Περιεχόμενα διάλεξης

Transcript

1 η Διάλεξη Οπτικές ίνες Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. Περιεχόμενα διάλεξης Εισαγωγή στις οπτικές ίνες Κατασκευή οπτικών ινών Ανάλυση οπτικών ινών βηματικού δείκτη διάθλασης Γεωμετρική οπτική Τρόποι διάδοσης Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. Page

2 Εισαγωγή Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. 3 Ιστορική αναδρομή 854: Επίδειξη ολικής εσωτερικής ανάκλασης 90: Ανάλυση διηλεκτρικού κυματοδηγού (Δ. Χόνδρος, P. Debye) 90: Κατασκευή οπτικών ινών χωρίς μανδύα 950: Κατασκευή οπτικών ινών με μανδύα 966: Πρόταση για Τ/Ε χρήση οπτικών ινών 970: Οπτικές ίνες με εξασθένηση 0 db/km 979: Οπτικές ίνες με εξασθένηση 0. db/km σε μήκος κύματος.55 μm Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. 4 Page

3 Οπτικές Ίνες Not to scale! ΠΥΡΗΝΑΣ ΜΑΝΔΥΑΣ ΠΡΟΣΤΑΤΕΥΤΙΚΗ ΕΠΙΚΑΛΥΨΗ Ένας κυλινδρικός πυρήνας με δείκτη διάθλασης n περιβάλλεται από ένα μανδύα με ελαφρώς μικρότερο δείκτη διάθλασης (n < n ). Η οπτική ίνα προστατεύεται με διάφορα στρώματα επικάλυψης. Το φώς περιορίζεται στον πυρήνα της ίνας λόγω της ολικής ανάκλασης (total internal reflection (TIR)) στην επιφάνεια μεταξύ του πυρήνα και του μανδύα. Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. 5 Οπτικές Ίνες Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. 6 Hua Eng Group Page 3

4 Κατασκευή Οπτικών Ινών John Tyndal, 854 Το νερό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να καθοδηγούμε το φώς Αλλά δεν είναι πολύ πρακτικό!! Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. 7 Οπτικές ίνες από γυαλί είναι καλύτερη ιδέα... Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. 8 Page 4

5 Κατασκευή Οπτικών Ινών Τα υλικά που χρησιμοποιούνται για να κατασκευαστούν οι οπτικές ίνες πρέπει να είναι: Ευλύγιστο και ικανό να παράγει μακριές, λεπτές και ομοιόμορφες ίνες Flexible and capable of producing long, thin and uniform fibers Διαφανή στα οπτικά μήκη κύματος Τransparent at the optical wavelengths Με παρόμοιο δ.δ. για τον πυρήνα και μανδύα Available in a range of similar refractive indices for core and cladding Περιβαλλοντικά σταθερές Be environmentally stable Πιθανά υλικά είναι: πλαστικό και γυαλί. 50 εκατομμύρια χιλιόμετρα οπτικές ίνες κατασκευάζονται κάθε χρόνο Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. 9 Γυαλί Διοξείδιο του πυριτίου (Silica (SiO )) είναι το πιο συνηθισμένο υλικό για γυάλινες ίνες (n =.458 στα 850 nm) Θυμάστε ότι ο δ.δ. του πυρήνα πρέπει να είναι ελαφρώς μεγαλύτερος από τον δ.δ. του μανδύα Διαφορετικές τιμές του δ.δ. μπορούν να επιτευχθούν με το να νοθεύουμε το Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. 0 διοξείδιο του πυριτίου με διάφορα οξείδια Page 5

6 Δείκτης Διάθλασης αλλάζει με το να αλλάζουμε την συγκέντρωση του νοθεύματος (dopant concentration): n.47 GeO P O F B O Dopant concentration (mole%) Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. Γυαλί Glass is not a crystalline solid and it is not a liquid. A crystal is made of atoms which are arranged in a unit cell. This unit cell is repeated in all three directions. This order is retained over long atomic distances: it is referred to as long range order. A liquid on the other hand lacks this order: the atoms are not rigidly bound to each other and they "flow" in the material. A liquid has no order. Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. Page 6

7 Γυαλί Glass is an amorphous or non-crystalline solid: it is in a state between the crystalline state and the liquid state. It does not have the long range order of crystals but it is not a liquid either. The atoms in the glass are bound to each other but they lack the long range order. However, locally they can be ordered and possess a short range order. Glass is sometimes defined as being a supercooled liquid Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. 3 Κατασκευή Οπτικών Ινών από γυαλί There are two main methods of glass fiber production: Vapour-phase oxidation (VPO): this is used to make a preform, from which the fiber is then drawn Direct-melt method: the fiber is drawn directly Direct melt method In direct melt, multicomponent glass rods form the fiber structure These combine in a molten state to form the fiber core and cladding Most common direct-melt process is the double-crucible method Molten rods are combined into a single preform using two concentric crucibles Can only make step-index fibers This is a continuous process, which can therefore produce very long fibers Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. 4 Page 7

8 Double crucible (direct-melt) method Core melt Platinum crucibles Heat from furnace Cladding melt Drawn fiber Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. 5 Preform production using IVD (inside vapour deposition) Modified chemical vapour deposition (MCVD) and plasma chemical vapour deposition (PCVD) are two main IVD methods. In MCVD, a flame is used to heat reaction zone, while PCVD uses a plasma. PCVD can make as much as 50 km of fiber. Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. 6 Page 8

9 Preform production using IVD (inside vapour deposition) Widely used technique, can make very low loss graded index fibres. Glass vapour particles flow through the inside of a revolving tube. Silica soot is deposited inside a hollow fused silica tube, with waste gases being pumped out. The preform is deposited layer by layer starting first with the cladding layers and followed by the core layers. Varying the mixture of gases changes the refractive index of the glass A final heating stage (000 0 C) is used to collapse the tube into a preform Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. 7 Preform production using IVD (inside vapour deposition): Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. 8 Page 9

10 All these deposition techniques produce preforms. These are typically m long and have a cm diameter but these dimensions vary with the manufacturer. The preform is one step away from the thin optical fiber. This step involves a process called drawing. Australian Photonics CRC Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. 9 fiber preform Furnace The consolidated glass rod produced by VPO is used as a preform in fiber drawing: Drawn fiber Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. 0 Page 0

11 Glass preform being fed into a fiber drawing furnace Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. A typical fiber drawing tower Drawing & thickness control Preform heating Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. Page

12 A typical drawing tower, a few stories high... Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. 3 Τράβηγμα της ίνας (Drawing of fiber): Jean-François L'haire, Université de Genève Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. 4 Page

13 Η οπτική ίνα που φαίνεται μπροστά μπορεί να μεταφέρει τον ίδιο αριθμό πληροφοριών με τα καλώδια χαλκού που φαίνονται πιο πίσω Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. 5 Εγκάρσια τομή οπτικής ίνας Μονότροπη Πολύτροπη Ανθρώπινη τρίχα Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. 6 Page 3

14 Χαρακτηριστικά μεγέθη Γεωμετρικά χαρακτηριστικά a = Ακτίνα πυρήνα b = Ακτίνα ντύματος Κανονικοποιημένη μεταβολή δείκτη διάθλασης n n Δ= n Αριθμητικό άνοιγμα NA = n n Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. 7 Ίνα βηματικού δείκτη διάθλασης Ακτινική μεταβολή δείκτη διάθλασης n r < a nr () = n r a Τυπικές τιμές Δ = - % n = Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. 8 Page 4

15 Ίνα βαθμιαίου δείκτη διάθλασης Ακτινική μεταβολή δείκτη διάθλασης x r n Δ r < a a nr () = n r a Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. 9 Ανάλυση οπτικών ινών βηματικού δείκτη διάθλασης Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. 30 Page 5

16 Προσεγγιστική περιγραφή βάσει γεωμετρικής οπτικής Ισχύει όταν η ακτίνα του πυρήνα a >> λ Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. 3 Νόμος του Snell θ = θ i r n sinθ = n sinθ i t Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. 3 Page 6

17 Διάδοση φωτεινών ακτίνων Ι Διαχωριστική επιφάνεια αέρα-πυρήνα n n sinθ = n sinθ 0 0 n 0 θ a φ θ φ n Διαχωριστική επιφάνεια πυρήνα-ντύματος n sinφ = n sinφ Συνθήκη ολικής εσωτερικής ανάκλασης θ 0 n n sinφc = n φc = sin n Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. 33 Μετάδοση μέσα σε μια ιδανική οπτική ίνα βηματικού δείκτη διάθλασης Refracted ray n Cladding n > n > n 0 θ φ Reflected ray Air n 0 θ 0 Core n n Cladding Δεν μεταδίδεται; φ < κρίσιμη γωνία στην επιφάνεια πυρήνα-μανδύα Μεταδίδεται με συνεχείς ολικές ανακλάσεις στην επιφάνεια πυρήνα-μανδύα; θ 0 είναι η γωνία αποδοχής (acceptance angle). δ.δ πυρήνα> δ.δ. μανδύα Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. 34 Page 7

18 Διάδοση φωτεινών ακτίνων ΙΙ φ n Μέγιστη επιτρεπτή γωνία διαθλώμενης ακτίνας π θr = φc n 0 θ a θ 0 θ φ n Μέγιστη επιτρεπτή γωνία προσπίπτουσας ακτίνας n sinθ = n sinθ = n cosφ = n sin φ 0 a r c c sinθ a = n n = NA Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. 35 Αριθμητικό Άνοιγμα (Numerical aperture (NA)) σε μια οπτική ίνα βηματικού δείκτη διάθλασης Air n 0 n 0 sin θ 0 = n sin θ θ 0 Cladding n θ φ C θ φ = π + C n sin φ = n C Core n Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. 36 Page 8

19 n 0 sin θ = 0 = n n = n = n = n = sin θ sin ( π φ ) cos φ n sin n n n C φ C C Αυτή η εξίσωση μας δίνει το Αριθμητικό Άνοιγμα (Numerical aperture (NA)) σε μια οπτική ίνα βηματικού δείκτη διάθλασης θ 0 Cladding n θ φ C θ φ = π + C n sin φ = n C Core n Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. 37 NA = n sin θ 0 0 = n n n > n, => NA < NAδεν έχει μονάδες NA συσχετίζεται με την μέγιστη γωνία αποδοχής (θ 0 max ) Όσο πιο μεγάλο το ΝA, τόσο πιο εύκολο είναι να εισαγάγουμε φώς μέσα στην οπτική ίνα. Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. 38 Page 9

20 Αριθμητικό παράδειγμα Ι Αριθμητικά δεδομένα n =.46 Δ = % Λύση (ίνα με ντύμα) n = n ( Δ ) =.45 c sin ( ) 8.9 φ = Δ = π θr = φc = 8. NA = n Δ = 0.06 a sin.9 θ = NA = Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. 39 Αριθμητικό παράδειγμα ΙΙ Λύση (ίνα χωρίς ντύμα) n c = sin (/ n ) 43. φ = = π θr = φc = 46.8 NA = n Δ = a θ = sin NA = 90 Συμπέρασμα: Είναι πολύ πιο εύκολη η σύζευξη φωτός σε ίνα χωρίς ντύμα (αλλά...) Γ. Έλληνας, Διάλεξη, σελ. 40 Page 0