Technologia elementów optycznych

dr inż. Michał Józwik

pokój 507a

jozwik@mchtr.pw.edu.pl

Część 6 – Wybrane zagadnienia technologii światłowodów

na podstawie wykładu prof. dr hab. inż. M. Kujawińskiej „Technika światłowodowa”

Światłowód

Podstawowe zadanie:Prowadzenie światła przy jak najmniejszych stratach (tłumienie i rozpraszanie jak najmniejsze)

Zalety systemów światłowodowych

� bardzo duża przepływność i pojemność informacyjna

� długie odcinki międzyregeneratorowe

� brak zakłóceń powodowanych zewnętrznym polem elektromagnetycznym

� brak efektów zwarć wewnętrznych

� bezpieczeństwo transmisji danych

� małe rozmiary i masa

� dostępność materiału (kwarc)

� możliwości zastosowań w systemach pomiarowych

Zalety światłowodów

Niewielka waga

ok. 2kg – 300m św. z pokryciem

kabel koncentr. 40 kg – 300m

Mały wymiar

Sw Φ=1.2cm - 133 światłowody (1.75 mln rozmów tel.)

KK Φ=12cm (40.300 rozmów tel.)

Dobre zabezpieczenie przed podsłuchem/ ingerencją w przesyłane informacje

Łatwość integracji toru światłowodowego z:

- elementami planarnymi (zintegrowane tory fotoniczne)

- systemami konwencjonalnymi (możliwość miniaturyzacji tych systemów)

Zalety światłowodów cd

Elastyczność Nie pęka zginany na elemencie Φ=3mm

Odporny na szumy elektromagnetyczne

Odporny

na korozję, wysokie temperatury i wpływ ośrodków skażonych (szkodliwych dla zdrowia)

Bezpieczny

dla pracy w ośrodkach grożących wybuchem (brak zwarcia i iskrzenia przewodów)

Niska tłumienność

Dla λ = 1.55µm tylko 0.16dB/km wzmacnianie niezbędne po kilkuset km

W kablach koncentrycznych 19dB/km i wzmacniacze co 1km

Transmisja informacji tym samym światłowodem na różnych nośnikach - różne λ, różna polaryzacja

Zalety światłowodów cd

Dla światłowodu gradientowego od 1 do 10GHz. Przepływność 1Gbit/s.

Graniczna wartość kabli koncentrycznych 400Mbit/s

Szerokie pasmo

Multipleksing

Modowość propagującego się promieniowania

skokowa zmiana n wielomodowy

step-index

gradientowy wielomodowy

skokowy jednomodowy

Podstawowa wada: dyspersja 1) materiałowa 2) falowodowa 3) wielomodowa

Przykładowe parametry

140.121253-9Jednomodowy

260.212550Gradientowy

40

50

0.3

0.4

125

1000

100

400

Skokowy

stopnieµmµm

Kąt akceptacjiNA

Φpłaszcza

ΦrdzeniaTyp

Włókno jednomodowe ma średnicę poniżej 10 µµµµm

Im krótsza długość fali, tym mniejsza średnica Rozkłady intensywności

dla 2 różnych modów

ŚŚwiatlowodywiatlowody fotonicznefotoniczne� Swiatłowód fotoniczny jest światłowodem z płaszczem wykonanym z kryształu fotonicznego a rdzeniem uformowanym w wyniku defektu w strukturze periodycznej kryształu

MATERIAŁY NA ŚWIATŁOWODY

Szkła: naturalne lub syntetyczne:• kwarcowe czyste,• domieszkowane,• ze szkieł wieloskładnikowych,• ze szkieł organicznych,

Podstawowy materiał: szkło kwarcowe, temp. topnienia ok. 2000°CDodatki: tlenki sodu i wapnia (1400°C)

sodowo-ołowiowe, sodowo-glinowe (1400°C)sodowo-borowe (1240°C)

Podstawowe szkła nieorganiczne:1) tlenkowe: krzemionkowe i wieloskładnikowe : SiO2, B2O3, GeO2,2) nietlenkowe• fluorkowe : ZrF4, BaF2, LaF3,• halogenowe : KCl, TlBrI.• szkło typu ZBLAN ( ZrF4, BaF2, LaF3, AlF3 i NaF w proporcji 53 : 20 : 4 : 3 : 20).

MATERIAŁY NA ŚWIATŁOWODY

Konieczność stosowania bardzo czystych surowcówTypowe szkło - duże zanieczyszczenia i obecność tlenków alkalicznych o małej odporności na wodę (obecność jonów OH)

Niski współczynnik załamania kwarcu (rdzeń) n=1.4585 utrudnia dobór szkieł na płaszcz

Domieszki:a) płaszcz: np.: SiO2-B2O3, SiO2-F2

b) rdzeń: np.: GeO2, P2O5, Al2O3

Właściwości materiałów na światłowody:– można silnie domieszkować,– stabilne,– odporne termicznie i mechanicznie,– mała absorpcja w zakresie 0.2 -7µm,– niska energia fononów

STRATY W ŚWIATŁOWODACH Z TWORZYW SZTUCZNYCH

Tanie, duże tłumienie, ograniczony zakres temperaturowy pracy

ŚWIATŁOWODY DLA ZAKRESU IR

Większe straty i mniejsza stabilność, ale dopuszczalne bo głównie dla potrzeb sensoryki i transmisji energii (medycyna)

METODY WYTWARZANIA ŚWIATŁOWODÓW

1 metoda: bezpośrednie wyciąganie włókien z podgrzanych w podwójnym tyglu mas wieloskładnikowych

• światłowody skokowe lub gradientowe (wymiana jonowa między szkłem płaszcza i rdzenia),

• światłowody wielopłaszczowe (m. wielotyglowa)

METODY WYTWARZANIA ŚWIATŁOWODÓW

2 metoda: proces dwuetapowy1 etap: przygotowanie preformy2 etap: wyciąganie światłowodu z preformy

Zmniejszenie średnicy preformy do 300 razy, temp. do 2100°CŚrednica włókna utrzymywana z dokładnością do 0,1%

3 metoda: wyciąganie rdzeniowego włókna kwarcowego z bezpośrednim pokrywaniem go płaszczem z gumy

silikonowej

METODY WYTWARZANIA ŚWIATŁOWODÓW

PRZYGOTOWANIE PREFORM: PRĘT W RURZE

Głównie światłowody wielomodowe skokowe

Osadzania składników szkła wytwarzanych w wysokotemperaturowych reakcjach doprowadzanych gazów:

• CVD - Chemical Vapour Deposition

• MCVD i PMCVD ((Plasma) - Modified Chemical Vapour Deposition)osadzanie warstw szkła na wewnętrznej powierzchnii rury kwarcowej,

• OVD (Outside Vapour Deposition) osadzanie warstw szkła na zewnętrznej powierzchni pręta kwarcowego,

• VAD (Vapour-Phase Axial Deposition) osadzanie objętościowe szkła na jego zarodku,

WYTWARZANIE PREFORM PRZEZ OSADZANIE SZKŁA

Duża czystość składnikówPojedyncza warstwa osadzana 10 µµµµm„Kolaps” rury w podwyższonej temperaturze ok. 2000°C (zaciśnięcie siępod wpływem napięcia powierzchniowego)PMCVD - wytworzenie plazmy wewnątrz rury (T ok. 5000°C)

Preformy wystarczają na wyciągnięcie kilkunastu km światłowodu

METODA WEWNĘTRZNEGO OSADZANIA SZKŁA

Proces zewnętrznego osadzania szkła na pręcie z tlenku glinu lub grafitu

•Surowce gazowe doprowadzane przez palnik gazowy przesuwany ruchem posuwisto-zwrotnym. •Osadzone proszki o kontrolowanym składzie tworzą masę szklistą. •Po nałożeniu ok. 1000 warstw pręt usuwa się, a pozostały osad spieka w temp. 1500°C

Duże preformy – wyciągnięcie do 40 km światłowodu

pierścieniowy piec grafitowy

PROCES OBJĘTOŚCIOWEGO OSADZANIA SZKŁA

• Aparatura podobna jak przy wyciąganiu monokryształów• Surowce dostarczane przez palniki wodorowo-tlenowe• Proszki osadzają się na końcu obracającego się pręta kwarcowego – zarodka

Telekomunikacyjne kable światłowodowe

Telekomunikacyjne kable światłowodowe

Technologia złączy stałych

Złącza klejone

centrowanie włókien za pomocą odpowiednich prowadnic

zalewanie klejem lub żywicą (≡ ciecz immersyjna)

rowki

termokurczliwa opaska

cylindryczne kapilary(szklane, ceramiczne,

metalowe)

Spaw:kruchy i nietrwałynaprężenia termiczne

• łuk elektryczny• palnik gazowy• laser dużej mocy

Złącza spawane

Technologia złączy stałych

Etapy tworzenia złączy trwałych

1. identyfikacja łączonych światłowodów w kablu i wybór łączonych par

2. zdjęcie pokryć ochronnych z kabla i światłowodów, odsłonięcie włókien szklanych

3. przygotowanie czół światłowodów – cięcie

4. justowanie i połączenie światłowodów (klejenie/spawanie)

5. naniesienie pokryć ochronnych i zabezpieczenie mechaniczne

Technologia złączy stałych

Porównanie efektywności złącz

Złącza spawane Złącza klejone

Straty złącza 0,1 – 0,2 dβ 0,2 – 0,4 dβ

Znaczne osłabienie wytrzymałości tak nie

Wymagana sprawność obsługi średnia wysoka

Automatyzacja procesu stosowana nie

Potencjalne ryzyko złego złącza tak nie

Technologia złączy stałych

Złącza rozłączalne

� małe tolerancje na poprzeczne, kątowe i poosiowe przesunięcia łączonych światłowodów, a więc dobra dokładność mechaniczna obróbki detali

� trwałość i wielokrotność połączeń (często szczelność)

Technologia złączy rozłączalnych

Straty energii� na łączach stałych 0.01 - 0.1dB� na rozłączalnych 0.3 - 1.5dB.

Wynikają z:1) straty rozproszeniowe,2) straty odbiciowe związane3) straty spowodowane niedopasowaniem:

� współczynników załamania,� średnic rdzeni i płaszcza,� apertur numerycznych,� geometrii łączonych światłowodów,

4) straty wynikające z niedopasowania� wzajemnego ustawienia światłowodów i dokładności

obróbki płaszczyzn łączenia (czół światłowodów).

Złącza rozłączalneStraty mocy w złączach przez odbicia

Przerwa powietrzna Immersja

+

−−=α

2

2

p

2

1

2

p

2

1

F nn

nn1log20 Straty Fresnela

Złącza rozłączalne

FC

SC

ST

Pojedyncze i szeregowe złączki handlowe

Sprzęganie boczne

Bezpośredni kontakt optyczny włókien wzdłuż osi na długości sprzęgacza L

1) równoległe włókna2) skręcenie3) spawanie i stopienie w jedenfalowód

UWAGA: słabe mechanicznie!

1) umieszczenie w bloczkach z rowkiem2) polerowanie płaszcza (rdzenia)3) łączenie i sklejenie bloczków (imersja)

Sprzęganie boczne

technologia spawania (stapianie włókien)

przewężenie stożkowe, skręcanie, trawienie chemiczne

technologia klejenia (klejenie włókien)

zginanie włókien, boczne ścinanie włókien

Technologia sprzęgaczy bocznie klejonych

� sprzęgacze 2 x 2 włókien jednorodnych i niejednorodnych,

standardowych i przenoszących polaryzację

���� sprzęgacze włókno - źródło

���� sprzęgacze włókno - falowód planarny

Uwaga: bardzo trudna automatyzacja

Rodzaje sprzęgaczy z zastosowaniem zginania i polerowania bocznego i ze zginaniem: a) sprzęgacz typu X, b) sprzężenia światłowodu z falowodem paskowym (lub planarnym) (wg M.Zhanga, E.Garmire'a)

b)a)

Sprzęgacze bocznie spawane typu X i N x N

Proces wykonywania sprzęgaczy metodą spawania z rozciąganiem

Lokalizacja mikropalników względem geometrii spawania: a) światłowodów standardowych spawanych z wyciąganiem i skręcaniem, b) światłowodów przenoszących polaryzację

z wyciąganiem bez skręcania. c) łączy spawanych czołowo

Przykład:parametry sprzęgaczy standardowych światłowodów jednomodowych 8/125 µµµµm

- średnie straty 0.05 dB (min. 0.01 dB, max. 0.11 dB)- średnia dewiacja sprzężenia od 50% podziału ±0.4%- długość przewężenia stożkowego 10 mm φ20 µm- stosunek średnicy zewnętrznej światłowodu

do φ przewężenia 1:6- czas wykonywania czynności zautomatyzowanych: spawanie

– 0.5min, wyciąganie z podgrzewaniem – 9 min., justowanie sprzężenia 5 min. Razem - 15 min.

Para 1 i 2 - spawaniePara 3 i 4 - ujednorodnienie temperatury

ruchome mikropalnikikształtowanie strefy spawania