Glasvezel optica Geschiedenis Systeem overzicht Propagatie Modi Vezwakking

Glasvezel optica • Geschiedenis • Systeem overzicht • Propagatie • Modi • Vezwakking • dispersie F. L. Pedrotti & L. S. Pedrotti: Introduction to Optics, Hoofdstuk 24 Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde 1

John Tyndall : 1854 Een waterstroom geleidt licht zonlicht water Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde 2

William Wheeler : 1881 U. S. 247. 229 Licht distributie door middel van licht pijpen ten behoeve van verlichting in een gebouw. Het belang van de pas uitgevonden lamp wordt nog niet Ingezien. Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde 3

Alexander Graham Bell : 1880 (Tele)communicatie m. b. v licht (200 m) Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde 4

Van 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 Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde 5

Kao : 1966 K. C. Kao & G. A. Hockham, Proc. IEE 113, 1151 (1966). Dielectric-fibre surface waveguides for Optical frequencies. Fibre core: l 0 Fibre diameter : >>l 0 Losses : < 20 d. B/km Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde 6

Links Commercieel: Telebyte primer: http: //telebyteusa. com/foprimer. htm Lascomm: http: //www. lascomm. com/tutorial. htm#int Newport: http: //www. newport. com/Photonics/Fiber_Optics/Tut orial/Tutorial/index. html Testmark: http: //www. testmark. com/develop/fiberoptic. ht ml Schott: http: //www. schottfiberoptics. com/home. html Non profit IEC: http: //www. iec. org/tutorials/fiber_optic/index. html Rutgers: http: //morgan. rutgers. edu/HTMLdocs/physics_modul es/Lightwave_comm/Light_home_page. html#Home page Cord: http: //cord. org/cm/leot/Module 8/module 8. htm Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde 7

(Tele) Communicate – systeem overzicht Codering Modulatie ADC detector Laser/LED Lichtbron DAC Decodering Demodulatie Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde 8

Kritische hoek en numerieke apertuur n 2 f n 0 n 1 n 2 n 0 q m’ fc n 1 qm Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde 9

Propagatie n 2 n 0 q’ q n 1 q’ d Ls n 0 = 1, n 1 = 1. 60, q = 300 en d = 50 mm Ls=152 mm, dat is 6580 keer reflecteren per meter Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde 10

Totale interne reflectie q 2 n 1 n 2 n 1 q 1 Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde qc 11

Helmholtz vergelijking Ampère: geen stroom! Faraday: Rotatie van rotatie = gradient van divergentie – divergentie van gradient =0 geen ladingen! Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde 12

golf vergelijking Monochromatisch licht: Golf vector Voortplanting in z-richting b is propagatie constante Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde 13

2 dimensionale golfgeleider n 2 t n 1 x z n 1 > n 2, n 3 TE modes: Electrisch veld in y-richting: Ey Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde 14

Rand voorwaarden Elektrisch veld, E, en zijn afgeleide, d. E/dx, zijn continue Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde 15

Discrete oplossingen: modi Twee lineaire, homogene vergelijkingen voor A en D kunnen geëlimineerd worden: 1 vergelijking waar kx, k 3 en k 2 aan moeten voldoen. Voor elke m een vergelijking voor b! Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde 16

Nulde orde benadering Bij de laagste orde modi valt het veld sterk af in de opsluitlagen: Bij de hoogste orde mode valt het veld bijna niet af in de opsluitlagen en is propagatie constante zeer klein: Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde 17

Effectieve brekinsindex Voor alle modes: Voor laagste mode, m = 0: 0 n 3 n 2 n 1 neff n 3 n 1 n 2 Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde 18

Verliezen Lambert Beer: L I 1 I 2 Verzwakking in decibels: Stel a = 3 d. B/km dan is na 1 km het optisch vermogen gedaald met een factor 10 -0. 3=0. 5 q>qc q<qc Verliezen door: • Microdefecten aan oppervlak • Scherpe bochten in de fiber • Koppeling tussen fibers • Absorptie • Licht verstrooiing (variatie in brekingsindex) Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde 19

Absorptie Verzwakking (db/km) Twee “ideale”golflengtes: 1. 30 mm en 1. 55 mm 100 10 totaal Absorptie van glas in het Infrarood 1 OH absorptie Absorptie van 0. 1 glas in het Licht verstrooiing ultraviolet 0. 01 10 1 Golflengte (mm) Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde 20

Glas versus kunstof Kunstof: Goedkoop Grote verliezen Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde 21

Modale dispersie Er is een looptijd verschil voor verschillende modi l’ A Voor step-index fiber: qc l B Kern: n = 1. 46 Opsluiting : n = 1. 45 Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde 22

n 2 n 0 n 2 2 a n 1 r n Graded index fiber n 0 n 2 2 a n 1 r n 0 n 2 n Afname met factor D/2! Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde GRIN fiber 23

Golflengte afhankelijkheid brekingsindex 1. 47 Lichtbron met spectrale breedte Dl Dispersie van kwarts 1. 46 l 1 l 2 1. 45 1. 44 0. 4 1 Golflengte (mm) 1. 6 Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde 24

Materiaal dispersie M (ps/nm-km) 200 150 Laser diode(@800 nm): Golflengte variatie: 1 nm Doorlooptijd verschillen: 0. 11 ns/km 100 50 0 -50 0. 8 1. 0 1. 2 1. 4 Golflengte (mm) 1. 6 Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde 25

preform O 2 Kwarts buis 1000 – 1500 0 C Cl 2 O 2 Regel kast Si. Cl 4 Ge. Cl 4 BCl 3 Bij het aanmaken van Si. O 2 worden er verontreinigen toegevoegd om de brekingsindex te variëren Na “collapse” : doorsnee: 5 cm lengte: 30 cm Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde 26

Fiber trekken Verticale verplaatsing preform oven diameter monitor coater trekspoelen draaitrommel Universiteit Leiden, Opleiding Natuur- en Sterrenkunde 27