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 Kodér Zdroj digitální informace
Obvody Obvody buzení buzení laseru laseru
opt.vlákno
zesilovač zesilovač aa ekvalizér ekvalizér
dekodér 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 Vnější ochrana Jistící prvky indexem lomu n 2 . V tomto případě plášť tvoří rozhraní mezi okolím a vlnovodným Jádro jádrem a fyzicky jej drží. Plášť Primární ochrana
Optické vlákno n1
n2 < n1 n2
Plášť
Jádro Index lomu: podíl rychlosti šíření světla ve vakuu (~ 3x108 m/s) k rychlosti světla v daném materiálu
Šíření světla vláknem n1
n2 < n1 n2
Plášť výstup světla vstup světla
Jádro
Snellův zákon lomu paprsek lomený
φ2
vzduch sklo
φ 1
paprsek dopadající
n1 sin φ 1 = n2 sin φ 2
n2 < n1
φ 1
paprsek s částečným vnitřním odrazem
nebo
sin φ 1 n = sin φ 2
n2 n1
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
plášť
vstup-A jádro
meridionální paprsek
ČVUT – FEL, Katedra telekomunikací
Maximální úhel navázaní plášť
θ vstup-B
jádro
Maximální úhel navázaní
plášť plášť
θ vstup-C
Maximální úhel navázaní časem ztracený radiací
plášť
jádro
θ vstup -D
Maximální úhel navázání vstup-C
časem ztracený radiací
plášť kužel navázání světla konický půlúhel
θa vstup-D
jádro
Numerická apertura vyjadřuje míru schopnosti vlákna ze svého okolí navázat do svého jádra optický svazek. Je definována jako:
plášť
NA = n00 sin θaa kde, n0= index lomu materiálu, z kterého se navazuje světlo do vlákna (ze vzduchu, n 0 = 1) θa = maximální úhel navázání
jádro
n1
θa n0 n2
Numerická apertura NA = no sin θa = (n122 - n22 )1/2 n1 jádro 1.5 1.5 1.5 1.5
n2 plášť 1.49 1.45 1.35 1.25
θa
NA
maximální úhel
numerická apertura
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 vlnová délka (µm)
2.0
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 E2
konečný stav Absorbce
Eg = E2 - E1 = hf = hc/ λ
E2
E1
E1
E2
E2
E1 E2 E1
Spontánní emise
E1 E2
Stimulovaná emise E1
Podmínka rezonance L q = qmax q = qmax-1 q = qmax-2
M1
podmínka rezonance: L = λq ( q = celé číslo ) 2n
M2
FABRY-PEROTův rezonátor L t0
čas t1 t2 t3
délka dutiny musí být celočíselným násobkem poloviny vlnové délky uvažované v materiálu dutiny
( R = 1 ) M1
ve fázi
M2 ( R = 0.99 )
