Lézerek, üvegszálak, nemlineáris optikai eszközök

Lézerek, üvegszálak, nemlineáris optikai eszközök Róth Csaba Anyagtudomány MSc

2016.03.30.

Témakörök I. II. III. IV.

Lézer, és az optikai adatátvitel rövid története Lézerek és lézeres adatátvitel Nemlineáris optikai eszközök Optikai szálak

I. Lézer, és az optikai adatátvitel rövid története • Már az ókori görögök fémlemezek segítségével használták a fény visszaverődését üzenetek küldésére nagy távolságokra • 1790-es években Claude Chappe francia mérnök feltalálta az „optikai telegráfot”, amely egy sor tornyokon elhelyezett szemaforból állt, ahol emberek közvetítettek üzeneteket egyik toronyból a másikba • A XIX. század végén Alexander Graham Bell feltalálta a Fotofont, amely fény segítségével igyekezett továbbítani az emberi hangot • 1917 – Albert Einstein: indukált emisszió elméleti predikciója

• 1950 – Arthur Schawlow és Charles Townes: az emittált fotonok a látható tartományba eshetnek

I. Lézer, és az optikai adatátvitel rövid története • 1960 – Theodore Maiman: első lézer (rubin lézer) • A '60-as évek közepén a NASA kísérletekbe kezdett, hogy a lézert, mint kommunikációs eszközt használják a Goddard Space Flight Center és a Gemini-7 Föld körüli pályán keringő űrhajó között. Bár kezdetben nem jártak sikerrel, az évtized vége felé hélium-neon lézerrel sikerült kapcsolatot teremteniük földi állomások és műholdak, illetve repülőgépek között • Az Egyesült Államok Haditengerészete kísérleteket végzett a lézereken, titkos összeköttetés kialakítására tengeralattjárókkal. • 1970 – Arthur Ashkin: lézercsipesz • 1971 – Gábor Dénes (Nobel-díj) – holográfia

I. Lézer, és az optikai adatátvitel rövid története • Az 1990-es évek elején kezdték kidolgozni a magánszektorban lévő használati lehetőséget. A cél az egyre növekvő sávszélesség iránti igény kielégítése, a hagyományos telekommunikációban nem elérhető megoldásokkal és hálózati lehetőségekkel. A kezdeti alkalmazások olyan vállalkozások voltak, melyek két épület helyi hálózatát kötötték össze. • 1997 - S. Chu, W.D. Phillips és C. Cohen-Tanoudji (Nobel-díj): lézeres atomhűtés

I. Lézer, és az optikai adatátvitel rövid története • Az első lézeres adatátviteli kísérletre műholdak között 2001. november 21-én került sor. A kísérletben két európai hold vett részt: az ESA majdnem geostacionárius páyán lévő Artemis holdjának SILEX rendszere, illetve a CNES SPOT 4 távérzékelési holdja, amely 832 km magasságban kering a Föld körül. A kísérlet során SPOT 4 képeket juttattak mindenféle késedelem nélkül az Artemisen keresztül a toulouse-i képfeldolgozó központba. Az adattovábbítás 50 Mb/sec sebességgel, kiváló minőségben történt.

II. Lézerek Lézer • LASER: Light Amplification by Stimulated of Radiation

• A lézer monokromatikus fényt bocsát ki, kicsi a sávszélessége és a fotonok között nincs fázisugrás

Működésének egyszerűsített modellje: • Bármilyen atomi rendszer csak diszkrét, meghatározott energiaértékekkel rendelkezhet. A környezettel való kölcsönhatás során csak adott, diszkrét energiát tud a környezetéből gerjesztés hatására felvenni (abszorpció), illetve leadni (emisszió). Az elektromágneses energia becsatolása az atomi rendszerbe, illetve kivétele az elektronállapotok között történik.

II. Lézerek Működésének egyszerűsített modellje: • Minden gerjesztett atomi rendszer valamely átmeneti idő után visszatér eredeti állapotába, s az energiakülönbséget foton formájában kisugározza. Ez az átmenet megtörténhet magától (spontán) módon, vagy külső foton hatására (kényszerített sugárzás). Ez utóbbi esetben az emittált foton minden jellemzője (energia, polarizáció, frekvencia,stb…) megegyezik a kényszerítő foton ugyanilyen paraméterével. Így közel koherens fény állítható elő. Ezt a jelenséget stimulált emissziónak nevezzük. gerjesztés

emisszió

stimulált emisszió

II. Lézerek Működésének egyszerűsített modellje: • A lézerek, mint elektromágneses sugárzás forrásai, a diszkrét atomi nívók közötti átmenetek sajátosságait hasznosítják. A különböző alap- és gerjesztett állapotok közötti eloszlást a feketetest sugárzás törvényei adják meg. A legegyszerűbb, ún. kétnívós rendszer esetén a betöltöttség (N): 𝑁2 𝑁1

=𝑒

ℎ𝜈

−𝑘𝑇

, ahol

𝐸2 − 𝐸1 𝜈= ℎ 𝜈 a frekvencia, h a Planck-állandó, k a Boltzmann-állandó és T a hőmérséklet

II. Lézerek Működésének egyszerűsített modellje: • A lézerek működéséhez spontán teljesülnie kell az ún. populáció inverzió feltételnek (N2 > N1), ami kétnívós esetben nem, de 3 vagy többnívós esetben megvalósítható. • Például 4 nívós populáció esetén:

II. Lézerek Működésének egyszerűsített modellje: • A működés feltétele: 3-as gerjesztett állapot élettartama (ns) sokkal kisebb legyen, mint az ún. metastabil 2-es állapoté (~ μs). Ez két anyag keverékénél könnyen megvalósítható (pl. He–Ne). • A 0–3 átmenet során történik meg a gerjesztés (pumpálás). A gerjesztés történhet pl. nagyfrekvenciás pumpálással. • Az elektronok a 3. állapotból gyorsan a 2-es metastabil állapotba kerülnek, s kis részük az 1-es alapállapotba jut. • A metastabil állapot magas élettartama miatt bekövetkezhet a populáció inverzió (azaz N2 > N1), s spontán foton hatására (hν = E2 – E1) megtörténik a lézer átmenet.

II. Lézerek Működésének egyszerűsített modellje: • Normál esetekben egy fizikai rendszerben a gerjesztett állapotok fajlagos sűrűsége mindig kisebb, mint az alapállapoté, azonban bizonyos eljárásokkal ez megfordítható, és így létrehozható a lézerműködéshez szükséges populációinverzió állapot • A lézeraktív közeget rezonátorba helyezve, szelektáljuk a lehetséges módusokat, s biztosítjuk a többszöri átfutás lehetőségét a fotonok számára. A folyamatot úgy valósítjuk meg, hogy a lézeraktív közeget gerjesztett állapotba hozzuk és tükrök közé (rezonátor) helyezzük. A tükrök távolsága a hullámhossz egész számú többszöröse: 𝑐 ∆𝜈 = 2𝐿

II. Lézerek Működésének egyszerűsített modellje: • Rezonátor felépítése:

A baloldali tükör 100%-ban visszaveri a fénysugarakat, a jobb oldali tükör szintén visszaveri, de egy kis mértékben át is engedi a fényt. Itt történik a lézer jel kicsatolása. Külső energia bevitellel gerjesztett atomokat hozunk létre. A gerjesztés hatására bizonyos atomok fotonokat bocsátanak ki. A fotonok ütköznek a gerjesztett atomokhoz, és ennek következtében megtörténik a lézer átmenet. Az indukáló fotonnal azonos tulajdonságú, azonos hullámhosszú, irányú, és azonos fázisú, fotont bocsát ki. Ezt a fotont azonban a kisebb energia állapotban lévő atomok el is nyelhetik.

II. Lézerek Működésének egyszerűsített modellje: • Fabry-Perot interferométer • Tekintsünk két, egymástól d távolságban lévő, párhuzamos üveglemezt, melyre 𝜆 hullámhosszú, monokromatikus fénysugár esik be. Az üveglemezek belső felületei részben tükrözőek, így ha a 𝜃 beesési szög kicsi, a sugár sokszorosan reflektálódik az üveglemezek között. A jobb oldalon kilépő sugarakra az optikai úthossz különböző, azok a végtelenben, vagy egy gyűjtőlencse fókuszsíkjában interferálnak. • Ha az etalon két felületének távolságát változtatjuk, akkor más d értékeknél mérhető a különböző hullámhosszú nyalábok maximuma.

II. Lézerek Működésének egyszerűsített modellje: • Fabry-Perot interferométer • Gyakran használják többmódusú lézerekben, abból a célból, hogy csak egyetlen módus (hullámhossz) jusson ki a lézerből. Itt az etalonnak egyrészt azt a tulajdonságát használják ki, hogy a kívánt hullámhosszra hangolt etalon-távolság esetén, csak ez a hullámhossz lesz az interferencia során erősítés helyzetben az optikai tengelyen, az összes többire gyengítő interferencia következik be. Ilyenkor az etalon keskeny hullámhossz tartományú áteresztő szűrőként viselkedik.

II. Lézerek Működésének egyszerűsített modellje: • A lézer beindulásához arra van szükség, hogy a nagyobb energia állapotú atomok száma nagyobb legyen, mint a kisebb energia állapotúaké. Azt a hullámhossz tartományt ahol a fény kibocsátás mértéke nagyobb, mint a fény elnyelésé, a lézer erősítés sávjának nevezzük. A gerjesztés hatására a fotonok minden irányba haladnak. Azok, amelyek a tükrökre merőlegesen haladnak többször is áthaladnak a rezonátoron. Nagyobb a valószínűsége annak, hogy újabb gerjesztett atomokkal ütköznek, és újabb fotonokat bocsátanak ki. A rezonátorba egy lavina effektus alakulhat ki. Ha a rezonátorban a lézer fény előállítás legalább akkora, mint amennyit a jobb oldali tükör kicsatol a rezonátorból, akkor tartós lézer jel jön létre. A módusok frekvenciája a tükrök távolságának a függvénye.

II. Lézerek Működésének egyszerűsített modellje: • Az energia bevitel a rendszerbe optikai pumpálással, elektromos energia bevitellel történik. Ennek hatására az atomok gerjesztett állapotba kerülnek. Egy részük emisszióval fényt bocsát ki a másik részük a becsapódó foton hatására indukált emisszióval lézer jelet állít elő. A gerjesztett atomok lehetnek szilárd halmazállapotúak, folyadékok, gázok, és félvezetők. • A távközlésben fényjel előállítására a félvezető lézereket alkalmaznak, és elektromos gerjesztéssel hozzák létre a lézer effektust. • A stimulált emisszióra képes anyag erősítőként viselkedik és az erősítési tényezője hullámhosszfüggő. Az erősítési tényezőnek egy adott hullámhosszon maximuma van. A hullámhossz abszolút értéke és az erősítés nagysága a lézer működésre képes anyagától függ. Az erősítés nagysága fázisfüggő és a maximum értéknél a fázis nulla. • Ha a lézer szabályzáshoz fáziszárt hurkot hozunk létre, akkor ezzel a maximális lézer jel előállítást stabilizálhatjuk.

II. Lézerek Jellemzés:  Működési mód szerint:



CW – continuous wave: állandóan sugárzó lézerek. Ezek a lézerfényt folyamatosan állítják elő.



IPM – impulzus lézer, azaz a fényt rövidebb-hosszabb csomagokban (impulzusokban) bocsátja ki. Az egyes impulzusok időbeli hossza az 1 ms-tól a néhány attoszekundumig (10−18 s) terjed

 Hullámhossz szerint



Az ismert lézerek hullámhossza a 𝜆 = 10 nm − 500 μm tartományba esik (azaz 0.01 eV – 100 eV)

II. Lézerek Jellemzés:  Irányítottság szerint



A jó rezonátorok eredményeként a lézerfény párhuzamos nyalábban távozik a rendszerből



A gyakorlatban használt ~ 1 mrad − 1 μrad

lézereknél

a

szögeltérés

 Koherencia fok (a fázistartó képességre utal)  A koherencia idő (amíg a lézerfény fázisa kevesebbet 1 fordul, mint 180°): ∆𝜏 = , ahol ∆𝜈~1 MHz és ∆𝜏~1 μs ∆𝜈

 Koherencia hossz (ekkora távolságon belül hologram képes a lézer): ∆𝑍 = 𝑐∆𝜏 , gyakorlatban ∆𝑍~300 m

II. Lézerek Fogadó egység • Az optikai detektorok két típusát használják jellemzően a szabadtéri lézeres adatátvitel esetében: PIN és APD. • A PIN detektor jóval kevesebbe kerül és nincs belső egysége, míg az APD jóval összetettebb és ennek megfelelően drágább is. • Az APD technológia különböző szempontok szerint is előnyösebb, mint a PIN típusú eszközök, de a leggyakrabban mért összehasonlítási szempontja az, hogy kb. 4X érzékenyebb, mint a PIN detektor.

II. Lézerek Fogadó egység  PIN fotodióda A rétegdióda egyetlen p-n átmenettel rendelkező félvezető eszköz. Olyan kétpólus, ahol az egyik kivezetés (az anód) egy félvezető kristály p-típusúra adalékolt oldalához, a másik kivezetés (a katód) az n-típusú oldalhoz csatlakozik. Viselkedésének jellegzetességeit szerkezete adja meg, mivel olyan a felépítése, hogy a p és az n réteget egy széles és viszonylag nagy ellenállású szakasz választja el egymástól: a sajátvezetésű („intrinsic”) tartomány.

II. Lézerek Fogadó egység  APD fotodióda APD, lavina fotodióda minden detektált fotont mozgékony töltéshordozó párok sokszorosává alakít át. Ekkor gyenge fény is képes olyan áramot kelteni, amely elegendően nagy ahhoz, hogy az APD-t követő elektronika segítségével detektálható legyen. A készülék úgy van kialakítva, mint egy záróirányban erősen előfeszített fotodióda, amelyiknek átmeneti rétegében az elektromos tér nagy. A töltéshordozók ennélfogva elegendő energiára tehetnek szert ahhoz, hogy új töltéshordozókat gerjesszenek ütközési ionizációs folyamatok révén.

II. Optikai átvitel Optikai átviteli rendszer

• Folyamat: o Az átviteli rendszer bemenetére elektromos információ érkezik, amellyel moduláljuk a fényhullám valamilyen tulajdonságát. o Továbbítjuk az információt hordozó optikai jelet o A vevőben visszaalakítjuk elektromos információvá o Kimeneten megjelenik az elektromos jel • Gyakorlatilag mindig a fény intenzitását moduláljuk • Az átviteli közeg az optikai hullámvezető, melynek átviteli tulajdonságai megszabják az átvitel minőségét.

II. Optikai átvitel Optikai átviteli rendszer • Az összeköttetés legfontosabb elemei: o optikai adó (elektromos-optikai átalakítás) o optikai vevő (optikai-elektromos átalakítás) o fényvezető (az összeköttetést valósítja meg) • További eszközök: o optikai erősítő (optikai csillapítás kompenzálása) o optikai szűrő o hullámhossz konverter o passzív elemek (kapcsolók, kapcsoló-mátrix, polarizáció forgató, stb.)

II. Optikai átvitel Összeköttetés jellemzése • Jelcsillapítás szerint: az optikai csillapítás szempontjából fontos paraméter: o az adó kimeneti optikai teljesítménye o az összeköttetés csillapítása (szálcsillapítás, be- és kikapcsolás csillapítása és a csatlakozók vesztesége) o a vevő érzékenysége, melyet a fotonok sörétzaja és az elektromos erősítő termikus zaja határoz meg. (Nagy frekvenciákon a termikus zaj elhanyagolhatóan kicsi.)

II. Optikai átvitel Összeköttetés jellemzése • Átviteli sebesség szerint: az átviteli sebességet meghatározó paraméterek: o az adó sebessége, tehát a moduláló jel milyen sebességű változását tudja követni a kimeneti optikai jel intenzitása o az optikai szál diszperziója o a vevő sebessége • Az összeköttetés minőségét további paraméterek befolyásolják. Pl: nemlineáris hatások, parazita sugárzások (szóródás), hőmérsékletfüggés, nedvesség, páratartalom, stb.

II. Optikai átvitel Optikai adó • Optikai távközlő rendszerekben általában lézerdiódákat használunk a jel előállítására. Egyes alkalmazásokban, ahol a szükséges paraméterek megengedik, a LED is előfordul.  LED (Light Emitting Diode)  nem koherens fényt bocsát ki, nagy átmérőjű a kibocsátott fénysugár, ennek következtében nagy lesz a becsatolási veszteség  kis teljesítmény 100 μW  nagy vonalszélesség (50-100 nm)  olcsó A LED olcsó, sokmódusú szálaknál, kis távolságú összeköttetésekre (méteres nagyságrend) használható.

II. Optikai átvitel Optikai adó  LASER  nagyobb teljesítmény  keskeny emissziós spektrum  drágább  kis átmérőjű a kibocsátott fénysugár

II. Lézeres adatátvitel Hálózat felépítése • A szabadtéri lézer - optikai adat átviteli, wireless rendszerek láthatatlan, az emberi szemet nem veszélyeztető fénysugarakat továbbítanak az adótól a vevőig. • Leggyakrabban alacsony energiájú infravörös lézert használunk az adatátvitelhez, de a lehetőségek ennél sokkal szélesebb körűek. • A kereskedelemben kapható rendszerek a 100 Mbps - 2.5 Gbps tartományban kínálnak kapacitásokat, azonban a demonstrációs rendszerek adatai szerint akár 160 Gbps adatátviteli sebesség is elérhető, ha a szabad rálátás adott a forrás és a cél között, és elegendő az átviteli teljesítmény, ami a kiválasztott lézer fej erősségétől függ.

II. Lézeres adatátvitel Hálózat felépítése • A szabadtéri lézer - optikai adat átviteli, wireless rendszerek láthatatlan, az emberi szemet nem veszélyeztető fénysugarakat továbbítanak az adótól a vevőig. • Leggyakrabban alacsony energiájú infravörös lézert használunk az adatátvitelhez, de a lehetőségek ennél sokkal szélesebb körűek. • A kereskedelemben kapható rendszerek a 100 Mbps - 2.5 Gbps tartományban kínálnak kapacitásokat, azonban a demonstrációs rendszerek adatai szerint akár 160 Gbps adatátviteli sebesség is elérhető, ha a szabad rálátás adott a forrás és a cél között, és elegendő az átviteli teljesítmény, ami a kiválasztott lézer fej erősségétől függ.

II. Lézeres adatátvitel Hálózat felépítése • A rádiós és mikrohullámú rendszerekkel ellentétben a lézer adatátvitelnél nincs szükség frekvenciaengedélyre, vagy koordinációra más felhasználókkal, nem zavar más rendszereket, és soha nem lép fel interferencia. • Mivel a közvetlen pont-pont lézerjelet lényegében lehetetlen lehallgatni, ezért rendkívül biztonságos. • A szabadtéri optikai átviteli rendszerekben a száloptikai átvitelhez hasonló sebesség érhető el, tökéletes adatátvitel minőségben, miközben a rendkívül keskeny lézernyaláb lehetővé teszi, hogy gyakorlatilag ne legyen korlátja a különálló szabadtéri optikai átviteli kapcsolatok számának, amelyet egy adott helyszínen telepíteni lehet.

II. Lézeres adatátvitel Hálózat felépítése •

A szabadtéri optikai adat átviteli rendszerek nem alkalmasak egész Földet behálózó rendszer felépítéséhez, de kitűnő megoldást kínál az úgy nevezett „last-mile bottleneck” problémára. •

A városok közötti forgalmat a száloptikai gerinchálózatra tereljük, majd a mai rendszerek legnagyobb problémáját, a hálózati elosztó pontok fejletlensége miatti adatforgalmi torlódást vezeték nélküli hálózat segítségével lehet áthidalni, így az adatforgalmi gerinchálózatokra rendkívül nagy sebességel képes bekötni az intézményi hálózatokat.

II. Lézeres adatátvitel Előnyei • Nincs szükség frekvenciaengedélyre. Ez azt jelenti, hogy a lézeres adatátvitelt nem fog más adás zavarni. • A legtöbb szabadtéri optikai átviteli rendszer, ami jelenleg elérhető, a fizikai réteg szintjén dolgoznak, azaz rendkívül hasonló módon, mint a hagyományos optikai kábelek és érzékelők, ennek megfelelően az összes létező protokollal tökéletesen együtt tudnak dolgozni, mindenféle kompromisszum nélkül. • Másik nagy előnye az ára. Egy elemzés szerint, ha Bostonban kiépítenének egy ilyen rendszert, az épületenként körülbelül 20.000 dollárba kerülne átlagosan 55 méteres szakaszokkal, és a leghosszabb is mindössze 200 méter lenne. Ezzel szemben optikai kábellel ugyanez a hálózat 50.000200.000 dollár közötti összeg lenne épületenként. • A lézeres hálózati architektúrán nem szükséges változtatni, amikor újabb csomópontokat (épületeket) adnak hozzá.

II. Lézeres adatátvitel Előnyei • A lézeres adatátviteli rendszereket nehéz „lehallgatni”. Mivel a sugarak láthatatlanok, keskenyek és irányítottak, valamint egy egyedi vevőt igényelnek, meghackelésükhöz szükség lenne valakire, aki az ablakon kívül lebeg egy másik vevővel, ami közvetlen kapcsolatban áll az adóval, és rendelkezik azokkal az ismeretekkel, hogy hogyan tudja összegyűjteni a jeleket. Mindezeken túl hamar kiderül, ha valaki megpróbál beavatkozni, ugyanis megszakad a hálózati kapcsolat. • Látás védelem miatt „laser eye safety”, azaz szem biztos lézert használnak, ami annyit jelent, hogy ha valaki még egészen közel néz bele a lézerbe, akkor sem károsodik a szem. Azért itt ki kell hangsúlyozni, hogy tényleg nem ártalmas a szemre, ha valaki 10s alatti időtartamig folyamatosan belenéz a lézer linkbe, de ennél hosszabb ideig tartó nagyon kis távolságból való érintkezés nem hasznos. A távolság növekedésével ennek hatása természetesen már logaritmikusan csökken.

II. Lézeres adatátvitel Hátrányai • A csomópontoknak akadálytalan rálátással kell rendelkezniük. Ez azt jelenti, hogy az interferencia bármely típusa problémákat okozhat. • A zord időjárás a legnagyobb fenyegetés. Bár az eső és a hó torzíthatja a jelet, a köd a legveszélyesebb az átvitelre. A köd nagyon kicsi nedvességszemekből áll, amelyek olyan hatással vannak a lézerre, mint a prizma a fénysugárra: szétszórja és megtöri a jeleket. Az időjárási problémákra külön megoldás lehet, ha mikrohullámú biztonsági hálózatot alkalmaznak kiegészítésképpen a lézeres eszközök mellé. A mikrohullám jobban ellenáll a ködnek, de érzékenyebb az esőre.

II. Lézeres adatátvitel Hátrányai • Az interferencia más formában is jelentkezhet, például egy madár akadályozhatja a sugarat. A gyártók azt állítják, hogy megoldották ezt a problémát: ha valami blokkolja a lézert, akkor az automatikusan csökkenti a teljesítményét 1%-kal, és visszaáll teljes teljesítményre, amikor az akadályoztatás megszűnik. A gyártók szerint, egy madár átrepülése a sugáron csak néhány milliszekundumig tart, ami a csomag lassulását okozza, de nem vezet adatvesztéshez. • Az épületek általában mozognak és kilengnek. Kétségkívül a lézer csomópontoknak szuperérzékeny automata követő képességekkel kell rendelkezniük, hogy kiegyenlítse ezeket az elmozdulásokat. Az elemzők szerint a gyártók rendelkeznek ennek megoldásával, de mindenképpen érdemes megvizsgálni ezeket a tulajdonságokat és tesztelni szélben is.

II. Lézerek alkalmazása Optikai egér • Az optikai egérben nem a golyó forgásának hatására kezd el mozogni a kurzor a képernyőn, hanem itt az optika készít felvételeket az alatta lévő talajról. Az optika munkáját segíti az a (piros) LED, amely oldalról megvilágítja az alatta lévő felületet. • Az optika készít egy felvételt, majd kis idő múlva megismétli ezt a folyamatot, és a képek közötti különbségből következteti ki az elmozdulást. Ha a képek megegyeznek, akkor az egérkurzor nem mozdul el a képernyőn. • Minél több képet tud feldolgozni az egér képfeldolgozó processzora, annál pontosabb működést kapunk. Ez az egér „felbontása”, amelyet dpi-ben (dots per inch) adnak meg. • Mivel a területet megvilágító LED fényének színe piros, ezért általában ezeknek az egereknek gondot szokott okozni a piros felületen való „látás”. Problémásak még a nagyon sima felületek és az erősen tükröződő anyagok. Ezeken ugyanis nem tud az egér megfelelő támpontokat értékelni.

III. Nemlineáris optikai eszközök Nemlineáris optika: • A nemlineáris optika (NLO) az optika azon területe, ami a fény viselkedését írja le nemlineáris közegben, azaz olyan közegben, amiben a polarizáció nemlineárisan függ a fény intenzitásától. • Ez a nemlineárisság általában nagy fényintenzitás esetén figyelhető meg, tipikusan lézer impulzusoknál.

III. Nemlineáris optikai eszközök Nemlineáris optika alapjai: • Az anyagok elektromos és mágneses tulajdonságait az 𝐸 − 𝐷 és 𝐵 − 𝐻 vektorok közötti kapcsolatok írják le. Ezen kapcsolatok rendkívül változatos módon függnek az anyagi minőségtől. A legtöbb anyag csak akkor mutat elektromos és mágneses tulajdonságokat, ha azt külső mezőbe helyezzük. Kivételt képeznek ez alól a ferroelektromos és ferromágneses anyagok.

• Az anyagok nagy részénél a dipólusmomentum sűrűség nulla, mivel a 𝑝𝑛 atomi dipólusmomentumok minden irányba egyforma súllyal mutatnak, így 𝑝𝑛 = 0 . 𝑛

III. Nemlineáris optikai eszközök Nemlineáris optika alapjai: • Ha viszont az anyagot külső mezőbe helyezzük, a közeg dipólusait saját irányába igyekszik befordítani. Az így keletkező polarizáció az anyag belsejében izotróp esetben arányos az adott helyen fellépő elektromos térerősséggel: 𝑃 = 𝜀0 𝜒𝐸 ahol a 𝜒 az elektromos szuszceptibilitás. • Anizotróp esetben 𝜒 leírása egy 3x3-as tenzorral történik, így a polarizáció- és térerősségvektor kapcsolatát magasabb rendű közelítések esetén egy-egy alkalmasan választott tenzor írja le: 𝑃 = 𝜀0 𝜒 1 𝐸 + 𝜒 2 𝐸 2 + 𝜒 3 𝐸 3 + ⋯ 𝜒 1 a lineáris szuszceptibilitás tenzor, és 𝜒 2 , 𝜒 3 , stb. a másod-, harmad-, stb. rendű szuszceptibilitás tenzorok.

III. Nemlineáris optikai eszközök Nemlineáris optika alapjai: • Röviden összefoglalva: 𝑃 = 𝑃𝐿 + 𝑃𝑁𝐿 ahol 𝑃𝐿 a lineáris, 𝑃𝑁𝐿 a nemlineáris polarizációvektor. • Nagy térerősség esetén minden anyag tulajdonságokat mutat. • Nemlineáris közegben a hullámegyenlet: 𝑛2 𝜕 2 𝐸 1 𝜕 2 𝑃𝑁𝐿 𝜕 2 𝑃𝑁𝐿 ∆𝐸 − 2 2 = = 𝜇0 2 2 𝑐 𝜕𝑡 𝜀0 𝑐 𝜕𝑡 𝜕𝑡 2

nemlineáris

III. Nemlineáris optikai eszközök Nemlineáris optikai jelenségek:  Összegfrekvencia keltés  Különbségfrekvencia keltés  Optikai parametrikus erősítés  Optikai parametrikus generálás (OPG)

III. Nemlineáris optikai eszközök Nemlineáris optikai jelenségek:  Összegfrekvencia keltés • A közegbe 𝜔1 és 𝜔2 frekvenciájú fény lép és 𝜔3 = 𝜔1 + 𝜔2 frekvenciájú fény keletkezik (a) • Ennek egy speciális esete az 𝜔1 = 𝜔2 ; ilyenkor másodharmónikus keltésről, vagy frekvenciakétszerezésről beszélünk (b)

III. Nemlineáris optikai eszközök Nemlineáris optikai jelenségek:  Különbségfrekvencia keltés • A közegbe 𝜔1 és 𝜔3 frekvenciájú fény lép be, és egy 𝜔2 = 𝜔3 − 𝜔1 frekvenciájú fény is kilép a másik kettő mellett

III. Nemlineáris optikai eszközök Nemlineáris optikai jelenségek:  Optikai parametrikus erősítés • Amennyiben különbségfrekvencia keltésnél az 𝜔3 frekvenciakomponensű fény intenzitása számottevően nagyobb 𝜔1 frekvenciakomponensűnél, valamint 𝜔2 frekvenciakomponensű fény keletkezése mellett 𝜔1 intenzitása jelentősen nő, optikai parametrikus erősítésről beszélünk.

III. Nemlineáris optikai eszközök Nemlineáris optikai jelenségek:  Optikai parametrikus erősítés • Ezen elven működő berendezés az optikai parametrikus erősítő (OPA – optical parametric amplifier). • Ebben az esetben a legnagyobb intenzitású bemenő komponenst pumpálásnak (pump), az erősített komponenst jelnek (sign), a keletkezőt pedig idler-nek nevezzük. • Ezen jelenségen alapul például az optikai parametrikus oszcillátor (OPO) működési elve.

III. Nemlineáris optikai eszközök Nemlineáris optikai jelenségek:  Optikai parametrikus generálás (OPG) • Abban az esetben, ha a pumpálás elég nagy intenzitású, előfordulhat az az eset is, hogy a jel jelenléte nélkül is lezajlik egy, az előbb említett folyamathoz hasonló jelenség. • Ebben az esetben optikai parametrikus generálásról (OPG – optical parametric generator) beszélünk.

IV. Optikai szálak Rövid története: • Az üvegszál digitális távközlési vonalként történő alkalmazása 1966-ban merült fel. Akkoriban még a kilométerenkénti csillapítása több száz decibel volt, ami mára már az elfogadható 0,2dB/km alá csökkent. • 1994-ben egy egymódusú fényvezetővel már 160 Gb/s átviteli sebességet értek el. A 100 Mb/s-os egymódusú csatorna 10 km-es adó/vevő távolságot biztosított. • Ma már elterjedten félvezető (LED) lézereket alkalmaznak, azonban nagyteljesítményű gáz, szilárdtest lézerekkel 100 kmes távolságot is áthidaltak már egy adó-vevő párral (erősítés nélkül). • Az optikai távközélési csatorna beruházási költsége jelentősen csökkent az évek során.

IV. Optikai szálak Rövid története: • Bár maga a egymódusú optikai kábel olcsóbb, mint a multimódusú, a szükséges csatlakozókkal, adó-vevővel együtt drágább. • Az optikai kábelek a 100 Mb/s, vagy nagyobb adatátviteli sebesség igényeket kiszolgáló rendszerekben már ma is gazdaságosak. • Ma már a telefonközpontok közötti trönk összeköttetések, a lokális számítógépes hálózatok gerincvonalai főként optikai kábelekkel készülnek.

IV. Optikai szálak Felépítése: • A szóródási jelenségek miatt homogén törésmutatójú üvegszál nem lenne alkalmas fényvezetőnek, ezért magból és ettől kis mértékben eltérő törésmutatójú héjból álló szerkezetet alakítanak ki. • Beszélhetünk egymódusú ill. többmódusú üvegszálról, amely a terjedni képes módusok számára utal. • A különböző száltípusok jellemezhetőek

eltérő

törésmutató

profillal

IV. Optikai szálak Felépítése:  Lépcsős indexű üvegszálak, STEP index  Monomódus, STEP index  Multimódus, STEP index  Fokozatosan változó indexű (graded index) üvegszálak

IV. Optikai szálak Felépítése:  Lépcsős indexű üvegszálak, STEP index • Ugrásszerű törésmutató változás van a keresztmetszetben, a nagyobb (n1) törésmutatójú magot körbeveszi a kisebb (n2) törésmutatójú héj. Így ha a beesési szög nagyobb a teljes reflexió határszögénél ( 𝜃határ ), akkor a héj és a mag határfelületén fellépő teljes reflexió vezeti a hullámot.

IV. Optikai szálak Felépítése:  Lépcsős indexű üvegszálak, STEP index • A szál numerikus apertúrája (befogadó szöge) szabja meg, hogy mekkora az a beesési szög (𝛼 ), amely alatt érkező hullámot még képes az optikai szál vezetni. • Ennek a paraméternek a segítségével egy kúpot kapunk, amelyen belül érkező fénysugarakat befogadja és vezeti a szál.

𝛼max

NA =

𝑁𝐴 = arcsin 𝑛0

𝑛1

2

− 𝑛2

2

IV. Optikai szálak Felépítése:  Lépcsős indexű üvegszálak, STEP index A lépcsős indexű szál mag keresztmetszetétől függ a terjedő múdosuk száma.

 Monomódus, STEP index Amennyiben elegendően kicsi a mag keresztemetszete (13101550 nm-es hullámhossz esetén 9-10 μm ), akkor csak az alapmúdussal kell számolnunk, a magasabb módusok nem terjednek a hullámvezetőnkben

IV. Optikai szálak Felépítése:  Lépcsős indexű üvegszálak, STEP index A lépcsős indexű szál mag keresztmetszetétől függ a terjedő múdosuk száma.

 Multimódus, STEP index • A többmódusú szál magmérete lényegesen nagyobb. • Előnye, hogy az optikai jel be/ki csatolása könnyen végrehajtható a nagyobb méretek miatt. • Ugyanakkor a mag keresztmetszetének növelésével a módusszám is nő.

IV. Optikai szálak Felépítése:  Lépcsős indexű üvegszálak, STEP index A lépcsős indexű szál mag keresztmetszetétől függ a terjedő múdosuk száma.

 Multimódus, STEP index • A módusok között különbség van hullámterjedési szempontból, azaz különböző módon terjednek. Az egyes módusok eltérő utat tesznek meg, nem azonos a terjedési idő, ezért a beadott egységsugárzás a kimeneten szétkenődik, eltorzulva jelenik meg. • Ez a jelenség korlátozza az átviteli sebességet.

IV. Optikai szálak Felépítése:  Lépcsős indexű üvegszálak, STEP index

Multimódus

Monomódus

IV. Optikai szálak Felépítése:  Fokozatosan változó indexű (graded index) üvegszálak • A különböző múdusok terjedési idejének kiegyenlítésére szolgál a folyamatosan változó indexű üvegszál. • Működésének elve azon az ötleten alapul, hogy a fizikailag nagyobb úthosszt bejáró módusok terjedési sebességét növelni kell, ezzel lehet elérni, hogy az eltérő megtett távolság ellenére a terjedési idő azonos legyen. • A fényterjedés sebességét a terjedési közeg törésmutatója határozza meg, tehát a törésmutatót kell lecsökkenteni a mag széle felé.

IV. Optikai szálak Felépítése:  Fokozatosan változó indexű (graded index) üvegszálak • A törésmutató a sugár függvényében: 𝑛 𝑟 =

𝑛1 − 𝑛2 1−2 𝑛1

𝑟 𝑎

𝛾

, 𝑟<𝑎

• A képletből látható, hogy a 𝛾 kitevő határozza meg leginkább a törésmutató profilját.

IV. Optikai szálak Felépítése:  Fokozatosan változó indexű (graded index) üvegszálak • A törésmutató profil alakulása különböző 𝛾 paraméterek esetén: A 𝛾 növekedésével egyre jobban domborodik a profil. Gyakorlatban megvalósított szálak esetén 𝛾 = 2. . 5. • Nagy sebességnél is kedvező átvitellel tórendelkezik.

• Komplikáltabb az előállítása, és ennek megfelelően drágább, mint a STEP index optikai szál.

IV. Optikai szálak Felépítése: Összefoglalva: Multimódusú STEP index (Lépcsős indexű szál, ugrásszerű törésmutató változás) Monomódusú STEP index

Multimódusú graded index (Fokozatos törésmutató változás)

A gyakorlatban a monomódusú STEP index optikai szál a legelterjedtebb.

IV. Optikai szálak Optikai szálak anyaga:  Üveg optikai szálak: • Általában szilícium-dioxidból készítik, de fluoro-aluminátot, és tisztított üveget használnak hosszabb hullámhosszú sugarakhoz, infravörös tartományban mőködő eszközökhöz.

• A törésmutató 1,5 körüli érték • Tipikusan kevesebb mint egy 1%-nyi a különbség az üvegmag és a héj törésmutatója között.

IV. Optikai szálak Optikai szálak anyaga:  Üveg optikai szálak:

IV. Optikai szálak Optikai szálak anyaga:  Műanyag optikai szálak (POF - Plastic Optical Fiber): • Általában a lépcsős indexű multimódusú szál, 1mm-es vagy annál nagyobb magátmérővel. • nagyobb a csillapítása mint az optikai üvegszálnak (a jel amplitudója sokkal gyorsabban csökken mint üvegszál esetében), 1 dB/m vagy annál nagyobb, és ez a nagy csillapítás határozza meg, hogy hol használják az ilyen típusú optikai szálat.

IV. Optikai szálak Optikai szálak anyaga:  Műanyag optikai szálak (POF - Plastic Optical Fiber):

IV. Optikai szálak A szál optikai veszteségei: •

Két csoportra oszthatjuk:  A szál anyagának tulajdonságaiból következő, a száltól elválaszthatatlan veszteségek  Azok a veszteségek, amelyek abból adódnak, hogy a fénysugár eltérül az ideális terjedési iránytól

IV. Optikai szálak A szál optikai veszteségei:  Adszorpciós veszteség • A szál anyaga a fény egy részét elnyeli és hővé alakítja. • A folyamat alapja, hogy az anyagban lévő töltéshordozók a fény elnyelésével magasabb energiaállapotba kerülnek, majd az elnyelt fényenergia relaxáció útján hővé alakul. • Az abszorpció a szál csillapításának 10-20 %-ért felelős. • 1700 nm-nél nagyobb hullámhosszak esetén az alkalmazott üveg csillapítása hirtelen megnő a SiO2 vibrációs átmenetei miatt, így az üvegszálas távközlésre alkalmazható optikai frekvenciák alsó határát ez jelenti.

IV. Optikai szálak A szál optikai veszteségei:  Adszorpciós veszteség • Az anyag nagy abszorpcióval rendelkezik kis hullámhosszak esetén. Ez a jelenség az anyag elektronjainak sávszerkezetéből következik, abszorpciós élnek nevezik és ez szabja meg az optikai szál alkalmazhatóságát nagy frekvenciák esetén. • Az üvegszál anyagában lévő szennyező OH- -ionok jelenléte okoz még abszorpciót, azonban a mai fejlett gyártástechnológiával számuk és így hatásuk is csökkenthető.

• A gyakorlatban a 850nm-es, 1300 nm-es illetve az 1550 nm-es hullámhosszakat alkalmazzák, az ott található csillapítási minimumok miatt.

IV. Optikai szálak A szál optikai veszteségei:  A szál sugárzási vesztesége (bending losses) • Általában akkor lép fel, ha a szál geometriai paraméterei hirtelen megváltoznak (pl. erős hajlítás), illetve a szál anyagában feszültség keletkezik gyártási hiba, vagy mechanikai behatás hatására ( pl. a szál elliptikus keresztmetszetű). • Megfelelő technológiával gyártott és felszerelt szál esetén elhanyagolható.

IV. Optikai szálak A szál optikai veszteségei:  A szál sugárzási vesztesége (bending losses) • Az üvegszál meghajlításakor a fénynek a külső élen gyorsabban kellene haladnia, azaz a fénysebességnél gyorsabban, ami nem lehetséges, ezért az ábrán fekete satírozással jelölt rész sugárzás formájában leszakad. A hajlítás következtében fellépő veszteség mértéke függ a görbületi sugártól is.

𝛼𝛽 = 𝐶 ∙ 𝑒

𝑅

−𝑅

𝑐

, 𝑅𝑐 =

R: görbületi sugár a: a mag sugara C: konstans

𝑎 (𝑁𝐴)2

IV. Optikai szálak A szál optikai veszteségei:  Rayleigh szórás (scattering) • Az üvegszál törésmutatójának mikroszkópikus egyenetlenségei diffrakciót okoznak, vagyis a fényenergia bizonyos része minden irányba szétsugárzódig.

• A diffrakció mértéke akkor a legnagyobb, ha a fény hullámhossza összemérhető a mikroszkópikus egyenetlenségek nagyságával, így a szórás mértéke a hullámhossz növelésével csökken ( az abszorpciós minimumok mellett, ez az oka annak, hogy az alkalmazott optikai frekvenciák 850 nm-es hullámhosszról eltolódtak az 1300 nmes illetve az 1550 nm-es tartományba ).

IV. Optikai szálak A szál optikai veszteségei:  Rayleigh szórás (scattering) • A szóródás miatti csillapítási együttható fordítottan arányos a hullámhossz negyedik hatványával. • A Rayleigh szórás a csillapítás értékének 80-90 %-ért felelős.

IV. Optikai szálak A szál optikai veszteségei: • Az optikai szál kilométerenkénti csillapítása a hullámhossz függvényében  OH- -ionok hatására 950, 1240 és 1390 nm-nél csúcsok  A rácsrezgések hatására 1700 nm környékén hirtelen csillapítás-növekedés  A függvény minimuma 0.25 dB/km értéknél van, 1.55 μm-es hullám-hossz esetén

Maximálisan kb. 100 km-t tudunk áthidalni erősítés nélkül

IV. Optikai szálak A szál optikai veszteségei: • Tényleges optikai összeköttetés esetén veszteséget okoznak a szálillesztések és csatlakozók is. • Mindezek ellenére a hagyományos fémvezető csillapítása minden frekvencián nagyobb, mint az üvegszál csillapítása, tehát sokkal sűrűbben van szükség ismétlődő állomásokra is.