background image

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

background image

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

background image

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

background image

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

background image

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

background image

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

background image

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

background image

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

background image

Tłumienność światłowodów

Przyczyny tłumienia

Absorpcja materiału -

transmisja szkła kwarcowego w paśmie 

0.4 – 4.5 

μm

Zanieczyszczenia, wpływ domieszek

Rozproszenie Rayleigha w zakresie krótkofalowym 

(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

background image

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

background image

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

background image

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

background image

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

background image

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

background image

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

background image

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

background image

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

background image

Technika 

DWDM

background image

Sprzęgacz

Technologia półprzewodnikowa grubości 
kilka

μm    

długości

2 - 4 mm

propagacja

background image

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

background image

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

background image

Telekomunikacja

cd

Zwarte połączenie źródła i światłowodu oferowane przez producenta

pigtail

owane

złącze

LED

obudowa

optyka

włókno

zasilanie 

sygnał

background image

Przykłady 

pigtail

owych złączy

background image

Telekomunikacja

cd

Kable światłowodowe

włókno

elastomer

nylon

drut

polietylen

miedź

pokrycie 
zabezpieczające

płaszcz 
izolacyjny

druty 

wzmacniające

włókna

koszulka 

miedziana

background image

Telekomunikacja

cd

Kable światłowodowe

background image

Telekomunikacja

cd

Sprzęgacze

Schematy działania

Wybrane realizacje

background image

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

background image

Przykłady złącz rozłącznych

background image

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

= 1.55 

μm

poprzez pompowanie diodą InGaAsP

λ

= 1.48 

μm

background image

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 

1.55 

μm

– germanowe lub InGaAs