Historie vláknové optiky datuje se zpět 200 let, kde postupně: 1790 - franc. inženýr Claude Chappe vynalezl optický telegraf 1840 - Daniel Collodon a Jacque Babinet prokázali, že světlo může být vedeno podél tryskající vody, aplikace fontán 1854 - John Tydall popularizoval vedení světla prostřednictvím demonstrací proudu vytékající vody z nádrže 1880 - Alexander Graham Bell si nechal patentovat optický telefonní systém, ten však neobstál v konkurenci s telefonem využívajícím klasické metalické vedení přelom století - zjištěno, že ohnuté skleněné tyčinky vedou světlo, aplikace v lékařství (dentální iluminátory) 1920 - John Logie Baird (UK) a Clarence Hansell (US) patentovali možnost přenosu obrazu prostřednictvím svazku optických vlnovodů
Historie vláknové optiky 1960 - Theodore Maiman demonstroval první LASER skupina v Standard Telecommunications Laboratory vedená původně Antoni Karbowiakem studovala příčinu útlumu optických vláken 1966 - Kao a Hockman (v STL specializace na antény), příčina útlumu v nečistotách (absorpce), je možné snížit útlum pod hranici 20dB/km 1970 - fy. Corning Glass Works oznamuje výrobu vlákna s nižším útlumem než 20dB/km při λ=633nm 1970 - Bells laboratoře oznámily objev polovodičového laseru s kontinuálním vyzařováním
Výhody použití optického vlákna v telekomunikacích velká šířka pásma = velká hustota přenosu dat optické nosné řádu stovek THz, vlnový rozsah 0,8-1,7 µm 375 176 THz, teoreticky použitelná šířka pásma cca 200 THz překlenutelné vzdálenosti bez zesilovačů nebo opakovačů cca 100 km (závisí na optickém vlákně a systému!!) se zesilovači několik set a více kilometrů vysoká odolnost proti rušivým signálům (nemožnost elektromagnetického rušení přenosu z vnějšku) nemožnost odposlechu přenosu bez přerušení vlákna
Digitální optický linkový systém Kodér Zdroj digitální informace Obvody buzení laseru opt.vlákno zesilovač a ekvalizér dekodér digitální výstup
Dielektrické vlnovody Dielektrické struktury optických vlnovodů byly poprvé navrženy na počátku 20.století. V 50-letech minulého století vzrostl zájem o dielektrické optické vlnovody v aplikacích pro přenos obrazu, především v medicíně (endoskopie). U optického vlákna je plně průsvitné jádro s indexem lomu n1 obklopeno pláštěm s indexem lomu n2. V tomto případě plášť tvoří rozhraní mezi okolím a vlnovodným jádrem a fyzicky jej drží. Vnější ochrana Jistící prvky Plášť Jádro Primární ochrana
Optické vlákno n 1 n 2 < n 1 Plášť n 2 Jádro Index lomu: podíl rychlosti šíření světla ve vakuu (~ 3x10 8 m/s) k rychlosti světla v daném materiálu
Šíření světla vláknem n 1 n 2 < n 1 Plášť n 2 výstup světla vstup světla Jádro
Snellův zákon lomu vzduch sklo φ 1 paprsek dopadající φ φ 2 paprsek lomený n 2 n n 1 2 < n 1 1 paprsek s částečným vnitřním odrazem n 1 sin φ 1 = n 2 sin φ 2 nebo sin φ 1 sin φ 2 = n
Přenos paprsku v ideálním optickém vlákně plášť s nízkou hodnotou indexu lomu Ø Ø Ø Ø Ø jádro s větším indexem lomu
Maximální úhel navázaní vstup-a plášť jádro meridionální paprsek
ČVUT FEL, Katedra telekomunikací Maximální úhel navázaní plášť θ jádro vstup-b
Maximální úhel navázaní plášť θ plášť vstup-c
Maximální úhel navázaní časem ztracený radiací plášť θ jádro vstup -D
Maximální úhel navázání vstup-c časem ztracený radiací plášť kužel navázání světla konický půlúhel θ a jádro vstup-d
Numerická apertura vyjadřuje míru schopnosti vlákna ze svého okolí navázat do svého jádra optický svazek. Je definována jako: plášť kde, NA = n 0 sin θ a n 0 = index lomu materiálu, z kterého se navazuje světlo do vlákna (ze vzduchu, n 0 = 1) θ a = maximální úhel navázání θ a n 1 n 0 n 2 jádro
Numerická apertura 2 2 1/2 1 2 NA = n o sin θ a = (n 2-1 n 2 ) 2 1/2 n 1 n 2 θ a NA jádro plášť maximální úhel numerická apertura 1.5 1.5 1.5 1.5 1.49 1.45 1.35 1.25 9.96 22.58 40.83 56.01 0.173 0.384 0.654 0.829
Typy optických zdrojů širokopásmové s kontinuálním spektrem ( Incandescent Lamps ) monochromatické nekoherentní ( Light Emitting Diodes - LED ) monochromatické koherentní zdr. ( Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - LASER )
Spektrální šířka pásma LED Laser Incandescent Lamp 0 0.5 1.0 1.5 2.0 vlnová délka (µm)
Požadavky na vláknové zdroje velikost a uspořádání kompatibilní s vyzařovací charakteriskou opt.vlákna jednoduchý princip modulace (přímá m.) schopnost elektr. modulovat inten. světla vyzařovaní na λ, kde vlákno vykazuje malý útlum schopnost efektivního navázaní světla do vlákna uzká spektrální charakteristika stabilní výstupní výkon nízká cena
Absorbce a Emise počáteční stav konečný stav E 2 E 1 Absorbce E 2 E g = E 2 - E 1 = hf = hc/ λ E 1 E 2 E 1 Spontánní emise E 2 E 1 E 2 Stimulovaná E 2 E 1 emise E 1
Podmínka rezonance L q = q max q = q max -1 q = q max -2 M 1 M 2 podmínka rezonance: ( q = celé číslo ) L = λq 2n
FABRY-PEROTův rezonátor čas t 1 t 2 t 3 ( R = 1 ) M 1 ve fázi L t 0 délka dutiny musí být celočíselným násobkem poloviny vlnové délky uvažované v materiálu dutiny M 2 ( R = 0.99 )