49 / 2014

Zeszyt 49
Zbigniew Porada
Wprowadzenie
do optoelektroniki
i techniki œwiat³owodowej
Wrzesieñ 2014
PODRÊCZNIK DLA ELEKTRYKÓW
praca zbiorowa pod redakcj¹ Jana Strojnego
Zeszyt 49
Wprowadzenie do optoelektroniki i techniki œwiat³owodowej
Autor: dr hab. in¿. Zbigniew Porada, prof. PK
Recenzent: prof. dr hab. in¿. Tadeusz Pisarkiewicz
Tekst dostarczono we wrzeœniu 2014 r.
Od Wydawcy
Optoelektronika jest dziedzin¹ techniki obejmuj¹ca projektowanie, produkcjê i badanie
urz¹dzeñ przetwarzaj¹cych sygna³y elektryczne na sygna³y optyczne i zamianê sygna³ów
œwietlnych na sygna³y elektryczne i stanowi obecnie jedn¹ z najszybciej rozwijaj¹cych siê
dziedzin techniki nowoczesnej elektroniki w zakresie budowy i stosowania przetworników
sygna³ów elektrycznych na optyczne lub odwrotnie. Optoelektronika wykorzystuje zjawiska zwi¹zane z rozchodzeniem siê, obróbk¹ i oddzia³ywaniem promieniowania elektromagnetycznego, a tak¿e problemami emisji oraz detekcji promieniowania, g³ównie w zakresie widzialnym. Wymaga to odpowiedniej znajomoœci podstaw optyki i elektroniki. Optoelektronika zajmuje siê tak¿e konstrukcj¹ i zastosowaniem urz¹dzeñ do emisji i detekcji
œwiat³a, które znajduj¹ obecnie coraz szersze zastosowania w ró¿nych dziedzinach techniki, a tak¿e i np. w medycynie. Jednym z g³ównych zastosowañ wspó³czesnej optoelektroniki jest te¿ przesy³anie informacji na du¿e odleg³oœci, w postaci sygna³ów œwietlnych
i w takim przypadku mówimy o technice œwiat³owodowej, która znajduje równie¿ zastosowanie np. w elektroenergetyce w technice zabezpieczeñ linii energetycznych. Znajomoœæ
podstaw optoelektroniki i techniki œwiat³owodowej sta³a siê ju¿ konieczna dla pracy in¿ynierów elektryków Tym zagadnieniom poœwiêcony jest obecny zeszyt naszego Podrêcznika. Jednoczeœnie w ramach programu humanizacji zawodu, we wstêpie autor przedstawi³
krótki rys historyczny zagadnienia
Redakcja INPE
© Copyright by: COSiW SEP – Zak³ad Wydawniczy „INPE” w Be³chatowie
Utwór w ca³oœci ani we fragmentach nie mo¿e byæ powielany, ani rozpowszechniany za pomoc¹ urz¹dzeñ
elektronicznych, mechanicznych, kopiuj¹cych, nagrywaj¹cych i innych bez pisemnej zgody posiadacza
praw autorskich.
Miesiêcznik INPE (Informacje o Normach i Przepisach Elektrycznych)
ISSN 1234-0081
Zeszyty Podrêcznika INPE dla Elektryków (bezp³atny dodatek dla ca³orocznych prenumeratorów INPE)
Wydawca i Redakcja:
SEP – COSiW Zak³ad Wydawniczy INPE
ul. Czapliniecka 96 wejœcie B, 97-400 Be³chatów, tel. 44 633 33 55
e-mail: [email protected], www.redinpe.com
NIP: 526-000-09-79
Redaktor naczelny:
Tadeusz Malinowski, tel. 785 028 557
Z-ca Redaktora naczelnego:
Jan Strojny, tel. 695 899 729
Biuro i ksiêgowoœæ:
Ma³gorzata Filipiak, tel. 783 976 966
Sk³ad komputerowy: KON Tekst Kraków, www.kon-tekst.pl
Rok wyd. XX
Druk: Leyko Kraków
2
Nak³ad: do 5500 egz.
Podręcznik
SPIS TREŒCI
1.
Wiadomoœci wstêpne
1.1. Fale elektromagnetyczne i œwiat³o widzialne
1.2. Optyka geometryczna (podstawowe pojêcia i postulaty)
1.2.1. Odbicie i za³amanie œwiat³a
1.2.2. Zasada Fermata i jej zastosowania
1.2.3. Zjawisko ca³kowitego wewnêtrznego odbicia
1.2.4. Soczewki
1.3. W³aœciwoœci absorpcyjne i dyspersyjne materia³ów
6
10
13
14
15
16
17
18
2.
•ród³a œwiat³a
2.1. •ród³a szerokopasmowe i o pojedynczej linii widma
2.2. Pó³przewodnikowe Ÿród³a œwiat³a
2.2.1. Rekombinacja promienista w pó³przewodnikach
2.2.2. Diody LED, zasada dzia³ania i konstrukcje
2.2.2.1. Homoz³¹czowe diody elektroluminescencyjne
2.2.2.2. Heteroz³¹czowe diody elektroluminescencyjne
2.2.2.3. Diody superluminescencyjne
2.2.3. Diody laserowe, zasada dzia³ania i rodzaje
21
21
21
21
24
27
28
29
29
3.
Œwiat³owody
3.1. Zasada dzia³ania œwiat³owodów
3.2. Propagacja œwiat³a w œwiat³owodach
3.3. Apertura numeryczna i mody w œwiat³owodzie
3.4. Rodzaje œwiat³owodów i ich wytwarzanie
3.4.1. Metody wytwarzania œwiat³owodów
3.5. Straty mocy w œwiat³owodach, dyspersja i czas narastania
3.5.1. Okna optyczne œwiat³owodów
3.5.2. Straty mocy na po³¹czeniach
3.5.3. Dyspersja w œwiat³owodach
2.5.3.1. Dyspersja w œwiat³owodach jednomodowych
2.5.3.2. Obliczanie ca³kowitej dyspersji i czasu narastania
3.6. Sprzê¿enie Ÿród³a œwiat³a ze œwiat³owodem
3.7. Œwiat³owody fotoniczne
3.8. Solitony
35
35
37
38
39
40
43
43
44
45
47
48
49
51
55
4.
Detekcja œwiat³a
4.1. Parametry fotodetektorów
4.2. Szumy i ich rodzaje
4.3. Detektory fotonowe
4.3.1. Fotorezystory
57
57
60
61
61
Zeszyt 49
3
4.3.2. Fotodiody
4.3.3. Fotodiody p-i-n
4.3.4. Fotodiody Schottky'ego
4.3.5. Fotodiody lawinowe
4.3.6. Fototranzystory
4.4. Reakcja ludzkiego oka na œwiat³o
4.5. Podstawowe wiadomoœci z teorii detekcji optycznej
4.5.1. Ograniczenia kwantowe
4.5.2. System z zak³óceniami miêdzysymbolowymi
5. Wyœwietlacze, ich typy i parametry
5.1. Wyœwietlacze plazmowe
5.2. Wyœwietlacze ciek³okrystaliczne
5.3. Wyœwietlacze elektroluminescencyjne
5.4. Wyœwietlacze wykorzystuj¹ce OLED-y
62
63
64
65
66
67
70
70
71
73
73
76
82
88
6. Wybrane przyk³ady zastosowañ
6.1. Zastosowania w telekomunikacji
6.2. Czujniki œwiat³owodowe
6.3. Zastosowania w medycynie
6.4. Optyka zintegrowana
94
94
97
98
103
Literatura
106
Sta³e uniwersalne
109
Wprowadzenie do optoelektroniki i techniki œwiat³owodowej
STRESZCZENIE
Optoelektronika jest obecnie jedn¹ z najszybciej rozwijaj¹cych siê dziedzin techniki, która obejmuje badania, projektowanie i produkcjê sprzêtu oraz urz¹dzeñ przetwarzaj¹cych sygna³y elektryczne na sygna³y optyczne i odwrotnie. Ka¿de urz¹dzenie, które dzia³a jako przetwornik sygna³ów elektrycznych na optyczne lub sygna³ów
optycznych na elektryczne jest uwa¿ane za urz¹dzenie optoelektroniczne. Badania
wchodz¹ce w zakres optoelektroniki wykorzystuj¹ zjawiska zwi¹zane z rozchodzeniem siê, obróbk¹ i oddzia³ywaniem promieniowania elektromagnetycznego, a tak¿e
emisji oraz detekcji takiego promieniowania. Optoelektronika zajmuje siê tak¿e konstrukcj¹ i zastosowaniem urz¹dzeñ do emisji i detekcji œwiat³a. Zastosowania te obejmuj¹ ró¿ne dziedziny techniki, a tak¿e medycyny. Jednym z g³ównych zastosowañ
optoelektroniki jest te¿ przesy³anie informacji na du¿e odleg³oœci, w postaci sygna³ów œwietlnych (technika œwiat³owodowa). W niniejszym opracowaniu we wstêpie
skrótowo opisano fale elektromagnetyczne oraz podstawowe pojêcia z optyki geometrycznej. W dalszej czêœci opisano pó³przewodnikowe Ÿród³a œwiat³a, nastêpnie
œwiat³owody oraz ich rodzaje i w³aœciwoœci. W kolejnych czêœciach opracowania
omówiono rodzaje detektorów i zagadnienia zwi¹zane z detekcj¹ œwiat³a, a nastêpnie
opisano wybrane rodzaje wyœwietlaczy, w tym plazmowe, ciek³okrystaliczne, elektroluminescencyjne i oparte na OLED-ach. W ostatniej czêœci skrótowo przedstawiono wybrane przyk³ady zastosowañ optoelektroniki, w tym zastosowania telekomunikacyjne, medyczne oraz opisano kilka czujników œwiat³owodowych.
Introduction to optoelectronics and fiber optics
ABSTRACT
Optoelectronics is now one of the fastest growing areas of technology, which includes research, design and production of equipment and processing equipment electrical signals to optical signals and vice versa. Any device that operates as a transmitter of electrical signals to optical or optical to electrical signal is considered an optoelectronic device. Research within the scope of optoelectronics use phenomena of
propagation, processing and effects of electromagnetic radiation, and the emission
and detection of such radiation. Optoelectronics deals with the design and application
of devices for emission and detection of light. These applications include various
fields of technology and medicine. One of the main applications of optoelectronics is
also sending information over long distances, in the form of light signals (fiber
optics). In this paper, the introduction briefly describes the electromagnetic waves and
the basic concepts of geometrical optics. Hereinafter the semiconductor light source,
optical fibers and then the kinds and properties. The following sections discuss the
development of types of detectors and issues related to the detection of light, and then
describes some types of displays, including plasma, liquid crystal, electroluminescent
and based on OLEDs. The last section summarizes selected examples of applications
of optoelectronics, including the use of telecommunications, medical, and describes
several fiber optic sensors.
Zeszyt 49
5