sz lelm let 2007 2008 i f l v
Download
Skip this Video
Download Presentation
Szálelmélet 2007/2008 I.félév

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 50

Szálelmélet 2007/2008 I.félév - PowerPoint PPT Presentation


  • 74 Views
  • Uploaded on

Szálelmélet 2007/2008 I.félév. Gyárfás András Diamont cég SZTÁV anyaga alapján. Geometriai optika Fénytörés. A Snellius-Descartes törési törvény: Ha n 1 = n vákum =1, akkor n 2 / n 1 = n 2 = n

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about ' Szálelmélet 2007/2008 I.félév' - kadeem-mccormick


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
sz lelm let 2007 2008 i f l v

Szálelmélet2007/2008 I.félév

Gyárfás András

Diamont cég SZTÁV anyaga alapján

Szálelmélet

geometriai optika f nyt r s
Geometriai optika Fénytörés
  • A Snellius-Descartes törési törvény:
  • Ha n1 = nvákum=1, akkor n2 / n1 = n2 = n
  • A törésmutató (n) egy viszonyszám, a fényvezető közeg vákumhoz viszonyított törésmutatója.
  • Azt mutatja, hogy az adott közeg a vákuumhoz képest mennyivel “sűrűbb”, mint a vákuum
  • A képletből is látható, hogy a sűrűbb optikai közegbe lépő fény (n2>n1) törési szöge lesz a kisebb.

Szálelmélet

geometriai optika f nysebess g
Geometriai optika Fénysebesség
  • Optikai közegben a fény sebessége mindig kisebb a vákuumban mért c sebességnél :

v=c/n

ahol c = 299792.5 km/s a fény sebessége vákuumban,

v fordítottan arányos a törésmutatóval

  • A fény a különböző törésmutatójú közegben különböző sebességgel halad, és a sebességek fordítva arányosak a törésmutatókkal:

v1/v2=n2/n1

  • Ha optikailag sűrűbb közegből érkezik a fény ritkább anyag felé, akkor a törési szög lesz a nagyobb.

Szálelmélet

geometriai optika f nyt r s1
Geometriai optikaFénytörés

Határesetben a1 = ah (B=90º) a fény a két közeg határán halad :

ahol a1 = ah.

Tovább növelve a beesés szögét az anyagból már nem fog a fény távozni, hanem teljes egészében visszaverődik (teljes visszaverődés ill. totál reflexió). Ez a jelenség fel használható FV szálak gyártására.

Szálelmélet

geometriai optika f nyvezet s1
Geometriai optika Fényvezetés
  • Egy üveg rúd egyik végén becsatolt fény a másik végén megjelenik. Feltételek:
    • a beesési szög dh határszögnél nagyobb legyen,
    • az üveg rudat körülvevő közeg törésmutatója kisebb legyen, mint az üvegrúdé.
  • Veszteséget csak az üveg “szennyezettsége” okoz.

Szálelmélet

geometriai optika sz lj ellemz k
Geometriai optika Száljellemzők

A FV szál elején d beesési szöggel érkező fénysugár g törési szöggel indul el a szálban. A fénytörés szerint:

Ha nlevegő = 1,

akkor : sin d = n1 sin g

Mivel : g = 90o - a,

így : sin g = sin (90-a) = cos a,

ezért : sin d = n1 cos a= n1(1 - sin2a )1/2

A mag héj átmenetre: sin ah/sin 90º= n1/n2

Szálelmélet

geometriai optika sz lj ellemz k numerikus apertura
Geometriai optika Száljellemzők. Numerikus apertura

Behelyettesítve a cos2a = 1 - sin2a összefüggést, valamint

sin = n1/n2 –et a következő összefüggést kapjuk:

sin =

  • Azt a legnagyobb dh szöget, amelyen belül belépő fénysugarat a szál még kilépés nélkül továbbvezeti, akceptanciaszögnek nevezik.

A sindh a numerikus apertúra, jele: NA.

  • Ha tehát a belépési szögnél (akceptanciaszögnél) nagyobb szög alatt érkezik a fénysugár, akkor kilép a szálból.

Szálelmélet

geometriai optika megt rt s visszavert sug r
Geometriai optika Megtört és visszavert sugár
  • Az optikai adók fénykilépési szöge a sugárzó-szál illesztésnél fontos
  • n függ a fény színétől (l-tól), így a dh is különböző az egyes színek esetén. Pl: a prizma esetén a kék fény törik meg legjobban, a vörös a legkevésbé.
  • A visszavert sugárban nincs ilyen felbomlás, mert a visszavert sugár szöge azonos a beesési szögével, függetlenül a törésmutatótól és a fény színétől.
  • A fénytörésen alapuló eszközöket (például a lencséket) színre korrigálni kell, a fényvisszaverődésen alapulókat pedig nem.

Szálelmélet

geometriai optika fresnel reflexi
Geometriai optika Fresnel reflexió
  • Egy másik határeset, mikor a fény merőlegesen esik a felületre. A beeső fény egy kis része visszaverődik. Fresnel (frenel) reflexió, értéke:

Szálelmélet

geometriai optika sz lak t pusai
Geometriai optika Szálak típusai
  • Az ábrán az optikai szál három alaptípusa látható

az n eloszlás és a módusok száma szerint.

  • A módus az optikai szálban haladó egyes fényhullámok “útvonalát” írják le.
  • A többmódusú szálakban több úton terjed a fény,

míg az egymódusúban csak egyetlen módon

(itt csak egyetlen diszkrét megoldása létezik a hullámegyenletnek).

Szálelmélet

optikai sz lak multim dus si sz lak
Optikai szálak Multimódusú SI szálak
  • Lépcsős törésmutatójú, multimódusú (SIMM) szálak (első generációs szálak).
    • A fény a magban egyenes vonalban terjed a szál mentén a mag/héj határfelületről visszaverődve.
    • Az érkezés szögétől függően, több különböző módusban terjedhet a fény a magban. Mintegy 4000 módus lehetséges.
    • Nagy magátmérő (100 mm) és alig valamivel nagyobb (140mm) héjátmérő jellemzi a szálat
    • Ma mar alig használják.

Szálelmélet

optikai mm gi sz lak
Optikai MM GI szálak
  • Gradiens indexű, multimódusú (GIMM) szálakat még ma is alkalmaznak. Az n a mag közepe felé fokozatosan nő, innen kapta a nevét.
  • Az egyes módusok a belépéstől függően különböző utakat futnak be. A kisebb magátmérő és a gradiens index miatt már jóval kevesebb módus található (néhány 100)
  • Mag/héj átmérője 50/125mm, de gyártják 62,5/125mm méretben is.
  • Átviteli tulajdonságai sokkal jobbak az előzőnél, rövidtávú összeköttetésekre alkalmazzák.

Szálelmélet

optikai sz lak sm sz l
Optikai szálakSM szál
  • Egymódusú (lépcsős törésmutatójú) szálakban annyira lecsökkentették a mag átmérőjét, hogy csak egyetlen egy módus tud kialakulni,
  • Jobb átviteli tulajdonságokkal rendelkezik.
  • A mag átmérője 9-10mm.
  • Nagytávolságú összeköttetéseknél alkalmazzák.

Szálelmélet

optikai sz lak a f ny hull mterm szete
Optikai szálak A fény hullámtermészete
  • Huygens: a fényt hullámmozgás.Interferencia, polarizáció jelenségek magyarázhatók , (a geometriai optika nem tudta).
  • Bár a hullámoptika módszereivel nehezen magyarázhatók azok a jelenségek, amelyeket a geometriai optika egyszerű módon tárgyalt, de mint határeset ez is megoldható ilyen úton.
  • A hullámoptika a fénykibocsátás és fényelnyelés mechanizmusát nem tudja megmagyarázni, erre már csak a kvantummechanika képes.

Szálelmélet

optikai sz lak a f ny hull mterm szete1
Optikai szálak A fény hullámtermészete
  • Az elektromágneses (EM) rezgések és a fény közötti kapcsolatot Faraday mutatja ki, majd Maxwell egyenletekben rögzíti.
  • Az EM hullámnak jellemzői a frekvencia ( f ) ill. a hullámhossz ( l ).
  • Az ábrán láthatjuk az elektromágneses (EM) hullámok felosztását, külön kiemelve a fénytávközlés céljára szolgáló részt.
  • A látható fény 360-760 nm-ig terjed, a fénytávközlés az infravörös tartományt használja, (itt kisebb a közvetítő közeg, a kvarcüveg csillapítása).

Szálelmélet

optikai sz lak a f ny hull mterm szete3
Optikai szálak A fény hullámtermészete
  • Az f és a l közti kapcsolat: l* f = c
  • Er ( relatív ) dielektromos állandó és n törésmutatóazonos fogalmak, a kettő között az összefüggés:

Az elméletből az is következett, hogy az elektromágneses hullámok és a fény terjedése azonos:

Szálelmélet

optikai sz lak a f ny hull mterm szete4
Optikai szálak A fény hullámtermészete
  • ahol E0 = 8,8543*10-12 (As/Vm) vákuum dielektromos állandója
  • µ0 = 1,2567*10-6 (As/Vm) vákuum permeabilitása
  • A fenti egyenletet felírva dielektrikumban, azaz pl. egy optikailag sűrűbb közegben:

Szálelmélet

optikai sz lak a f ny hull mterm szete5
Optikai szálak A fény hullámtermészete
  • A c ill. v a fázissebesség, amellyel egy színusz hullámnak egy kiválasztott pontja (fázisa) halad.
  • Er és így n illetve v is erősen fázisfüggő. A frekvenciafüggés oka, hogy az EM hullám (fény) periodikus erőtere az anyag elektronjait rezgésre kényszeríti.
  • A rezgő elektronok által keltett erőtér az eredeti erőtérre szuperponálódik és az eredő erőtér más sebességgel halad.

Szálelmélet

optikai sz lak a f ny hull mterm szete6
Optikai szálak A fény hullámtermészete
  • Az elektronok és a nagy tömegű atommagok mechanikai kölcsönhatásban vannak egymással, ezek frekvencia függő rendszert alkotnak.
  • Egy rezgő rendszernek fontos jellemzője a rezonancia frekvencia.
  • Egy atom vagy molekula összetett rezgő rendszert is alkothat, így többszörös rezonancia is felléphet, több rezonancia-frekvenciával.
  • A fény hatására bekövetkező elektron rezgések amplitúdója mindössze 10-17 m nagyságrendű,

mégis ez a kis amplitúdójú rezgés okozza, hogy n = 1

és közvetve ez az oka a fénytörés és a reflexió jelenségének is.

Szálelmélet

optikai sz lak tviteli param terek
Optikai szálak Átviteli paraméterek
  • Csillapítás a (dB). Az amplitúdónak (intenzitásnak) csökkenése.
  • Diszperzió. Szó szerint szóródást jelent. Optikában a fényvezető szálakban terjedő elemi fénymomentumok futásidő különbségéből eredő jeltorzulást, időbeni szóródását értjük alatta.

Szálelmélet

optikai sz lak tviteli param terek1
Optikai szálak Átviteli paraméterek
  • A levágási hullámhossz megmutatja, hogy a szál milyen l-tól kezdve működik SM-ként.
  • Felrajzoltuk a hőmérséklet függvényében az optikai szál fajlagos csillapítását normalizálva.
  • Ez azt jelenti, hogy kiindulásnak (egységnyinek) nevezzük a normál szobahőmérsékleten felvett csillapítás értéket.

Szálelmélet

optikai sz lak tviteli param terek3
Optikai szálak Átviteli paraméterek
  • Látható, hogy magas hőmérsékleten (70°C fölött) illetve alacsony hőmérsékleten (-20°C alatt) megnövekszik a szál fajlagos csillapítása.
  • Pl. légvezetékek esetén a téli nagy hidegek hatására megnő a csillapítás, ezért a tervezésnél nagyobb maximális csillapítás értékkel kell számolni.
  • Az ábrán lévő függvényt alakja miatt kádgörbének is nevezik.
    • T-n kívül két paramétertől függ az üveg csillapítása:
    • az üveg tisztaságától és a
    • hullámhossztól.

Szálelmélet

optikai sz lak tviteli param terek4
Optikai szálak Átviteli paraméterek
  • Ha szennyező anyag kerül a szál mag részébe, az n- ek különbsége miatt megtörik vagy visszaverődik a fény egy része.
  • Így kevesebb fény jut át a szálon, megnő a csillapítása is.
  • Tipikus szennyező anyagok a fémionok, illetve az OH- ionok.
  • a fény mint EM hullám az anyagon való áthaladáskor az atomok (ill. molekulák) elektronját rezgésbe hozza (hisz negatív töltése van).
  • Vannak olyan hullámhosszak, melyeknél ez a rezgés felerősödik, úgynevezett rezonanciafrekvenciája van, és ez gátolja a fény áthaladását, ezzel csillapítást okozva.

Szálelmélet

optikai sz lak tviteli param terek5
Optikai szálak Átviteli paraméterek
  • Rezonanciafrekvenciával rendelkezik maga a kvarcüveg is.
  • Két ilyen nagy rezonancia helye van,
    • az egyik az UV (ultraviola)
    • a másik az IR (Infra Red = infravörös) tartományban 1800 nm fölött.
  • Rayleigh szórás. Az üveg kristályhibák miatt a fény egy része szóródik, "kitörik" az anyagból.
  • A Rayleigh szórásból adódó csillapítás értéket folytonos, monoton csökkenő vonallal ábrázoltuk.

Szálelmélet

optikai sz lak a csillap t s hull mhosszf gg se1
Optikai szálak A csillapítás hullámhosszfüggése
  • A csillapítás görbe helyi minimumhelyei, az átviteli ablakok.
  • Az I. az un. első generációs ablaknál (850 nm) a = 2,5 - 3 dB/km. Ennél a l-nál adót már elő tudtak olcsón állítani.
  • A II. ablak az 1300 nm-nél lévő, un. minimális diszperziójú ablak. Itt a = 0.36 dB/km (az áthidalható kábelszakasz 10 km-ről 70-80 km-re nőtt).
  • A III. a minimális csillapítású ablak, l =1550 nm környezetében van, a=0.24 dB/km, itt viszont a diszperzió értéke nagyon nagy.

Szálelmélet

optikai sz lak diszperzi
Optikai szálak Diszperzió
  • A diszperziót (jelszóródás) a FV szálak esetében az optikai jel komponenseinek, módusainak vagy különböző frekvenciájú spektrum összetevőinek eltérő futásideje okozza.
  • A gyakorlatban ez a jel kiszélesedéséhez, ellaposodásához vezet.
  • Három fajta diszperziót különböztetünk meg: módus-, anyagi-, és a hullámvezető diszperziót.
  • A módusdiszperziót a különböző módusok egymástól eltérő futásidő különbség okozza.

A MM szálak esetében az ebből eredő jelromlás nagyobb, mint az anyagi diszperzióé.

Szálelmélet

optikai sz lak diszperzi1
Optikai szálak Diszperzió
  • A SIMM szálaknál a különböző módusok különböző szögben érkeznek a szálba és más útvonalakon haladnak, amelyeknek hosszai különbözők.
  • Mivel a fény mindenütt azonos sebességű, a futási idő különbözni fog.
  • A szál végén a különböző utakat megtevő módusok összegződnek, a visszanyert jel impulzus szélessége nagyobb, intenzitása pedig kisebb lesz.

Szálelmélet

optikai sz lak diszperzi2
Optikai szálak Diszperzió
  • A GIMM szálnál is a módusok különböző utakat futnak be (diszperziós hatás). Értéke kisebb, mint SIMM szálnál:
  • a kisebb magátmérő és a szál szerkezete miatt nem tud olyan sok módus kialakulni.
  • a GI eloszlású n miatt a fény sebessége nem állandó a mag belsejében. Ez a hatás valamelyest kompenzál, így nem lesznek akkora futásidő különbségek.

Szálelmélet

optikai sz lak diszperzi3
Optikai szálak Diszperzió
  • Az SM szálban csak egyetlen egy módus terjed, így nincs futásidő különbség.
  • Az anyagi (M) - és a hullámvezető (G) diszperzió azonban frekvenciafüggő (együttesen kromatikus diszperzió:D).
  • Amíg M a kvarcüveg az anyagi tulajdonságaiból adódik,
  • addig a G a fény magban való terjedési egyenetlenségeinek a következménye.
  • G függ a mag átmérőjétől valamint n profiljának kialakításától.

Szálelmélet

optikai sz lak kromatikus diszperzi1
Optikai szálak Kromatikus diszperzió
  • Az 1. görbe egy normál SM kvarcüveg szál D-ját mutatja.

A l =1300 nm-nél, D= 0.

A negatív D érték annyit jelent, hogy diszperziós jel siet a jel csoportfutási idejéhez képest,

míg a pozitív D értéknél késik. (1300 nm-en ezzel a hatással nem kell számolni).

  • a legkedvezőbb csillapítása l= 1550 nm-en van. Itt a csillapítás kétharmada a második ablakénak, a diszperzió viszont 18 - 20 ps/nm kilométerenként.

Szálelmélet

optikai sz lak k l nleges diszperzi j sz lak
Optikai szálak Különleges diszperziójú szálak
  • A törésmutató profil megfelelő megválasztásával elérhető, hogy az a (dB) minimum és a D minimum, azonos ablakba essenek.
  • Erre mutat két példát a 2 és a 3 görbe. Ezeket eltolt diszperziójú szálaknak nevezik.
  • A jobb sarokban a különböző törésmutató profilok láthatók. Kialakításuk megnöveli a kábel előállítási költségeit.

Szálelmélet

optikai sz lak diszperzi4
Optikai szálak Diszperzió
  • Mint láttuk a = f(l) és n = f(l) tehát nem lesz azonos a futásidejük (diszperzió).
  • Sajnos az adók által kibocsátott fénynek a spektruma nem dirac-delta, hanem véges szélessége van.

Szálelmélet

optikai sz lak diszperzi5
Optikai szálak Diszperzió
  • Az adók által kibocsátott fénynek jellemzője a félérték szélessége (Dl) a fél teljesítménynél mért spektrum-szélesség.
    • lézerek esetében tipikus érték a 2 - 5 nm,
    • LED-eknél ez a 30 - 40 nm-t is eléri.
  • Minél nagyobb Dl, annál több l összetevőjű fényt tartalmaz a szálba becsatolt impulzus és annál nagyobb lesz ezáltal a diszperziója is.
  • Ezért nagy távolságoknál már csak lézert alkalmaznak adóként.

Szálelmélet

optikai sz lak lev g si hull mhossz
Optikai szálak Levágási hullámhossz
  • Az SM szálaknál a magátmérő, összemérhető l-val, ekkor csak egyetlen módus, az un. alapmódus terjed.
  • Minél kisebb l, annál kisebb magátmérőjű optikai szálra van szükségünk.
  • Megfordítva, egy adott magátmérőjű szál csak egy bizonyos l-tól, a levágási hullámhossztól (lc) lesz egymódusú, amelynél összemérhetővé válik l a keresztmetszettel (kb 1:10 szorzó).
  • Egy 10 mikron magátmérőjű optikai szálnál lc=1280 nm. Ez azt jelenti, hogy a II. és a III. ablak hullámhosszaira nézve SM a szál, míg l = 850 nm -nél MM-sú.

Szálelmélet

optikai sz lak egy b sz ljellemz k
Optikai szálak Egyéb száljellemzők
  • A FV-ők hajlításakor veszteség keletkezik, amely a hajlítási sugár csökkenésével exponenciálisan nő.

A gyakorlatban 5-8 cm átmérőnél a veszteség már olyan kicsi, hogy nem mérhető. (Ezt nevezik makrohajlatnak.)

  • A veszteségek egy másik csoportját alkotják az úgynevezett mikrohajlat veszteségek.

Ez a szál tengelyvonalának kismértékű, véletlenszerű elmozdulása, hullámzása.

Ezek a FV szálak kábelezésekor fellépő feszültségek hatására keletkeznek, és jelentős veszteségeket okozhatnak.

Szálelmélet

optikai sz lak egy b sz ljellemz k1
Optikai szálak Egyéb száljellemzők
  • A FV-k alapját képező kvarc törékeny és nagy a húzószilárdsága (1.6· 104 N/mm2).
  • Ez erősen csökken a gyártás során keletkező felületi hibák és repedések miatt, melyek az idővel, a különböző igénybevételek hatására megnövekednek, csökkentve ezzel a kábelek élettartamát.
  • A mechanikai igénybevételen túl az öregedést elősegíti még az üvegszálba diffundáló különböző anyagok káros hatása is, különösen a hidrogéngáz. Ennek kiküszöbölésére az üvegszálat egy műanyag védelemmel látják el.

Szálelmélet

optikai sz lak egy b vesztes gek
Optikai szálak Egyéb veszteségek
  • A csatolási veszteségek szintén hibát (illetve csillapítást) okoznak a rendszerben.
  • Ha két különböző magátmérőjű szálat illesztünk össze, akkor az átvitt jel csillapítása megnövekedhet.
  • Ha kisebb átmérőjűből megy a fény a nagyobb felé, nem okoz csillapítást, míg fordított esetben a fény egy része reflektálódik, így kevesebb jut át a közegen.
  • Ez azt eredményezi, hogy egy kábelszakaszon a két irányban mért csillapítás érték sohasem egyezik meg.
  • Ezért mindig minden átviteli utat, melyen kötés van, két irányból meg kell mérni

Szálelmélet

optikai sz lak egy b vesztes gek2
Optikai szálak Egyéb veszteségek
  • Magátmérő különbség lehetséges a különböző típusú szálak esetén is.
  • Ilyen például, amikor egy 9 mm -os és egy 10 mm-os kerül szembe egymással.
  • Ennél még durvább az eset, mikor egy SM szálat egy MM-hoz kívánunk illeszteni, melynek 50 m a magátmérője.
  • Koncentricitási (központositási) hiba esetén a két héj átmérője megegyezik, de a két mag nem középen helyezkedik el, illesztésnél nem fedik le pontosan egymást,

így az átviendő fény egy része reflektálódik, szintén csillapítást viszünk be a rendszerbe.

Szálelmélet

optikai sz lak egy b vesztes gek3
Optikai szálak Egyéb veszteségek
  • A harmadik gyártási hiba a köralak hiba.

Ekkor a mag keresztmetszete nem kör alakú, szintén nem hozható a másik szállal fedésbe, azaz csillapítást okoz.

  • Még egy hibafajta van, mely a gyártási folyamat közben előfordul, az n eloszlás a szál mentén nem egyenletes.

Ilyen törésmutató különbség szintén csillapítást eredményez.

Előidézhetünk azonban mi is ilyen hibát, mégpedig amikor két különböző n-ű szálat illesztenek össze (főleg két fajta kábel összekötésénél).

Szálelmélet

optikai sz lak egy b vesztes gek5
Optikai szálak Egyéb veszteségek
  • A legsúlyosabb a két csatlakozó esetében a két mag koncentricitási hibája.

5 mm eltérésnél már a fénynek 60%-a elveszik,

10 mm fölött pedig már semmi fény nem jut a másik szálba.

  • A második görbe a szögeltérést mutatja.

Ez elég gyakori hiba lehet, ha a csatlakozókat rosszul dugjuk be a helyére.

Ennek határa az akceptancia szög, melynél nagyobb eltérés esetén már csak pár %-nyi fény jut át a rendszeren.

Szálelmélet

optikai sz lak egy b vesztes gek6
Optikai szálak Egyéb veszteségek
  • A harmadik esetben a kilépő fény nyílásszöge okoz gondot.
  • Ha párhuzamosan lépne ki az anyagból a fény, akkor elméletileg csak a ki és belépés veszteségével kellene számolni.
  • A numerikus apertúra miatt ez az érték a távolság növelésével arányosan nő.

Ez a leggyakrabban előforduló hiba, a rosszul illesztett csatlakozó nem fekszik fel rendesen és így nem lehet szorosan illeszteni őket.

Szálelmélet

ad