Optoelektronika II. Przyrządy fotoniki

Transkrypt

Optoelektronika II.
Przyrządy fotoniki
Wprowadzenie
Uwaga: Wykład zawiera podsumowanie wiadomości z wykładów
Światłowody I i Światłowody II.
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 łącza światłowodowego
Źródło światła
(nadajnik)
„szum”
Detektor światła
(odbiornik)
Elektryczny sygnał
wyjściowy
Elektryczny sygnał
wejściowy
Światłowód
Optoelektronika II - Wprowadzenie
2
Schemat systemu światłowodowego
i przyrządy fotoniki
Wzmacniacze
Kompensatory
Detektor
światła
Źródło
światła
Multipleksery
Światłowody
Przełączniki
Modulatory
3
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.
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
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
Poznaj swojego wroga:
wady włókien światłowodowych
1. większa cena
2. droższe nadajniki i odbiorniki
3. droższe i bardziej skomplikowane łączenie
4. światłowodu nie można wykorzystać co zasilania urządzenia
końcowego (np. telefonu)
7
Krótka historia optoelektroniki
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?
8
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
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
Podstawowe właściwości światłowodów - przypomnienie i
krótkie podsumowanie
Metody analizy optyki geometrycznej
• Prawo odbicia
• Prawo załamania
Metody analizy optyki falowej
• Równania Maxwella
• Równanie falowe
• Równania modowe i właściwości modowe
• Dyspersja
Równania Maxwella
&
&
∂B
∇×E = −
∂t
&
& ∂D &
∇× H =
+J
∂t
&
∇⋅ D = ρ
&
∇⋅ B = 0
gdzie:
J = gęstość prądu [A/m2],
ρ = gęstość ładunku [C/m3]
&
&
& &
D = ε E = ε0 E + P
&
&
& &
B = µ H = µ0 H + M
13
Równania falowe
&
&
∂ E
2
∇ E − µε
2 = 0
∂t
&
2
&
∂ 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
14
Równanie modowe światłowodu planarnego - mody TE
2k0 n f t cos(θ) − 2Φ s − 2Φ c = 2πm, m = 0,1,2,...
n 2f sin θ − nc2
Φc =
Φc =
n 2f − n 2f sin θ
n 2f
n
2
c
n 2f sin θ − nc2
2
f
2
f
n − n sin θ
Φs =
Φs =
n 2f sin θ − n s2
n 2f
n 2f sin θ − n s2
n s2
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
Przykład:
Liczba modów w typowym światłowodzie wielomodowym 50/125
średnica 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
HE11
TM01
TE01
b
EH11
HE31
HE12
HE21
1
2
3
V 4
5
6
19
Mody LP światłowodu włóknistego
1
LP 0 1
LP 1 1
b
LP 2 1
LP 0 2
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
a
1. 10
-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 µm
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
Zapotrzebowanie na urządzenia optoelektroniki zintegrowanej
Produkt
2001
2005
Nadajniki i odbiorniki
5.4
1617.8
%
in 2005
61.6
Pasywne urządzenia DWDM
0.8
102.9
3.9
Przełączniki
0.8
77.2
2.9
Wzmacniacze
3.5
128.6
4.9
Urządzenia pomiarowo kontrolne 1.2
150
5.7
Systemy połączeń, magistrale
Backplane Applications
Inne
1
50
1.9
0.7
498.8
19
Razem
13.4
2625.3
(mln USD)
Główne obszary zastosowań: sieci dostępowe i metropolitalne
Kluczowe technologie: packaging, integracja hybrydowa
Source: Communications Industry Researchers Inc.
28
Metody optyczne badania półprzewodników. Pomiary
parametrów optycznych warstw epitaksjalnych
• mikroskopia
• spektroskopia (UV, VIS, IR, Far IR)
• spektroskopia m.-linii (m.-line spectroscopy), pomiary
światłowodów planarnych
• fotoluminescencja
• pomiary absorpcji, odbicia
• refraktometria (pomiary współczynnika załamania)
29
Fala świetlna, właściwości i parametry
Częstotliwość około 3.1014 Hz (duża pojemność kanału
transmisyjnego), niewrażliwość na przesłuchy, brak emisji
zakłóceń, "równoległość" propagacji
Parametry: natężenie, częstotliwość, prędkość, długość fali,
polaryzacja, spójność, droga koherencji,
monochromatyczność.
30
Lasery – klasyfikacja i porównanie
Ośrodek laserujący:
1.
gazowe
•
ekscymerowe – zjonizowany gaz szlachetny (Ar) + fluorkowiec,
•
atomowe (He-Ne),
•
molekularne, cząsteczkowe (CO2, N2),
•
jonowe (Ar)
2.
na ciele stałym (rubin, Nd:YAG, ...)
3.
barwnikowe
4.
chemiczne
5.
półprzewodnikowe
6.
światłowodowe
31
Lasery – zastosowania i porównanie
•
metrologia
•
telekomunikacja
•
cięcie, spawanie, korekcja
•
modyfikacja materiału
•
przesyłanie informacji
•
zapisywanie i przetwarzanie informacji
•
fotolitografia
•
medycyna: chirurgia – skalpel laserowy, koagulacja,
naświetlania, prześwietlanie (IR)
32
Metody modulacji światła
Modulacja bezpośrednia źródła
Modulacja pośrednia
Metody: elektrooptyczna, elastooptyczna, akustooptyczna,
magnetooptyczna, termiczna (materiały)
33
Światłowody - podstawowe parametry
1. Optyczne (tłumienie, dyspersja, straty Fresnela,
współczynnik załamania, różnica współczynników
załamania rdzenia i płaszcza, apertura numeryczna,
modowość, częstotliwość (grubość) znormalizowana V,
grubość odcięcia modu)
2. Geometryczne
3. Mechaniczne
34
Światłowody - systematyka, porównanie
Zastosowanie:
1. telekom, datakom
2. czujniki
3. obrazowody, wzierniki
4. oświetlenie, zdobnictwo
Klasyfikacja:
1. włókniste - planarne
2. szklane - plastikowe
3. jednomodowe - wielomodowe
4. planarne - paskowe, ...
5. skokowe - grandientowe
35
Źródła światła - klasyfikacja
Różne typy źródeł światła, klasyfikacja aplikacyjna:
1. diody luminescencyjne
2. lasery półprzewodnikowe
3. źródła termiczne
4. wyładowanie jarzeniowe (świecejnie zjonizowanego gazu)
5. łukowe
6. słońce - energia jądrowa
Klasyfikacja lamp oświetleniowych:
żarowe
„jarzeniówki” = fluorescencyjne
jarzeniowe - neony
łukowe (sodowe, Xe, Hg)
36
Źródła światła – klasyfikacja CD
Klasyfikacja ze względu na charakterystykę promieniowania:
• długość fali
• szerokość widmowa linii
• moc
Parametry wyróżniające światło laserowe:
monochromatyczne, spójne (koherentne), skolimowane,
spolaryzowane
37
Pytania sprawdzające
1. Wymienić zalety światłowodu związanie z dielektryczną naturą ośrodka
prowadzącego światło
2. Wymienić zalety światłowodu związane z właściwościami fali nośnej
stosowane do transmisji
3. Jaka firma i w którym roku opracowała pierwsze komercyjne włókna
światłowodowe. Ile wynosiło tłumienie tych światłowodów
4. Wyjaśnić, która dyspersja i w jaki sposób zależy od apertury
numerycznej światłowodu
5. Wymienić urządzenia (główne grupy) optoelektroniki zintegrowane
stosowane w nowoczesnych systemach światłowodowych
6. Narysować i porównać rozkłady pola fali świetlnej dla trzech
pierwszych modów światłowodu. Jakie są konsekwencje tych
rozkładów dla technologii i konstrukcji przyrządów optoelektroniki
zintegrowanej.
38

Optoelektronika II. Przyrządy fotoniki

Transkrypt

Podobne dokumenty

Projektowanie lokalnej sieci światłowodowej

Święty kapłan-męczennik Sergiusz (Zacharczuk)

Podstawowe wiadomości o dyspersji światłowodów

Wprowadzenie

Kompensacja

Lokalne sieci optyczne

Wprowadzenie do sieci światłowodowych

Certyfikat bezpieczeństwa strony internetowej

Nieliniowe efekty optyczne i ich wykorzystanie w przyrządach