Elektrotechnologie
4 Materiály pro optoelektroniku 4.1 Úvod Zatímco v elektronických obvodech je hlavní funkcí elektronických obvodů přenášet, upravovat a zpracovávat elektrický signál, v optoelektronice přejímá úlohu elektrického signálu světelný svazek. Optoelektronika je poměrně mladý obor, jehož prudký rozvoj byl způsoben požadavky na rychlé zpracování a šíření velkého množství informace. Optické komunikační systémy mají počátek koncem 18. století. V 90. letech tohoto století vynalezl francouzský inženýr Claude Chappe „optický telegraf“. Jeho systém sestával z množství semaforů namontovaných na věžích, ze kterých obsluhy postupně signalizovaly zprávy z vysílacího místa k příjemci informace. První demonstrační pokusy v oblasti optiky a vedení světla však lze datovat až do poloviny 19. století. Např. v roce 1854 anglický fyzik John Tyndall předváděl britské královské učené společnosti vedení světla proudem vody vytékajícím z nádoby, do které svítil zdrojem světla v podobě lampy. Realizovat takto vlastně první uměle vytvořený optický vlnovod. V roce 1880 patentoval Alexander Graham Bell optický telefonní systém, který nazval fotofon („Photophone“). Jeho dřívější vynález, telefon, však byl v té době mnohem praktičtější. Uvažoval o přenosu signálů vzduchem, ale atmosféra není pro přenos světla tak spolehlivá jako dráty pro přenos elektrického signálu. Další významná data: 25. duben 1898 David D. Smith z USA přihlašuje žádost o patent pro použití zahnuté skleněné tyčky jako chirurgické lampy; 1920 svazek ohnutých skleněných tyček je použit pro zobrazení mikroskopu; 2. červen 1926 C. Francis Jenkins žádá o vydání US patentu na mechanický televizní přijímač, ve kterém je obraz přenášen průchodem světelných paprsků svazkem skleněných tyčí umístěných v rotujícím bubnu; 1930 Henrich Lamm, student medicíny v Mnichově, první člověk, který demonstroval přenos obrazu svazkem optických vláken byl (r.1930). Jeho cílem bylo nahlížet do nepřístupných částí těla. Skutečný rozvoj optické komunikační techniky byl umožněn až počátkem 70. let minulého století vyvinutím způsobu výroby nízkoútlumových optických vláken americkou firmou Corning Glass Work. První vyrobená vlákna se vyznačovala útlumem 20 dB/km. Vývojem byla zdokonalena na útlum 0,2 dB/km u současný špičkových výrobků. V současné době není útlum vláken limitujícím faktorem. Zároveň s vývojem optických vláken došlo k nevídanému rozvoji zdrojů a detektorů optického záření, především pokud jde o jejich výkon, spektrální čistotu , citlivost a životnost. Vzniklo nepřeberné množství nejrůznějších prvků optických komunikačních prvků jako jsou modulátory, vazební členy, multi a demultiplexery, vláknové zesilovače aj.
Základními aplikacemi optoelektroniky jsou: • Optické komunikace - vlnovodné, atmosférické, kosmické; • Optická výpočetní technika - optická a holografická propojení součástek a prvků výpočetního systému a spínání (Způsob zobrazování, založený na interferenci paprskových svazků. Tzv. holographic data storage systém, tedy "systém pro holografické ukládání dat", je schopen na nepatrném prostoru uchovat obrovské množství dat s vysokou přístupovou rychlostí); • Měřicí a automatizační technika -optické vysoce citlivé senzory; • Zobrazovací technika - displeje; • Ochrana dokumentů proti falšování (holografie). Poznámka: S příchodem nových generací mobilních sítí jsou pod označením RoF (Radio over Fiber – přenos rádia optickým vláknem) používána optická vlákna k přenosu rádiového signálu mezi centrální částí základové stanice a vzdálenými rádiovým jednotkami. Vznikl tak nový samostatný prvek
-1-
Optoelektronika mobilních sítí – širokopásmový distribuční systém WDS, který je využíván pro výstavbu multimediálních mobilních sítí třetí generace.
4.2 Optoelektronický přenos informací 4.2.1 Komunikační soustava V oblasti dálkového přenosu informací mají dominantní postavení systémy využívající k přenosu elektromagnetické vlny. Informační signál je při tom namodulován na vysokofrekvenční nosný signál, který je vysílací anténou převeden na elektromagnetickou vlnu. V místě příjmu je elektromagnetická vlna převedena zpět na elektrický signál. Informační signál je pomocí demodulačních obvodů oddělen od nosného a upraven do původní podoby. Přenosová rychlost (kapacita přenosu) je omezena možnou šířkou přenášeného pásma kmitočtů. Při použití optického přenosu je možné používat nosné kmitočty v oblasti 1014 Hz –modulační kmitočet řádu 1000 GHz je pouhé 1 % kmitočtu světelného paprsku. Chceme-li dosahovat velmi velkých přenosových rychlostí, musíme volit takové způsoby přenosu, které mají šířku přenášeného pásma co možná největší. Je přitom vcelku zřejmé, že velké šířky přenášeného pásma lze dosáhnout nejsnáze tam, kde jsou kmitočty přenášených signálů velmi vysoké Rozdělení spektra elektromagnetických vln z hlediska jejich využití a vlastností je uvedeno v následující tabulce. Pro rádiový přenos jsou převážně využívány rozsahy v oblastech od dlouhých vln po mikrovlny. Optické pásmo kmitočtů zabírá kmitočtové rozmezí zabírající několik řádů široký interval vlnových délek. Pro optický přenos informace má největší význam oblast přibližně od 1,2 µm do 400 nm. Je to z toho důvodu, že do této oblasti vlnových délek spadají minima útlumu materiálů používaných pro výrobu vodičů světla – světlovodů (optických vláken). V oblasti ultrafialového záření a zejména na hranici rentgenového záření jejich útlum narůstá a nejsou k dispozici účinné a levné detektory záření. Kmitočet [Hz]
Vlnová délka
Druh elmag. vln
Anglický název
(0,3 až 3).103
(106 až 105) m
Extrémně dlouhé vlny (střídavá napětí)
Extremely Low Frequency (ELF)) Very Low Frequency (VLF)
3
(3 až 30).10
5
4
Velmi dlouhé vlny
4
3
(10 až 10 ) m 3
(30 až 300).10
(10 až 10 ) m
Dlouhé vlny (DV)
Low Frerquency (LF)
(0,3 až 3).106
(103 až 102) m
Střední vlny (SV)
Medium _Frequency (MF)
(3 až 30).106
(102 až 10) m
Krátké vlny (KV)
High Frequency) (HF)
(10 až 1) m
Velmi krátké vlny (VKV)
Very High Frequency (VHF)
(0,3 až 3).109
(1 až 0,1) m
Ultra krátké vlny (UKV) (DM)
Ultra High Frequency (UHF)
(3 až 30).109
(10 až 1) cm
Centimetrové vlny (CM)
Super High Frequency (SHF)
(3 až 30).109
(10 až 1) mm
30.109 až 1012
(10 až 3) µm
6
(30 až 300).10
Mikrovlny
Milimetrové vlny Mikrovlny
Extremly High Frequency (EHF)
1012 až 3,8.1014
3 µm až 790 nm
Infračervené záření
(3,8 až 7,7).1014
(790 až 390) nm
Viditelné záření
Visible (VIS)
7,7.1014 až 3.1016
(400 až 10) nm
Ultrafialové záření
Ultra violet (UV)
3.1016 až 3.1019
(10 až 0,1) nm
Rentgenovo záření
X - Rais
3.1019 až 1024
< 0,1 nm
Záření gama
Gamma Rais
Světlo
Infra Red (IR)
Infračervené záření (IR záření) Zdrojem infračerveného záření je každé těleso, které má teplotu vyšší než je absolutní nula. Jeho původcem jsou změny elektromagnetického pole vyvolané pohybem elementárních částí hmoty – atomů a molekul. Pohyb molekul je způsoben vnitřní energií, která je závislá na teplotě. S vyšší teplotou vzrůstá intenzita IR záření. V oblasti infračerveného záření, jsou přijímače světla citlivé na rušení tepelnými signály – zejména v oblasti dlouhovlnného infračerveného záření. -2-
Elektrotechnologie Z kosmického průzkumu je přijato rozdělení infračerveného záření (IR) do tří oblastí uvedených v následující tabulce:¨ Název oblasti IR Blízká infračervená (Near Infrared) NIR Střední infračervená (Mid Infrared) Daleká infračervená (Far Infrared)
Vlnové délky [µm]
Teploty [K]
(0,7 až 1) do 5
740 až (3000 ÷ 5200)
5 až (25 ÷ 40)
(92,5 ÷ 140) do 740
(24 ÷ 40) až (200 ÷ 350)
(10,6 ÷ 18,5) až (92,5 ÷ 140)
Co vidíme Chladnější rudé hvězdy, hvězdy - rudí obři, prach je průhledný Planety, komety a asteroidy, prach ohřátý světlem hvězd, Vyzařování chladného prachu, centrální oblasti galaxií, velmi chladné molekulární mraky
Z uvedeného označení je ve vláknové optice používáno označení NIR.
4.2.1.1 Optický spoj Obecně je optický spoj tvořen vysílačem, optickým prostředí a optickým přijímačem. Optickým prostředím může libovolné prostředí propustné pro optické paprsky. Může to být např. atmosféra, vakuum, kosmický prostor nebo optický kabel. Parametry optického signálu se při průchodu optickým prostředím mění. Dochází k útlumu, ke změně tvaru světelných impulsů a ke změně jejich fáze (časové polohy). To zkracuje dosah optického spoje. Zvětšení dosahu je uskutečňováno zařazením mezilehlých optických zesilovačů, případně opakovačů, což umožňuje částečnou nebo úplnou regeneraci optického signálu. Nedostatkem zesilovačů je zesílení nejen signálu, ale i šumů. Spoj je nespolehlivý, pokud je odstup signálu od šumů menší než požadovaný. Opakovače, ve kterých je signál obnovován na původní kvalitu, umožňují vytvářet spoje nezávislé na délce trasy. Jejich nevýhodou je vyšší složitost a cena. Atmosféru je možné využívat v prostředí bez speciálně realizovaných odrazů světla pouze na přímou viditelnost. Toto prostředí je využíváno převážně pro ovládání různých zařízení nebo pro datovou komunikaci na krátké vzdálenosti. Optický kabel umožňuje přenos informací mezi libovolně vzdálenými dvěma místy, pokud je lze optickým kabelem propojit. Princip optického přenosového systému je Modulátor Zdroj Optické znázorněn na obr.č.1.2.1. a optický prostředí signálu vysílací systém Vstupní a výstupní signál optického spoje je elektrický. Proto vysílací a přijímací část obsahuje kromě optoelektronických prvků Optický Zpracování výstup také elektronické obvody pro zpracování Demodulátor přijímací signálu systém vstupního a výstupního signálu. Zdrojem optického záření je zpravidla laser, Obr.č.1.2.1 Optický přenosový systém laserová nebo LED dioda. Modulace světelného paprsku je prováděna v optickém modulátoru nebo v případě polovodičového světelného zdroje přímo změnou budicího proudu. Ve vláknové optice jsou využívána tři přenosová okna: 830 nm, 1300 nm a 1550 nm.
Teoretická hranice optické komunikace Vědci v laboratořích Bell Labs vypočítali maximální množství informací, které je možné přenést přes optická vlákna za 1 sekundu. Určili, že přes jedno optické vlákno je teoreticky možné přenést současně 100 terabitů informací, čemuž odpovídá přibližně 20 miliard jednostránkových zpráv. Současné optické systémy mohou přenášet méně než dva terabity informací za sekundu. Fyzikální vlastnosti skla činí světlo přenášené optickým vláknem náchylné na velmi komplikovaný rozpad,
-3-
Optoelektronika rychlost světelného paprsku putujícího vláknem není konstantní jako ve volném prostoru. To způsobuje, že se část signálu mění ve hluk. V současné době ještě není jisté, kdy se komerční systémy přiblíží teoretickým hranicím a tak se ani neobjevuje otázka, co asi překoná optická vlákna. Komerčně běžně dosahované rychlosti přenosu jsou na úrovni 40 Gbitů za sekundu.
4.2.2 Optické vlákno Optická vlákna umožňují přenos světla o vlnových délkách od 220 nm do 2400 nm. Rozsah provozních teplot dosahuje až hodnot od –60°C do +120°C.
Oblasti použití optických vláken • • • • • • • •
vedení pro přenos dat – dálkové komunikace; vedení pro přenos dat v průmyslových zařízeních; počítačové sítě; zařízení pro medicínu; spektroskopie; výroba čidel; velmi intenzivní místní osvícení; měřicí systémy.
Příklad použití světlovodu k místnímu osvícení
Výhody použití optických vláken pro přenos informací • velká šířka přenosového pásma kmitočtů, optický spoj umožňuje přenášet informace vysokou rychlostí na velké vzdálenosti; • malé rozměry a hmotnost oproti metalickým vodičům, proto se s nimi snadněji pracuje, optické vlákno je tenči než lidský vlas; • elektricky izolované prostředí, možnost použití v elektricky hazardních prostředích, nevznikají problémy s elektrickým přizpůsobením, odolávají vlivům statických výbojů v atmosféře; • optické kabely zajišťují galvanické oddělení přijímače od vysílače a proto nemůže vzniknout rušení do tzv. zemních smyček; • odolnost proti elektromagnetickému rušení a proti přeslechům; • nízké ztráty při přenosu • bezpečnost optického signálu – nelze jej prakticky odposlouchávat – optické vlákno nevyzařuje světlo do okolí; • spolehlivost.
Nevýhody použití optických vláken • problematičtější je spojování jednotlivých vláken, technologie jejich lepení či svařování však již jsou v praxi dostatečně zvládnuty; • vlastnosti optického kabelu se mění s teplotou – při nízkých teplotách materiál křehne a při manipulaci s ním hrozí jeho poškození; • v ostrých ohybech kabelu dochází ke zvýšenému ohybu světla a ke zvýšení útlumu kabelu; • z hlediska mechanické pevnosti není možné kabel libovolně ohýbat.
Princip přenosu světla optickým vláknem plášť (cladding) jádro (core) paprsek Mezní úhel dopadu pro úplný odraz paprsku tzv. numerická apertura
Obr.č.1.2.2 Princip přenosu světelného paprsku optickým vláknem
-4-
Dopadá-li světelný paprsek na rozhraní dvou prostředí s různými optickými vlastnostmi (např. na rozhraní mezi jádrem a pláštěm), v obecném případě se část tohoto paprsku odráží zpět do původního prostředí, a část prostupuje do druhého prostředí. Záleží však na úhlu, pod jakým paprsek dopadá na rozhraní (měřeném od kolmice na místo dopadu). Je-li tento úhel větší než určitý mezní úhel (měřený od kolmice na místo dopadu a daný optickými vlastnostmi obou prostředí), dochází k úplnému odrazu paprsku zpět do původního prostředí
Elektrotechnologie V důsledku opakovaných úplných odrazů, které probíhají bez jakýchkoli ztrát, pak světelný paprsek sleduje dráhu jádra optického vlákna, je tímto jádrem veden. Mnohavidové vlákno: je vlákno schopné vést různé vlny světelných paprsků - tzv. vidy (modes). Mnohavidové vláknové vlnovody mohou být: − se skokovou změnou indexu lomu; − s gradiendní (postupnou) změnou indexu lomu. Jádro se skokovou změnou indexu lomu Způsob, jakým optické vlákno paprsek vede, záleží na tom, jak se mění optické vlastnosti (konkrétně tzv. index lomu - refraction index) na přechodu mezi jádrem vlákna a jeho pláštěm. Mění-li se skokem a je-li průměr jádra dostatečně velký (50-100 mikrometrů), jde o mnohavidové vlákno se skokovou změnou indexu lomu (ob.č.1.2.2). postupná změna indexu lomu
Jádro s gradiendní (postupnou) změnou indexu lomu Pokud se index lomu na přechodu mezi jádrem vlákna a jeho pláštěm nemění skokem, ale plynule, jde o mnohovidové vlákno s tzv. gradientním indexem lomu (graded index fiber), které přenášené vidy ohýbá (obr.č.1.2.3). Obr.č.1.2.3 Princip vlákna Multividové vlákno poskytuje velkou šířku pásma při vysokých s gradiendní změnou indexu lomu rychlostech přenosu informace na střední vzdálenosti. Při přenosu na velké vzdálenosti (větší než asi 1 km) dochází k tomu, že jednotlivé paprsky (vidy) nejsou přeneseny se stejnou fází a dochází ke zkreslení a zvětšení útlumu přenosu. Jednovidové vlákno: Nejvyšších přenosových rychlostí (Gigabity/sekundu na vzdálenosti do 1 km) lze dosáhnout na tzv. jednovidových vláknech (single mode fiber), která přenášejí jen jediný vid (pouze jeden paprsek). Schopnosti vést jediný vid bez odrazů i ohybů se většinou dosahuje velmi malým průměrem jádra (řádově jednotky mikrometrů). Jednovidová vlákna jsou dražší než mnohovidová, lze je ovšem použít pro přenosy na delší vzdálenosti (až 100 km bez opakovače). Pro své buzení vyžadují laserové diody. Mechanické uspořádání obou typů vláken je shodné, odlišnost je pouze v průměru jádra vlákna, jak je zřejmé z obr.č.1.2.4.
Konstrukční uspořádání optického vlákna Jednovidové vlákno
Mnohavidové vlákno
Samotné, ničím nechráněné optické vlákno má malou pevnost v tahu a je značně křehké. Ke zlepšení mechanických vlastností i odolnosti proti nepříznivým vlivům prostředí, je světlovodné vlákno již při jeho tažení pokrýváno tenkou vrstvou vhodného materiálu. Druh použitého materiálu je důležitý i z hlediska spojování Jádro Plášť vláken, přičemž je nutné tento obal z vlákna odstranit. (Cladding) (Core) Převážná většina vyráběných vláken je opatřena ještě dalším Obr.č.1.2.4 Jednovidové a mnohavidové vlákno ochranným obalem, který zdokonaluje ochranu vlákna proti vnějším klimatickým, chemickým a mechanickým vlivům, případně i proti vlivům nadměrných teplot. Princip typického uspořádání jednovidového a mnohavidového vlákna je znázorněn na obr.č.1.2.3. Optické vlákno obsahuje skleněné nebo platové světlovodné jádro, které je obaleno pláštěm a ochranným povlakem. Skla použitá pro výrobu jádra mohou být různých druhů podle požadované aplikace. Ochrana (Coating)
Průměr jádra se pohybuje zpravidla od přibližně 5 µm až do 1000 µm, v některých případech i více. Jádro o větším průměru může přenášet více světelné energie.
-5-
Optoelektronika Podle materiálu použitého k výrobě jádra mohou být optická vlákna používána pro přenos v oblastech vlnových délek NIR, viditelného světla (VIS) a ultrafialového světla (UV). Plášť je tvořen tenkou vrstvou skla obsahujícího příměsi nebo plastem nebo polymerem. Index lomu pláště je menší než index lomu jádra. Úlohou pláště je odrážet světelné paprsky zpět do jádra. Skleněné vlákno má nejmenší útlum a je nejdražší. Čistě skleněné vlákno má skleněné jádro i skleněný plášť. Sklo použité v optických kabelech je velmi čisté, velmi průhledné buď z SiO2 nebo z roztaveného krystalu. Potřebné vlastnosti a stanovený index lomu vlákna jsou získávány během výroby přidáváním čistých příměsí (germanium nebo fosfor zvyšují index lomu, bór nebo fluor jej zmenšují). Ochranný obal, který je vyráběn z plastu nebo z polymeru, má za úkol chránit jádro a plášť před vlhkostí, poškrábáním a dalšími vnějšími vlivy. vlastnosti této ochrany jsou určujícím faktorem pro podmínky, ve kterých může být vlákno použito (teplotní rozsah, chemické prostředí, vlhkost, ohýbání apod.).
Základními parametry optického vlákna jsou: • • • •
numerická apertura (NA); disperse; útlum [dB] šířka pásma [MHz-km].
Numerická apertura: překročen mezní úhel dopadu
υ
υ
Θ
sin Θ = n2 /n1 υ - mezní úhel dopadu sin υ = n 21 -n 22 =NA (numerická apertura)
Obr.č.1.2.5 Definice numerické apertury
Rozmezí úhlů, pod kterými může světelný paprsek dopadat na optické vlákno tak, aby byl veden, definuje tzv. numerickou aperturu (viz obr.č.1.2.5). Podmínkou pro vedení světla ve světlovodu je úplný odraz paprsku na rozhraní jádro – plášť. Jeli úhel dopadu vzhledem k ose vlákna příliš velký, dojde na styku jádra s pláštěm k jeho lomu, paprsek se neodrazí a nedostane se na druhý konec vlákna (obr.č.1.2.5). Numerická apertura je určena úhlem, pod kterým je vlákno schopno na vstupní straně přijímat energii zdroje optického signálu a pod kterým ji na výstupní straně vyzařuje.
Číselně je rovna sinu maximálního úhlu υMAX, pod kterým se vstupující paprsky budou ještě šířit k jeho konci. Paprsky dopadající pod větším úhlem se šířit vláknem nebudou. Velikost NA u vláken s homogenním jádrem - se skokovou změnou indexu lomu lze vyjádřit vztahem:
NA = sin ϑ max = n 12 − n 22 , kde n1 je index lomu materiálu jádra, n2 je index lomu materiálu pláště. Numerická apertura se nejčastěji stanoví z vyzařovací charakteristiky vlákna. Vyzařovací charakteristika je měřena fotodetektorem rotujícím kolem čela vlákna v dostatečné vzdálenosti, aby byla splněna podmínka dalekého pole. Pro vícevidová vlákna je tato vzdálenost přibližně 3 až 5 cm.
Disperse Disperze je příčinou zkreslení přijímaného signálu. Dochází při ní k rozptylu jednotlivých složek světelného paprsku (vidů), které se optickým vláknem šíří různou rychlostí. Disperze je způsobena jednak tím, že: • přenášený paprsek není monochromatický; • index lomu materiálu je závislý na vlnové délce přenášeného světla; • u jednovidových vláken se projevuje polarizační disperze. Jediný vid, sířící se jednovidovým
vláknem, se šíří ve dvou vzájemně kolmých polarizačních rovinách. Jakákoliv kruhová nesymetrie vlákna (ať z výroby, mikroohyby způsobenými montáží nebo vnějším tlakem apod.) způsobí šíření obou polarizací jinou rychlostí a tedy rozšíření impulzu nebo zkreslení analogového signálu. Tento parametr se stává důležitým v souvislosti s růstem
-6-
Elektrotechnologie přenosové rychlosti nad 2,5 Gb/s, kdy má kritický vliv na šíření signálů kabelové televize a širokopásmových služeb; U mnohavidových vláken se projevuje rozdílná rychlost šíření jednotlivých vidů. Projevuje se zejména při vysokorychlostním přenosu informací na větší vzdálenosti. Přirozeným fenoménem vysokorychlostních technologií, využívajících koherentní (laserové) zdroje světla pro přenos přes mnohavidová vlákna je rozdílové zpoždění paprsků. Toto zpoždění vzniká mezi různými paprsky procházejícími vláknem. Paprsek, který prochází téměř po ose vlákna bude v přijímači dříve než paprsek, který se musí odrážet od stěn jádra vlákna. Tento problém je zmenšován technologií výroby vlákna. Cestou je použití se gradiendního index lomu jádra. ztracený paprsek Zjednodušeně lze říci, že na hranicích jádra vlákna bude plášť použit materiál s opticky nižší hustotou a směrem k ose bude gradiendně stoupat hustota. Tímto se docílí, že jádro plášť paprsky procházející osou jádra budou díky zpomalení v opticky hustším prostředí v přijímači přibližně stejně Obr.č.1.2.6 Šíření signálu gradiendním rychle jako paprsky odrážející se od stěn jádra, kde je vláknem prostředí opticky řidší.
Útlum: Ztracený paprsek
Ohybové ztráty
Obr.č.1.2.7 Šíření signálu vláknem se skokovou změnou indexu lomu 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 15
2vidové 4vidové 6vidové
20 30 25 Poloměr ohybu [mm]
Ohybové ztráty jsou udány jako poměr výkonu ztraceného v ohybu vlákna a vstupního výkonu světelného paprsku
Útlum světla vzniká jednak absorpcí světla materiálem vlákna. Dále se na něm podílejí další vlivy jako: • Fresnelův odraz - uplatňuje se při navázání
optického záření do optického vlákna, kdy se část optického záření vrací zpět ke zdroji . Stejným způsobem se tento mechanismus ztrát uplatňuje na konci optického optického vlákna; • Difúzní odraz - nastává na mikroskopických nerovnostech a vadách materiálu v oblasti odrazu nebo lomu světla. Množství difúzně odraženého optického záření je dáno koncentrací bodových poruch v místě dopadu optického záření; • Odraz ve spoji dvou vláken • Vazební ztráty:¨ − Ztráty průřezem vlákna - jsou způsobeny
spojováním vláken s rozdílným průřezem jader, kdy část paprsků dopadá na plášť Obr.č.1.2.8 Ztráty způsobené ohybem vlákna následujícího vlákna; jsou způsobeny − Ztráty souosostí vláken Spojení v optickém konektoru nepřesností spojování vláken, kdy dochází k posunutí os vláken a část paprsků není navázána do jádra navazujícího vlákna; − Ztráty oddálením konců vláken jsou způsobeny spojováním vláken, jejichž čela jsou délkově odražený paprsek posunuta a část paprsků dopadá mimo oblast úplného Obr.č.1.2.9 Ztráty způsobené odrazu; odrazem ve spoji dvou vláken − Ztráty úhlovou odchylkou os - jsou způsobeny spojováním vláken, kdy jádra jsou vůči sobě plášť (cladding) odchýlena o určitý úhel a část paprsků se dostává plášť (cladding) mimo oblast úplného odrazu; − Ztráty znečištěním ve spoji jsou způsobeny přítomností cizích látek ve spoji. V místě spoje tak dochází k nárůstu absorpcí, odrazů a lomů; Obr.č.1.2.10 Ztráty způsobené posuvem os vláken
-7-
Optoelektronika • Část světelné energie je rovněž ztracena pohlcením paprsků dopadajících pod velkým úhlem pláštěm jádra (obr.č.1.2.5, 1.2.6). • Při ohýbaní optického vlákna, dochází k deformaci vedených vidů, které se šíří vláknem. Důsledkem jsou ztráty přenášeného výkonu, které mohou být velmi významné Obr.č.1.2.11 Ztráty způsobené zejména u malých poloměrů ohybu (obr.č.1.2.6). úhlovou odchylkou os vláken Tento jev je z hlediska přenosových aplikací optických vláken nežádoucí. Na druhé straně jej je možné využít při konstrukci plášť (cladding) plášť (cladding) optických senzoru založených na zakřivování optického vlákna. Aby nedocházelo k velkým ztrátám při ohybu, je nutné dodržovat zásady stanovené výrobcem a vlákno ohýbat s co největším poloměrem. Obr.č.1.2.12 Ztráty způsobené V praxi můžeme hodnotu útlumu trasy ovlivnit především různým průměrem vláken kvalitou pokládky a montáže spojek, dodržováním zásad pro povolené ohýbání kabelů apod. DMD problém není jenom záležitost Gigabit Ethernetu, ale všech vysokorychlostních technologií, které používají laserové zdroje pro záření v mnohavidových vláknech. Gigabit je první standard, kde je klasické laserové záření v mnohavidovém vláknu použito. Předpokládá se využití této myšlenky ve všech dalších vysokorychlostních technologiích. Šířka pásma: Šířka pásma udává nejvyšší kmitočet signálu, který může být spolehlivě přenesen na vzdálenost 1 km mnohavidovým vláknem bez nadměrné disperze jednotlivých vidů. Je udávána v MHz-km. Význam parametru MHz-km je zřejmý z příkladu: Nechť výrobce kabelu udal šířku pásma 400 MHz-km. Dále, nechť kmitočtové pásmo přenášeného signálu má velikost 200 MHz. spolehlivě můžeme přenést tento signál uvedeným vláknem na vzdálenost: plášť (cladding)
plášť (cla dding)
400MHz = 2km. 200MHz
Parametry optických skleněných vláken (typické hodnoty): Jednovidová vlákna
• Průměr jádra (4 až10) µm; • Průměr pláště 125 µm (pro průměr jádra např. 8,8 µm je používáno označení 8,8/125 µm); • Průměr primární ochrany 250 µm; • Útlum 0,35 dB/km při 1310 nm a 0,23 dB/km při 1550 nm; • Šířka pásma větší než 1000 GHz.km; • Numerická apertura NA = 0,12 až 0,13; • Šíří pouze jeden paprsek – osový; • Používané vlnové délky: (350 až 1800) nm. Mnohavidová vlákna pro oblast komunikací: a) Mnohavidová vlákna se skokovou změnou indexu lomu: • Průměr jádra/pláště 50/125 µm nebo 62,5 µm, případně 100/140 µm; • Numerická apertura NA = 0,2 pro vlákno 50/125 µm, NA = 0,275 pro vlákno 62,5/125 µm; • Průměr primární ochrany 250 µm • Útlum 5 až 10 dB/km; • Šířka pásma 50 až 500 MHz.km;
-8-
Elektrotechnologie b) Mnohavidová vlákna s gradiendní změnou indexu lomu • Numerická apertura NA = 0,2 • NA = 0,2 (50/125 µm) a NA = 0,275 (62,5/125 µm); • Útlum 0,8 až 5 dB/km; • Index lomu jádra n1 je větší než index lomu pláště n1 > n2; • Trajektorie paprsků: zakřivení odpovídá průběhu funkce sinus, což umožňuje dosažení větší šířky pásma . Poznámka: Mnohavidová vlákna jsou vyráběna i s většími průměry jader, např. 200 µm, 400 µ. Jejich výhodou je nižší cena, menší náročnost na zdroje světla, na spojování atd. Jsou používána pro přenos informací na kratší vzdálenosti, na výrobu senzorů apod.
Výhody jednovidových vláken oproti mnohavidovým • menší útlum umožňuje, aby na kumunikačním vedení nebylo třeba zřizovat velké množství zesilovacích stanic, tím je umožněn • přenos na delší vzdálenosti; • menší disperze; • větší šířka přenosového pásma znamená velkou informační kapacitu, která umožňuje přenos velkého množství dat velkou rychlostí.
Výhody mnohavidových vláken oproti jednovidovým • • • •
větší hodnota NA => snadnější navazování světla do vlákna možnost budit pomocí LED; snadnější spojování vláken; relativně nízká cena.
Značení optických vláken Označování optických vláken je prováděno pomocí rozměrů jádra a pláště. Např. označení 8,8125 označuje vlákno s jádrem o průměru 8,8m a s průměrem pláště 125 µm.
Výroba optického skleněného vlákna Vláknové světlovody jsou většinou vyráběny z velmi čistých skel s vysokým obsahem SiO2 ne ze speciálních několikasložkových skel. • vytvoření preformy - tyčinka z SiO2 s příměsemi – např. 1 m dlouhá a např. 15 mm v průměru • tažení z preformy - zahřívání plamenem; • zpětná kontrola; • opatřování ochrannými vrstvami; • navíjení na bubny. • Pro výrobu světlovodných vláken s velmi nízkým útlumem jsou využívány metody založené na chemickém vylučování velmi čistého SiO2 z par, jejichž základem je obvykle SiCl4, v oxidační atmosféře.
4.2.3 Hlavní typy vyráběných optických vláken a) Jednovidová vlákna Standardní jednovidová vlákna jsou určena pro aplikace v telekomunikacích, kde je uskutečňováno spojení na velké vzdálenosti. Jádro i plášť jsou z materiálu vyrobeného na bázi SiO2 dotovaného vhodnými příměsemi. Jsou vyráběna vlákna s dvouvrstvým pláštěm. Jádro je dotováno např.germaniem, vnitřní část pláště fluorem. Vnitřní část pláště má menší index lomu než vnější. Toto uspořádání poněkud vylepšuje optické vlastnosti vlákna a zmenšuje chromatickou disperzi.
-9-
Optoelektronika b) Mnohavidová skleněná vlákna Standardní mnohavidová vlákna jsou vyráběna s jádry o průměru 50 µm a 62,5 µm, 100 µm. Tato vlákna umožňují snadnější spojování oproti jednovidovým, jsou určena především pro přenos dat. Jsou vyráběna jak se skokovou změnou indexu lomu, tak s postupnou změnou indexu lomu. Mnohavidová vlákna se zesílenou vrstvou ochrany mají stejné uspořádání jako standardní mnohavidová vlákna, ale mají dvojnásobnou tloušťku standardních ochran (např. 500 µm místo 245 µm). Jsou určena pro vojenské aplikace, pro použití v kosmu, v průmyslových prostředích, v mobilních zařízeních apod. Vazební vlákna jsou dodávána se standardním a zmenšeným průřezem pláště (např. 125µm a 80 µm). Vlákna se standardním průřezem jsou určena pro použití v multisměrových vidlicích, kde je prováděno rozdělení nebo kombinování, případně odbočování optických signálů.
Redukovaný průměr 80 µm je určen pro aplikace v nových zařízeních vyznačujících se malými rozměry, která jsou používána v obchodních sítích velkých měst, nebo pro výrobu senzorů jako např. gyroskopů. Mnohavidová skleněná vlákna s většími průměry jader Velká oblast aplikací vyžaduje skleněná nebo plastová vlákna větších průměrů pohybujících se od 200 µm do 1000 µm. Hlavní oblastí použití těchto vláken jsou datové optické sítě na krátké vzdálenosti, senzory a medicína. Výraznými skupinami vyráběných vláken jsou vlákna s označením HCS (Hard Clad Silica), HPCS (Hard Plastic Clad Silica).
c) Optická vlákna HCS (Hard Clad Silica)
Útlum α R [dB/km]
HCS je registrovaná zkratka pro výraz Hard Clad Silica používaný ve vláknové optice. Jsou to optická vlákna s jádrem z čistého skla, plášť je vytvořen rovněž ze skla, ale dotovaného příměsemi. Plášť je pokryt ochranou z tvrdého polymeru, který má velkou pevnost v tahu. Hlavní vlastnosti: • HCS vlákna jsou vyráběna s průměry jader v rozsahu přibližně od 200 µm do 1000 µm; • používána jsou pro rozsahy vlnových délek od UV přes viditelné pásmo do infračervené oblasti (podle rozsahu vlnových délek jsou vlákna pro oblasti vlnových délek UV a VIS a pro oblasti VIS a IR – UV – ultrafialové záření, VIS –oblast viditelného záření, IR oblast infračerveného záření); • konstrukce zaručuje, že se u nich prakticky neprojevuje únava materiálu; • mají velkou pevnost; 10 9 8 7 6 5 620
640
660
680
700
Vlnová délka λ [nm]
Obr.č.1.2.13 Přiklad útlumu vlákna HCS
Použití: • laserová chirurgie; • konstrukce senzorů; • spektroskopie; • analýza záření; • osvětlování • laserové svařování a řezání.
Typické vlastnosti: • numerická apertura např. 0,22, 0,37; • útlum na vlnové délce 820 nm až 850 nm (6 až 10) dB/km • materiál ochrany tefzel, kevlar; • rozsah provozních teplot: -65°C až +125°C; • krátkodobý průměr ohybu: podle průměru jádra od 10 mm u jádra s průměrem 200 µm do 75 mm u jádra s průměrem 940 µm; • dlouhodobý průměr ohybu: podle průměru jádra od 14 mm do 120 mm.
- 10 -
Elektrotechnologie
d) Optická vlákna HPCS (Hard Plastic Clad Silica) Jádro SiO 2
Plášť
těžký polymer
Tefzel
mechanicky tuhý chemicky a teplotně odolný termoplast
Útlum α R [dB/km]
Obr.č.1.2.13 Uspořádání vlákna HPCS
Tato vlákna jsou cenově výhodnější variantou vláken HCS. Plášť mají vytvořen z tvrdého polymeru. Útlum mají větší než vlákna HCS. • vyráběné průměry jader mají velikosti od 125/140 µm do přibližně 2000/2150 µm • mají menší únavovou odolnost materiálu; • velkou numerickou aperturu (0,37 až 0,48), což umožňuje jejich snadnější spojování s dalšími optickými prvky; • minimální krátkodobý ohyb: 100 krát poloměr vlákna; • minimální dlouhodobý ohyb 600 krát poloměr vlákna;
104
• mohou být opatřena ochranným povlakem např. z nerezové oceli;
3
10
2
10
Použití: • medicína:
10 1
400 600
800 1000 1200 1400 1600
Vlnová délka λ [nm] Obr.č.1.2.14 Příklad útlumu vlákna HPCS
- chirurgické lasery; - urologie; - dermatologie; - fotodynamická terapie, atd.
• průmysl, věda: - spektroskopie; - dálkové osvětlování; - senzory, atd.
Plastová optická vlákna (POF- Plastic Optical Fiber) Útlum α R [dB/km]
500 400 300 200 100 620
640
660
680
700
Vlnová délka λ [nm]
Obr.č.1.2.15 Typická útlumová charakteristika POF
Plastická optická vlákna mají největší útlum, ale jsou nejlevnějšími optickými vlákny. Mají jádro i plášť z plastické hmoty. Obecně to je hmota označovaná PMMA (polymetylmetakrylát). První plastové kabely byly vyrobeny v Japonsku pro potřeby automobilového průmyslu. Využívání tohoto typu optických vláken má dva důvody: a) vyšší útlum než jaký vykazuje sklo není překážkou při použití krátkých délek používaných v místních sítích; b) nízká cena je důležitým faktorem při umístění výrobků na trhu. U plastových kabelů se může projevit problém s hořlavostí. Proto je nutné věnovat pozornost jeho umístění.
Typické vlastnosti: • typické rozměry: 480/500, 735/750, 980/1000; • průměr včetně ochrany: 2,2 mm • numerická apertura: NA = 0,47; • útlum: standardní vlákno typicky 0,22 dB/m vlákno se zmenšeným útlumem - typicky 0,19 dB/m; • rozsah provozních teplot: -40°C až +85°C; • rozsah teplot pro instalaci: -20°C až +70°C; • poloměr krátkodobého ohybu: 25 mm; • poloměr dlouhodobého ohybu 35 mm. Typický průběh útlumové charakteristiky plastového optického vlákna je znázorněn na obr.č.1.2.15. Použití: • datová vedení automatizačních a řídicích systémů v průmyslových podnicích; • spínací systémy v telekomunikacích; • spojení PC s periferiemi;
- 11 -
Optoelektronika • • • • Útlum α R [dB/km]
sítě LAN; digitalizované video; zařízení pro medicínu; galvanické oddělení zařízení, atp. 2500 2000
Optická vlákna pro oblast MIR (Mid Infrared)
1500
Pro spektrální oblast od (4 do 18) µm bylo vyvinuto speciální polykrystalické infračervené vlákno (PIR, spektrální charakteristika je 500 znázorněna na obr.č.1.2.16). Tato vlákna jsou schopna pracovat 4 8 10 12 14 16 18 v teplotním rozmezí od –200°C do +250°C. Vlnová délka λ [ µ m] Kabely s těmito vlákny jsou vyráběny o délkách do 20 m. Obr.č.1.2.16 Typická útlumová Parametry vlákna: charakteristika PIR • průměr: 450/500, 630/700, 900/1000 µm; • útlum na vlnové délce 10,6 µm - 0,1 až 0,5 dB/m; • numerická apertura NA = 0,25; • minimální poloměr ohybu: 10 x průměr vlákna. Aplikace: • přenosové medium pro lasery CO a CO2; • infračervené zobrazovací systémy; • dálková nekontaktní pyrometrie v rozsahu 100 až 600 K; • vláknové optické sondy pro infračervené spektroskopy. 1000
4.2.4 Optický kabel Optická vlákna jsou velmi citlivá na mechanické namáhání a ohyby. Jejich ochranu proto musí zabezpečovat svým konstrukčním řešením optický kabel, který kromě jednoho nebo více optických vláken obvykle obsahuje i vhodnou výplň, zajišťující potřebnou mechanickou odolnost. Vlastnosti optických kabelů: • v kabelu jsou vlákna chráněna proti otěru a jiným druhům mechanického poškození; • kabel chrání vlákna proti vlhkosti; • kabel chrání vlákna před mikroohyby; Optické kabely jsou vyráběny v nepřeberném množství kombinací vláken a ochran a je velmi důležité vybrat kabel vhodný právě do daného prostředí a pro danou aplikaci. Podle konstrukčního uspořádání můžeme kabely rozdělit na: • kabely jedno- a vícevláknové; • kabely s volnou a pevnou ochranou vlákna; • kabely se středním nebo vnějším silovým prvkem; • kabely s kruhovou nebo páskovou geometrií. Optické vlákno je v kabelu chráněno proti mechanickému poškození. Jako součást výrobního procesu je na vlákno nanesena primární ochrana. Kromě primární ochrany mohou být optická vlákna chráněna i sekundární ochranou. Tato sekundární ochrana (buffer coating) má zamezit vzniku mikroohybů způsobených tlaky při výrobě kabelů. Je vytvořena buďto: • pokrytím ochrannou vrstvou – těsná sekundární vlákno ochrana; • nebo může být vlákno volně uloženo do ochranné trubky – volné uložení v pevné bužírce. • variantou volného uložení je uložení v dutině Volná Plněná Těsná ochranné trubky naplněné speciální směsí olejů, sekundární ochrana silikonovou směsí nebo jinou vláčnou hmotou. Obr.č.1.2.17 Typy sekundárních ochran vlákna
- 12 -
Elektrotechnologie Těsná sekundární ochrana poskytuje ochranu proti ztrátám mikroohyby, ale k mikroohybům může dojít při její výrobě (průměr zpravidla 0,25 mm až 1 mm). Volná sekundární ochrana vytváří dutinu, do které je uloženo vlákno, je malá pravděpodobnost vzniku mikroohybů (průměr zpravidla 1 mm až 2 mm). Vyplněná sekundární ochrana je variantou volné sekundární ochrany. Ihned po vložení vlákna do dutiny je dutina naplněna speciálním plnidlem, které je odolné proti vlhkosti.
4.2.4.1 Jednovláknové kabely Jsou používány většinou ke speciálním účelům nebo pro přenos na krátké vzdálenosti, kdy může být kabel pro zvýšení přenosové Jádro Ochrana Zpevňovací Plášť kapacity snadno vyměněn. kabelu vlákna Plášť Typické uspořádání jednovláknového kabelu je znázorněno na Obr.č.1.2.17 Typické obr.č.1.2.17. Kolem vlákna uspořádaného podle výše uvedeného uspořádání jednovláknového popisu je vytvořen obal ze zpevňovacích vláken. kabelu Povrch kabelu je tvořen pláštěm, který může být vyroben z různých materiálů, jako např. z PVC, tefzelu kombinovaného s kevlarem, může být jednoduchý nebo dvojitý, chráněn kovovým povlakem atd. Jedovláknové kabely jsou nazývány také kabely simplex. Jsou vyráběny z různých typů vláken a o různých délkách v závislosti na aplikaci a požadavcích zákazníka.
4.2.4.2 Vícevláknové kabely Vícevláknové kabely jsou zpravidla používány pro dálkové telekomunikace. Sotrtiment vyráběných kabelů z hlediska způsobu a účelu použití je velmi široký. Aby byla využita poměrně dlouhá životnost optických kabelů, je výhodné budovat novou optickou trasu s ohledem na možné budoucí změny a možnosti rozšíření.
Hlavní vlastnosti optických kabelů pro komunikace: • Obsahují až 144 optická vlákna; • Nejčastější počty vláken jsou: 6, 8,12, 16, 24, 36, 48, 64, 96, 120, 144; • Nutná ochrana proti vlhkosti - gely • Ochrana proti mechanickému poškození - tuhá ochrana, pokládka do ochranných trubek, ochrana kevlarem - proti brokům (kevlar je obchodní název umělé hmoty, která má velkou mechanickou odolnost, používána je např. také k výrobě ochranných vest policie);Výrobní délky nejčastěji 2, 4 nebo 6 km • Spojování v kabelových spojkách - nutná ochrana proti vlhkosti a dalším vlivům • V každé kabelové spojce je nutné spojit všechna vlákna - nejčastěji svařením pomocí svářečky optických vláken • Další možností je spojovat vlákna pomocí konetorů.
4.2.4.3 Kabel s kruhovou a páskovou geometrií Kabel s kruhovou geometrií plášť kabelu simplex kabel ocel s potahem
Obr.č.1.2.18 Princip kruhového kabelu
Princip kabelu s více vlákny je znázorněn na obr.č.1.2.18. Tento kabel obsahuje určitý počet jednoduchých kabelů (označení simplex). Střed kabelu je tvořen ocelovým drátem potaženým izolačním materiálem Ocelový drát slouží k ochraně kabelu při jeho napínání. Obr.č.1.2.19 znázorňuje příklad uspořádání kabelu s větším množstvím vláken.
- 13 -
Optoelektronika Tento kabel obsahuje trubky, v každé z nich je maximálně 12 vláken. Mezi vnějším pláštěm a vnitřkem kabelu je vyztužení pomocí kevlaru. Vnější plášť může být podle toho, zda je kabel určen pro vnější nebo vnitřní prostředí je vyráběn z PVC nebo z materiálu typu LSZH, případně HDPE. PVC – polyvinylchlorid je používán pro vnitřní instalace. Jeho nevýhodou je toxicita, při hoření vytváří jedovaté plyny. LSZH (Low-Smoke Zero-Halogen) značí, že se jedná o kabel pro vnější a vnější plášť vnitřní použití odolný proti požáru a centrální člen vnějšímu záření, při požáru netvoří trubka s 12 vlákny jedovaté plyny. Přednostně jsou výplň nebo používány do uzavřených prostor, bez výplně jako jsou tunely, nemocnice, místnosti výztuž , např. vlákna kevlaru s výpočetní technikou atd. Nahrazují PVC. Obr.č.1.2.19 Princip kruhového kabelu s více vlákny HDPE (High Density Polyethylene) – polyetylén vysoké hustoty je používán v různých technických disciplinách včetně automobilového průmyslu. Má velmi dobré mechanické vlastnosti Způsobů uspořádání kabelů s kruhovou geometrií je celá řada. Do drsnějších prostředí vyžadujících vyšší odolnost kabelů jsou vyráběny kabely které mají dvojitý vnější plášťvyrobeny z materiálu LSZH nebo HDPE. Vnitřní a vnější část tohoto pláště je oddělena navinutou ocelovou páskou, která rovněž chrání kabel proti hlodavcům.
Kabel s páskovou geometrií Princip možného uspořádání páskového kabelu je naznačen na obr.č.1.2.20. U páskového kabelu je snadné určit vybrané vlákno. Z toho důvodu je snadnější spojování kabelů. Je možné také využít spojovací techniku, která pracuje s celou vrstvou pásového kabelu namísto spojování jednotlivých vláken. Porovnání některých vlastností páskového a kruhového kabelu je uvedeno v následující tabulce.
Obr.č.1.2.20 Princip páskového kabelu
Typ kabelu
kruhový
páskový
Využití prostoru
nízké
vysoké
Pravděpodobnost vzniku mikroohybu při výrobě
malá
velká
Snadnost manipulace a identifikace vláken
složitá
snadná
Snadnost oprav spojení
špatná
dobrá
Obtížnost výroby
malá
velká
Plášť z PVC nebo LSZH Vyztužení Sekundární ochrana
Obr.č.1.2.21 Princip kabelu duplex Plášť z PVC nebo LSZH
Obr.č.1.2.22 Princip kabelu heavy duplex
- 14 -
Kabel „duplex“ Kabel duplex umožňuje realizaci obousměrného spojení. Je vyráběn jak s jednovidovými tak s mnohavidovými vlákny (50/125 µm a 62,5 µm). Jeho uspřádání je zřejmé z obr.č.1.2.21. Pro náročnější prostředí je určen zodolněný kabel duplex označovaný jako „heavy duplex“. Jeho uspořádání je znázorněno na obr.č.1.2.22.
Jak je z obrázku zřejmé, má na sobě tento typ kabelu jeden plášť z PVC nebo LSZH navíc. Tím je zajištěna větší odolnost kabelu proti vlivům prostředí.
Elektrotechnologie
4.3 Optické spojovací a vazební prvky Důležitou součástí optoelektronických systémů jsou spojovací a vazební prvky, které zprostředkovávají jednak vzájemné propojení světlovodných vláken a dále jejich připojení k různým součástem optického spoje. Spojovací prvky musí zajistit dokonale radiální i axiální přesnost a minimální vzdálenost mezi spojovanými částmi optických vláken. Prováděné spoje mohou být - trvalé; - rozebíratelné – konektory. Trvalé spojky jsou dvou typů: přímé a nepřímé. Přímé spojky mohou být provedeny: • lepením vláken organickou pryskyřicí; • svářením vláken mikrohořákem; • svářením vláken elektrickým obloukem; • svářením vláken laserem. Nepřímé spojky jsou založeny na několika principech. Nejjednodušší spočívá v tom, že se upravené konce vláken vloží do skleněné objímky (trubky), ve které se slepí epoxidovým lepidlem.
Konektory umožňují opakovatelné spojení. hlavní částí konektoru, která určuje jeho kvalitu i cenu, je vlastní kontaktní člen – kolík a zdířka. Jedna z konstrukcí využívá tzv. techniku rozšířeného paprsku, která spočívá ve využití kuželovité spojky nebo čočky, která přemění paprsky vystupující z vlákna v rovnoběžný svazek většího průřezu. Při navázání do vlákna naopak přicházející rovnoběžný svazek soustředí do vlákna. To umožňuje zvětšit příčné i podélné tolerance pro vzájemnou polohu konců vláken.
4.4 Zdroje optického záření /nosné vlny/: Ideální optický zdroj by měl generovat monochromatické optické záření s konstantním a dostatečně velkým výstupním výkonem. Vlnové délky musí ležet v oblasti nízkého útlumu použitého optického vlákna. Normovaná spektrální charakteristika znázorňuje závislost 1 1 relativní intenzity záření zdroje světla na vlnové délce. Příklad ideální s reálné spektrální charakteristiky je znázorněn na obr.č. 0,5
Jako zdroje světla mohou být použity:
∆λ =0 λ0 ∆λ Ideální Reálná spektrální charakteristika λ0
Obr.č.1.3.1 Příklad normované ideální a reálné spektrální charakteristiky
• různé typy laserů; • diody LED • laserové diody – LD. Ideální spektrální charakteristiku splňují nejlépe lasery, nejhůře diody LED.
Reálné zdroje generují poměrně široké spektrum vlnových délek, tzn. že nejsou monochromatické. Důležitým parametrem zdroje je šířka spektrální čáry ∆λ, která je určována v polovině spektrální charakteristiky. Porovnávací tabulka relativní šířky spektra diod LED a LD: Zdroj záření
λ0
∆λ
∆λ⁄λ0
LED
1 µm
30 nm
3.10-2
LD
1 µm
1 nm
10-3
Velká šířka pásma emitovaného optického záření může zásadním způsobem omezovat přenosovou kapacitu systému. Pro některé aplikace je vhodným zdrojem optického záření laser. Výhody laseru: • generuje monochromatické záření;
- 15 -
Optoelektronika • záření laseru je koherentní, to znamená, že u něho je zachovávána fáze a směr, jinak řečeno, fotony se pohybují jedním směrem a jsou v průřezu velmi rovnoměrně rozmístěny; Princip činnosti laseru je obdobný jako princip činnosti svítivých diod. Dodáním vnější energie dojde k přechodu elektronů na dráhu s větší energetickou hladinou. Elektrony tam dlouhou dobu nevydrží a při návratu na nižší hladinu vyzáří přebytečnou energii ve formě fotonů. Podle aktivního prostředí rozlišujeme tři základní typy laserů: plynové, pevnolátkové a polovodičové = laserové diody. U plynových laserů vzniká paprsek v plynném prostředí, kterým je nejčastěji argon, helium nebo neon. K emisi světla dochází po přivedení dostatečně vysokého napětí na elektrody, které jsou umístěny uvnitř trubice s plynem. Plynové lasery pro průmyslové využití mohou dosahovat i velmi vysokých výkonů, jejich nevýhodou je nutnost složitého chlazení i relativní nákladnost Druhou skupinu laserů tvoří pevnolátkové lasery. Zde je aktivním prostředím pečlivě vypěstovaný homogenní krystal s příměsí cizorodé látky. Světelná emise vzniká vystavením krystalu silnému stálému externímu světelnému výboji. Nejčastěji používaným typem pevnolátkového laseru je Nd:YAG Poslední a nejnovější skupinou laserů jsou polovodičové lasery, obecně známé jako laserové diody. Zde vzniká světelná emise v tenké přechodové vrstvě na hranici mezi polovodiči typu P a N. Atomy v přechodové vrstvě jsou schopny absorbovat energii z elektrického proudu procházejícího diodou a přecházet tak do vyšších energetických hladin. Při sestupu na své původní hladiny nadbytečnou energii vyzáří, obecně v podobě tepla a světla. Použitelnost a kvalita laserové diody závisí na správném výběru materiálů obou polovodičů a na udržení přesné tloušťky přechodové vrstvy. Pro použití ve vláknové optice mají LD tyto výhody: • jsou malé; • mají vysokou radiancí – malou plochou emitují velké množství světla; • oblast vyzařování světla je malá v porovnání s rozměry optického vlákna; • mají velmi dlouhou životnost a vysokou spolehlivost; • jsou velmi rychlé ⇒ modulační kmitočty mohou být vysoké. Jak již bylo uvedeno, pro některé aplikace je z cenových důvodů výhodné použít diody LED. Následující tabulka uvádí přehled materiálů používaných pro LED různých barev: Materiál
Vzorec
Rozdíl energií drah
Vlnová délka
galium fosfid arsenid hliníku galium arsenid fosfid india arsenid hliníku a galia indium-galium-arsenidfosfid
GaP AlAs GaAs InP AlGaAs InGaAsP
2,24 eV 2,09 eV 1,42 eV 1,33 eV 1,42 až 1,61 eV 0,74 až 1,13 eV
550 nm 590 nm 870 nm 930 nm 770 až 870 nm 1100 až 1670 nm
Laserové diody pro kratší vlnové délky jsou obvykle vyrobeny na bázi GaAlAs, lasarové dlouhovlnné diody na bázi InGaAsP. Jsou vyráběny dva typy laserových diod: • Laserová dioda struktury Fabry – Perot (FP) je ekonomičtější, vykazuje větší šumy, je pomalejší. Zdokonalenou verzí této struktury je MQW (multi-quantum-well), která vykazuje podstatné zlepšení všech vlastností struktury FP. Vykazuje menší prahové proudy, vyšší účinnost, nižší šumy, lepší linearitu a podstatně lepší teplotní stabilitu; • laserová dioda struktury DBF (distributed feedback) dosahuje vysoký poměr signál/šum, má užší spektrum vlnových délek, je rychlejší.
- 16 -
Elektrotechnologie Porovnání hlavních vlastností diod LED a LD je uvedeno v následující tabulce: Parametr
LED
LD
Výstupní výkon
Úměrný protékajícímu proudu nad přibližně lineárně úměrný prahovou hodnotou proudu, protékajícímu proudu zpočátku velmi malý Proud Max 50 až 100 mA Prahový proud 5 až 40 mA Předávaný výkon do vlákna střední velký Rychlost menší větší Šířka pásma střední velká Používané vlnové délky pro přenos 0,78 až 1,65 µm 0,66 až 1,65 µm dat Spektrální šířka široká užší Typ připojovaného vlákna multividové jedno- i multividové Snadnost použití snadnější obtížnější Životnost vyšší nižší než LED Cena nízká vysoká
4.5 Závěr V oblasti optických komponentů ještě zdaleka nebyly vyčerpány jejich možnosti. U zdrojů IČ záření se dnes standardně dosahuje modulačních rychlostí řádu desítek Gb/s resp. GHz. Byly vyvinuty nové typy využívající kvantově mechanické jevy (Multiple-Quantum-Well, MQW), které mohou být modulovány rychlostí až do 40 Gb/s. Velké úsilí je věnováno vývoji rychle přeladitelných polovodičových laserů a jejich synchronizaci. Předmětem základního výzkumu jsou též zdroje IČ záření pro vlnová pásma nad 2000 nm, kde světlovody mohou vykazovat útlum o 1 až 2 řády nižší než dnešní křemenné světlovody, které jsou transparentní jen asi do 1600 nm. Podobná situace je u fotodetektorů, jejichž mezní rychlost se odhaduje na 100 GHz. Také pro fotodetektory se hledají nové materiály citlivé pro vlnové délky nad 2000 nm. V oblasti světlovodů se hlavní inovace týkají formování jejich disperzní charakteristiky v závislosti na vlnové délce a zachování polarizace přenášeného optického signálu požadované v koherentních spojích a v některých druzích senzorů.
- 17 -
