Optoelektronika
optická vlákna – útlum, Snellův
zákon, jednovidová vlákna,
gradientní vlákna, step index
vlákna, vidová a chromatická
disperze
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
Optoelektronika
zpracování – elektronické
signál – optický
klidová hmotnost
náboj
elektron – 10-30 kg
foton – 0
(vhodnější pro přenos)
foton se může pohybovat rychlostí světla – lepší přenos
elektron – 1,6x10-19 C
(vhodnější pro zpracování)
elektron může být ovládán el. mag. polem – Lorentzova síla
foton – 0
spin
elektron – ±½
foton - 1
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
Optoelektronika
fotony
lepší pro přenos
nepůsobí rušení
nelze odposlouchávat (nevytváří el. mag. pole)
větší kapacita přenosového kanálu
fotony si podle Pauliho principu nevadí (elektrony si
vadí)
přenosová cesta
fotony → optoelektronický převodník → zesilovač
→ elektrooptický převodník → fotony
převodníky – nevýhoda optoelektroniky
vnáší do signálu rušení a zpoždění
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
Optoelektronika
elektronika
přenos – elektronický
zpracování – elektronické
optoelektronika
přenos – optický
zpracování – elektronické
fotonika
přenos – optický
zpracování – optické
optické zesilovače přímo neexistují
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
Optoelektronika
přenosové médium – optické vlákno
skleněné – základem je SiO2
výroba tažením – odstranění křehkosti
obecně neprůhledné sklo
polymerní
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
Optická vlákna - technologie
Tažení optických vláken
preforma – čistá skleněná tyč
kapka ze začátku preformy optického vlákna roztavená v
grafitové peci - teplota 1800–2100 °, kapka za sebou táhne
optické vlákno
tažení vlákna je v další fázi regulováno kladkami
povrch potažen silikonovým kaučukem
preforma
průměr 1 palec, délka 1 m – lze vytáhnout 1 km vlákna
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
Optická vlákna
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
Optická vlákna (kabely)
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
Útlum vlákna
skleněné vlákno
amorfní látka – útlum 1 dB/km
1
P1
B = 10 log
L
P2
[dB / km]
L – délka
P1 - vstupující intenzita záření
P2 – vystupující intenzita záření
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
Útlum vlákna
útlum – závislý na vlnové délce
„hrby“ útlumové charakteristiky způsobeny
nečistotami skla – ionty Na+ a OH 3 použitelná pásma
I – 0,85 mm (již se nepoužívá)
II – 1,3 mm (praktické využití – infračervené pásmo)
III – 1,55 mm (vysoké vlnové délky – neexistují
optoelektronické převodníky)
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
Útlum vlákna
optoelektronika - pracovní oblast v
infračervené oblasti
zesilovače cca po 10 km
snaha o co nejdelší vlákno bez sváru
útlum na sváru cca 1 dB
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
Útlum vlákna
Short
Wavelength
(1st Window)
0.85 µm
Long
Wavelength
(2nd Window)
1.3 µm
Long
Wavelength
(3rd Window)
1.55 µm
Laser
AlGaAs
InGaAsP
InGaAsP
Fiber
2 dB/km
0.5 dB/km
0.2 dB/km
Detector
Si
Ge or InGaAs
InGaAs
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
Typy vláken
jednovidová N=1
vícevidová
průměr vlákna 3 µm
N=500
průměr vlákna 50 µm
počet vidů (módů) – způsob šíření
nultý vid – přenos vidu v ose vlákna
každý vid má různou délku šíření → různá doba
průletu – roztažení impulzu
čas průletu
L
t=
v
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
Šířka přenášeného pásma
dynamický parametr
světlo musí projít skrz
úplný odraz
Snellův zákon
závislost na indexu lomu – n (optická hustota)
princip šíření světelného paprsku vláknem
rychlost šíření světla ve vlákně
n = ε r µr ≅ ε r
c
v=
n
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
Snellův zákon
nutné splnit podmínku totálního odrazu
sin α n2
=
sin β n1
n2 < n1
žádný lom – vše se odrazí (totální odraz)
podmínka totálního odrazu
n1
sin β = sin α
n2
α > α krit
>1
n2
= arcsin
n1
Snellův zákon
další impulz může přijít až dorazí předcházející
l l
doba šíření
nejkratší možná dráha (L – délka vlákna)
t=
= n1
v c
L
l=
sin α
nejdelší možná dráha (nejvyšší vid α = αkrit)
lkrit =
nultý vid
α = 90° ⇒ l = L
L
sin α krit
L
n1
=
=L
n2

n2 
sin  arcsin 
n1 

Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
Snellův zákon
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
Step index vlákna
skoková změna n
jádro vlákna n1 = 1,53
povlak n2 = 1,5
šířka pásma 10 MHz.km
špatná hodnota – vlákna jen
na krátké vzdálenosti
∆t 1  lkrit lo  1  n1 
= 
−  =  − 1
L v  L L  v  n2 
roztažení signálu na
jednotku délky
∆t 1  n1 
∆t
1
−10
= n1  − 1
≈
1,53 ⋅ 0,02 ≅ 10 s / m
8
L c  n2 
L 3.10
L
= 1010 m / s = 1010 Hz.m = 10 MHz.km
∆t
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
Gradientní vlákna
dochází ke změně indexu lomu v průřezu vlákna
uprostřed – nejpomalejší vid
kraj – vyšší vid – rychlejší šíření signálu
doba přenosu t bude pro všechny vidy stejná
změna šířky pásma o 2 řády - 1 GHz.km
l l
t = = n1
v c
c
v=
n
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
Vidová disperze
roztažení přenášeného impulzu na výstupu
souvisí s různou rychlostí šíření vidů ve vlákně
jednovidové vlákno – vidová disperze neexistuje
vícevidové vlákno
step index – výrazná vidová disperze
gradientní vlákno – omezení vidové disperze
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
Chromatická disperze
barevná disperze
jednovidová vlákna
nemají vidovou disperzi, ale chromatickou disperzi
vícevidová vlákna – zanedbatelná chromatická
disperze
n= f
index lomu závisí na vlnové délce
jakost záření
λ0
(λ )
∆λ
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
Chromatická disperze
požadavek – energie vyzářená na jedné vlnové
délce
různé vlnové délky a různé n → různé rychlosti
šíření – na výstupu Gaussův klobouk vlnových délek
dáno materiálem, nelze měnit
∆t ∂ 2 n
≈ 2 ⋅ ∆λ
L ∂λ
lze ovlivnit
monotónností barvy
šířka pásma jednovidového vlákna – 100 GHz.km
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
Polarizační disperze
závisí na polarizaci
index lomu – změna v různých rovinách
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
Děkuji za pozornost
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
Download

Optoelektronika