Politechnika Świętokrzyska
Laboratorium : Optoelektronika
Nr Ćw. 1
Ocena:

Spis zagadnień:

1. Wstęp teoretyczny:

- Opis zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia.

- Budowa światłowodu.

- Rodzaje światłowodów.

- Zastosowanie.

2. Światlowód jednomodowy:

- Budowa.

- Zastosowanie.

3.Projekt światłowodu jednomodowego w programie LightTools.

- Obliczenia.

- Symulacja i projektowanie.

- Wykresy oświetlenia wykonane za pomocą narzędzia LumViewer.

1. Wstęp teoretyczny:

1. Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia:

Aby poznac zasadę dzialania światłowodu należy bliżej rozpatrzyć zjawiska dzięki którym można światłowód wykorzystac praktycznie, a więc zjawiska bez których taki twór nie byłby w stanie istnieć.

Podstawowym zjawiskiem, dzięki któremu światłowód spełnia rolę falowodu jest tzw. zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia. Zachodzi ono na granicy dwóch ośrodków, od strony ośrodka gęstszego, czyli o większym współczynniku załamania.

Całkowite wewnętrzne odbicie w bloku wykonanym z pleksy.

Zjawisko całkowitego wewnetrznego odbicia polega na tym (dla światła), że promień świetlny padający od strony ośrodka o większym współczynniku zalamania a więc i gęstości (im większa gestość tym większy jest ten współczynnik, choć istnieją wyjątki np. etanol) pod kątem wiekszym niż kąt graniczny, nie przenika do drugiego ośrodka, a odbija się calkowicie.

Sytuację tą przedstawia kolejny rysunek.

α_gr – jest to kąt graniczny

n₁,n₂ – współczynniki zalamania ośrodków ( z czego n₁> n₂ )

v₁,v₂ – prędkości światła w danych ośrodkach ( analogicznie, jeśli n₁> n₂ to v₁< v₂ ponieważ światło rozchodzi się szybciej w ośrodku rzadszym)

Analizując rysunek przedstawiony ukazuje nam, że jeśli puscimy promien światła pod kątem mniejszym niż kąt graniczny to nie uzyskamy oczekiwanego przez nas efektu całkowitego wewnetrznego odbicia lecz promień zdoła dostać się na druga stronę. Zadowalający wynik osiągniemy dopiero jeśli kąt padania będzie miał wartość większą niż α_gr. Dzięki temu energia jaką niesie promień pozostanie w ośrodku w gęstszym. Wszystko to wynika z prawa załamania które mówi, że:

Stosunek sinus kąta padania do sinusa kąta zalamania jest równy stosunkowi prędkości światła rozchodzącej się w ośrodku promienia padającego do prędkości światla w ośrodku promienia załamanego tych ośrodkach i równy odwrotności stosunku ich współczynników załamania.

Jeśli podstawić pod β = 90˚ lub wartość większą (należy pamiętać, ze kąty liczymy od normalnej) to uzyskamy efekt calkowitego wewnetrznego odbicia.

Stąd też można wyprowadzić wzór na kąt graniczny:

1. Budowa światłowodu:

Budowa światłowodu jest w zasadzie prosta. Najbardziej prosty swiatlowód jest zrobiony z rdzenia, o wiekszym współczynniku załamania, w którym propagujemy promienie świetlne oraz z plaszcza, który ma mniejszy współczynnik załamania. Jednak jest to opis bardzo uproszczony i odnosi się głównie do falowodów świetlnych o dość dużych rozmiarach. W kontekscie małych wymiarów swiatłowodów należy rozpatrywać przedewszystkim światło jako falę, a nie promień jak w klasycznej optyce.

Przebieg wiązki światła we włóknie światłowodowym.

Głównym materiałem z którego wykonuje się włókna światłowodowe jest SiO₂ czyli tlenek krzemu ( krzemionka a właściwie kwarc, głowny składnik piasku), ponieważ jest to surowiec łatwo dostępny i tani ale charakteryzujacy się bardzo dobrymi właściwościami optycznymi. Inne materiały takie jak tworzywa sztuczne oraz półprzewodniki także są stosowane, aczkolwiek najczęściej stosuje się domieszkowane szkło.

Schemat przedstawiający budowę światłowodu.

1. rdzeń

2. płaszcz

3. bufor

Budowa wewnętrzna światłowodu może się różnić w zależności od typu, co omówie w punkcie poniżej.

1. Rodzaje światłowodów:

Światłowody można podzielić na:

• Jednomodowe : ten temat rozwine w dalszej części projektu.

• Wielomodowe : w włóknie wielomodowym transmitowanych jest wiele modów (wiązek światła) o tej samej długości fali. Propagowanie wielu modów przyczynia się do powstawania wewnątrz światłowodu dyspersji modowej, czyli rozmycia sygnału, które przekłada się na znaczne ograniczenie zasięgu transmisji bądź jej szybkości. Rozmycie sygnału spowodowane jest różną drogą między nadajnikiem i odbiornikiem, jaka musi zostać pokonana przez każdy z modów. Wynika to z różnych kątów odbicia wiązki światła od granicy rdzenia.

• Gradientowe : Rdzeń światłowodu gradientowego ma budowę warstwową. Każda jest inaczej domieszkowana, dzięki czemu współczynnik załamania światła zmienia się w sposób ciągły. Największą wartość ma na osi rdzenia zaś najmniejszą na granicy z płaszczem. Światłowody gradientowe zapewniają – dla różnych modów (poruszających się po łukach) – tę samą prędkość rozchodzenia wzdłuż kabla. Dzieje się tak, gdyż fale rozchodzące się w większej odległości od środka poruszają się w warstwach o mniejszym współczynniku załamania, oznacza to że mają większą prędkość liczoną wzdłuż drogi poruszania się promienia.

• Skokowe : w światłowodzie tym współczynnik załamania zmienia się skokowo pomiędzy rdzeniem i płaszczem. Mody prowadzone są w rdzeniu pod różnymi kątami, przez co mają różną drogę do przebycia. Jak wiadomo prędkość rozchodzenia światła jest stała (w szkle 200 000 km/s), dlatego czasy przejścia promieni przez światłowód są różne. Jest to przyczyną tzw. dyspersji międzymodowej, która powoduje poszerzenie impulsu docierającego na koniec światłowodu. Powoduje to ograniczenie pasma i odległości, na jaką mogą być przesyłane sygnały

1. Zastosowanie światłowodów.

Światłowody znalazły zastosowanie przedewszystkim w telekomunikacji. Dzięki swoim właściwościom są najszybszą i najbardziej optymalną metodą transferu informacji, osiągami zdecydowanie górują nad klasycznymi rozwiązaniami np. kablem miedzianym. Oferują prędkości transferu dochodzące nawet do 3 Tb oraz zapewniają z racji swej zasady działania ( która polega na przesyle wiązki światła a nie jak w klasycznym rozwiązaniu, prądu) bezpieczeństwo przed niepowołanym podpięciem się osoby postronnej, przez co niejako zabezpieczają dane użytkownika. Światłowody wykorzystuje się także jako izolacje galwaniczną (na krótkie odległości) i, choć na o wiele mniejszą skalę, do produkcji celowników łuczniczych oraz strzeleckich ogółem, jako elementy dekoracyjne czy też zwykłe gadżety i zabawki.

1. Światłowód jednomodowy :

1. Budowa :

Budowa światłowodu jednomodowego jest prosta, lecz proces jego produkcji należy do cięzkich i drogich, z racji na specyficzne wymagania stawiane temu rodzajowi światłowodu.

Światłowód jednomodowy składa się z dwóch podstawowych warstw:

• Włókna szklanego

• Płaszcza

Specyfika tego typu światłowodu wymaga, aby średnica włókna szklanego tworzącego rdzeń mieściła się w granicach 8 do 10 mikrometrów. Dzięki takiemu rozwiązaniu światło rozchodzi się prawie prostoliniowo, choć nie idealnie prosto, ponieważ jest to ciężkie do osiągnięcia w praktyce. Dlatego światłowód ten jest mimo wszystko skokowy, czyli przebieg promienia świetlnego odbywa się na zasadzie odbijania się promienia, całkowitego wewnętrznego odbicia. Technologia wytwarzania tego rodzaju światłowodu jest droga i wymaga, aby częstotliwość znormalizowana światłowodu V była mniejsza niż 2,405. Źródłem światła w światłowodach jednomodowych jest laser o długości fali 1,3 lub 1,5 mikrometra. Możliwości transmisyjne światłowodów jednomodowych ogranicza tłumienie szkła i dyspersja chromatyczna. Dzięki domieszkowaniu, w pewnych granicach, można zmieniać parametry światłowodu, zmniejszając jego dyspersję chromatyczną.

1. Zastosowanie :

Światłowody tego rodzaju znalazły zastosowanie w telekomunikacji przede wszystkim na dalekie odległości. Jego budowa i wynikająca z niej mala tłumienność i dyspersja pozwalają wykonywać bardzo szybkie połączenia bez konieczności wstawiania wzamcniaczy i jednocześnie pozwalają uzyskac przepustowość danych sięgającą 1 tera bajta na sekunde. Obecnie są szeroko wykorzystywane przy zakładaniu sieci internetowych.

1. Projekt światłowodu jednomodowego w programie LightTools.

1. Obliczenia teoretyczne:

Częstotliwość znormalizowana światłowodu jednomodowego ma być mniejsza niż 2,405:

d = 8 * 10⁻⁶m

λ=13 * 10⁻⁶m

n1 = 1,66

n2 = 1,4

$$V = \frac{\pi*8*10^{- 6}m}{13*10^{- 6}m}*\sqrt{{1,66}^{2} - {1,4}^{2}} = 1,72$$

1, 72 < 2, 405

Wartość kąta granicznego:

$\alpha_{\text{gr}} = arcsin(\frac{1,4}{1,66}$)=57,5˚

Apertura numeryczna :

$N_{A}\sqrt{{1,66}^{2} - {1,4}^{2}}$=0,89

1. Symulacja i projektowanie:

Projektowanie rozpocząłem od stworzenia modelu mojego światłowodu. Wykonałem model 3D oraz 2D. Starałem się jak najlepiej odwzorować proporcje kolejnych warstw przewodu i tak zostały zaznaczone,

od centrum licząc:

1-Rdzeń

2-Płaszcz

3-Powłoka lakierowa

4-Płaszcz lakierowany

5-Powłoka wzmacniająca

6-Płaszcz zewnętrzny

Na koniec umieściłem żródło światła przed wlotem światłowodu.

Następnie przystąpiłem do symulacji za pomocą programu LightTools otrzymując efekt jak poniżej:

1. Wykresy oświetlenia wykonane za pomocą narzędzia LumViewer.