Optoelektronika II. Przyrządy fotonikiOptoelektronika II. Przyrządy fotoniki Wprowadzenie Uwaga: Wykład zawiera podsumowanie wiadomości z wykładów Światłowody I i Światłowody

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

© Sergiusz Patela 1998-2004 Optoelektronika II - Wprowadzenie 2

Schemat łącza światłowodowego

Źródło światła(nadajnik)

Detektor światła(odbiornik)

Elektryczny sygnałwyjściowy

ŚwiatłowódElektryczny sygnałwejściowy

„szum”


Schemat systemu światłowodowego i przyrządy fotoniki

Źródło światła

Detektor światła

Światłowody

Kompensatory

PrzełącznikiModulatory

Wzmacniacze

Multipleksery


Jak działa światłowód?

Efekty i zjawiska, które należy uwzględnić aby w pełni zrozumieć zasadę działania i możliwości światłowodu:

• Częstotliwość światłaŚwiatło to fala elektromagnetyczna o częstotliwości 3x1014Hz, (prawie milion GHz).

• Całkowite wewnętrzne odbicie i bardzo małe tłumienie materiałuW światłowodach sygnał może rozchodzić się bez regeneracji na znaczne odległości

• Falowa natura światła (interferencja) i mody światłowoduBudowę światłowodu i wiele jego podstawowych parametrów można wyjaśnić tylko uwzględniając fakt, że światło to fala elektromagnetyczna rozchodząca się w falowodzie o małych wymiarach poprzecznych.


Całkowite wewnętrzne odbicie

Średnica rdzenia światłowodu: 10 do 50 mmna długości 1 m daje około 10 000 odbić.

Przy współczynniku odbicia 99% doprowadzito do do wytłumienia sygnału w stosunku 0.9910 000 = 10-44

Włókno - całkowite wewnętrzne odbicie


10 zalet włókien światłowodowych

1. Ogromna pojemność informacyjna pojedynczego włókna2. Małe straty = zdolność przesyłania sygnałów na znaczne odległości3. Całkowita niewrażliwość na zakłócenia elektromagnetyczne4. Mała waga5. Małe wymiary6. 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.


Poznaj swojego wroga: wady włókien światłowodowych

1. większa cena 2. droższe nadajniki i odbiorniki 3. droższe i bardziej skomplikowane łączenie4. światłowodu nie można wykorzystać co zasilania urządzenia

końcowego (np. telefonu)


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 Tyndal1910 - badania i prace teoretyczne nad światłowodami, Lord Rayleigh (Hondros, Debye1910)1957 - Wynalezienie lasera (Schawlow, Townes, 1958)1962 Impulsowy laser GaAs (Hall i in., Nathan i in. 1962)1965 - propozycja stosowania światłowodów gradientowych w telekomunikacji (Miller1965)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?


Klasyfikacja światłowodów

Klasyfikacja (ze względu na strukturę światłowodu):włókniste - planarneszklane - plastikowejednomodowe - wielomodoweplanarne - paskowe, ...skokowe - gradientowestandardowe - specjalne

Inny typ klasyfikacji - ze względu na zastosowanie:telekom, datakomczujnikiobrazowody, wziernikioświetlenie, zdobnictwo


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


Podstawowe parametry światłowodów - dane

Tłumienie [dB/km]włókna jednomodowe

1310nm 0,33-0,421550nm 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 ≤ 3,51550nm ≤ 18

Pasmo transmisji włókien wielomodowych [MHz.km]850nm 400-800 (50/125) 160-400 (62,5/125)1300nm 400-1500 300-1200

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


∇ × = −EBt

∂∂

∇ × = +HDt

J∂∂

∇ ⋅ =D ρ

∇ ⋅ =B 0gdzie:

J = gęstość prądu [A/m2], ρ = gęstość ładunku [C/m3]

D E E P= = +ε ε0

B H H M= = +µ µ0

Równania Maxwella


Równania falowe

∇ − =22

2 0EEt

µε∂∂

∇ − =22

2 0HHt

µε∂∂

( )[ ]E E x i t zy y= −0 ( ) e x p ω β

[ ] 0022

20

2

=β−+∂

∂y

y EkxE


Równanie modowe światłowodu planarnego - mody TE

( ) ,...2,1,0,222cos2 0 =π=Φ−Φ−θ mmtnk csf

θ−−θ

=Φsin

sin22

22

ff

cfc nn

nnθ−

−θ=Φ

sinsin

22

22

ff

sfs nn

nn

θ−−θ

=Φsin

sin22

22

2

2

ff

cf

c

fc nn

nnnn

θ−−θ

=Φsin

sin22

22

2

2

ff

sf

s

fs nn

nnnn


Wykres modowy: TE i TM

0.2 0.4 0.6 0.8 1

d [um]

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

2Neff

nf=2., ns=1.5, nc=1.Krzywe modowe TE i TM

Zależność efektywnego współczynnika od grubości warstwy dla trzech pierwszych modów TE i TM światłowodu planarnego


Liczba modów we włóknie światłowodowym

N V≈2

2

( ) NAannaV ⋅λ

⋅π⋅=−λ

⋅π⋅=0

2/122

21

0

22gdzie:

Przykład:Liczba modów w typowym światłowodzie wielomodowym 50/125średnica a = 25 µmApertura numeryczna NA = 0.20Długość fali 1 µm

V = 2 * 3.14 * 25 * 0.20 /1 = 31.4N = (31.4)2 /2 493


-2 -1,5 -1 -0,5 0,5 1

-2

-1

1

2

ns = 1,5, nf = 2, nc = 1, λ = 633 nm

Rozkłady pola elektrycznego dla trzech pierwszych modów światłowodu planarnego

E

x


TM01

EH11

HE12

HE31

HE21

TE01

HE11

b

1

654321 V

Mody hybrydowe światłowodu włóknistego


V

LP 0 2

LP 21

LP 01

LP 11

1

654321

b

Mody LP światłowodu włóknistego


Dyspersja włókna

Dyspersja → poszerzanie impulsu i ograniczenie pasma

Rodzaje dyspersji• międzymodowa• materiałowa (chromatyczna)• własna (światłowodowa, wynik fluktuacji n, λ, a)• polaryzacyjna


Propagacja różnych modów w światłowodzie skokowym

t

��

��

��

��

��

��


Dyspersja modowa

0.1 1 10. 100.1. 10 -9

1. 10 -8

1. 10 -7

1. 10 -6

1. 10 -6

Długość Światłowodu [km]

Dyspersja [s]

a

b

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.


Propagacja różnych modów w światłowodzie gradientowym

t��

��

1

21,8 n

nnskok

grad −=∆∆≈τ∆τ∆


Propagacja w światłowodzie jednomodowym

t

��

��

��

��

��

��


Dyspersja chromatyczna i własna

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7-30

-20

-10

0

10

20

30

Długość fali [µm]

Dys

pers

ja [p

s/(k

m-n

m)]

Dyspersja (całkowita)

Dyspersja materiałowa

Dyspersja światłowodowaλZD


Dyspersja całkowita włóknan

r

1.54

d = ~9 µm 125 µm

n1

n2

n2

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7-20

-10

0

10

20

Długość fali [µm]

Dys

pers

ja [p

s/(k

m-n

m)] Standardowa

Dyspersja płaska(DFF)

Dyspersja przesunięta(DSF)


Zapotrzebowanie na urządzenia optoelektroniki zintegrowanej

2625.3

498.8

50

150

128.6

77.2

102.9

1617.8

2005

13.4Razem

190.7Inne

1.91Systemy połączeń, magistraleBackplane Applications

5.71.2Urządzenia pomiarowo kontrolne

4.93.5Wzmacniacze

2.90.8Przełączniki

3.90.8Pasywne urządzenia DWDM

61.65.4Nadajniki i odbiorniki

%in 2005

2001Produkt(mln USD)

Główne obszary zastosowań: sieci dostępowe i metropolitalneKluczowe technologie: packaging, integracja hybrydowaSource: Communications Industry Researchers Inc.


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)


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.


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. barwnikowe4. chemiczne5. półprzewodnikowe6. światłowodowe


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)


Metody modulacji światła

Modulacja bezpośrednia źródła

Modulacja pośrednia

Metody: elektrooptyczna, elastooptyczna, akustooptyczna, magnetooptyczna, termiczna (materiały)


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


Światłowody - systematyka, porównanie

Zastosowanie:1. telekom, datakom2. czujniki3. obrazowody, wzierniki4. oświetlenie, zdobnictwo

Klasyfikacja:1. włókniste - planarne2. szklane - plastikowe3. jednomodowe - wielomodowe4. planarne - paskowe, ...5. skokowe - grandientowe


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)


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


Pytania sprawdzające1. 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.

Optoelektronika II. Przyrządy fotonikiOptoelektronika II. Przyrządy fotoniki Wprowadzenie Uwaga: Wykład zawiera podsumowanie wiadomości z wykładów Światłowody I i Światłowody

Documents