15. Seminar Optične Komunikacije Laboratorij za Sevanje in Optiko Fakulteta za Elektrotehniko Ljubljana, 30.jan - 1.feb 2008 Osnovne omejitve svetlobnega vlakna Matjaž Vidmar
Seznam prosojnic: Slika 1 Dielektrični valovod. Slika 2 Snovno slabljenje. Slika 3 Numerična apertura. Slika 4 Mnogorodovna disperzija. Slika 5 Gradientno vlakno G.651. Slika 6 Enorodovno vlakno G.652. Slika 7 Rezonance snovi in skupinska zakasnitev. Slika 8 Snovna in valovodna disperzija. Slika 9 Disperzijsko-premaknjeno vlakno G.653. Slika 10 Jakost polja in gostota moči. Slika 11 Nelinearni pojavi v steklu. Slika 12 Vlakna z neničelno disperzijo G.655. Slika 13 Širokopasovna vlakna G.656. Slika 14 Polarizacijska disperzija. Slika 15 Močno-dvolomno PANDA vlakno. Slika 16 Krivinsko slabljenje vlakna. Slika 17 Krivinsko slabljenje vlaken G.657. Slika 18 Sklop izvora in detektorja. Slika 19 Tabela enorodovnih vlaken. Slika 20 Primerjava omejitev svetlobnih vlaken.
pogoj za popolni odboj: Θ > arcsin(n 2 /n 1 ) dielektrična obloga n 2 popolni odboj popolni odboj Θ dielektrično jedro n 1 žarek žarek d popolni odboj debelina obloge d >> λ za majhne izgube Slika 1 Dielektrični valovod.
nečistoče (OH - ) slabljenje Rayleigh UV rezonance IR rezonance Slika 2 Snovno slabljenje.
NA = sin(α) = sqrt(n 1 2 -n 2 2 ) n 2 α lom popolni odboj žarek n 1 n 2 žarek enorodovna steklena NA 0.1 mnogorodovna steklena NA 0.2 Slika 3 Numerična apertura. mnogorodovna plastična NA 0.5
n 1 n 2 l P(t) P(t) t l cikcak = l*n 1 /n 2 t sredinski žarek: t 1 = l*n 1 /c 0 cikcak žarek: t 2 = t 1 *n 1 /n 2 = l*n 12 /n 2 razlika: Δt = t 2 -t 1 = l*(n 1 /n 2-1)*n 1 /c 0 zgled: l = 50km, Δn/n = 1% >>> Δt = 2.5μs Slika 4 Mnogorodovna disperzija.
x n 2 dielektrična obloga n 2 SiO 2 n 1 (x) +GeO 2 (x) gradientno jedro n 1 osrednji žarek vijugajoči žarek d jedra n 2 n(x) ITU G.651: d = 125μm, d jedra = 50μm NA max = 0.2, B = 200-2000MHz.km Δt gradientni Δt stopničasti *Δn/n, l = 50km >>> Δt = 25-250ns Slika 5 Gradientno vlakno G.651.
obloga n 2 SiO 2 (+F 2 ) d jedra žarek jedro n 1 SiO 2 +GeO 2 pogoj za enorodovnost: d jedra (2.405*λ)/(π*NA) ITU G.652: λ 1.25um NA = 0.1, d jedra 9.5μm Slika 6 Enorodovno vlakno G.652.
skupinska zakasnitev t g UV rezonance IR rezonance minimum t g λ 1.0μm 1.1μm 1.2μm 1.3μm 1.4μm 1.5μm Slika 7 Rezonance snovi in skupinska zakasnitev.
20 disperzija D [ps/nm.km] steklo vlakno G.652 10 0 λ 1.1μm 1.2μm 1.3μm 1.4μm 1.5μm 1.6μm -10 valovod G.652: D 2ps/nm.km @1.3μm, D 17ps/nm.km @1.55μm λ = 1.55μm, Δλ = 1nm, l = 50km >>> Δt 850ps Slika 8 Snovna in valovodna disperzija.
Slika 9 Disperzijsko-premaknjeno vlakno G.653.
enorodovno vlakno A= 70μm 2 gostota moči: S = P / A A = 70μm 2 jakost polja: E = sqrt( 2*S*Z 0 /n ) Z 0 = 377Ω, n = 1.46 P=1mW >>> S=14.3MW/m 2 (1.43kW/cm 2 ) E=86kV/m (860V/cm) P=100mW >>> S=1.43GW/m 2 (143kW/cm 2 ) E=860kV/m (8.6kV/cm) Slika 10 Jakost polja in gostota moči.
nelinearni lomni količnik: n = n 0 + n 2 *S SiO 2 : n 0 = 1.46, n 2 = 3.2*10-20 m 2 /W (lastna) fazna modulacija: Δφ = Δn*k 0 *l P=100mW >>> S=1.43GW/m 2 >>> Δn = n 2 *S = 4.58*10-11 l=50km, λ 0 =1.55μm, Δφ = Δn*(2*π/λ 0 )*l = 9.3rd jakost signal P=1mW Brillouinovo sipanje Δf=11GHz jakost signal P=100mW Ramanovo sipanje Δf=13THz B=10MHz f B=30THz f (λ 0 =1.5μm) f 0 =200THz Slika 11 Nelinearni pojavi v steklu. (λ 0 =1.5μm) f 0 =200THz
Slika 12 Vlakna z neničelno disperzijo G.655.
Slika 13 Širokopasovna vlakna G.656.
Δt PMD zakasnitev vlakno s PMD (majhna dvolomnost) Δt = D P * sqrt(l) (Maxwell-ova porazdelitev) D P 3ps/ km (stari kabli) D P 0.1ps/ km (novi kabli) l = 50km >>> Δt 21ps (stari), Δt 0.7ps (novi) Slika 14 Polarizacijska disperzija.
pritisk pritisk 125μm jedro B 2 O 3 GeO 2 B 2 O 3 obloga SiO 2 Slika 15 Močno-dvolomno PANDA vlakno.
pahljačaste valovne fronte sevanje! pogoj za vodenje valovanja: sredica λ 1 < λ < λ 2 obloga Enorodovno G.652: odporno na krivine pri λ = 1.3μm, visoke izgube na krivinah pri λ > 1.6μm Slika 16 Krivinsko slabljenje in vlakna G.657.
Vlakna G.657: odporna na krivine tudi pri λ = 1.6μm tip A združljiv z G.652 tip B za napeljavo v zgradbah G.652D Slika 17 Krivinsko slabljenje vlaken G.657.
nekoherentni izvor (LED) mnogorodovno vlakno sklopni izkoristek η = 1-3% nekoherentni izvor (LED) enorodovno vl. sklopni izkoristek η = 0.1-0.2% koherentni izvor (laser) leča enorodovno vl. sklopni izkoristek η = 30-70% enorodovno vl. fotodioda sklopni izkoristek η = 50-90% Slika 18 Sklop izvora in detektorja.
Slika 19 Tabela enorodovnih vlaken.
razširitev impulza @ l = 50km mnogorodovna disperzija stopničasto gradientno Δt = 2.5μs Δt = 25-250ns barvna disperzija Δλ = 1nm polarizacijska disperzija G.652 @ λ=1.3μm Δt 100ps G.652 @ λ=1.55μm Δt 850ps G.652 stari Δt 21ps G.652 novi Δt 0.7ps P MAX 100mW (Raman in nelinearni n) P MAX 1mW (Brillouin v ozkopasovnih komunikacijah) Slika 20 Primerjava omejitev svetlobnih vlaken.