10
Tłumienie
II okno
30
III okno
50
V okno?
[dB/km]
3
1
0.5
0.3
0.1
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
[µm]
Długosc fali
28
Standardowe (ITU) okna transmisji
• O-Band (1,260nm to 1,360nm),
• E-Band (1,360nm to 1,460nm),
• S-Band (1,460nm to 1,530nm),
• C-Band (1,530nm to 1,565nm),
• L-Band (1,565nm to 1,625nm)
• U-Band (1,625nm to 1,675).
• Pasmo nie zdefiniowane przez ITU, ale stosowane w sieciach
światłowodowych - 850nm.
29

Wprowadzenie

Transkrypt

Podobne dokumenty

Projektowanie lokalnej sieci światłowodowej

Święty kapłan-męczennik Sergiusz (Zacharczuk)

Podstawowe wiadomości o dyspersji światłowodów

Kompensacja

Lokalne sieci optyczne

Optoelektronika II. Przyrządy fotoniki

Wprowadzenie do sieci światłowodowych

Certyfikat bezpieczeństwa strony internetowej

Detektory

Sieci światłowodowe

M i S mody

Wprowadzenie

Parametry i technologia światłowodowego systemu CTV

Elementy aktywne