Gyárfás András Diamont cég SZTÁV anyaga alapján Szálelmélet 2007/2008 I.félév Gyárfás András Diamont cég SZTÁV anyaga alapján Gyárfás Szálelmélet

Geometriai optika Fénytörés Fénytávközlés I. 2017.04.07. 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. Gyárfás Szálelmélet kiegeszítés

Geometriai optika Fénytörés. Snellius-Descartes törvény Gyárfás Szálelmélet

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. Gyárfás Szálelmélet

Geometriai optika Fénytörés 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. Gyárfás Szálelmélet

Geometriai optika Fényvezetés Gyárfás Szálelmélet

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. Gyárfás Szálelmélet

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 - sin2 a )1/2 A mag héj átmenetre: sin ah/sin 90º= n1/n2 Gyárfás Szálelmélet

Geometriai optika Száljellemzők. Numerikus apertura Behelyettesítve a cos2 a = 1 - sin2 a 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. Gyárfás Szálelmélet

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. Gyárfás Szálelmélet

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: Gyárfás Szálelmélet

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). Gyárfás Szálelmélet

Optikai szálak Szálak típusai Gyárfás Szálelmélet

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. Gyárfás Szálelmélet

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. Gyárfás Szálelmélet

Optikai szálak SM 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. Gyárfás Szálelmélet

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. Gyárfás Szálelmélet

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). Gyárfás Szálelmélet

Optikai szálak A fény hullámtermészete Gyárfás Szálelmélet

Optikai szálak A fény hullámtermészete Az f és a l közti kapcsolat: l * f = c Er ( relatív ) dielektromos állandó és n törésmutató azonos fogalmak, a kettő között az összefüggés: Az elméletből az is következett, hogy az elektromágneses hullámok és a fény terjedése azonos: Gyárfás Szálelmélet

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: Gyárfás Szálelmélet

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. Gyárfás Szálelmélet

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. Gyárfás Szálelmélet

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. Gyárfás Szálelmélet

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. Gyárfás Szálelmélet

Optikai szálak Átviteli paraméterek Gyárfás Szálelmélet

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. Gyárfás Szálelmélet

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. Gyárfás Szálelmélet

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. Gyárfás Szálelmélet

Optikai szálak A csillapítás hullámhosszfüggése Gyárfás Szálelmélet

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. Gyárfás Szálelmélet

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. Gyárfás Szálelmélet

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. Gyárfás Szálelmélet

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. Gyárfás Szálelmélet

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. Gyárfás Szálelmélet

Optikai szálak Kromatikus diszperzió Gyárfás Szálelmélet

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. Gyárfás Szálelmélet

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. Gyárfás Szálelmélet

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. Gyárfás Szálelmélet

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. Gyárfás Szálelmélet

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 (l c) lesz egymódusú, amelynél összemérhetővé válik l a keresztmetszettel (kb 1:10 szorzó). Egy 10 mikron magátmérőjű optikai szálnál l c=1280 nm. Ez azt jelenti, hogy a II. és a III. ablak hullámhosszaira nézve SM a szál, míg l = 850 nm -nél MM-sú. Gyárfás Szálelmélet

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. Gyárfás Szálelmélet

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. Gyárfás Szálelmélet

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 Gyárfás Szálelmélet

Optikai szálak Egyéb veszteségek Gyárfás Szálelmélet

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. Gyárfás Szálelmélet

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). Gyárfás Szálelmélet

Optikai szálak Egyéb veszteségek Gyárfás Szálelmélet

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. Gyárfás Szálelmélet

Optikai szálak Egyéb veszteségek Fénytávközlés I. 2017.04.07. 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. Gyárfás Szálelmélet kiegeszítés