Vlnovodn{ optika. 2 Vlnovodn{ optika. 2.1 Úvod. 2.2 Princip přenosu v optickém vl{kně

Transkript

1 Vlnovodn{ optika Cíl kapitoly Cílem kapitoly je sezn{mit se s principem vedení optikého sign{lu v optických kan{lech, jejich buzení a detekci. Poskytuje podklady pro studenty umožňující objasnění těchto principů. Klíčové pojmy Fotodiody, Vlnovodn{ optika, svazek paprsků, vidy, vlnovod, tot{lní odraz 2 Vlnovodn{ optika 2.1 Úvod Vlnovodn{ optika neboli optika vedených vln byla vyvinuta pro přenos světla na velké vzd{lenosti. Uplatňuje se při zřizov{ní spolehlivých komunikačních systémů a při výrobě miniaturních optoelektronických zařízení vyžadujících zachycení a vedení světla. Vlnovodn{ optika se zabýv{ jednak přenosem optického sign{lu dielektrickým (opticky vodivým) kan{lem a jednak zdroji buzení a detekce sign{lu. Sign{l se v optickém prostředí šíří jako optické svazky paprsků, které je nutno zpracov{vat. Jedn{ se zejména o ohyb, rozšiřov{ní, fokusaci,..., které se prov{dí pomocí čoček, zrcadel, mřížek, hranolů a podobně. 2.2 Princip přenosu v optickém vl{kně Přen{šen{ informace je zakódov{na (namodulov{na) na světelný paprsek, který je přiveden do optického vl{kna (optického prostředí). Světelný paprsek se odr{ží od vnitřních stěn vl{kna dokud nedos{hne detektoru světla na konci vl{kna. Mechanismus odrazu paprsku uvnitř vl{kna je z{vislý na materi{lech a parametrech

2 použitého vl{kna. Aby nedoch{zelo ke ztr{tě energie musí ve vl{kně nastat tot{lní neboli úplný odraz. Vl{kno se skl{d{ z j{dra a pl{ště, a aby mohl nastat tot{lní odraz musí být j{dro obaleno prostředím s nižším indexem lomu než m{ j{dro. Pl{šť je tedy souč{stí principu šíření paprsku ve vl{kně, není proto ž{dnou ochranou j{dra. Nyní jsme používali pojem vl{kno obecně, ale ve skutečnosti se jedn{ o optické vlnovody neboli světelné kan{ly. Tyto vlnovody jsou zařízení určené pro vedení světla. Podle tvaru rozlišujeme: vrstvový (deskový) vlnovod dielektrikum, které přen{ší světlo je mezi dvěma odraznými plochami (rovinami), odrazné plochy dielektrikum p{skový (kan{lový) vlnovod p{s dielektrika obdélníkového průřezu, který se může nach{zet uvnitř podložky pak se jedn{ o vnořený vlnovod, dielektrikum na povrchu podložky žebrový vlnovod, dielektrikum vl{knový vlnovod (vl{kno) vlnovod kruhového průřezu. Vrstvové a p{skové vlnovody se obvykle používají u integrované optiky, kdežto vl{knové vlnovody jsou užívané pro výrobu optických vl{ken a kabelů. Energie ve vlnovodech Ve vlnovodech jsou vedeny světelné paprsky, kterými se přen{ší energie sign{lu. Aby byl únik energie co nejmenší musí doch{zet na rozhraní j{dra a pl{ště k tot{lnímu odrazu. Podle rozložení energie ve vlnovodu dělíme vlnovody na jednovidové a mnohovidové. Tyto pojmy jsou odvozeny od počtu vidů. Vidy neboli mody jsou takové vlny, které mají všude podél podélné osy vlnovodu stejné příčné rozložení pole a stejnou

3 polarizaci. Rozložení pole energie z{visí na úhlu šíření paprsků vzhledem k podélné ose vlnovodu. Energie šířeného sign{lu ve vlnovodu je nejen uvnitř vlnovodu, ale také v těsné blízkosti kolem vlnovodu (maxim{lně do vzd{lenosti poloměru vlnovodu). Toto pole se šíří společně s polem ve vlnovodu. Rozložení energie vlnovod vid 0 Jednovidov{ vl{kna mají šířku vl{kna přibližně velikosti vlnové délky nebo malý rozdíl indexu lomu n mezi j{drem a pl{štěm. Těmito vlastnostmi je zaručeno, že se paprsek šíří jen ve směru osy vl{kna, ostatní paprsky zaniknou. Tyto vl{kna mají parametry: útlum: 0,2 db/km dosah: stovky až tisíce kilometrů používané vlnové délky: 1310 a 1550 nm průměr j{dra: 7 9 m vnější průměr pl{ště: 125 m pl{šť t j{dro t krycí obal Mnohovidov{ vl{kna jsou vl{kna s velkým průměrem j{dra, takže se ve vl{kně může šířit více vidů. U těchto vl{ken zřetelně doch{zí k odrazům od vnějších stěn j{dra. Takto odražené paprsky nezanikají. Tyto vl{kna mají parametry: používané vlnové délky: 850, 1310 a 1550 nm útlum: pro 1310 nm je od 0,4 db/km pro 850 nm je od 2,2 db/km dosah: stovky kilometrů průměr j{dra: 50 m vnější průměr pl{ště: 125 m

4 Vzhledem k tomu, že různé paprsky mají různě dlouhou dr{hu se doba přenosu jednotlivých paprsků liší a tím doch{zí ke zkreslení výstupního sign{lu. Zvl{štním druhem mnohovidových vl{ken jsou vl{kna gradientní. f t t Gradientní mnohovidov{ vl{kna jsou vl{kna, kde není na rozhraní j{dro-pl{šť skokov{ změna indexu lomu, ale index lomu se v j{dře mění plynule (parabolicky). Maxim{lní hodnota indexu lomu je v ose vlnovodu. Důsledkem plynulé změny indexu lomu nast{v{ v j{dře nepřetržitý lom světla. Na plynule se měnící index lomu se lze dívat jako na soustavu několika vrstev s různými indexy lomu. Podle této představy lze jednoduše zakreslit trajektorii paprsku. Tato vl{kna dosahují lepších parametrů než vl{kna se skokovou změnou (nedoch{zí ke zpoždění různých vidů). V místech, kde je menší index lomu je větší rychlost paprsku a tedy se zpoždění dané delší drahou vyrovn{v{. n 2.3 Buzení vlnovodů Zdrojem paprsků pro vlnovody jsou luminiscenční diody - LED laserové diody jsou speci{lní diody typu LED s rezonanční dutinou, které zaručují rovnoběžnost paprsků. lasery jsou zdrojem kolimovaných (rovnoběžných) koherentních (souf{zových) a monochromatických (jednobarevných jedné vlnové délky) paprsků jiné vlnovody Paprsky zdroje je nutné nav{zat na vlastní vlnovod. K tomu se využív{

5 fokusace - pomocí čoček nebo vl{kna se zaobleným koncem. Použív{ se u buzení vl{kna diodami typu LED nebo u vazby mezi vlnovody. - Buzení do čela vl{kna čočka zdroj vlnovod - NAhranolový vazební člen vazební hranol. Zde doch{zí k tot{lnímu odrazu Hranol J{dro vl{kna na spodní hraně hranolu je č{stečný odraz Index lomu j{dra n = 1,32 až 1,40 Ve vlnovodech (tedy i v optických vl{knech) použív{ sign{ly o frekvencích pohybujících se v oblasti infračerveného světla. Jejich vlnové délky jsou v p{smech 850nm 1300nm 1550nm 2.4 Detekce Pro detekci světla se používají fotodiody, které přeměňují fotony (světlo) na elektrický proud. Používají se tyto druhy fotodiod. PN při dopadu fotonu na přechod se uvolní dvojice n{bojů, kter{ se zesílí. Vhodné pro p{smo 850nm. PIN jsou PN fotodiody doplněné čistou (intrinsickou) vrstvou. Jsou vhodné pro vlnové délky 1310 a 1550nm. ADP Avalanche Photodiode lavinové fotodiody. U těchto diod je energie uvolněných elektronů po dopadu tak velk{, že způsobí lavinovité šíření ionizaci přechodu. Jsou citlivější a proto se používají na koncích dlouhých linek (kde je menší energie přen{šeného sign{lu). 2.5 Vlastnosti vlnovodů Pro výběr vlnovodů pro dané aplikace je nutné zn{t jejich vlastnosti. Nejdůležitější vlastnosti jsou: Numerick{ apertura NA m{ hodnotu sin, kde je maxim{lní úhel, pod kterým lze přivést paprsek na čelo vlnovodu (vl{kna), aby uvnitř vlnovodu (vl{kna) nastal ještě tot{lní odraz.

6 Útlum omezuje velikost přen{šeného výkonu a vznik{ ztr{tami na ohybech (některé paprsky se mohou dostat ven z vl{kna) vazebními ztr{tami (při buzení, navazov{ní vlnovodů, znečištění, nerovnost ploch, úhlov{ odchylka vl{ken, nesouosost, ) rozptylem na defektech (poruch{ch ve struktuře) vl{kna absorpcí (zahřív{ní iontů,..). Disperze časový rozptyl - jejím důsledkem je zkreslení a rozšíření výstupního sign{lu a tím je i omezena rychlost přenosu dat. Disperze je zapříčiněna různou rychlostí, frekvencí a různou délkou optické dr{hy v optickém prostředí. Disperzi dělíme na chromatickou (barevnou) disperzi kter{ je způsobena rozdílným indexem lomu optického prostředí pro různé vlnové délky (tj. barvy světla) a tedy různou rychlostí šíření u jednotlivých vlnových délek (barev světla). Obecně je totiž rychlost světla v prostředí z{visl{ i na vlnové délce. vidov{ disperze vznik{ různou délkou optické dr{hy u jednotlivých vidů, tedy různou dobou šíření ve vl{kně (viz mnohovidov{ vl{kna). Velikost dr{hy (směr dr{hy) z{visí na úhlu, s jakým paprsek vstupuje do vl{kna. U mnohovidových vl{ken je těchto vstupních úhlů více. U gradientních vl{ken je díky proměnnému indexu lomu n j{dra vl{kna tato disperze č{stečně potlačena. Na okraji j{dra vl{kna je index lomu menší, a tedy je větší rychlost paprsku než ve středu j{dra. Tím se kompenzuje kratší optick{ dr{ha paprsku jdoucí středem vl{kna. 2.6 Měření vlnovodů a měřící přístroje U optických vl{ken se měří útlum vlastního vl{kna útlum spojení (vzniklý na vazebních členech) zpoždění (pro různé frekvence) nehomogenity (pomocí odrazů, rozptylu a pod) Všechna měření z{visí na použitých přístrojích, metod{ch měření a v neposlední řadě i na lidském faktoru. Velmi důležitým parametrem měření je rozlišovací schopnost. Tuto vlastnost si vysvětlíme na měření nehomogenit. Měření nehomogenit Ž{dné vl{kno není vyrobeno bez kazů. Jednotlivé kazy jsou nehomogenity (odlišné struktury) uvnitř vl{kna. Vzhledem k tomu, že musíme najít nehomogenity po celém průřezu a kdekoli ve vl{kně musí se používat buzení vl{kna pod různými úhly. Tím jak bylo dříve vysvětleno vznik{ disperze a výstupní sign{ly jsou zkreslené a široké. Každ{ nehomogenita představuje rozhraní dvou prostředí, a tedy na ní vznik{ odraz, který se pro detekci vad sním{ na vstupu vl{kna. Z časového zpoždění výstupního sign{lu lze usuzovat na vzd{lenost poruchy délka odezvy > 2 x Δ2

7 vlnovod T Δ1 Δ2 Čas t Doba příchodu odezvy na 1. nehomogenitu je 2xT. Vzhledem k délce odezvy to ukončí se odezva v čase 2T+to. Přijde-li v této době další odezva splyne s první a nebude tedy vidět. To znamen{, je-li čas 2xΔ1< to není tato nehomogenita odhalena. Tedy rozlišovací schopnost je to/2. Jinými slovy: za nehomogenitou je mrtv{ zóna, kdy přístroj je zahlcen předchozí odezvou a tedy nemůže tuto oblast prověřit. Tyto zóny jsou vždy na poč{tku vl{kna a za nehomogenitou. Měřící přístroje Jsou univerz{lní - měří parametry a anylyzují vlnovod analyzují používaný protokol, tj. určují zda kabel je moment{lně použív{n testery které prov{dí měření pro jednotlivé vlnové délky. Dovedou testovat celou optickou trasu, prov{dět výkonov{ a útlumov{ měření. 2.7 Ot{zky Nakreslete profily jednotlivých druhů vlnovodů a určete indexy lomu jednotlivých č{stí vlnovodu.. Co je to vlnovodn{ optika? Vysvětlete pojen Fresnelův a tot{lní odraz. Šíří se paprsek odrazy v jednovidovém vl{kně. Zdůvodněte. Co se děje s parskem a energií parsku, který se l{me u tot{lního odtrazu pod úhlem 90 o. Jak{ je výhoda gradientních vl{ken. Co je to LED dioda? Co je to koherentní světlo? Jaké jsou způsoby buzení vlnovodů? Popište je. Co je to optický hranol? Jaké m{ vlastnosti? Je možné budit optické vl{kno několika sign{ly o stejné frekvenci? Zdůvodněte. Co je to PN a PIN fotodioda. Popište princip detekce světla. Jak{ jsou frekvenční p{sma používan{ ve vlnovodech? Jak souvisí vlnov{ délka světla s barvou světla a frekvencí světla. Je rychlost světla konstantní ve všech prostředích? Zdůvodněte. Co je to numerick{ apertura? Co způsobuje snižov{ní amplitudy světla ve vlnovodu? Souvisí přen{šený výkon sign{lu s jeho intenzitou optického? Co je to disperze světla a co nehomogenita vlnovodu?

8 Co je to rozlišovací schopnost měřiče kabelů a jak se zjistí?