Lézeres adatátvitel, nem lineáris optikai eszközök

18/1 Készítette: Harsányi Anna

Lézeres adatátvitel, nem lineáris optikai eszközök 1.) Lézer, és az optikai adatátvitel rövid történelme • • • • • • • •

• • • •

• •

Már az ókori görögök fémlemezek segítségével használták a fény visszaverıdését 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. 1954 - N.G. Basow, A.M. Prochorov, és C. Townes: ammónia maser 1960 - Theodore Maiman: elsı 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 keringı őrhajó között. Bár kezdetben nem jártak sikerrel, az évtized vége felé hélium- neon lézerrel sikerült kapcsolatot teremteniük földi állomások és mőholdak, illetve repülıgépek között Az Egyesült Államok Haditengerészete kísérleteket végzett a lézereken, titkos összeköttetés kialakítására tengeralattjárókkal. 1970 -_Arthur Ashkin: lézercsipesz 1971 - Gábor Dénes (Nobel-díj): holográfia Az 1990-es évek elején kezdték kidolgozni a magánszektorban lévı használati lehetıséget. A cél az egyre növekvı sávszélesség iránti igény kielégítése, a hagyományos telekommunikációban nem elérhetı megoldásokkal és hálózati lehetıségekkel. 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 atomhőtés Az elsı lézeres adatátviteli kísérletre mőholdak között 2001. november 21-én került sor. A kísérletben két európai hold vett részt: az ESA majdnem geostacionárius páyán lévı 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 minıségben történt.

2.) A lé zer mőködésének alapjai A LASER betőszó az angol „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” kifejezés elsı betőibıl állt össze. A lézer monokromatikus fényt bocsát ki, kicsi a sávszélessége és a fotonok között nincs fázisugrás.

18/2 Készítette: Harsányi Anna A lézer mőködésének elméleti alapjai: Legyen egy kétállapotú rendszer kezdeti, perturbálatlan állapota (H0 Hamilton-operátorral): ψ (t ) = c aψ a e −iE at / h + cbψ b e −iE bt / h A perturbálás hatását (H') a következı alakban írhatjuk: ψ (t ) = c a (t )ψ a e − iEa t / h + c b (t )ψ be −iE b t / h A Schrödinger-egyenletbe helyettesítve (H = H0 +H’) és kiejtve az egyenlı tagokat: i c& a = − (c a ψ a H 'ψ a + cb ψ a H 'ψ b e − i( Eb − Ea ) t / h h i c& b = − ( cb ψ b H 'ψ b + c a ψ b H 'ψ a e − i( Ea − Eb ) t / h h E − Ea Általában H' diagonális elemei 0-k, és bevezetve az ω 0 = b kifejezést, a következı h egyenletekre jutunk: i c& a = − cb ψ a H 'ψ b e − iω 0t h i c& b = − ca ψ b H 'ψ a e − iω 0t h Ezeket idıben kiintegrálva, a kezdeti értékek ismeretében meghatározható ca és cb. Legyen most a perturbáció szinuszos: H ' ( r , t ) = V ( r ) cos(ωt ) Kifejezve cb(t)-t (amennyiben ca(0) = 1 és cb(0) = 0): t i c b (t ) = − Vba ∫ cos(ωt ' )e iω 0t ' dt' h 0 Az integrálást elvégezve, és felhasználva, hogy: ω 0 + ω >> ω0 − ω 2

sin 2 ((ω 0 − ω )t / 2) Pa→b (t ) = c = 2 h (ω 0 − ω ) 2 Elektromágneses sugárzás esetében Vab = pE0 , ahol p a dipól momentum vektor hossza. Ebbıl látható, hogy egyik átmenet sem favorizált: fényt világítva egy ilyen rendszerre, az alacsonymagas átmenet ugyanolyan valószínőségő, mint a magas-alacsony átmenet. Ez utóbbi a stimulált emisszió. A spontán emisszió is valójában stimulált emisszió, amelyet a nullponti elektromágneses sugárzás okoz. 2 b

Vab

A lézer mőködésének egyszerősített modellje az alábbiakban foglalható össze: – Bármilyen atomi rendszer csak diszkrét, meghatározott energiaértékekkel rendelkezhet. A környezettel való kölcsönhatás során csak adott, diszkrét energiát tud a környezetébıl gerjesztés hatására felvenni (abszorpció), illetve leadni (emisszió). Az elektromágneses energia becsatolása az atomi rendszerbe, illetve kivétele az elektronállapotok között történik. – Minden gerjesztett atomi rendszer valamely átmeneti idı után visszatér eredeti állapotába, s az energiakülönbséget foton formájában kisugározza. Ez az átmenet megtörténhet magától (spontán) módon, vagy külsı foton hatására (kényszerített sugárzás). Ez utóbbi esetben az emittált foton minden jellemzıje (energia, polarizáció, frekvencia,stb…) megegyezik a

18/3 Készítette: Harsányi Anna kényszerítı foton ugyanilyen paraméterével. Így közel koherens fény állítható elı. Ezt a jelenséget stimulált emissziónak nevezzük.

1. ábra A gerjesztés, emisszió és indukált emisszió fol yamatai

–A lézerek, mint elektromágneses sugárzás forrásai, a diszkrét atomi nívók közötti átmenetek sajátosságait hasznosítják. A különbözı alap‐ és gerjesztett állapotok közötti eloszlást a feketetest sugárzás törvényei adják meg. A legegyszerőbb, ún. kétnívós rendszer esetén a betöltöttség (N): hv − N2 kT = e , ahol N1 E − E1 v= 2 h v- a frekvencia, h- a Planck állandó k- a Boltzmann állandó és T- a hımérséklet. –A lézer mőködéséhez spontán teljesülni kell az ún. populáció inverzió feltételének (N2 > N1), ami kétnívós esetben nem, de 3 vagy többnívós esetben megvalósítható.

2. ábra A 4 ní vós popul áció

A mőködés egyik feltétele az, hogy 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). Az 1–3 átmenetek 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.

18/4 Készítette: Harsányi Anna – Normál esetekben egy fizikai rendszerben a gerjesztett állapotok fajlagos sőrősége mindig kisebb, mint az alapállapotoké, azonban bizonyos eljárásokkal ez megfordítható, s létrehozható a lézermőködéshez okvetlenül szükséges populáció‐inverzió állapot, amely az erısítés alapfeltétele. –A lézeraktív közeget rezonátorba helyezve, szelektáljuk a lehetséges módusokat, s biztosítjuk a többszöri átfutás lehetıségét 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 szám többszöröse: c ∆v = 2L ahol L- a tükrök távolsága, és c- a fénysebesség.

3. ábra A rezonátor

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. Külsı 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 lévı atomok el is nyelhetik. –A Fabry-Perot interferométer: Tekintsünk két, egymástól d távolságban lévı, párhuzamos üveglemezt, melyre λ hullámhosszú, monokromatikus fénysugár esik be (4 ábra)! Az üveglemezek belsı felületei részben tükrözıek, így ha a Θ beesési szög kicsi, a sugár sokszorosan reflektálódik az üveglemezek között. A jobb oldalon kilépı sugarakra az optikai úthossz különbözı, azok a végtelenben, vagy egy győjtılencse fókuszsíkjában interferálnak. Jelölje δ l az optikai úthosszak különbségét a szomszédosan kilépı (eggyel többször odavissza reflektálódott) sugarak esetén.

18/5 Készítette: Harsányi Anna

4. ábra Eg y sugár többszöri visszaverıdése a Fabry-Perot interferométerben

Az 4.ábráról leolvasható, hogy fennáll a következı összefüggés: δl = A B + B C = 2d cos Θ , ahonnan a két sugár közötti fáziskülönbség: δl d δϕ = 2π + ϕ 1 + ϕ 2 = 4π cos Θ + ϕ 1 + ϕ 2 2d λ ahol ϕ 1 ; ϕ 2 a fémrétegeken visszaverıdéskor kapott fázisváltozás. A beesési szögtıl függıen az átmenı fény interferenciájában erısítés vagy gyengítés (kioltás) lép fel. Az erısítés feltétele most is δϕ = 2πm , ahol m egy tetszıleges egész szám. Ha eltekintünk a fémrétegeken visszaverıdéskor kapott fázisváltozásoktól, akkor az m-ed rendő erısítés iránya a következı lesz: λm cos Θ m = 2d Megjegyezzük, hogy kis szögekre m nagy szám lesz, ugyanis be szokás vezetni m0 -át, ami a fenti egyenlet megoldása Θ = 0 szög esetén, azaz m0 = 2d/ λ . Szokásos paraméterek mellett m0 ≈ 104 . –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 erısítés sávjának nevezzük. A gerjesztés hatására a fotonok minden irányba haladnak. Azok, amelyek a tükrökre merılegesen haladnak többször is áthaladnak a rezonátoron. Nagyobb a valószínősége annak, hogy újabb gerjesztett atomokkal ütköznek, és újabb fotonokat bocsátanak ki. A rezonátorba egy lavina effektus alakulhat ki. Ha a rezonátorban a lézer fény elıállítás 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. –Az energia bevitel a rendszerbe optikai a 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 elı. A gerjesztett atomok lehetnek szilárd halmazállapotúak, folyadékok, gázok, és félvezetık. A távközlésben fényjel elıállítására a félvezetı lézereket alkalmaznak, és elektromos gerjesztéssel hozzák létre a lézer effektust.

18/6 Készítette: Harsányi Anna –A stimulált emisszióra képes anyag erısítıként viselkedik és az erısítési tényezıje hullámhosszfüggı. Az erısítési tényezınek egy adott hullámhosszon maximuma van. A hullámhossz abszolút értéke és az erısítés nagysága a lézer mőködésre képes anyagtól függ. Az erısítés nagysága fázisfüggı és a maximum értéknél a fázis nulla. Ha a lézer szabályzáshoz fáziszárt hurkot hozunk létre, akkor ezzel a maximális lézer jel elıállítást stabilizálhatjuk. Az üregrezonátornak a hossza a hullámhossz egész számú többszöröse kell, hogy legyen, mert ha nem akkor nem teljesül az oszcilláció feltétele. A lézerek mőködését nagyon sok szempont szerint lehet csoportosítani. 1. Mőködési mód szerint lehetnek: – CW – continuous wave, azaz állandóan sugárzó lézerek. A lézer fényt folyamatosan állítják elı. – IPM – impulzus lézer, azaz a fényt rövidebb‐hosszabb csomagokban (impulzusokban) bocsátja ki. Az egyes impulzusok hossza (idıbeli) az 1 ms‐tól a néhány altosec.(10‐18 sec) –ig terjed. 2. Hullámhossz szerint lehetnek: – Az ismert lézerek hullámhossza a λ = 10 nm – 500 µm (azaz 0,01 eV – 100 eV) tartományba esik. 3. Irányítottság szerint: – A jó rezonátorok eredményeként a lézerfény párhuzamos nyalábban távozik a rendszerbıl. – A gyakorlatban használt lézereknél a szögeltérés = ≈ 1 milirad−1 µrad 4. Koherencia fok (a fázistartó képességére utal): – A koherencia idı (amíg a lézer fény fázisa kevesebbet fordul, mint 180°). ∆τ = 1/∆ν ahol ∆ν ~ 1 MHz és ∆ν ~ 1 µs értékő. 5. Koherencia hossz (ekkora távolságon belül hologram képes a lézer): – ∆Z = c∆τ gyakorlatban ez az érték ≈ 300 m 3.) Fogadó egység érzékenysége Az optikai detektorok két típusát használják jellemzıen a szabadtéri lézeres adat átvitel esetében: PIN és APD. A PIN detektor jóval kevesebbe kerül és nincs belsı egysége, míg az APD jóval összetettebb és ennek megfelelıen drágább is. Az APD technológia különbözı szempontok szerint is elınyösebb, mint a PIN típusú eszközök, de a leggyakrabban mért összehasonlítási szempontja az, hogy kb. 4X érzékenyebb, mint a PIN detektor. PIN fotodióda felépítése: A rétegdióda egyetlen p- n átmenettel rendelkezı félvezetı eszköz. Olyan kétpólus, ahol az egyik kivezetés (az anód) egy félvezetı 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 sajátvezetéső („intrinsic”) tartomány.

18/7 Készítette: Harsányi Anna

5. ábra A PIN fotodi óda

APD, lavina fotodióda minden detektált fotont mozgékony töltéshordozó párok sokszorosává alakít át. Ekkor gyenge fény is képes olyan áramot kelteni, amely elegendıen nagy ahhoz, hogy az APD-t követı elektronika segítségével detektálható legyen. A készülék úgy van kialakítva, mint egy záróirányban erısen elıfeszített fotodióda, amelyiknek átmeneti rétegében az elektromos tér nagy. A töltéshordozók ennélfogva elegendı energiára tehetnek szert ahhoz, hogy új töltéshordozókat gerjesszenek ütközési ionizációs folyamatok révén.

6. ábra Az APD fotodi óda

4.) A hálózat felépítése A szabadtéri lézer - optikai adat átviteli, wireless rendszerek láthatatlan, az emberi szemet nem veszélyeztetı fénysugarakat továbbítanak az adótól a vevıig. Leggyakrabban alacsony energiájú infravörös lézert használunk az adatátvitelhez, de a lehetıségek ennél sokkal szélesebb körőek. 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 elérhetı, ha a szabad rálátás adott a forrás és a cél között, és elegendı az átviteli teljesítmény, ami a kiválasztott lézer fej erısségétıl függ. 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

18/8 Készítette: Harsányi Anna lehallgatni, ezért rendkívül biztonságos is. A szabadtéri optikai átviteli rendszerekben a száloptikai átvitelhez hasonló sebesség érhetı el, tökéletes adatátvitel minıségben, miközben a rendkívül keskeny lézernyaláb lehetıvé teszi, hogy gyakorlatilag ne legyen korlátja a különálló szabadtéri optikai átviteli kapcsolatok számának, amelyet egy adott helyszínen telepíteni lehet.

7. ábra A lézeres vezeték nélküli adatátvitel sematikus ábrája

A szabadtéri optikai adat átviteli rendszerek nem alkalmasak egész Földet behálózó rendszer felépítéséhez, de kitőnı 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 sebességen képes bekötni az intézményi hálózatokat. 5.) A lé zeres adatátvitel elınyei: Nincs szükség frekvenciaengedélyre. Ez azt jelenti, hogy a lézeres adatátvitelt nem fog más adás zavarni. Elıfordulhat, hogy a jövıben ezt a frekvenciatartományt is szabályozni fogják, amennyiben a lézeres átviteli hordozók elkezdik kitölteni. A legtöbb szabadtéri optikai átviteli rendszer, ami jelenleg elérhetı, a fizikai réteg szintjén dolgoznak, azaz rendkívül hasonló módon, mint a hagyományos optikai kábelek és érzékelık, ennek megfelelıen az összes létezı protokollal tökéletesen együtt tudnak dolgozni, mindenféle kompromisszum nélkül. Másik nagy elınye 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 50,000-200,000 dollár közötti összeg lenne épületenként. A lézeres hálózati architektúrán nem szükséges változtatni, amikor újabb csomópontokat (épületeket) adnak hozzá.

18/9 Készítette: Harsányi Anna A lézeres adatátviteli rendszereket nehéz "lehallgatni". Mivel a sugarak láthatatlanok és keskenyek, és irányítottak, valamint egy egyedi vevıt igényelnek, meghackelésükhöz szükség lenne valakire, aki az ablakon kívül lebeg egy másik vevıvel, ami közvetlen kapcsolatban áll az adóval, és rendelkezik azokkal az ismeretekkel, hogy hogyan tudja összegyőjteni a jeleket. Mindezeken túl hamar kiderül, ha valaki megpróbál beavatkozni, ugyanis megszakad a hálózati kapcsolat. Továbbá a felhasználó és a hub közötti kapcsolat tipikusan titkosított. Látás védelem miatt „laser eye safety”, azaz szem biztos lézert használnak, ami annyit jelent, hogy ha valaki még egészen közel néz bele a lézerbe, (mondjuk akár belül és 10s alatt), akkor sem károsodik a szem. Azért itt ki kell hangsúlyozni, hogy tényleg nem ártalmas a szemre, ha valaki 10s alatti idıtartamig folyamatosan belebámul a lézer linkbe, de ennél hosszabb ideig tartó nagyon kis távolságból való érintkezés nem hasznos. A távolság növekedésével ennek hatása természetesen már logaritmikusan csökken.

6.) A lé zeres adatátvitel hátrányai:

A csomópontoknak akadálytalan rálátással kell rendelkezniük. Ez azt jelenti, hogy az interferencia bármely típusa problémákat okozhat. A zord idıjárás a legnagyobb fenyegetés. Bár az esı ıs a hó torzíthatja a jelet, a köd a legveszélyesebb az átvitelre. A köd nagyon kicsi nedvességszemekbıl áll, amelyek olyan hatással vannak a lézerre, mint a prizma a fénysugárra: szétszórja és megtöri a jeleket. Az idıjárási problémákra külön megoldás lehet, ha mikrohullámú biztonsági hálózatot alkalmaznak kiegészítésképpen a lézeres eszközök mellé. A mikrohullám jobban ellenáll a ködnek, de érzékenyebb az esıre. 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 megszőnik. 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 követı képességekkel kell rendelkezniük, hogy kiegyenlítse ezeket az elmozdulásokat. Az elemzık szerint a gyártók rendelkeznek ennek megoldásával, de mindenképpen érdemes megvizsgálni ezeket a tulajdonságokat és tesztelni szélben is. Végül sok ember egyszerően nem szereti, hogy egy lézer zümmög a kezei között, attól tartva, hogy eltalál egy madarat, vagy megvakít valakit.

7.) Az optikai egér Az optikai egérben nem a golyó forgásának hatására kezd el mozogni a kurzor a képernyın, hanem itt az optika készít felvételeket az alatta lévı talajról. Az optika munkáját segíti az a piros LED, amely oldalról megvilágítja az alatta lévı felületet.

18/10 Készítette: Harsányi Anna

8. ábra A lézeres optika

Nos, az optika készít egy felvételt, majd kis idı múlva megismétli ezt a folyamatot, és a képek közötti különbségbıl következteti ki az elmozdulást. Ha a képek megegyeznek, akkor az egérkurzor nem mozdul el a képernyın. Minél több képet tud feldolgozni az egér képfeldolgozó processzora, annál pontosabb mőködést 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 erısen tükrözıdı anyagok. Ezeken ugyanis nem tud az egér megfelelı támpontokat értékelni.

8.) CD, DVD olvasó mőködése: Az optikai olvasófej elvi felépítését a 8.ábrán láthatjuk.

9. ábra Az optikai ol vasófej el vi felépítése

Az olvasófejben lévı lézer (A) által kibocsátott fény áthalad a kollimátor lencsén (B), ami a kilépı kis átmérıjő és széttartó fénysugarat teszi párhuzamossá. Ezután a féltükrön halad át, ami egy polarizációs prizma (C). Ez felel azért, hogy a lemezrıl visszaverıdı fény ne a lézerdióda felé haladjon, hanem az érzékelı felé. Ezek mellett az a feladata, hogy a fényt lineárisan polarizáltan engedje tovább, ugyanis a kollimátor lencsébıl egy kevert

18/11 Készítette: Harsányi Anna polarizációjú fény érkezik. Alapestben innen a negyedhullámos lapra (D) érkezik, amit egy kristályból alakítanak ki. A kristálylemezbe belépı lineárisan polarizált lézer fénysugár 45°-kal elforgatott polarizációs síkkal és körkörös polarizációval lép ki. A lemez fázisforgató hatása elısegíti az oldalirányú és a visszavert fénysugár szétválasztását a polarizációs prizmában. A fény ezután az objektív lencsére érkezik, amely azért felel, hogy a lézert folyamatosan a lemez aktuális tükrözırétegére (F) fókuszálja. Ez különösen komoly feladat abban az esetben, amikor a lemez hajlott és a külsı sávon történik az olvasás. Ennek oka, hogy a lemez hajlása esetén a legnagyobb kihajlás legtöbbször a szélsı track-en van, amit a helyes olvasás érdekében folyamatosan követni kell. Ez a folyamat lényegében azt jelenti, hogy a lencse és a lemez közti távolságot állandó értéken kell tartani. Ezután a visszaverıdı fény a polarizációs prizmán irányt vált és nem a lézerdióda, hanem a szervólencse (G) irányába halad. Ezt a prizmát PBS kockának hívják és 2 összeragasztott prizmából áll, amiknek ugyanaz az anyaga, tehát a fény átlépéskor nem törik meg. A szervólencse fényérzékelı diódákra (H) fókuszálja a fényt, amelyeknek az a feladata, hogy érzékelje a visszaverıdı fény nagyságát és a fókuszálást is ennek segítségével végezzük. A fényérzékelı diódák jele (Ia,Ib,Ic,Id) jut az olvasási csatornába a párosított erısítın (J) keresztül, tehát ezen az érzékelın keletkezik a kiolvasott érték. A lemezrıl visszaérkezı fény kétféle lehet: a kibocsátott hullámmal azonos fázisú, vagy fordított fázisú; az információtartalmat a lézerfényben tehát a fázis hordozza. A lemezen az adat pit-ek, és land-ek formájában van rögzítve. Land a nyers (íratlan) lemez teljes felülete; pit pedig az azon ejtett bemélyedés. A pit mélysége optimálisan éppen egynegyed hullámhossznyi, ahol a hullámhossz 780nm (790nm). Ha a lemezre érkezı lézerfény land-ról verıdik vissza, akkor ahhoz képest fordított fázisban fog visszaverıdni. Ha azonban a beérkezı lézerfény pitre érkezik, annak eléréséig kétszer tesz meg plusz egynegyed hullámhossz mértékő utat ahhoz az esethez képest, mintha land-re érkezne. A visszaverıdés csak ennek a plusz útnak a megtétele után jöhet létre, ekkor azonban már fázisa fél hullámmal (180 fokkal) el van csúszva, így a visszaverıdés a beérkezı hullámmal azonos fázisban fog történni. Az interferencia jelensége a féltükör felületén fejti ki hatását. A PDIC-re azonos fázisban érkezı hullámok erısítik, ellentétes fázisban érkezı hullámok gyengítik, szélsıséges esetben kioltják egymást. Ennek megfelelıen egy lehetséges kialakuló jel látható a következı ábrán:

10. ábra Egy lehetséges kialakuló jel

Errıl a jelrıl azonban még el kell dönteni, hogy milyen digitális információt hordoz, azaz mi az a csatornakód, amelyet takar. Erre a feladatra alkalmas az ún. döntési áramkör, amely eldönti, hogy a jel milyen bitsorozatot jelent, ez azonban már nem az optikai egység feladata, hanem a nyomtatott áramköri lapé.

18/12 Készítette: Harsányi Anna A gyakorlatban az olvasófej egy vezetıtengelyen helyezkedik el, ahol az egyik oldalról a tengely, a másikról egy rugólemezes felfeszítés vezeti meg. Ezen a felfüggesztésen a lemez sugárirányának megfelelı elmozdulást tud végezni az eszköz, amelynek stabilitását a húzott szálból készített, nagy felületi pontosságú vezetıtengely és az ezen futó bronzperselyes megvezetés adja meg. A pontos mozgásról léptetımotor gondoskodik. A mozgatás vagy a vezetıtengely menetes kiképzése, vagy egy mőanyag fogaskerék-fogasléc kapcsolat biztosítja.

9.) A nemlineáris optika alapjai: Az optikai kábelekben a távközlés során többféle képen is adatot lehet veszteni: abszorpció, Rayleigh-szórás, mikroszkopikus görbület… Az ilyen okokból fakadó hibák kiküszöbölésének egyik lehetséges megoldása a nem lineáris optikai tulajdonságokkal rendelkezı kristályok használata. Az alábbiakban a lehetséges nem lineáris tulajdonságokat fogom részletezni. •

A ne mlineáris optikai szuszceptibilitás:

Nemlineáris optika olyan jelenség vizsgálatára létrejött tudományág, mely akkor lép fel, ha az anyagi rendszerünk optikai tulajdonságai megváltoznak az intenzitás függvényében. Amennyiben egy kristályba hatoló lézerfény intenzitása elég nagy, akkor kapcsolatba lép az anyagot alkotó atomokban lévı elektromos térerısséggel, melynek következtében az befolyásolja a lézer hullámhosszát és intenzitását. Mint ismert, a kristályban indukált polarizáció a következıképpen alakul egy E térerısség hatására: ~ ~ P (ω ) = ε 0 χ (1) E (ω ) ,ahol a χ(1) a lineáris szuszceptibilitás. A polarizációt kifejthetjük egy hatványsor alakjában a térerısség szerint: ~ ~ ~ ~ P (ω ) = ε 0 [ χ (1) E (ω ) + χ ( 2) E 2 (ω ) + χ (3) E 3 (ω ) + ...] A χ(2), és χ(3) mennyiségek a másod, és harmadrendő szuszceptibilitások. A nemlineáris polarizáció kifejtése a térerısség függvényében a legáltalánosabb módszer a nemlineáris közeg leírására, mert a szuszceptibilitások jellemzıek a közegre. Nemlineáris közegben a hullámegyenlet a következı alakot ölti: ~ ~ n2 ∂ 2 E 1 ∂ 2 P NL 2~ ∇ E− 2 = c ∂t 2 ε 0 c 2 ∂t 2 , ahol PNL a nemlineáris polarizáció. •

A ne mlineáris optikai együttható

Amennyiben a nemlineáris szuszceptibilitást χijkl-nek jelöljük, ahol az (ijkl) alsó indexek közül az elsı a keltett polarizáció térkoordinátája, a többi (jkl) indexek a keltı elektromos tér (xyz) térkoordinátái, akkor a harmadrendő polarizáció a következıképpen néz ki az ω-k függvényében: (3 ) Pi (ω4 ) = ε 0 D (3) ∑ jkl χ ijkl ( −ω 4 , ω1 , ω 2 , ω3 ) E j (ω1 ) E k (ω2 ) El (ω 3 ) , ahol a D konstans, értéke 1, ha az összes mezı megkülönböztethetetlenek, 3, ha két mezı megkülönböztethetetlen, 6, ha a mezık megkülönböztethetıek. Másodrendre, és a többi rendre is fel lehet írni hasonlóan a polarizációt, pl: másodrend esetén csak (jk) indexei vannak a

18/13 Készítette: Harsányi Anna szuszceptibilitásnak. A nemlineáris szuszceptibilitásra érvényesek a következı szimmetriatulajdonságok: ( 3) ( 3) (3 ) χ ijkl ( −ω 4 , ω1 , ω 2 , ω 3 ) = χ ijkl ( −ω 4 , ω 2 , ω1 , ω3 ) = χ ijkl ( −ω 4 , ω 3 , ω 2 , ω1 )

,vagyis permutálhatjuk (ijkl)-t anélkül, hogy megváltozna a szuszceptibilitás, amennyiben a hozzájuk tartozó (1,2,3) indexeket is hasonlóan permutáljuk. A szuszceptibilitás értékekhez tartozó nemlineáris optikai együtthatók másodrendő esetben:

d ijk =

1 ( 2) χ ijk 2

Az i index az (x,y,z) koordinátákra 1,2,3. A jk indexek xx,yy,zz koordinátákra rendre 1,2,3, yz=zyra 4, xz=zx-re 5, xy=yx-r 6 értékeket veszik fel. •

Másod harmonikus keltés

Adott egy lézernyaláb, melynek elektromos mezeje a következı:

~ E (ω ) = Ee − iω t + cc.

beesik egy nemnulla másodfokú elektromos szuszceptibilitással rendelkezı kristályba. Így a nemlineáris polarizáció, mely keltıdik a kristályban:

~ P ( 2) (ω ) = 2ε 0 χEE * + (ε 0 χ ( 2 ) E 2 e − i 2ω i + cc.)

Láthatjuk, hogy a keltett másodrendő polarizációhoz tartozó elektromos térnek 2ω frekvenciája van, ha a beesőnek ω (második rend). Nagyon jó körülmények esetén a másod harmonikus, és a beesı nyaláb intenzitása egyhez közelít, tehát nagyon jó a konverziós hatásfok (η).

•

Összeg harmonikus keltés

Tegyük fel, hogy a beesı nyaláb két különbözı frekvenciájú komponenst tartalmaz (ω1 , ω2 ). Az elızı esethez hasonlóan ki lehet fejteni a nemlineáris polarizációt. Összeg alakjában így írhatjuk:

~ P ( 2) (ω ) = ∑ n P(ω n )e −iω nt

Ez alapján a nemlineáris polarizáció:

~ P ( 2) (ω ) = ε 0 χ ( 2) ( E12 e − 2iω1t + E22 e − 2iω 2 t + 2 E1E 2e −i (ω1 +ω 2 )t + 2 E1 E2*e −i (ω1 − ω2 ) t + cc.) + 2ε 0 χ ( 2) ( E1 E1* + E2 E2* )

A P(2ωi ) tagok az i.-dik frekvenciához tartozó másod harmonikusok (SHG), a P(ω2 +ω1 ) tag tartozik a két frekvencia összegéhez tartozó összeg harmonikushoz (SFG), a P(ω2 -ω1 ) tag tartozik a frekvenciák különbségéhez tartozó különbség harmonikushoz (DFG). a P(0) az optikai helyesbítés (OR). Az összeg harmonikus keltés (Sum-Frequency-Generation) folyamatát leírja a következı képlet:

P(ω1 + ω 2 ) = 2ε 0 χ ( 2) E1 E 2 ,vagyis a beesı ω1 és ω2 frekvenciájú komponensek keltenek a kristályban ez eredeti komponenseken túl egy ω1 + ω2 frekvenciájú komponenst. A folyamat sok esetben analóg a másod harmonikus keltéssel. 10. ábra. A két jelenség legfontosabb alkalmazása a hangolható frekvenciájú lézerek létrehozása.

18/14 Készítette: Harsányi Anna

11. ábra Az öszeg és másodharmonikus keltés folyamata

•

Különbség harmonikus-keltés

A különbség harmonikus keltés (Difference Frequency Generation) folyamata során a keltett nemlineáris polarizáció:

P(ω1 − ω 2 ) = 2ε 0 χ ( 2) E1 E2* A jelenség sematikus rajza a 11. ábrán látható.

12. ábra A különbség harmonikus keltés

•

Optikai parametrikus oszcillátor (OPO)

Az elızıekben láttuk a különbség harmonikus keltés folyamatát, azaz ω2 és ω1 frekvenciájú beesı fotonok a kristály után ω3= ω1- ω2 frekvenciájú fotont tudnak létrehozni. Egy ω2 és ω3 frekvenciájú foton jelenlétében a különbség harmonikus keltés folyamata további fotonokat tud kelteni ezeken a frekvenciákon. Így, ha a rendszert behelyezzük egy oszcillátorba, akkor intenzitásnövekedést érhetünk el. Ezt nevezzük optikai parametrikus erısítésnek. Az így megalkotott eszköz hangolható, mert bármilyen ω2 frekvencián kielégíti a

ω 2 + ω3 = ω1 egyenletet. Az ω1 frekvencia a pumpa frekvenciája, az ω2 frekvenciás tagot nevezzük a signal (jel) tagnak, az ω3 frekvenciás tagot nevezzük Idler tagnak. Az OPO pumpálására több mód kínálkozik. Az ún szinkron pumpás változatban a pumpa, és magimpulzusok ismétlıdési frekvenciáját úgy kell beállítani, hogy idıben átfedjenek, és egyszerre érkezzenek be a kristályba. Egy másik módszer a huzalos erısítı rendszer pumpált OPCPA (Optical Parametric Chirped Pulse Amplification) elrendezés. Ezzel a módszerrel mJ-os impulzusok, és 6-7 W-os átlagos kimeneti teljesítmények is elérhetıek.

•

Optikai parametrikus erısítés (OPA)

18/15 Készítette: Harsányi Anna Egy optikai parametrikus oszcillátor esetén a kristályra esı, egy adott frekvenciájú foton két új frekvenciájú fotont kelt a kristály kimenetén. A beesı foton energiája a két új foton energiájának összegébıl áll.

hc

λ1

=

hc

λ2

+

hc

λ3

13. ábra Egyszeresen rezonáns oszcillátor sematikus rajza

Amennyiben a tükrök vagy a ωi, vagy az ωs frekvencián reflektálnak, akkor egyszeresen rezonáns oszcillátorról beszélünk (SRO), amennyiben mindkét frekvencián visszaveri az impulzusokat, kétszeresen rezonáns oszcillátorról van szó (DRO). A degenerációs pont (ωi= ωs ) közelében az oszcillátor kétszeresen rezonáns oszcillátorként mőködik. Legyen ω3 a pumpa frekvenciája, ω2 az idler frekvenciája, ω1 a signal frekvenciája. Az idler impulzus, és a signal impulzus egyenletei az amplitudó alakulására:

dA1 2iω1d eff = A3 A2*e i∆kz 2 dz k1c dA2 2i ω 2 d eff = A3 A1* e i∆kz 2 dz k 2c ∆k=k3 -k 1 -k2 , a fázis-eltérés (phase mismatch). Az egyenletek kielégítik a következı megoldást:

κ * i∆k i ∆ kz / 2 sinh gz ) + 1 A2 (0) sinh gz ]e 2g g i ∆k κ * i ∆ kz / 2 A2 ( z ) = [ A2 (0)(cosh gz − sinh gz ) + 2 A1 (0) sinh gz ]e 2g g A1 ( z ) = [ A1 ( 0)(cosh gz −

a g a kisjelő erısítési együttható:

∆k 2 1 / 2 ) ] k 2iω i2d eff A3

g = [κ1κ 2* − ( ahol a κ i =

k ic 2

Tökéletes fázis illesztés esetén (Δk=0) és akkor, ha az A2 amplitúdó eltőnik az inputon, a signal, és idler amplitúdó módosul a következıre:

1 A1 (0) exp( gz ) 2 A2 ( z ) = 0(1) A1* ( 0) exp( gz ) A1 ( z ) =

•

Fázisillesztés

18/16 Készítette: Harsányi Anna Az, ahogy végbemegy az energia-konverzió egy OPO esetében, meghatározza, hogy milyen ωs frekvencián legyen a kimenet. A signal frekvenciája mindig kisebb, mint a pumpa frekvenciája, és a fázisillesztésen keresztül lehet befolyásolni. A Δk=0 értékhez tartozó fázis illesztés elérése nem könnyő feladat a legtöbb kristály azon tulajdonága miatt, hogy különbözı frekvenciákon különbözı törésmutató értékekkel bírnak. Amennyiben a törésmutató növekszik növekvı frekvenciával, akkor ezt a jelenséget normális diszperziónak nevezzük. Ellenkezı esetben anomális diszperzióról van szó. A tökéletes fázis illesztés esetében, párhuzamos nyaláboknál:

n1ω1 n 2ω 2 n3ω3 = + c c c Ehhez azt kell elérnünk, hogy a signal frekvenciáján a törésmutató egyezzen meg az idler és a pumpa frekvenciák törésmutatóinak összegével. SHG esetében pl: a következı feltételek mellett lesz fázisillesztés:

n (ω1 ) = n( 2ω1 ) Mind a másod-harmonikus, mind a különbség-harmonikus keltés esetében elérhetı a fázisillesztés anomális diszperzióval rendelkezı kristály használatával. Másik, gyakrabban használt módszer a kettıstörı kristályok alkalmazása. A beérkezı impulzus felbomlik egy ordinárius és egy extraordinárius impulzus összegére. A kettıs törés egyik fontos tulajdonsága, hogy a törésmutató függ attól, hogy melyik irányba terjed a fény. Ordinárius esetben nem irányfüggı a törésmutató, extraordinárius esetben viszont függ az optikai tengely irányításától, és az impulzus terjedés tengely által bezárt szögétıl. A kristályok között az mutat kettıstörést, amelyiknek nem kockaszerő a rácsszerkezete. A fázisillesztés akkor valósul meg, ha az

n (ω 3 ) = n(ω1 + ω2 ) teljesül a kristályra.

14. ábra Másod harmonikus keltés fázisillesztés geometriája negatí v uni axi ális kristály

SHG esetén a 13. ábrán látható, hogy a beesı ω impulzus k hullámszám vektorral rendelkezik, mely megadja az impulzus terjedési irányát. Ez a vektor θ szöget zár be a c vektorral, melyet a kristály optikai tengelye, vagyis az a tengely, mely mentén az érkezı ordinárius impulzus halad, illetve ordinárius törésmutató szerint tör meg. A keltett másod harmonikus extraordinárius polarizációjú. Az ordinárius tag polarizációja merıleges az optikai tengely, és a k síkjára, míg az extraordinárius tag polarizációja a síkkal párhuzamos, utóbbi a θ-tól függı n e(θ) törésmutató szerint tör meg. Ezt a következıképpen adhatjuk meg:

1 sin(Θ) 2 cos(Θ) 2 = + n e ( Θ) 2 ne2 n02 Látható, hogy az extraordinárius törésmutató egyezik az ordinárius törésmutatóval, ha θ=0, és megegyezik az ún. principális értékkel, ha θ=90 0 . A fázisillesztés segítségével egy OPO hullámhossz hangolását végezhetjük el, azáltal, hogy különbözı beesési szögekben ejtjük rá a pumpalézer impulzusát a nemlineáris kristályra, vagy forgatjuk a kristályt, vagy pedig a kristály hımérsékletét változtatjuk.

18/17 Készítette: Harsányi Anna 10.) Nemlineáris tulajdonságokkal rendelkezı kristályok elıállítása

A legelterjedtebben használt kristály a LiNbO3 (lítium- niobát). A kristálynövesztés során egy fázisátalakulás történik, mely során szilárd, folyékony vagy gız halmazállapotú anyagfázis alakul át egykristályos szilárd fázissá. • A Czochralski- módszert alkalmazzák az elektronikai technológiák egykristályos szilícium hordozóinak elıállítására. Alapjaiban véve a Czochralski- módszer egy egykomponenső folyékony-szilárd növesztési folyamat, mely során a folyadékfázis atomjai egy határrétegnél szilárdulnak meg egykristályos szilárd anyagot felépítve. Az egykristályos szilárd fázis növekedésének mértékét számos paraméter határozza meg. A szilárd fázis húzási sebessége befolyásolja a szennyezık beépülését az egykristályos szilárd fázisba, valamint a kialakuló kristályhibák sőrőségét.

15. ábra Egykristály el ıállítás után, és csiszolás után

Niobátokon kívül használnak még borátokat, bizmut-oxid alapú oxidokat.

16. ábra Elıállított kristályok

Az anizotróp kristályok lézeroptikai alkalmazása általában nagypontosságú (~ 0.1o ) orientálást igényel. Ez csak röntgendiffrakcióval érhetı el, a morfológiai jellegzetesség alapján vagy optikai úton történı orientáció nem kielégítı. A kristályok vágása kétkörös goniométerrel felszerelt precíziós vágógépekkel történik. Az optikai kristályok többsége igen kemény, ezért gyémántszemcsés vágóélő tárcsákat használnak. A minıséget rontó kristályfeszültségek elkerülésére fontos a kristályok hőtése a vágás közben. A kristályelemeket igényes optikai minıségben szükséges polírozni, az utolsó lépésben µm körüli szemcséjő csiszolóanyaggal. Közben a beállított orientáció megırzése mellett a felületek nagyfokú síkságát (λ/10) és párhuzamosságát is biztosítani kell. Gyakran alkalmaznak felületkezelı eljárásokat is. Szükség lehet védı rétegre agresszív légszennyezések, vízgız ellen. Használnak antireflexiós- és optikai illesztı rétegeket, esetleg párologtatott elektródákat is. A kristálymegmunkálás szerves része az optikai elemek

18/18 Készítette: Harsányi Anna minıségvizsgálata. Ez kiterjed a törésmutató homogenitására, az optikai áteresztés hullámhosszfüggésére, fényszórásra, és az alkalmazáshoz szükséges fizikai paraméterek meghatározására. Ezek a paraméterek ugyanis függhetnek az aktuális kristály összetételétıl és adalékaitól. 11.) Felhasznált irodalom -Szegedi egyetem: Távközlési lézerek, 2010 -www.laczy.hu :Optikai meghajtókban alkalmazott olvasófejek felépítése -Nagy Gábor, Sarkadi András, Zagyvai Péter: PIN dióda felhasználása energiaszelektív szcintillációs detektorrendszerhez -Dr. Pıdör Bálint: MIKROELEKTRONIKAI ÉRZÉKELİK I -Weisz Katalin: Lézeres adatátvitel -Lasernetworks.hu: Mi a Free Space Optics (FSO) szabadtéri Lézer - optikai adatátviteli wireless hálózati rendszerek jellemzıi? -prohadver.hu: Az optikai egér mőködési elve -Hálózatok rendszergazdáknak tantárgy elıadásának Hálózat címő prezentációja -ME Jármőelemek és Jármő-szerkezetanalízis Tanszék Hálózati alapok címő elıadása -Andrásik Attila: Szélessávú 12W-os optikai parametrikus erısítı tervezése, 2013 -Dr. Zsebık Ottó: Anyagtudomány és technológia -MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont: Kristályfizikai Osztály képei