Technika falo- i światłowodowa

Geometrycznie

– pułapka stworzona przez całkowite wewnętrzne odbicie

płytkowy

paskowy

włókno optyczne

Falowody

– elementy planarne (płytki, paski)

Światłowody

– elementy cylindryczne (włókna światłowodowe)

Rdzeń o wyższym współczynniku załamania

n

1

umieszczony

w ośrodku o niższym współczynniku

n

2

w światłowodzie mówi się o płaszczu

Technologia wyciągania światłowodu z preformy

Preforma – pręt domieszkowanego

szkła kwarcowego

Podajnik preformy

Piec – temp. 2000

0

C

System pomiaru

średnicy

Sterownik

szybkości

wyciągania

światłowodu

Wanna z materiałem

na płaszcz

Stanowisko utwardzania

płaszcza

Bęben z

nawiniętym

światłowodem

Sterowanie

naciągiem

Apertura światłowodu

Maksymalny kąt aperturowy

θ

a

→

kąt akceptacji

n

1

– współczynnik zał. rdzenia

n

2

– współczynnik zał. płaszcza

Światłowód w powietrzu n = 1

Na granicy rdzeń-powietrze z

prawa załamania

g

1

g

1

a

cos

n

sin

n

sin

α

=

ϑ

=

ϑ

Na granicy rdzeń-płaszcz z
prawa całkowitego odbicia

(

)

0

2

g

1

90

sin

n

sin

n

=

α

Apertura numeryczna światłowodu

g

2

1

a

sin

1

n

sin

NA

α

−

=

ϑ

=

2
2

2

1

a

n

n

sin

NA

−

=

ϑ

=

→

rdzeń

n = 1

płaszcz

n

1

α

g

n

2

θ

a

θ

g

Modowość światłowodu

Propagują się tylko te fale, które po dwukrotnym odbiciu

są w fazie z falą przed odbiciem

Inne fale są

tłumione

Propagujące się fale

nazywamy

modami

Promień

prowadzony

2a

α

Promień

wyciekający

2

θ

a

n

1

fale w fazie

Modowość propagującego się promieniowania

Warunek zgodności fazy

(

)

.

.

,

3

,

2

,

1

m

m

AC

AB

n

1

=

λ

=

−

(

)

m

m

2

cos

sin

a

2

'

sin

AB

AC

ϑ

ϑ

=

ϑ

=

gdyż

0

m

90

2

'

=

ϑ

+

ϑ

Ponieważ

(

)

α

=

α

−

5

.

0

sin

2

cos

1

2

ostatecznie

warunek zgodności fazy

.

.

,

3

,

2

,

1

m

m

sin

an

4

m

1

=

λ

=

ϑ

m

sin

a

2

AB

ϑ

=

2a

– średnica rdzenia

płaszcz

n

1

rdzeń

2a

B

C

A

θ

m

θ’

θ

m

90

0

Wpływ modowości na szerokości impulsu

gradientowy

wielomodowy

skokowy

jednomodowy

Rozkład

współczynnik

a załamania

skokowa zmiana n

wielomodowy

step-index

Poszerzenie

impulsu na

skutek jego

propagacji

n

2

n

1

n

2

n

1

n

2

n

1

Modowość propagującego się promieniowania

.

.

,

3

,

2

,

1

m

m

sin

an

4

m

1

=

λ

=

ϑ

warunek zgodności fazy

dla modu

m

Jednomodowy światłowód

(m = 1)

λ

<

ϑ

max

1

1

sin

an

4

musi spełniać warunek

i ostatecznie warunkiem dla

światłowodu jednomodowego

będzie

NA

5

.

0

a

2

λ

<

Z prawa załamania

max

1

1

a

sin

n

sin

NA

ϑ

=

ϑ

=

Przykładowo dla NA = 0.1

λ = 1.55 μm

→

2a < 7.75

μm

Dla większych apertur NA

średnice rdzenia

jeszcze mniejsze

Przykładowe parametry

14

0.12

125

3-9

Jednomodowy

26

0.2

125

50

Gradientowy

40
50

0.3
0.4

125

1000

100
400

Skokowy

stopnie

μm

μm

Kąt

akceptacji

NA

Φ

płaszcza

Φ

rdzenia

Typ

Włókno jednomodowe ma

średnicę poniżej

10

μm

Rozkłady intensywności dla

2 różnych modów

Tłumienność światłowodów

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

(

)

L

exp

P

P

0

t

β

−

=

P

0

– moc początkowa

P

t

– moc transmitowana

β

- stała zależna od stopnia tłumienia

L

– długość światłowodu

Tłumienie jednego bela (1B)

→

0

t

P

1

.

0

P

=

gdyż

1

P

P

log

t

0

=

Jednostki tłumienności w

dB/km

1 dB –

20%

spadku sygnału

Szkło kwarcowe domieszka GeO

2

- okna transmisyjne

dla

λ = 1.3

i

1.55

μm

T

łumienno

ść

[

dB/km]

0.01

0.05

0.1

0.5

1.0

5.0

10.0

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

μm

Absorpcja w

IR

Rozproszenie

Rayleigha

Absorpcja w

UV

Straty falowodowe

Podstawowe elementy toru światłowodowego

Sygnał

elektryczny

Dioda

Odbiornik

Sygnał
elektryczny

Sprzężenie

źródła ze

światłowodem

Sprzężenie

światłowodu z

odbiornikiem

Złącze stałe (spaw)

lub rozłączne

Złącze stałe (spaw)

lub rozłączne

wzmacniacz

pompa

Telekomunikacja

Straty w linii światłowodowej

Moc nadawana

Minimalna moc rejestrowana

Długość linii

L

L

max

zasięg

Margines

bezpieczeństwa

Strata na spawie

Strata na spawie

Straty w

światłowodzie

ln P

0

ln P

t,min

Średnica płaszcza zazwyczaj 125

μm, 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

Zalety światłowodów

Małe średnica (ogólnie wymiary)

Mały ciężar

1 km światłowodu bez osłony waży 27g

Porównanie wymiarów

kabla koncentrycznego i

światłowodowego

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

Porównanie tłumienia różnych kabli

T

łumienno

ść

[dB/km]

5

0

10

15

20

25

30

Częstotliwość

0.1

1

10

0.1

MHz

1

10

GHz

Kable

telefoniczny

specjalny

koncentryczny

światłowodowe

wielomodowe

jednomodowe

Zalety światłowodów

cd

Dla światłowodu gradientowego od 1 do 10GHz. Przepływność
1Gbit/s.

Graniczna wartość kabli koncentrycznych 400Mbit/s

Szerokie pasmo

Technika DWDM

Dense Wavelength Division Multiplexing

Transmisja informacji tym samym światłowodem na różnych

nośnikach -

różne

λ

Multipleksing

Np.

240

kanałów w paśmie

1.53 – 1.56

μm

Technika DWDM

Nadajnik

L

E

D

Δλ

Szerokie

pasmo

λ

1

λ

2

λ

3

λ

4

λ

5

λ

6

λ

7

siatka

dyfrakcyjna

Σ

λ

λ

1

+

λ

2

+

λ

3

ośrodek

gradientowy

multiplekser

λ

1

+

λ

2

+...+

λ

7

Odbiornik

Modulatory kodujące informacje w

poszczególnych kanałów

dekodowanie

informacji w

poszczególnych

kanałach

demultiplekser

Odbiornik

Osiągnięto 250 kanałów na jednym światłowodzie

Technika

DWDM

Sprzęgacz

Technologia półprzewodnikowa grubości
kilka

μm

długości

L

2 - 4 mm

propagacja

D

ługo

ść

łą

cza w km

10

100

1000

0.1

1

10

100

1000

λ = 0.87 μm

λ = 1.3 μm

λ = 1.3 μm

jednomodowe

skokowy

gradientowy

Przepływność

Mb/s

Długość łącza dostosowana do szybkości przesyłania

informacji

dla 4 typów światłowodów

Telekomunikacja

cd

Modulacja nośnika prądowa

diody LED

– sieci lokalne

diody laserowej

– telekomunikacja

Sprzęganie ze światłowodem

włókna

LED

LED

dla

2

θ

x

≈ 2θ

y

LED

soczewki

sferyczna

cylindryczna

Telekomunikacja

cd

Zwarte połączenie źródła i światłowodu oferowane przez producenta

pigtail

‘

owane

złącze

LED

obudowa

optyka

włókno

zasilanie

sygnał

Przykłady

pigtail

’

owych złączy

Telekomunikacja

cd

Kable światłowodowe

włókno

elastomer

nylon

drut

polietylen

miedź

pokrycie
zabezpieczające

płaszcz
izolacyjny

druty

wzmacniające

włókna

koszulka

miedziana

Telekomunikacja

cd

Kable światłowodowe

Telekomunikacja

cd

Sprzęgacze

Schematy działania

Wybrane realizacje

Telekomunikacja

cd

Złącza

Rozłączne

spawane

rdzeń

płaszcz

spaw

klejone

obudowa

otwór do kleju

Stożki centrujące

Obudowa

Kabel

Światłowód

Soczewki silikonowe

Płaszczyzna

rozłączenia

Dzięki zastosowaniu soczewek zmniejsza się wymagania na centralność

Przykłady złącz rozłącznych

Telekomunikacja

cd

Wzmacniacz światłowodowy

Dioda

pompująca

λ

p

λ

s

λ

s

λ

s

λ

p

λ

s

Sprzęgacze

Światłowód

domieszkowany erbem

jako wzmacniacz

Linie światłowodowe

λ

p

λ

s

λ

s

Zwierciadło

Światłowód ze szkła kwarcowego domieszkowanego erbem

wzmacnia promieniowanie sygnału

λ

s

= 1.55

μm

poprzez pompowanie diodą InGaAsP

λ

p

= 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