n - ZIF

Technika falo- i światłowodowa
Falowody – elementy planarne (płytki, paski)
Światłowody – elementy cylindryczne (włókna światłowodowe)
płytkowy
paskowy
włókno optyczne
Rdzeń o wyższym współczynniku załamania n1 umieszczony
w ośrodku o niższym współczynniku n2
w światłowodzie mówi się o płaszczu
Geometrycznie – pułapka stworzona przez całkowite wewnętrzne odbicie
Technologia wyciągania światłowodu z preformy
Preforma – pręt domieszkowanego
szkła kwarcowego
System pomiaru
średnicy
Sterownik
szybkości
wyciągania
światłowodu
Podajnik preformy
Piec – temp. 20000C
Wanna z materiałem
na płaszcz
Stanowisko utwardzania
płaszcza
Bęben z
nawiniętym
światłowodem
Sterowanie
naciągiem
Apertura światłowodu
Światłowód w powietrzu n = 1
n=1
θa
θg
αg
n1 – współczynnik zał. rdzenia
n1 rdzeń
n2 płaszcz
n2 – współczynnik zał. płaszcza
Na granicy rdzeń-powietrze z
prawa załamania
sin ϑa = n1 sin ϑg = n1 cos α g
(
Na granicy rdzeń-płaszcz z
prawa całkowitego odbicia
n1 sin α g = n 2 sin 900
)
Apertura numeryczna światłowodu
NA = sin ϑa = n1 1 − sin 2 α g
NA = sin ϑa = n12 − n 22
→
Maksymalny kąt aperturowy θa
→
kąt akceptacji
Modowość światłowodu
Promień
wyciekający
Promień
prowadzony
α
2θa
2a
Propagują się tylko te fale, które po dwukrotnym odbiciu
są w fazie z falą przed odbiciem
fale w fazie
n1
Inne fale są tłumione
Propagujące się fale
nazywamy modami
Modowość propagującego się promieniowania
C
płaszcz
A
2a
n1 rdzeń
θ’
900
θm
θm
B
Warunek zgodności fazy
AB =
2a
sin ϑm
AC = AB sin ϑ' =
Ponieważ
n1 (AB − AC) = mλ m = 1, 2, 3, . .
2a – średnica rdzenia
2a
cos(2ϑm )
sin ϑm
1 − cos α = 2 sin 2 (0.5α )
warunek zgodności fazy
gdyż
ϑ'+2ϑm = 900
ostatecznie
4an1 sin ϑm = mλ m = 1, 2, 3, . .
Wpływ modowości na szerokości impulsu
Rozkład
współczynnik
a załamania
n2
n1
n2
n1
n2
n1
Poszerzenie
impulsu na
skutek jego
propagacji
skokowa zmiana n
wielomodowy
step-index
gradientowy
wielomodowy
skokowy
jednomodowy
Modowość propagującego się promieniowania
4an1 sin ϑm = mλ m = 1, 2, 3, . .
warunek zgodności fazy
dla modu m
Jednomodowy światłowód (m = 1)
4an1 sin ϑ1max < λ
musi spełniać warunek
Z prawa załamania
NA = sin ϑa = n1 sin ϑ1max
i ostatecznie warunkiem dla
światłowodu jednomodowego
będzie
Przykładowo dla NA = 0.1 λ = 1.55 μm
0.5λ
2a <
NA
→ 2a < 7.75 μm
Dla większych apertur NA średnice rdzenia jeszcze mniejsze
Przykładowe parametry
Φ
rdzenia
Φ
płaszcza
μm
μm
Skokowy
100
400
125
1000
0.3
0.4
40
50
Gradientowy
50
125
0.2
26
Jednomodowy
3-9
125
0.12
14
Typ
Włókno jednomodowe ma
średnicę poniżej 10 μm
NA
Kąt
akceptacji
stopnie
Rozkłady intensywności dla
2 różnych modów
Tłumienność światłowodów
Pt = P0 exp(− β L )
P0 – moc początkowa Pt – moc transmitowana
β - stała zależna od stopnia tłumienia
L – długość światłowodu
Tłumienie jednego bela (1B)
→
Jednostki tłumienności w dB/km
Pt = 0.1P0
gdyż
log
P0
=1
Pt
1 dB – 20% spadku sygnału
Przyczyny tłumienia
Absorpcja materiału transmisja szkła kwarcowego w paśmie 0.4 – 4.5 μm
Zanieczyszczenia, wpływ domieszek
Rozproszenie Rayleigha w zakresie krótkofalowym
i (G) Mie na nieregularnościach
Szkło kwarcowe domieszka GeO2 - okna transmisyjne
dla λ = 1.3 i 1.55 μm
Tłumienność [dB/km]
10.0
5.0
Absorpcja w IR
1.0
Rozproszenie
Rayleigha
0.5
Absorpcja w UV
0.1
0.05
Straty falowodowe
0.01
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
μm
1.8
Światłowodowy tor informacyjny – rysunek poglądowy
Podstawowe elementy toru światłowodowego
Sygnał
elektryczny
Sygnał
elektryczny
pompa
Odbiornik
Dioda
Sprzężenie
źródła ze
światłowodem
Złącze stałe (spaw)
lub rozłączne
Sprzężenie
światłowodu z
odbiornikiem
wzmacniacz
Złącze stałe (spaw)
lub rozłączne
Telekomunikacja
Straty w linii światłowodowej
ln P0
Moc nadawana
Strata na spawie
Straty w
światłowodzie
Strata na spawie
ln Pt,min
Minimalna moc rejestrowana
Lmax zasięg
Margines
bezpieczeństwa
Długość linii L
Zalety światłowodów
Małe średnica (ogólnie wymiary)
Średnica płaszcza zazwyczaj 125μm, a z osłoną 1 mm. Kabel Φ19 mm
ze 133 światłowodami dla 1.75 milionów rozmów telefonicznych.
Koncentryczny kabel miedziany Φ120 mm dla 40 tys. rozmów
telefonicznych
Porównanie wymiarów
kabla koncentrycznego i
światłowodowego
Mały ciężar 1 km światłowodu bez osłony waży 27g
Zalety światłowodów cd
Elastyczność Nie pęka zginany na elemencie Φ3mm
Odporny na szumy elektromagnetyczne
Odporny na korozję, wysokie temperatury i wpływ ośrodków
skażonych (szkodliwych dla zdrowia)
Bezpieczny dla pracy w ośrodkach grożących wybuchem
(brak zwarcia i iskrzenia przewodów)
Niska tłumienność
Dla λ = 1.55μm tylko 0.16dB/km wzmacnianie niezbędne po kilkuset km
W kablach koncentrycznych 19dB/km i wzmacniacze co 1km
światłowodowe
specjalny
Kable
koncentryczny
wielomodowe
telefoniczny
jednomodowe
Tłumienność [dB/km]
30
25
20
15
10
5
0
0.1
1
MHz
10
0.1
Częstotliwość
1
GHz
Porównanie tłumienia różnych kabli
10
Długość łącza dostosowana do szybkości przesyłania
informacji dla 4 typów światłowodów
Długość łącza w km
1000
jednomodowe
λ = 1.3 μm
100
λ = 0.87 μm
10
gradientowy
λ = 1.55 μm
skokowy
0.1
1
10
100
Przepływność Mb/s
1000
Zalety światłowodów cd
Szerokie pasmo
Dla światłowodu gradientowego od 1 do 10GHz. Przepływność
1Gbit/s.
Graniczna wartość kabli koncentrycznych 400Mbit/s
Multipleksing
Transmisja informacji tym samym światłowodem na różnych
nośnikach - różne λ
Technika DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing
Np. 240 kanałów w paśmie 1.53 – 1.56 μm
Technika DWDM
Nadajnik
LED
Δλ
Szerokie
pasmo
Modulatory kodujące informacje w
poszczególnych kanałów
λ1
λ2
λ3
λ1+λ2+...+ λ7
λ4
λ5
λ6
λ7
multiplekser
siatka
dyfrakcyjna
Odbiornik
ośrodek
gradientowy
Σλ
λ1+λ2+λ3
demultiplekser
Odbiornik
Osiągnięto 250 kanałów na jednym światłowodzie
dekodowanie
informacji w
poszczególnych
kanałach
Technika
DWDM
Sprzęganie między światłowodami
Propagacja promieniowania w światłowodzie
na podstawie prawa całkowitego
wewnętrznego odbicia bazowała na prawach
optyki geometrycznej
Po uwzględnieniu interferencji i propagacji
promieniowania rozkład amplitud w
propagujących się modach
x
d 0•
m=0
1
2
3
8
z
Sprzęganie między falowodami cd
n
n1
n
x
n2
z
n
Zbliżanie światłowodów lub zmiana współczynnika załamania
jednego ze światłowodów sterowane polem elektrycznym
Sprzęgacz
propagacja
Technologia półprzewodnikowa grubości
kilka μm długości L 2 - 4 mm
Telekomunikacja cd
Modulacja nośnika prądowa
diody LED – sieci lokalne
diody laserowej – telekomunikacja
Sprzęganie ze światłowodem
soczewki
dla 2θx ≈ 2θy
włókna
sferyczna
cylindryczna
LED
LED
LED
Telekomunikacja cd
Zwarte połączenie źródła i światłowodu oferowane przez producenta
pigtail ‘owane złącze
obudowa
zasilanie
sygnał
LED
optyka
włókno
Przykłady pigtail’owych złączy
Kable światłowodowe
Telekomunikacja cd
polietylen
drut
nylon
elastomer
miedź
włókno
koszulka
miedziana
włókna
pokrycie
zabezpieczające
druty
płaszcz
wzmacniające izolacyjny
Telekomunikacja cd
Kable światłowodowe
Telekomunikacja cd
Sprzęgacze
Schematy działania
Wybrane realizacje
Telekomunikacja cd
spawane
spaw
klejone
płaszcz
Złącza
otwór do kleju
obudowa
rdzeń
Stożki centrujące
Obudowa
Kabel
Rozłączne
Światłowód
Soczewki silikonowe
Płaszczyzna
rozłączenia
Dzięki zastosowaniu soczewek zmniejsza się wymagania na centralność
Przykłady złącz rozłącznych
Telekomunikacja cd
Wzmacniacz światłowodowy
Linie światłowodowe
λs
λs
λp
Dioda
pompująca
Sprzęgacze
λ s λ p λs
λs
λp
λs
Zwierciadło
Światłowód
domieszkowany erbem
jako wzmacniacz
Światłowód ze szkła kwarcowego domieszkowanego erbem
wzmacnia promieniowanie sygnału λs = 1.55 μm
poprzez pompowanie diodą InGaAsP λp = 1.48 μm
Telekomunikacja cd
Odbiorniki Zamiana sygnału optycznego na elektryczny
Fotodiody PIN lub lawinowe
niski szum i wysoka wydajność kwantowa
dla wysokich częstotliwości
λ = 0.87 μm – fotodiody krzemowe
1.3 i 1.55 μm – germanowe lub InGaAs