WYKŁAD 2

1.   Zastosowania światłowodów

2.   Budowa kabli światłowodowych

3.   Parametry światłowodów: tłumienność, apertura numeryczna

4.   Analiza modów światłowodowych

1.    ZASTOSOWANIA

Pod względem zastosowania:

• telekomunikacyjne

• dla sieci komputerowych

• czujnikowe

• medyczne, oświetleniowe

Pod względem  zdolności aktywnej obróbki sygnału:

pasywne (transmisja sygnałów lub danych)

• aktywne  (wzmacniacze optyczne)

Pod względem wykorzystanych materiałów:

•SiO2 (domieszkowane)

•ZBLAN (Zr, Ba, La, Al, Na)

• światłowody plastikowe (PMMA)

•Wielowarstwowe epitaksjalne (np. GaAs/AlGaAs)

•Warstwy dielektryczne (Ta2O5, ZnO, Si3N3/SiO2)

•Warstwy polimerowe (PMMA, PS)

ZBLAN to nazwa szkła z grupy ciężkich szkieł fluorkowych (heavy-metal fluoride glasses). Typowe szkło tworzone jest na bazie krzemu. W szkłach ZBLAN fluor łączony jest z metalami: cyrkonem, barem, lantanem, aluminium i sodem (Zr, Ba, La, Al, Na, stąd nazwa). Światłowody ze szkieł ZBLAN mogą prowadzić falę nawet o długości 4000 nm i teoretycznie mogą mieć tłumienie dochodzące do 0,001 dB/km. Włókna ZBLAN mogą być domieszkowane prazeodymem (Pr, metal z grupy lantanowców). Włókna takie wchodzą w skład wzmacniaczy światłowodowych na 1300 nm. Wzmacniacze te oznaczane są skrótem PDFA (Prazeodymium Doped Fiber Amplifiers). Wzmacniacze światłowodowe na 1550 nm są domieszkowane erbem i oznaczane są skrótem

EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifiers).

2.   Budowa kabli światłowodowych

a)     światłowód ścisły (tight buffer)

b)     światłowód luźny (loose buffer)

Indoor/outdoor tight buffer (wewnętrzne/zewnętrzne  ścisłe )

Indoor/outdoor breakout cable

3. Parametry światłowodów

Parametry włókien światłowodowych:

1.   Optyczne

Tłumienie, dyspersja, współczynniki załamania, apertura numeryczna, długość fali odcięcia, właściwości modowe, stabilność temperaturowa parametrów

2.   Geometryczne

Wymiary poprzeczne, geometria

3.   Mechaniczne

Wytrzymałość na zerwania, promień gięcia

4.   Dodatkowe parametry (dla włókien specjalnych)

Rodzaj domieszki aktywnej

3a. Podstawowe parametry światłowodów – tłumienie

Tłumienienność [dB/km]

Włókna jednomodowe

1310 nm                                                             0.33- 0.42

1550 nm                                                                      0.18-0.25

włókna wielomodowe (gradientowe)

850 nm                                           2.4-2.7 (50/125)   2.7-3.2 (62.5/125)

1300 nm                                           0.5-0.8                                  0.6-0.9

3b. Charakterystyka światłowodów – jednostki

Do opisu strat mocy w światłowodzie, oprócz tłumienia, które wyraża się w decybelach (dB), używa się również jednostki zwanej tłumiennością wyrażoną w [dB/km]

gdzie  oraz oznaczają moce optycze zmierzone w światłowodzie w punktach oraz odległych od siebie o L. Znak minus pomijamy. Tak więc gdy na odcinku 1km przechodzi tylko:

3c. Efektywna grubość światłowodu

gdzie n1 , n2 – wspóczynnik załamania rdzenia i płaszcza

r - promień rdzenia, l0 – długość fali światła

3d. Przyczyny tłumienia

1)   Rozpraszanie Rayleigha  (Tµ)

2)   < 200 nm (0.2mm) absorpcja z pasma walencyjnego do przewodnictwa

3)   drgania II i III harmonicznej ( 1.38 mm i 0.95 mm) dla wiązania O-H (jonu OH-) lub wody

4)   drganie mieszane (sumacyjne) dla OH- i wiązania

Si-O (1.23 mm)

5)   drganie Si-O (9 mm)

6)   domieszki jonów metali (Cu+2, Cr+2 , Fe+2) i wodoru H2 (1.24 mm)

7)   nieregularności światłowodu (mikrozgiecia, wahania średnicy)

3e. Apertura numeryczna

Wyprowadzenie wzoru na aperturę numeryczną NA

nco sinQc = ncl sin 900 = ncl

z zależności na sumę kątów w trójkącie:

nco sin(900-Qm) = ncl  ®  nco cosQm = ncl

z wzorów redukcyjnych:

      nco   = ncl

Po podniesieniu obu stron do kwadratu:

nco2 (1- sin2Qm) = ncl2®  nco2 - nco2 sin2Qm= ncl2

Korzystając z prawa załamania na granicy rdzeń - powietrze:

nco2 sin2Qm= 1 sin2a

nco2 - sin2a = ncl2

Ostatecznie: 

7

4. ANALIZA MODÓW ŚWIATŁOWODOWYCH

·       Równanie Maxwella – rozchodzenie się fali elektromagnetycznej w swobodnej przestrzeni i ośrodkach jednorodnych

·       Równanie falowe – rozchodzenie się fali elektromagnetycznej w ośrodkach jednorodnych i w światłowodach (warunki brzegowe)

·       Równanie modowe – szczegółowy opis rozchodzenia się fali w swiatłowodach określonego typu

Mod światłowodu- definicja

Mod- modem nazywamy jedną z dopuszczalnych struktur pola elektromagnetycznego. Struktury te można obliczyć korzystając z równan Maxwella i odpowiednich warunków brzegowych