glasvezel optica

Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde

1

Glasvezel opticaGlasvezel optica

•Geschiedenis

•Systeem overzicht

•Propagatie

•Modi

•Vezwakking

•dispersie

•Geschiedenis

•Systeem overzicht

•Propagatie

•Modi

•Vezwakking

•dispersie

F.L. Pedrotti & L.S. Pedrotti: Introduction to Optics, Hoofdstuk 24


2

John Tyndall : 1854John Tyndall : 1854

Een waterstroomgeleidt licht

water

zonlicht


3

William Wheeler : 1881William Wheeler : 1881

Licht distributie door middelvan licht pijpen ten behoevevan verlichting in een gebouw.Het belang van de pas uitge-vonden lamp wordt nog niet Ingezien.

U.S. 247.229


4

Alexander Graham Bell : 1880Alexander Graham Bell : 1880

(Tele)communicatiem.b.v licht (200 m)


5

Van Heel : 1954Van Heel : 1954

A.C.S. Heel: Nature 173, 39 (1954)Invention of cladding fibers.

H.H. Hopkins & N.S. Kapani, Nature 173, 39 (1954) Fiberscope


6

Kao : 1966Kao : 1966

K.C. Kao & G.A. Hockham,Proc. IEE 113, 1151 (1966).Dielectric-fibre surface waveguides forOptical frequencies.

Fibre core: 0 Fibre diameter : >>0 Losses : < 20 dB/km


7

LinksLinks

Commercieel:Telebyte primer: http://telebyteusa.com/foprimer/foprimer.htmLascomm: http://www.lascomm.com/tutorial.htm#intNewport:http://www.newport.com/Photonics/Fiber_Optics/Tutorial/Tutorial/index.htmlTestmark:http://www.testmark.com/develop/fiber/fiberoptic.htmlSchott: http://www.schottfiberoptics.com/home.html

Non profit IEC: http://www.iec.org/tutorials/fiber_optic/index.htmlRutgers:http://morgan.rutgers.edu/HTMLdocs/physics_modules/Lightwave_comm/Light_home_page.html#Home pageCord: http://cord.org/cm/leot/Module8/module8.htm

Commercieel:Telebyte primer: http://telebyteusa.com/foprimer/foprimer.htmLascomm: http://www.lascomm.com/tutorial.htm#intNewport:http://www.newport.com/Photonics/Fiber_Optics/Tutorial/Tutorial/index.htmlTestmark:http://www.testmark.com/develop/fiber/fiberoptic.htmlSchott: http://www.schottfiberoptics.com/home.html

Non profit IEC: http://www.iec.org/tutorials/fiber_optic/index.htmlRutgers:http://morgan.rutgers.edu/HTMLdocs/physics_modules/Lightwave_comm/Light_home_page.html#Home pageCord: http://cord.org/cm/leot/Module8/module8.htm


8

(Tele) Communicate – systeem overzicht(Tele) Communicate – systeem overzicht

CoderingModulatie

Lichtbron

Laser/LED

detector

DecoderingDemodulatie

ADC

DAC


9

Kritische hoek en numerieke apertuurKritische hoek en numerieke apertuur

n1

n2

n1

n2

c

m

12 1sin ( / )c n n

n0

n0 m’

0 1sin sinm mn n

2

1

sin c

n

n

090m c 2 20 1 1 2. . sin cosm cN A n n n n


10

n1

n2

Ls

d

’

n0

2

1

0

cot 1sins

nL d d

n

PropagatiePropagatie

n0 = 1, n1 = 1.60, = 300 en d = 50 m Ls=152 m, dat is 6580 keer reflecteren per meter

’


11

Totale interne reflectie

n2

n1

2

1

1 2

2 1

sin

sin

n

n

2

1

sin c

n

n

n2

n1

c


12

Helmholtz vergelijking

BE

t

Faraday:

Ampère:

D

H jt

HE

tRotatie van rotatie = gradient van divergentie – divergentie van gradient

22

2

EE E

t

geen stroom!

E

Ht

= 0 geen ladingen!

2

22

0E

Et


13

golf vergelijking

2

22

0E

Et

2 2 0E k E

2

2 22

( ) 0E

k Ex

2

20 2( , ) ( )i t E

E E x z e i Et

Monochromatisch licht:

2

2 22

( )nk

c Golf vector

2

( ) 20 2( ) ( )i z t E

E E x e i Ez

Voortplanting in z-richting is propagatie constante


14

2 dimensionale golfgeleider

n1t

n3

n2 x

z

TE modes: Electrisch veld in y-richting: Ey

n1 > n2, n3

2

3

0

0

0

2 : ( )

2 2 : ( )

2 : ( )

x x

x

ik x ik x

x

x t E x Ae

t x t E x Be Ce

x t E x De

2

2 2 22 2 2

nc

2

2 2 23 3 2

nc

2

2 2 21 2xk n

c


15

Rand voorwaarden

Elektrisch veld, E, en zijn afgeleide, dE/dx, zijn continue

2

2

2 2 2

2 2 22

2 : x x

x x

t ik t ik t

t ik t ik tx x

x t Ae Be Ce

A e Bik e Cik e

3

3

2 2 2

2 2 23

2 : x x

x x

t ik t ik t

t ik t ik tx x

x t De Be Ce

D e Bik e Cik e

2

3

/ 2 / 22

/ 2 / 22

1/ 2 / 2/ 2

/ 2 / 23

1

1

x x

x x

x x

x x

ik t ik tt

ik t ik tx x

ik t ik tt

ik t ik tx x

e eAe

ik e ik e

e ee D

ik e ik e


16

Discrete oplossingen: modi

Twee lineaire, homogene vergelijkingen voor A en D. A en D kunnen geëlimineerd worden: 1 vergelijking waarkx, 3 en 2 aan moeten voldoen.

3 3

2 2

sin( ) cos( ) cos( ) sin( )xx x x x

x

kk t k t k t k t

k

3 2

12 133 2

tan( ) tan( )1

x xx

x x

k kk t

k k

12 13 0,1,2xk t m m

Voor elke m een vergelijking voor !

2212

( )x

nk

22 2

( ) ii

n

11 ( ) tan [ ( ) / ( )]i i xk


17

Nulde orde benadering

Bij de laagste orde modi valt het veld sterk af in de opsluitlagen:

2 3 12 13, , ( 1)2 xk t m

2 2

12 ( 1)n m

t

Bij de hoogste orde mode valt het veld bijna niet af in de opsluitlagen en is propagatie constante zeer klein:

12 13 max

1

, 0 t m

20

x

x

k

nk

1

max

2n tm


18

Effectieve brekinsindex

2effn

Voor laagste mode, m = 0: 1effn n

1effn nVoor alle modes:

n1n2n30

neff

n1

n2

n3


19

VerliezenVerliezen

Lambert Beer: 0LI I e

Verzwakking in decibels: 10 1

2

110 logdB

I

L I

Stel = 3 dB/km dan is na 1 km het optisch vermogen gedaald met een factor 10-0.3=0.5

Verliezen door:•Microdefecten aan oppervlak•Scherpe bochten in de fiber•Koppeling tussen fibers•Absorptie•Licht verstrooiing (variatie in brekingsindex)

L

I2I1

c c


20

AbsorptieAbsorptie

100

10

1

0.1

0.011 10

Absorptie vanglas in hetInfrarood

Golflengte (m)

Absorptie van glas in het ultraviolet

Ver

zwak

king

(db

/km

)

Licht verstrooiing

totaal

OH absorptie

Twee “ideale”golflengtes: 1.30 m en 1.55 m


21

Glas versus kunstofGlas versus kunstof

Kunstof:GoedkoopGrote verliezen


22

Modale dispersieModale dispersie

Er is een looptijd verschil voor verschillende modi

A Bl

l’ c

2

1

sin c

n l L

n l L

1max min

2

( 1)L L L n

v v v n

1 1 2

2

n n n

L c n

Voor step-index fiber:

Kern: n = 1.46Opsluiting : n = 1.45

34ns/kmL


23GRIN fiberGRIN fiber

n2n0

2ar

n0

n1

n2

n0

2arn1

n2 n1

n2

n

n

2

( ) 1 2r

n ra

1 2 1/n n n

21

2

n

L c

Afname met factor /2!

Graded index fiber


24

Golflengte afhankelijkheidGolflengte afhankelijkheid

1 1.60.41.44

1.47

1.45

1.46

Golflengte (m)

Dispersie van kwarts

brek

ings

inde

x

1

2

Lichtbron metspectrale breedte

( )( )gr

L

v

gr

dv

dk

1 1dk dn dnn n

d c d c d


25

Materiaal dispersieMateriaal dispersie

2

2

1

gr

d d k d dk

L d v d d d

1 1dk dn dnn n

d c d c d

2

2

d nM

L c d

M (

ps/n

m-k

m)

200

100

0

-50

50

150

0.8 1.0 1.2 1.4 1.6Golflengte (m)

Laser diode(@800nm):Golflengte variatie: 1 nmDoorlooptijd verschillen:

0.11 ns/km


26

preformpreform

O2

SiCl4 GeCl4 BCl3

Kwarts buis

Regel kast

O2

Cl2

Bij het aanmaken van SiO2

worden er verontreinigen toegevoegd om de brekingsindex te variëren

1000 – 1500 0C

Na “collapse” : doorsnee: 5 cmlengte: 30 cm


27

Fiber trekkenFiber trekken

coaterdiameter monitor

oven

trekspoelen

draaitrommel

preformVerticaleverplaatsing

glasvezel optica

Documents