3. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA

TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA
3. Optyka planarna i elementy bierne toru optycznego
Spis treści:
3.1. Wprowadzenie.
3.2. Światłowody planarne i paskowe
3.3. Światłowodowe soczewki cylindryczne i planarne
3.4. Złącza w torze optycznym
ü Sprzężenie optyczne światłowodów
ü Sprzężenie optyczne źródło-światłowód, fotodetektor-światłowód
3.5. Sprzęgacze, przełączniki włókniste i planarne
3.6. Multipleksery / demultipleksery
3.7. Elementy polaryzacyjne, izolatory i filtry
3. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Optyka planarna i elementy bierne toru optycznego
Strona 1
3.1. Wprowadzenie
Schemat typowego systemu telekomunikacji światłowodowej
Elementy i podzespoły techniki światłowodowej:
· nadajniki i odbiorniki optoelektroniczne
· światłowody i kable światłowodowe
· bierne i aktywne elementy sieci i urządzeń światłowodowych
3. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Optyka planarna i elementy bierne toru optycznego
Strona 2
3.2. Światłowody planarne i paskowe
Współczynniki odbicia:
G^ =
G|| =
Prawo Snelliusa:
n 1 sin q1 = n 2 sin q 2
Kąt graniczny:
æn ö
qc = arcsin ç 2 ÷
è n1 ø
A r = GA gdzie G = G e
j2 F
- współczynnik odbicia
n1 cos q1 - n 22 - n12 sin 2 q1
n1 cos q1 + n 22 - n12 sin 2 q1
n 22 - n12 sin 2 q1 - n 22 cos q1
n 22 - n12 sin 2 q1 + n 22 cos q1
dla polaryzacji TE
dla polaryzacji TM
Typowa relacja: n g > n s > n c
Kąty graniczne: q s i qc oraz q s > q c
3. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Optyka planarna i elementy bierne toru optycznego
Strona 3
Warunek rezonansu poprzecznego dla „prowadzonego” modu:
2b 0 n g d cos q + 2Fs + 2F c = 2 pk dla k = 0,1,2,K
q > qs , q c ð b 0 n s £ b £ b 0 n g
Skuteczny współczynnik załamania (modal guide index):
b
nk =
= n g sin q
b0
3. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Optyka planarna i elementy bierne toru optycznego
Strona 4
Znormalizowana częstotliwość:
Znormalizowana charakterystyka dyspersji
V = b 0d n g2 - n s2
Znormalizowana stała propagacji:
n 2k - n s2
b= 2
n g - n s2
Stała asymetrii dla dwóch polaryzacji:
a TE
n s2 - n c2
= 2
n g - n s2
a TM
n g4 n s2 - n c2
= 4 2
n c n g - n s2
Równanie dyspersji:
- b = kp + arctg b / (1 - b ) + arctg ( b + a )(1 - b )
Dla b=0 równanie częstotliwości granicznych:
Vk = arctg a + kp
3. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Optyka planarna i elementy bierne toru optycznego
Strona 5
Struktury światłowodów paskowych
Metoda efektywnego współczynnika załamania
(a) - „podniesiony” światłowód paskowy
(b) - „wtopiony” światłowód paskowy
(c) - światłowód grzbietowy
(d) - światłowód paskowo-„obciążony”
(e) - światłowód zagrzebany
3. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Optyka planarna i elementy bierne toru optycznego
Strona 6
Światłowody paskowe:
Zastosowanie ð przyrządy optofalowe
Materiał ð półprzewodnik, niobian litu
Paskowy światłowód Ti:LiNbO3
Stała tłumienia światłowodu półprzewodnikowego:
» 0,15 dB/cm
Sprzężone światłowody paskowe
Stała tłumienia światłowodu: < 0,1 dB/cm
3. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Optyka planarna i elementy bierne toru optycznego
Strona 7
3.3. Światłowodowe soczewki cylindryczne i planarne
objętościowa
Soczewki:
światłowodowa-gradientowa
Typowe rodzaje światłowodowych soczewek
P- długość okresu soczewki; L- długość soczewki
Typowe wymiary: R=1-2 mm; L=3-30 mm
Trajektoria promieni w światłowodzie z parabolicznym
rozkładem współczynnika załamania
Profil rozkładu współczynnika załamania:
æ A ö
n ( r ) = n ( 0 ) × ç1 - r 2 ÷
è
2 ø
A- parametr rozkładu współczynnika załamania
Równanie promienia:
ì r(0) = r0 ü
d 2r
ï dr
ï
Þ r( L) = r0 cos
2 + Ar = 0 gdy í
= 0ý
dz
ïî dz z= 0
ïþ
(
Okres soczewki: P = 2p A
3. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Optyka planarna i elementy bierne toru optycznego
)
A ×L
Strona 8
Trajektoria promienia świetlnego
Zależność ogniskowej od długości soczewki
Podstawowe parametry geometryczne
Zależność odległości pracy od długości soczewki
P1, P2 - płaszczyzny główne; F1, F2 - ogniska;
O, J - przedmiot i obraz; S1, S2 - odl;
h1, h2 - odległość od czoła soczewki do P1, P2;
[
(
ctg(
=
Ogniskowe: f1 = f2 = n( 0) A sin
Odległości pracy: S1 = S2
)]
AL)
AL
-1
n ( 0) A
3. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Optyka planarna i elementy bierne toru optycznego
Strona 9
Stożek akceptowanych promieni
Apertura numeryczna:
NA = sin q max
Funkcje światłowodowych soczewek
üTransformacja apertury numerycznej
üOgniskowanie i kolimacja
é æ r ö2ù
= n( 0) R A ê1 - ç ÷ ú
ë è Rø û
Efektywna apertura numeryczna
1.22l
NA
2ö
æ
D ab = 0.084ç h 4 - ÷ L
è
3ø
D dyf =
(
AR
Efekt kolimacji
Dq = n ( q) rf A
3. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Optyka planarna i elementy bierne toru optycznego
Strona 10
üTransformacja położenia i kąta padania
üPrzenoszenie obrazu
3. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Optyka planarna i elementy bierne toru optycznego
Strona 11
Aberracje światłowodowych soczewek
Soczewki planarne
üAberracja chromatyczna
Pc- dla l=1550 nm; Pd- dla l=1300 nm; Pc- dla l=850 nm.
üAberracja sferyczna
Zniekształcenia obrazu typu:
poduszka
beczka
a) planarna, odbiciowa soczewka równoważna
soczewce objętościowej;
b) soczewka gradientowa (Luneburg’a);
c) dyskretna soczewka Fresnel’a;
d) ciągła (analogowa) soczewka Fresnel’a;
e) soczewka geodezyjna.
3. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Optyka planarna i elementy bierne toru optycznego
Strona 12
Przykładowe zastosowania
üŁączenie światłowodów
üMultiplekser
üSprzęgacz kierunkowy
üPowielanie obrazu
3. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Optyka planarna i elementy bierne toru optycznego
Strona 13
3.4. Złącza w torze optycznym
Przyczyny strat mocy w złączach:
Sprzężenie optyczne światłowodów
üZłącza trwałe
spawane
· rozproszenia i odbicia
klejone
* niejednorodności złączy stałych
* odbicia frenelowskie na nieciągłościach złączy rozłączalnych
· niedopasowanie własności optycz-
nych i struktury włókien
Typowe straty: 0.01 dB - 0.1 dB
üZłącza rozłączalne
z centrującym stożkiem
z kolimacją soczewkową
*
*
*
*
*
rozkładów współ. załamania
apertur numerycznych
średnic rdzeni i płaszczy
położenia rdzenia w płaszczu
eliptyczność rdzenia
· niedokładności geometryczne
położenia łączonych włókien
Typowe straty: 0.3 dB - 1.5 dB
* przesunięcia radialne i wzdłużne
* odchylenia kątowe osi i czół
* niedokładna obróbka płaszczyzn
czół (prostopadłość do osi,
płaskość, gładkość)
3. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Optyka planarna i elementy bierne toru optycznego
Strona 14
3.5. Sprzęgacze, przełączniki włókniste i planarne
Typy sprzęgaczy ze względu na funkcję w torze optycznym: 1x2; 2x2; 1xN; MxN; NxN
Y
X
Techniki wykonania sprzężenia:
czołowe
Parametry sprzęgacza typu X:
· sprzężenie
· izolacja
ð
ð
· kierunkowość ð
C [dB] = 10 lg
gwiazda
boczne
Spotyka się również następujące definicje:
P1
P4
P1
¨kierunkowość sprzężenia
P2
P
D [dB] = 10 lg 4 = I - C ¨ efektywność sprzężenia
P2
I [ dB] = 10 lg
P
3
¨straty wewnętrzne toru głównego ð I m [dB] = 10 lg P
1
P2
ð
P1
P3 + P4
[
]
E
dB
=
10
lg
ð m
P1
3. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Optyka planarna i elementy bierne toru optycznego
Sms [dB] = 10 lg
Strona 15
Sprzęganie czołowe włókien
Technologia:
spawanie
mikrooptyka
Sprzęganie boczne włókien
Technologia:
spawanie z rozciąganiem
klejenie z polerowaniem
3. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Optyka planarna i elementy bierne toru optycznego
Strona 16
Stosowane techniki wykonywania sprzęgaczy światłowodowych
3. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Optyka planarna i elementy bierne toru optycznego
Strona 17