3. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA
Transkrypt
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