Vlnovodn{ optika Cíl kapitoly Cílem kapitoly je sezn{mit se s principem vedení optikého sign{lu v optických kan{lech, jejich buzení a detekci. Poskytuje podklady pro studenty umožňující objasnění těchto principů. Klíčové pojmy Fotodiody, Vlnovodn{ optika, svazek paprsků, vidy, vlnovod, tot{lní odraz
2 Vlnovodn{ optika 2.1 Úvod Vlnovodn{ optika neboli optika vedených vln byla vyvinuta pro přenos světla na velké vzd{lenosti. Uplatňuje se při zřizov{ní spolehlivých komunikačních systémů a při výrobě miniaturních optoelektronických zařízení vyžadujících zachycení a vedení světla. Vlnovodn{ optika se zabýv{ jednak přenosem optického sign{lu dielektrickým (opticky vodivým) kan{lem a jednak zdroji buzení a detekce sign{lu. Sign{l se v optickém prostředí šíří jako optické svazky paprsků, které je nutno zpracov{vat. Jedn{ se zejména o ohyb, rozšiřov{ní, fokusaci, ..., které se prov{dí pomocí čoček, zrcadel, mřížek, hranolů a podobně.
2.2 Princip přenosu v optickém vl{kně Přen{šen{ informace je zakódov{na (namodulov{na) na světelný paprsek, který je přiveden do optického vl{kna (optického prostředí). Světelný paprsek se odr{ží od vnitřních stěn vl{kna dokud nedos{hne detektoru světla na konci vl{kna. Mechanismus odrazu paprsku uvnitř vl{kna je z{vislý na materi{lech a parametrech
použitého vl{kna. Aby nedoch{zelo ke ztr{tě energie musí ve vl{kně nastat tot{lní neboli úplný odraz. Vl{kno se skl{d{ z j{dra a pl{ště, a aby mohl nastat tot{lní odraz musí být j{dro obaleno prostředím s nižším indexem lomu než m{ j{dro. Pl{šť je tedy souč{stí principu šíření paprsku ve vl{kně, není proto ž{dnou ochranou j{dra. Nyní jsme používali pojem vl{kno obecně, ale ve skutečnosti se jedn{ o optické vlnovody neboli světelné kan{ly. Tyto vlnovody jsou zařízení určené pro vedení světla. Podle tvaru rozlišujeme: vrstvový (deskový) vlnovod – dielektrikum, které přen{ší světlo je mezi dvěma odraznými plochami (rovinami), odrazné plochy dielektrikum
p{skový (kan{lový) vlnovod – p{s dielektrika obdélníkového průřezu, který se může nach{zet uvnitř podložky – pak se jedn{ o vnořený vlnovod,
dielektrikum
na povrchu podložky – žebrový vlnovod,
dielektrikum
vl{knový vlnovod (vl{kno) – vlnovod kruhového průřezu.
Vrstvové a p{skové vlnovody se obvykle používají u integrované optiky, kdežto vl{knové vlnovody jsou užívané pro výrobu optických vl{ken a kabelů. Energie ve vlnovodech Ve vlnovodech jsou vedeny světelné paprsky, kterými se přen{ší energie sign{lu. Aby byl únik energie co nejmenší musí doch{zet na rozhraní j{dra a pl{ště k tot{lnímu odrazu. Podle rozložení energie ve vlnovodu dělíme vlnovody na jednovidové a mnohovidové. Tyto pojmy jsou odvozeny od počtu vidů. Vidy neboli mody jsou takové vlny, které mají všude podél podélné osy vlnovodu stejné příčné rozložení pole a stejnou
polarizaci. Rozložení pole energie z{visí na úhlu šíření paprsků vzhledem k podélné ose vlnovodu. Energie šířeného sign{lu ve vlnovodu je nejen uvnitř vlnovodu, ale také v těsné blízkosti kolem vlnovodu (maxim{lně do vzd{lenosti poloměru vlnovodu). Toto pole se šíří společně s polem ve vlnovodu.
Rozložení energie
vlnovod
vid 0 Jednovidov{ vl{kna mají šířku vl{kna přibližně velikosti vlnové délky nebo malý rozdíl indexu lomu n mezi j{drem a pl{štěm. Těmito vlastnostmi je zaručeno, že se paprsek šíří jen ve směru osy vl{kna, ostatní paprsky zaniknou. Tyto vl{kna mají parametry: útlum: 0,2 dB/km dosah: stovky až tisíce kilometrů používané vlnové délky: 1310 a 1550 nm průměr j{dra: 7 – 9 m vnější průměr pl{ště: 125 m
pl{šť j{dro t
t krycí obal
Mnohovidov{ vl{kna jsou vl{kna s velkým průměrem j{dra, takže se ve vl{kně může šířit více vidů. U těchto vl{ken zřetelně doch{zí k odrazům od vnějších stěn j{dra. Takto odražené paprsky nezanikají. Tyto vl{kna mají parametry: používané vlnové délky: 850, 1310 a 1550 nm útlum: pro 1310 nm je od 0,4 dB/km pro 850 nm je od 2,2 dB/km dosah: stovky kilometrů průměr j{dra: 50 m vnější průměr pl{ště: 125 m
Vzhledem k tomu, že různé paprsky mají různě dlouhou dr{hu se doba přenosu jednotlivých paprsků liší a tím doch{zí ke zkreslení výstupního sign{lu. Zvl{štním druhem mnohovidových vl{ken jsou vl{kna gradientní.
t
t
f
Gradientní mnohovidov{ vl{kna jsou vl{kna, kde není na rozhraní j{dro-pl{šť skokov{ změna indexu lomu, ale index lomu se v j{dře mění plynule (parabolicky). Maxim{lní hodnota indexu lomu je v ose vlnovodu. Důsledkem plynulé změny indexu lomu nast{v{ v j{dře nepřetržitý lom světla. Na plynule se měnící index lomu se lze dívat jako na soustavu několika vrstev s různými indexy lomu. Podle této představy lze jednoduše zakreslit trajektorii paprsku. Tato vl{kna dosahují lepších parametrů než vl{kna se skokovou změnou (nedoch{zí ke zpoždění různých vidů). V místech, kde je menší index lomu je větší rychlost paprsku a tedy se zpoždění dané delší drahou vyrovn{v{.
n
2.3 Buzení vlnovodů Zdrojem paprsků pro vlnovody jsou luminiscenční diody - LED laserové diody – jsou speci{lní diody typu LED s rezonanční dutinou, které zaručují rovnoběžnost paprsků. lasery – jsou zdrojem kolimovaných (rovnoběžných) koherentních (souf{zových) a monochromatických (jednobarevných – jedné vlnové délky) paprsků jiné vlnovody Paprsky zdroje je nutné nav{zat na vlastní vlnovod. K tomu se využív{
fokusace - pomocí čoček nebo vl{kna se zaobleným koncem. Použív{ se u buzení vl{kna diodami typu LED nebo u vazby mezi vlnovody. - Buzení do čela vl{kna čočka zdroj vlnovod -
NAhranolový vazební člen – vazební hranol. Zde doch{zí k tot{lnímu odrazu Hranol J{dro vl{kna Index lomu j{dra
na spodní hraně hranolu je č{stečný odraz n = 1,32 až 1,40
Ve vlnovodech (tedy i v optických vl{knech) použív{ sign{ly o frekvencích pohybujících se v oblasti infračerveného světla. Jejich vlnové délky jsou v p{smech 850nm 1300nm 1550nm
2.4 Detekce Pro detekci světla se používají fotodiody, které přeměňují fotony (světlo) na elektrický proud. Používají se tyto druhy fotodiod. PN – při dopadu fotonu na přechod se uvolní dvojice n{bojů, kter{ se zesílí. Vhodné pro p{smo 850nm. PIN – jsou PN fotodiody doplněné čistou (intrinsickou) vrstvou. Jsou vhodné pro vlnové délky 1310 a 1550nm. ADP – Avalanche Photodiode – lavinové fotodiody. U těchto diod je energie uvolněných elektronů po dopadu tak velk{, že způsobí lavinovité šíření – ionizaci přechodu. Jsou citlivější a proto se používají na koncích dlouhých linek (kde je menší energie přen{šeného sign{lu).
2.5 Vlastnosti vlnovodů Pro výběr vlnovodů pro dané aplikace je nutné zn{t jejich vlastnosti. Nejdůležitější vlastnosti jsou: Numerick{ apertura NA – m{ hodnotu sin , kde je maxim{lní úhel, pod kterým lze přivést paprsek na čelo vlnovodu (vl{kna), aby uvnitř vlnovodu (vl{kna) nastal ještě tot{lní odraz.
Útlum – omezuje velikost přen{šeného výkonu a vznik{ ztr{tami na ohybech (některé paprsky se mohou dostat ven z vl{kna) vazebními ztr{tami (při buzení, navazov{ní vlnovodů, znečištění, nerovnost ploch, úhlov{ odchylka vl{ken, nesouosost, …) rozptylem na defektech (poruch{ch ve struktuře) vl{kna absorpcí (zahřív{ní iontů, ..). Disperze – časový rozptyl - jejím důsledkem je zkreslení a rozšíření výstupního sign{lu a tím je i omezena rychlost přenosu dat. Disperze je zapříčiněna různou rychlostí, frekvencí a různou délkou optické dr{hy v optickém prostředí. Disperzi dělíme na chromatickou (barevnou) disperzi – kter{ je způsobena rozdílným indexem lomu optického prostředí pro různé vlnové délky (tj. barvy světla) a tedy různou rychlostí šíření u jednotlivých vlnových délek (barev světla). Obecně je totiž rychlost světla v prostředí z{visl{ i na vlnové délce. vidov{ disperze – vznik{ různou délkou optické dr{hy u jednotlivých vidů, tedy různou dobou šíření ve vl{kně (viz mnohovidov{ vl{kna). Velikost dr{hy (směr dr{hy) z{visí na úhlu, s jakým paprsek vstupuje do vl{kna. U mnohovidových vl{ken je těchto vstupních úhlů více. U gradientních vl{ken je díky proměnnému indexu lomu n j{dra vl{kna tato disperze č{stečně potlačena. Na okraji j{dra vl{kna je index lomu menší, a tedy je větší rychlost paprsku než ve středu j{dra. Tím se kompenzuje kratší optick{ dr{ha paprsku jdoucí středem vl{kna.
2.6 Měření vlnovodů a měřící přístroje U optických vl{ken se měří útlum vlastního vl{kna útlum spojení (vzniklý na vazebních členech) zpoždění (pro různé frekvence) nehomogenity (pomocí odrazů, rozptylu a pod) Všechna měření z{visí na použitých přístrojích, metod{ch měření a v neposlední řadě i na lidském faktoru. Velmi důležitým parametrem měření je rozlišovací schopnost. Tuto vlastnost si vysvětlíme na měření nehomogenit. Měření nehomogenit Ž{dné vl{kno není vyrobeno bez kazů. Jednotlivé kazy jsou nehomogenity (odlišné struktury) uvnitř vl{kna. Vzhledem k tomu, že musíme najít nehomogenity po celém průřezu a kdekoli ve vl{kně musí se používat buzení vl{kna pod různými úhly. Tím jak bylo dříve vysvětleno vznik{ disperze a výstupní sign{ly jsou zkreslené a široké. Každ{ nehomogenita představuje rozhraní dvou prostředí, a tedy na ní vznik{ odraz, který se pro detekci vad sním{ na vstupu vl{kna. Z časového zpoždění výstupního sign{lu lze usuzovat na vzd{lenost poruchy
délka odezvy > 2 x Δ2
vlnovod
Čas t T Δ1 Δ2 Doba příchodu odezvy na 1. nehomogenitu je 2xT. Vzhledem k délce odezvy to ukončí se odezva v čase 2T+to . Přijde-li v této době další odezva splyne s první a nebude tedy vidět. To znamen{, je-li čas 2xΔ1< to není tato nehomogenita odhalena. Tedy rozlišovací schopnost je to/2. Jinými slovy: za nehomogenitou je mrtv{ zóna, kdy přístroj je zahlcen předchozí odezvou a tedy nemůže tuto oblast prověřit. Tyto zóny jsou vždy na poč{tku vl{kna a za nehomogenitou. Měřící přístroje Jsou univerz{lní - měří parametry a anylyzují vlnovod analyzují používaný protokol, tj. určují zda kabel je moment{lně použív{n testery které prov{dí měření pro jednotlivé vlnové délky. Dovedou testovat celou optickou trasu, prov{dět výkonov{ a útlumov{ měření.
2.7 Ot{zky
Nakreslete profily jednotlivých druhů vlnovodů a určete indexy lomu jednotlivých č{stí vlnovodu.. Co je to vlnovodn{ optika? Vysvětlete pojen Fresnelův a tot{lní odraz. Šíří se paprsek odrazy v jednovidovém vl{kně. Zdůvodněte. Co se děje s parskem a energií parsku, který se l{me u tot{lního odtrazu pod úhlem 90o. Jak{ je výhoda gradientních vl{ken. Co je to LED dioda? Co je to koherentní světlo? Jaké jsou způsoby buzení vlnovodů? Popište je. Co je to optický hranol? Jaké m{ vlastnosti? Je možné budit optické vl{kno několika sign{ly o stejné frekvenci? Zdůvodněte. Co je to PN a PIN fotodioda. Popište princip detekce světla. Jak{ jsou frekvenční p{sma používan{ ve vlnovodech? Jak souvisí vlnov{ délka světla s barvou světla a frekvencí světla. Je rychlost světla konstantní ve všech prostředích? Zdůvodněte. Co je to numerick{ apertura? Co způsobuje snižov{ní amplitudy světla ve vlnovodu? Souvisí přen{šený výkon sign{lu s jeho intenzitou optického? Co je to disperze světla a co nehomogenita vlnovodu?
Co je to rozlišovací schopnost měřiče kabelů a jak se zjistí?
