Šviesolaidžiai Tadas Balčiūnas.

Παρουσίαση με θέμα: "Šviesolaidžiai Tadas Balčiūnas."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Šviesolaidžiai Tadas Balčiūnas

2 Turinys Įvadas Teorija Skaidulų tipai Signalo slopinimas ir nuostoliai
Keli istoriniai faktai Teorija Savybės Sandara Veikimo principas Skaidulų tipai Daugiamodžiai Vienmodžiai Poliarizaciją išlaikantys Signalo slopinimas ir nuostoliai Gamyba, kabeliai, sujungimai, pritaikymas Ateities perspektyvos

3 Kas, kaip ir kada? Bangolaidžio su apvalkalu konstrukcija pasiūlyta 1954 m. Eksperimentai panaudoti švisolaidžius komunikacijose prasidėjo 1960 m 1970 slopinimas sumažintas iki 20dB/km Per 30 metų nuo mažo slopinimo skaidulų išradimo nutiesta ~ 300 mln. km kabelio Daugiausia naudojama telekomunikacijose 20dB/km slopinimo skaidula gali pernešti kartų daugiau informacijos nei varinis laidas.

4 Ar jau užtenka greičio? IP Traffic Volume is Growing Exponentially
Relative Capacity IP Traffic Volume is Growing Exponentially

5 Savybės Didelis šviesos nešantysis dažnis leidžia perduoti didelį informacijos kiekį Dideli atstumai Nebijo trikdžių Pigu pagaminti

6 Sandara Šerdis Apvalkalas Apsauginis sluoksnis
* Šerdis optiškai tankesnė nei apvalkalas * Apvalkalas sklaido šviesą, patekęs į jį spindulys greit virsta šiluma. * Apsauginis sluoksnis apsaugo nuo mechaninių pažeidimų

7 Veikimo principas Bangos sklidimas paaiškinamas paprasta geometrine optika ir visiško atspindžio dėsniu

8 Skaidulų tipai Daugiamodės Vienmodės Poliarizaciją išlaikančios
Laiptinio lūžio rodiklio Gradientinio lūžio rodiklio Vienmodės Poliarizaciją išlaikančios

9 Laiptinis šviesolaidis
r n Palyginus didelė šerdis, standartinis dydis: 62.5μm Lūžio rodiklio profilis laiptelio formos Spinduliai skirstomi į meridianinius ir įstrižinius Lūžio rodiklio profilis Spindulio trajektorija laiptiniame šviesolaidyje a)Meridianiniai spinduliai b) įstrižieji spinduliai a) b) Meridianiniai - kerta centrinę ašį. Įstrižiniai brėžia laužtinę spiralę

10 Meridianiniai spinduliai
Nagrinėjant spindulių eigą patogu naudotis tik meridianiniais spinduliais Tokia aproksimacija praktiškai priimtina Trajektorija – ištisinė linija Θ 90°-Θ n2 n1 n0 α Meridianinio spindulio eiga Maksimalus spindulio kritimo į skaidulą kampas

11 Gradientinis šviesolaidis
Lūžio rodiklio profilis Šviesos rodiklis tolygiai mažėja į kraštus Mažesnė modų dispersija Spindulio trajektorija gradientiniame šviesolaidyje a)Meridianiniai spinduliai b) įstrižieji spinduliai a) b) * Spinduliai centru keliauja lėčiau dėl didesnio lužio rodiklio (centre jis didžiausias). Keliaujantys tam tikra spirale spinduliai pakračiose sklinda greičiau, bet nueina didesnį kelią. Ši savybė ir lemia mažesnę modų dispersiją nei laiptinio lūžio rodiklio skaidulose.

12 Modų dispersija Tai signalo išplitimas laike.
Θ 90°- Θ n2 n1 n0 α Tai signalo išplitimas laike. Dispersijos priežąstis: skirtingas spindulių nueitas kelias dėl nevienodo Θ kampo. Meridianinio spindulio trajektorija * Šviesos greitis šerdyje - c/n1 * Greitis max, kai kampas teta - 90 laipsnių ir min, kai visiško atspindžio. Spindulio greičio projekcija skaidulos ašyje Signalas nuėjęs L šviesolaidžio ilgio išplinta laike Δτ

13 Vienmodžiai šviesolaidžiai
Šerdis tokia plona, kad sklinda tik 1 moda Tipiški šerdies skersmenys: 5-10μm Nykstamai maža modų dispersija lyginant su daugiamodėmis skaidulomis * Pageidautina, kad apvalkalo ir šerdies lūžio rodikliai skirtųsi kuo mažiau. * Vienmodiškumo sąlyga priklauso nuo bangos ilgio. *Mažesnė modų dispersija - didesnė duomenų perdavimo sparta (svarbu telekomunikacijose).

14 Dispersija viemodėse skaidulose
Nelieka modų dispersijos Lieka chromatinė dispersija: Medžiagos - dėl lūžio rodiklio priklausomybės nuo bangos ilgio: Chromatinė – nes priklauso nuo bangos ilgio. Dm - Impulso trukmės padidėjimas vienetiniam ilgiui ir šviesos šaltinio spektro vienetiniam pločiui Grafikas – kvarcui.

15 Bangolaidinė dispersija
Bangolaidinė – modos sklidimo greičio kitimas priklauso ne tik nuo lūžio rodiklio kitimo.

16 Atkirtos bangos ilgio matavimas
Perduodama galia Tai toks bangos ilgis, kurį pasiekus skaidula tampa nebevienmodė. Nustatymo būdas: leidžiama kintamo bangos ilgio šviesa ir matuojama perduodamos šviesos galia Šviesolaidis yra vienmodis, kai λc < λ Kelių modų perduodama galia yra daug didesnė nei 1 modos. λc Bangos ilgis

17 Poliarizaciją išlaikantys šviesolaidžiai
Paprastame šviesolaidyje 1 poliarizacijos šviesa pereina į statmenai poliarizuotą modą. Poliarizaciją išlaikančios skaidulos skerspjūvis asimetriškas dviejų tarpusavyje statmenų ašių atžvilgiu. Elipsinė šerdis Elipsinis apvalkalas Šerdis Dėl šerdies formos c) ir d) dėl mechaninių įtempimų. a) Sunkiausia pagamint c) Sukuriamas ėsdinimo būdu. d) Į apvalkalą įterpiami borosilikato strypeliai “Peteliškė” “Panda” Įtempimus sukuriančios sritys

18 Modų dispersija skirtingose skaidulose
Didžiausia – daugiamodėj su laiptišku lūžio rodikliu Mažiausia – vienmodėj skaiduloj

19 Nuostoliai šviesolaidžiuose
Slopinimo koeficientas: Išlinkio nuostoliai daugiamodėse skaidulose: Išlinkio nuostoliai didėja mažėjant R. Rc ir C – konstantos. Smulkūs sulenkimai dėl prispaudimų lemia didesnius nuostolius. Daugiamodėse skaidulose atsiranda modų sąveika sulenkus skaidulą Sklaida atsiranda dėl to, kad stiklas yra ne vienalytis, amorfinis, atsiranda erdvinės lūžio rodiklio fliuktacijos. Kiekvienas nevienodumas yra taškinis nevienodumas. Sugertis susidaro dėl priemaišų arba OH jonų. Sklaida Sugertis

20 Lūžio rodiklio kitimas
Slopinimo parametrai Tipas Medžiaga Lūžio rodiklio kitimas l, (μm) Skersmuo (μm) Slopinimas dB/km Sparta MHz/km Multi-mode Stiklas Laiptiškas 800 62.5/125 5.0 6 850 4.0 Gradientiškas 3.3 200 50/125 2.7 600 1300 0.9 0.7 1500 85/125 2.8 400 1550 0.4 500 100/140 3.5 300 1.5 Plastikas 650 485/500 240 680 735/750 230 980/1000 220 PCS 790 200/350 10 20 Single-mode 3.7/80 ar 125 5/80 ar 125 2.3 1000 9.3/125 0.5 * 8.1/125 0.2

21 Kvarcinio šviesolaidžio gamyba
Svarbiausia – šerdies ir apvalkalo lūžio rodiklio skirtumas. Didina: TiO2, Al2O3, GeO2 Mažina: B2O3, F Ypatingai grynos medžagos

22 Cheminis dengimas iš garų fazės (modified chemical vapour deposition)
SiCl4 + O2  SiO2 + 2Cl2 GeCl4 + O2  GeO2 + 2Cl2 Gryno kvarco vamzdelio paviršius padengiamas legiruotu silicio sluoksniu. Danga susidaro vykstant cheminei reakcijai tarp vamzdeliu sklindančių garų komponentų ir deguonies. (Dažniausiai Naudojami SiCl4 ir GeCl4 garai). Taip gaunamas ruošinys ~1600oC Slenkantis šilumos šaltinis Kvarco vamzdelis Slenkantis šilumos šaltinis ~2000oC

23 Ašinis dengimas iš garų fazės (Vapour Phase Axial Deposition)
Sluoksnis auginams ant kvarco galo. Naudojamas gamint gradientinio lūžio rodiklio skaidulas Ruošinys sukamas, kad tolygiai pasidengtų Medžiaga gaunama porėta Tempimo greitis: ~2.5 mm/min. Kaitinama kameroj 1500oC temperatūroj ir užpildytoj SOCl2 ir O2 Pašalinami vandens garai: SOCl2 + H2O -> SO2 + Cl2 + H2 2SOCl2 + 2OH- -> 2SO2 + 2Cl2 + 2H2 Tipiški parametrai: Slopinimas: 0.5dB/km audojant 1.55m Dispersija 1ns/km

24 Ašiniu dengimu pagamintos skaidulos slopinimas

25 Plastikinės skaidulos
Šerdis PMMA (polymetilmetakrilatonn=1.495) Apvalkalas fluoralkilmetakrilato (n=1.402) (-) Dideli nuostoliai (-) Perdavimo atstumas – keli šimtai metrų (+) Pigūs (+) Paprasta montuoti Dažniausiai naudojami raudoni šviesos diodai (dėl didesnės galios) Stora šerdis - ~ 1mm Mažiausias teorinis slopinimas apie 10dB/km. Didelis skersmuo leidžia įleisto didelį šviesos kiekį, įleisti šivesą iš šivesos diodų. Paprasta montuoti – užtenka nupjauti peiliu. Pigios jungtys liejamos.

26 Skaidulos formavimas Ruošinys įkaitinamas, ištempiamas
Krosnis Lėtai slenka Storio matuoklis Iškaitinimo krosnis Būgnas Padengimo plastiku vonia Ruošinys įkaitinamas, ištempiamas Pamatuojamas jo storis Padengiamas plastiku Dar kartą pakaitinamas Skaidula suvyniojama

27 Optiniai kabeliai Plienininė kreipiamoji
Įklotai Plienininė kreipiamoji Skaidula Polimerinis apsauginis sluoksnis Skaidula ertmėje Plieninė kreipiamoji 5 mm

28 Neardomi sujungimai Suvirinami elektriniu lanku
(+) Mažesnis slopinimas (-) Mechaniškai silpnas Rėžtukas Skaidula Kreivas paviršius Kaitinama elektros lanku iki 2000 laipsnių – kvarco lydymosi temperaturos. Turi gerai sutapti. Nedidelius nesutapimus ištaiso paviršiaus įtempimo jėgos. Užmaunamas vamzdelis, poto priklijuojamas. Tina daugiamodėm ir vienmodėm skaidulom. Galai padaromi plokšti ir statmeni ašims, įdedama į V formos lovelį ir suvirinama. Šitaip skeliant, gaunamas ~1 laipnio nuokrypis nuo statmens. Skaidulos skėlimo būdas

29 Ardomi sujungimai (+) Patogu naudoti (-) Didesnis slopinimas
Jungtis su spindulių plėstuvu turi žymiai mažesnį slopinimą. Jungtis su spindulių plėstuvu

30 Nuostoliai sujungimuose
Frenelio – dėl atspindžio oro ir kvarco riboje ardomuose sujungimuose Dėl galų nesutapimo Nuostoliai vienmodėse skaidulose didesni dėl gerokai mažesnio skersmens. Išilginis Skersinis Kampinis Nesutapimo nuostoliai vienmodėse skaidulose didesni dėl gerokai mažesnės šerdies.

31 Lazeriniai diodai integruoti skaidulose
Privalumai: Maksimalus kiekis šviesos patenka į šviesolaidį Nereikia fokusuot spindulio, kad patektų į šviesolaidį. Gaunamas patgus nuotolinis šviesos šaltinis Lazerinių diodų skleidžiama šviesa besisklaidanti (divergent) Bit/s = hz 1550±20 nm, 1.5W, dažnis 560Mbit/s

32 Optinis reflektometras
Optinių parametrų matavimas iš vieno šviesolaidžio galo. Principas – grįžtančios šviesos galios matavimas. Matavimo nuotolis: ~15km. Tikslumas: ~ 5m. Sujungimai Tipiškas naudojamas šaltinis – impulsinis pusladidinkinis diodas, imtuvas – griūtinis fotodiodas. Įleidžiama ir išeinanti šviesa atskiriama spindulių dalijimo įranga. Generuojama nuolatinė impulsų seka. Po 1 tašką sudėliojama kreivė Tipiška impusų trukmė – 50ns. Grįžtančios šviesos energijos priklausomybė nuo laiko.

33 Brego (Bragg) gardelės skaidulose
Apšvitinus nm bangos ilgio šviesa pakinta germanio oksidu legiruotos šerdies lūžio rodiklis. Spindulys stipriai atspindimas, kai bangos ilgis  Panaudojimas: Veidrodis skaiduliniam lazeryje Bangos ilgių atrinkimui komunikacijose Temperatūrinės deformacijos jutikliuose Koherentinė ultravioletinė šviesa Difragavisu šviesa Lūžio rodiklio skirtumas mažas, bet galima padidint sodrinant vandeniliu, difuzijos būdu (sudarant didelį slėgį). Labai kai bangos ilgis lambda, labai stipriai atspindi. Čia λ – bangos ilgis, Λ – gardelės periodas, n- šerdies lūžio rodiklis, m – sveikas skaičius

34 Vidurinio infraraudonojo diapazono šviesolaidžiai
Įgalina perduoti infraraudonojo spektro šviesą. Daugiausia tiriami sunkiųjų metalų fluoridų stiklas – ZBLAN (Zr,Ba,La, Al, Na). Problema – priemaišų sankaupos, burbuliukai, kristalizacija. Kvarciniai šviesolaidžiai riboja darbinį bangos ilgį – 1,55 mikro metru. Didinant bangos ilgį stiprėja kvarcinių šviesolaidžių sugertis. Galimas panaudojimas: Supaprastina CO2 lazerio naudojimą chirurgijoj,

35 ZBLAN bandymai nesvarumo salygomis
Visiškai priešingai nei kiti kristalai. Nesvarumo sąlygomis gaminami labai kokybiški kristalai.