wytwarzanie, przesyłanie i przetwarzanie wytwarzanie, przesyłanie i przetwarzanie telekomunikacja światłowodowa informacji niesionych przez światło informacji niesionych przez światło " zwielokrotnienia długości fali (WDM) 80 160 układy optyczne układy optyczne " zwiększenie częstotliwość modulacji zminimalizowana ilość i elektroniczne zamian sygnałów zamiany sygnałów 10.000 MHz 40.000 MHz opt./elektr.i elektr./opt. opt./elektr. i elektr./opt. 2 sieci fotoniczne (optycznie przezroczyste) FOTONIKA FOTONIKA " niższe koszty i większa niezawodność strumień fotonów (światło) strumień fotonów (światło) w transmisji szerokopasmowej jest nośnikiem informacji jest nośnikiem informacji " łatwość zmiany formatu oraz możliwość w układach przesyłania w układach przesyłania łączenia różnych formatów przesyłanych danych w jednej sieci i przetwarzania danych i przetwarzania danych sprzęgacz kierunkowy Wzmacniacz optyczny 1.0 w domieszkowanym erbem światłowodzie EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) 0.5 Er3+ (10 - 20 m) 0.0 1 długość sprzęgacza = 1550 nm = 1550 nm 1 2 + 1 2 = 980 nm 1 2 1 2 + żyroskop światłowodowy żyroskop światłowodowy CZUJNIKI ŚWIATAOWODOWE CZUJNIKI ŚWIATAOWODOWE (Interferometric Fiber-Optic Gyro) (Interferometric Fiber-Optic Gyro) " elektrycznie obojętne " elektrycznie obojętne DC DC " szerokopasmowe " szerokopasmowe PM Pol SLD LD " bezpieczne w wybuchowym środowisku " bezpieczne w wybuchowym środowisku Det " nieczułe na zakłócenia elektromagnetyczne " nieczułe na zakłócenia elektromagnetyczne " o wysokiej czułości " o wysokiej czułości " o małych rozmiarach i ciężarze " o małych rozmiarach i ciężarze ( + f sinmt ) " pomiary na dużych odległościach Idet = I0 + Ir cos ł " pomiary na dużych odległościach " bezpośrednio sprzęgane z liniami " bezpośrednio sprzęgane z liniami telekomunikacyjnymi telekomunikacyjnymi 3 out in P / P Interferometr Fabry ego-Perota Interferometr Fabry ego-Perota SIEĆ CZUJNIKÓW SIEĆ CZUJNIKÓW It " duża pojemność kanału Io " duża pojemność kanału 1,1 światłowodowego światłowodowego 1,0 T=0,8 0,9 " rozwinięte systemy lokalnych T=0,5 " rozwinięte systemy lokalnych 0,8 T=0,2 0,7 sieci światłowodowych sieci światłowodowych L 0,6 0,5 " mniejsze koszty jednostkowe " mniejsze koszty jednostkowe 0,4 0,3 czujnika czujnika "Ć = 4Ąn L/ 0,2 0,1 " wiele sposobów tworzenia sieci " wiele sposobów tworzenia sieci 0,0 0 2 4 6 8 10 czujników światłowodowych czujników światłowodowych "Ć/Ą 4 L/ kryształy fotonowe kryształy fotonowe Braggowskie odbicie światła Braggowskie odbicie światła 2 1 1 2 PBG długość fali [źm] 2 1 PBG "n= 1.0; 5 warstw PBG "n= 0.3; 14 warstw światłowody fotoniczne Światłowód klasyczny n2n1 n2 klasyczny światłowód powietrze n2 / n3 zwierciadło płaszcz Bragga n1 n2 / n3 Światłowody fotoniczne rdzeń n2 / n3 n1 płaszcz powietrze kryształ płaszcz n2 / n3 fotonowy 4 Transmisja transmisja światłowód fotoniczny światłowód fotoniczny światłowód fotoniczny światłowód fotoniczny [Y. Fink et al., MIT] Światłowody fotoniczne umożliwiają prowadzenie światła: - w próżni, powietrzu (gazie) - w jednym modzie dla szerokiego pasma fal - w jednym modzie dla bardzo różnych grubości rdzenia - o jednej polaryzacji - bez dyspersji dla szerokiego pasma fal POLARYZACJA - we włóknie nieczułym na wygięcia, temperaturę & -& & & & mogą mieć (mają) unikalne zastosowania w: - telekomunikacji szerokopasmowej (z zerową dyspersją chromatyczną i polaryzacyjną) - czujnikach światłowodowych (min. gazowych) - przesyłaniu światła o bardzo dużych natężeniach (min. z lasera CO2) - optyce nieliniowej (min. generacja superkontinuum) -& & & & y E ^ x Ey y ^ x ^ Ex xEx Ex k y -^Ey x E E z (a) (b) (c) z z w w w y Ey E E E E y Ey By Ć Ex x Ex x Ć Ć E x x polaryzacja liniowa, kołowa, eliptyczna 5 Rozpraszanie światła elektron Ecos
E TA2 TA1 Polaryzator 2 = Analizator Polaryzator Prawo Malusa: I = I0 cos2 1. E Ą" płaszczyzny padania (polaryzacja , ń) kąt Brewstera B R 1
RĄ" 90o 90o 2. E || płaszczyzny padania (polaryzacja Ą, ńś) R|| i 0 B Ą/2 kąt Brewstera Ą Dwójłomność anizotropia optyczna Polaryzator współczynnik załamania zależy od polaryzacji światła e-ray e-ray promień zwyczajny o-ray Optic axis A E1 B A promień nadzw.
Optic axis E1 E
O E2 E1 E2 E2 B Optic axis naturalna wymuszona naturalna Optic axis o-ray wymuszona " struktura krystaliczna " mechanicznie (elastometria) (kalcyt = szpat islandzki, kwarc, ...) " polem elektrycznym " str. molekularna " polem magnetycznym (cukier, ciekłe kryształy, polimery, ...) " falą elektromagnetyczną 6 stan polaryzacji światła propagującego się w ośrodku dwójłomnym: zjawisko elastooptyczne ściskanie E E y y 45 "Ć z E x E x wygaszenie światło barwne polaryzator zjawisko elektrooptyczne =analizator ośrodek dwójłomny V y E E y y 45 polaryzator d "Ć x z Ea E x E x z światło białe aktywność optyczna skręcenie płaszczyzny polaryzacji liniowej ciecz E
E2 z "L L n nematyczny ciekły kryształ magnetooptyczne zjawisko Faradaya skręcenie płaszczyzny polaryzacji proporcjonalne do zewnętrznego pola magnetycznego E
E2 kryształ z B "BL Struktury ciekłokrystaliczne klasyfikacja G.Friedela Efekt TN (Twisted Nematic) ciecz izotropowa nematyk nematyk chiralny smektyk C* smektyk C smektyk A 7 T e m p e r a t u r a displej ciekłokrystaliczny (TN) projektor ciekłokrystaliczny światło niespolaryzowane polaryzator szkło elektroda ITO TFT warstwa orient. ciekły kryształ warstwa orient. filtry elektroda ITO szkło polaryzator KWANTOWA NATURA ŚWIATAA zjawisko fotoelektryczne zjawisko fotoelektryczne 8 zjawisko Comptona zjawisko fotoelektryczne promieniowanie ciała doskonale czarnego Światło jest strumieniem fotonów w praktyce: rozchodzenie się światła w opisie falowym emisja i absorpcja w opisie cząsteczkowym Doświadczalne potwierdzenie falowej natury elektronu dyfrakcja promieni X dyfrakcja elektronów 9 FOTONY CZSTKI energia E='=h E=mv2/2+Epot pęd p='k=h/ p=mv fala fala elektro- fala materii magnetyczna pole funkcja falowa elektryczne E gęstość / natężenie światła " gęstość prawd. " prawdopodo- |E|2 ||2 bieństwo przejścia elektronowe między orbitami Mikroskopia tunelowa 10 E2
h ABSORPCJA E1 E2 LASERY
h EMISJA SPONTANICZNA E1 E2
h
h EMISJA WYMUSZONA
h E1 zwierciadło częściowo Energia Er3+ w szkle zwierciadło emisje spontaniczne przepuszczalne 2 1.54 eV E 3 E3 1.27 eV Przejście bezradiacyjne 980 nm Pompa0.80 eV E2 promieniowanie 1550 nm 1550 nm wyjściowe In atomy wzbudzone emisje wymuszone E1 0 Rodzaj lasera Ośrodek czynny Długość fali [źm] Typowa moc Pompowanie Gazowe: argonowy jony argonu 0,48 (niebieski) od kilku watów do wyładowanie 0,51 (zielony) pojedynczych elektryczne kilowatów helowo-neonowy mieszanina 0,63 (czerwony) kilkanaście miliwatów j.w. cząsteczek helu i neonu CO2 cząsteczki 10,6 (podczerwień) do kilkudziesięciu j.w. dwutlenku węgla kilowatów Cieczowe: barwnikowy barwniki 0,2-1,0 przestrajany w do około 1 wata światło z lampy OPTYKA NIELINIOWA organiczne np. zakresie od nadfioletu wyładowczej lub rodamina przez zakres widzialny lasera do podczerwieni Na ciele stałym: neodymowy jony neodymu w 1,06 (podczerwień) dziesiątki watów, światło z lampy sieci krystalicznej maksymalnie do ok. 1 wyładowczej, diody kryształu granatu kilowata lub lasera lub w szkle półprzewodnikowego tytanowo-szafirowy jony tytanu w 0,7-1,1 przestrajany setki miliwatów w światło z lasera krysztale korundu od czerwieni do pracy ciągłej lub argonowego (szafiru) bliskiej podczerwieni ultrakrótkie impulsy światła Półprzewodnikowe kryształ w zależności od ok. 10 miliwatów, prąd płynący przez półprzewodnika budowy (od maksymalnie złącze p-n w ze złączem p-n niebieskiego do pojedyncze waty (w kierunku bliskiej podczerwieni) układach laserów przewodzenia nawet kilowaty) 11 oddziaływanie światła z ośrodkiem oddziaływanie światła z ośrodkiem E2
h h współczynnik elektron załamania 3,0 2,5 E1 2,0 1,5 fala wypadkowa = pierwotna + wtórna 1,0 prędkość = c/n 0,5 n zależy od częstości ! dyspersja współczynnik 0,0 absorpcji -0,15 -0,10 -0,05 0,00 0,05 0,10 0,15 -0 częstotliwość dyspersja - załamanie światła zależne od długości fali generacja drugiej harmonicznej (SHG) n1 n2 1>2