Spośród nowych materiałów wytwarzanych z przeznaczeniem dla zastosowań w nowoczesnej optoelektronice i technice światłowodowej można wyróżnić szeroką grupę amorficznych materiałów szklistych. W grupie tej zainteresowania badawcze skierowane są w szczególności na:
* Szkła tlenkowe syntezowane na bazie tlenków ołowiu i bizmutu.
* Szkła halogenkowe zawierające halogenki cynku, kadmu, bizmutu i toru.
* Szkła fluorkowe otrzymywane na bazie ZrF4, ThF4 i AlF3.
* Szkła chalkogenidkowe As2S3, As2Te3 i As2Se3.
* Szkła halogenkowo-chalkogenidkowe z układów:
HgS – PbBr2 – PbI2 oraz Sb2S3 – HgS – PbBr2.
* Szkła fotochromowe zawierające SiO2, Na2O, Al2O3, B2O3 oraz halogenki srebra i tlenku miedzi.
* Szkła polichromowe otrzymywane na bazie SiO2 – Al2O3 – ZnO – Na2O z zastosowaniem stabilizatora optycznego CeO2.
Szkła tlenkowe zawierające tlenki ołowiu i bizmutu, ze względu na dużą masę i polaryzowalność jonów Pb2+ i Bi3+, posiadają bardzo interesujące właściwości w zakresie optyki podczerwieni oraz optyki nieliniowej, co pozwala wnioskować o możliwościach ich zastosowań w optoelektronice i technice światłowodowej. Wymagania stawiane materiałom stosowanym w technice podczerwieni koncentrują się na uzyskaniu maksymalnej przepuszczalności promieniowania IR w żądanym zakresie widma, odpowiedniej wartości współczynnika załamania światła w funkcji długości fali oraz dobrych właściwościach mechanicznych i chemicznych wytwarzanych materiałów. Uzyskiwanie włókien światłowodowych pracujących w obszarze IR napotyka na wiele niedogodności w postaci znacznej podatności na krystalizację, małej lepkości podczas wyciągania włókna, niemożność pokrycia włókien innym materiałem w celu utworzenia struktury rdzeń-płaszcz a także toksyczności, małej odporności chemicznej i słabych właściwości mechanicznych włókna.
Praktyczne zastosowanie światłowodów z ciężkich szkieł chalkogenidkowych, halogenkowych i polikryształów wobec nierozwiązanych dotychczas problemów technologicznych jest uciążliwe szczególnie w medycynie i skłania do poszukiwań materiałów na bazie szkieł tlenkowych o nieskomplikowanej technologii wytwarzania i dobrych właściwościach fizycznych.
Jednym z kierunków badań nad szkłami tlenkowymi jest dążenie do przesunięcia krawędzi absorpcji w podczerwieni jak najdalej w stronę dłuższych fal. W przypadku szkieł opartych na tradycyjnych tlenkach szkłotwórczych długość fali, przy której występuje krawędź absorpcji w podczerwieni, wzrasta w porządku B2O3 SiO2 GeO2, osiągając dla szkieł germanianowych 5,5 um. Krawędź absorpcji położoną przy około 6 um. posiadają szkła tellurowe, ale są one trudne do otrzymania w postaci większych próbek. Przewidywania teoretyczne wskazują, że przesunięcie krawędzi absorpcji w kierunku dłuższych fal powinno być obserwowane dla szkieł w skład których wchodzą jony o małym ładunku i dużych rozmiarach a więc dużej masie małej sile pola. Kationy ołowiu i bizmutu posiadają największa masę i jednocześnie najmniejszą siłę pola spośród nieradioaktywnych, co sugeruje osiągnięcie dużej wartości krawędzi absorpcji w podczerwieni dla szkieł opartych na tlenkach tych pierwiastków. W celu uzyskania stabilnych szkieł na bazie PbO i BiO3 w normalnych warunkach chłodzenia, koniecznym okazuje się dodanie tlenku galu Ga2O3. Z kolei dla uzyskania jeszcze dalej położonej w podczerwieni krawędzi absorpcji i wyższego współczynnika załamania celowa wydaje się modyfikacja składu szkieł ołowiowo-bizmutowo-galowych przez zastąpienie części galu indem lub talem oraz wprowadzenie innych kationów ciężkich, szczególnie kadmu i baru.
Szkła ołowiowo-bizmutowe-galowe z dodatkiem tlenków baru i kadmu wskazują daleką przepuszczalność w podczerwieni w porównaniu z innymi szkłami tlenkowymi, czy halogenkowymi. Cechują się one dobrymi właściwościami technologicznymi i fizyko-chemicznymi ( wyższa mikroporowatość, niższy współczynnik rozszerzalności termicznej, większa odporność chemiczna ). Szkła te charakteryzują się również dużą gęstością i wysokim współczynnikiem załamania światła.
Z kolei zastosowanie szkieł halogenkowych i nie tlenkowych chalkogenkowych, których krawędź absorpcji w podczerwieni osiąga wyższe wartości długości fali, jest ograniczone ze względu na ich toksyczność oraz niekorzystne właściwości fizykochemiczne i technologiczne ( niska mikroporowatość, wysoki współczynnik rozszerzalności termicznej, niska odporność chemiczna, tendencje do krystalizacji, trudność przeprowadzenia stopu w stan szklisty ).
Kolejnym kierunkiem badań nad szkłami tlenkowymi jest uzyskanie w nich własności nieliniowo optycznych, a w szczególności zjawiska generacji drugiej harmonicznej światła, w celu zastosowań w optoelektronice. Jedną z możliwości uzyskania własności nieliniowo optycznych w szkłach jest wytworzenie w nich anizotropii metoda fotoindukowaną, poprzez oświetlenie światłem laserowym o odpowiedniej dla danego materiału długości fali i mocy. Uzyskanie anizotropii tą metodą obserwowano w szkłach chalkogenidkowych, foliach polimerowych oraz w włóknach ze szkieł tlenkowych. Badania jakie są prowadzone obecnie wskazują na związek pomiędzy występowaniem dobrych własności nieliniowo optycznych w szkłach zawierających tlenek bizmutu Bi2O3 a charakteryzującą je wartością współczynnika refrakcji molowej.
BUDOWA I ZASTOSOWANIE ŚWIATŁOWODÓW
W celu zrozumienia zasady działania systemów transmisji danych opartych na liniach optycznych przyjrzyjmy się prostym układom elektronicznym przedstawionych na rysunkach poniżej.
Filozofia optycznych układów transmisji danych
Rys. (a) przedstawia układ separacji galwanicznej działający w sposób następujący. Do wejścia (Input) doprowadzony jest sygnał elektryczny. Sygnał elektryczny zamieniony jest na sygnał optyczny. Służy do tego fotodioda nadawcza. Odbiornikiem jest fotoelement (fototranzystor lub fotodioda odbiorcza) umieszczony blisko fotodiody nadawczej, zadaniem którego jest operacja odwrotna , czyli zamiana sygnału optycznego na sygnał elektryczny. Tak więc na wyjściu układu (Output) otrzymujemy taki sam sygnał jak na wejściu. Zyskujemy całkowitą izolację galwaniczną pomiędzy wejściem a wyjściem. Zastosowanie opisanego układu do transmisji danych pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem oddalonymi od siebie jest niemożliwe. Jeżeli fizycznie rozdzielimy nadajnik i odbiornik to otrzymamy układ przedstawiony na rys (b). Zwykle w takich układach medium transmisyjnym jest powietrze. Zaletą takich układów jest ich nieskomplikowana budowa. Do podstawowych wad zaliczyć należy niewielką odległość skutecznej transmisji, sztywne geometryczne powiązanie położenia nadajnika i odbiornika, podatność na zakłócenia i podsłuch, pracochłonność związana z instalacją i strojeniem. Przedstawione wady wynikają przede wszystkim
z niedoskonałości medium, w którym rozprzestrzenia się sygnał optyczny. Tak więc aby pozbyć się wad należało zamienić środowisko pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem optycznym. Środowiskiem takim jest właśnie światłowód. Struktura układu transmisyjnego oparta na wykorzystaniu linii optycznej - światłowodu przedstawiona jest na rys (c). Zamiana sygnałów elektrycznych na sygnały optyczne dokonywana jest w światłowodowym module nadajnika a odbiór sygnałów optycznych oraz zamiana ich na sygnały elektryczne dokonywana jest w światłowodowym module odbiorczym. Moduły połączone są światłowodem, który jako środowisko rozprzestrzeniania się fal optycznych pozbawiony jest wiekszości wad charakteryzujących opisane wyżej układy.
Światłowody możemy podzielić na kilka grup:
* ze względu na strukturę - światłowody włókniste i planarne;
* ze wzgledu na charakterystykę modową - światłowody jednomodowe i wielomodowe;
* ze wzgledu na rozkład współczynnika załamania w rdzeniu - światłowody skokowe
i gradientowe;
* ze względu na materiał - światłowody szklane, plastikowe oraz półprzewodnikowe.
Światłowód
Rysunek przedstawia światłowód typu włóknistego. Rozprzestrzenianie się światła wewnątrz rdzenia (Cloadding) światłowodu następuje poprzez wielokrotne odbicie promieni od płaszcza (Core). Rdzeń takiego światłowodu może być wykonany z plastiku lub specjalnego szkła. Materiał rdzenia może być domieszkowany specjalnymi domenami. Ponieważ tłumienie światła w rdzeniu jest bardzo małe sygnał wewnątrz światłowodu może rozchodzić się na znaczne odległości bez dodatkowego wzmocnienia (regeneracji).
Światłowody mają wiele zalet w porównaniu z przewodami miedzianymi. Transmisja światła jest niewrażliwa na zakłócające pola elektromagnetyczne, co jest szczególnie istotne środowisku przemysłowym. Innym powodem stosowania optycznej transmisji sygnału jest możliwość wykorzystania bardzo szerokiego pasma, dlatego nadaje się on szczególnie do telefonii, transmisji danych i sygnałów telewizyjnych w formie cyfrowej.
Zasada działania światłowodu polega na użyciu dwóch materiałów przewodzących światło o różnych współczynnikach załamania. Współczynnik załamania w rdzeniu jest nieco wyższy niż w płaszczu. Promień świetlny przemieszcza się cały czas w rdzeniu ponieważ następuje całkowite wewnętrzne odbicie promień odbija się od płaszczyzny przejścia rdzenia do płaszcza. Wokół płaszcza znajduje się izolacja ochronna.
Światłowody wykonuje się zasadniczo jako jednomodowe i wielomodowe. Światłowody wielomodowe, można podzielić na dwa typy: o współczynniku skokowym i gradientowym najczęściej spotykane są światłowody o płynnej zmianie współczynnika załamania pomiędzy rdzeniem a płaszczem, czyli gradientowe.
W światłowodzie wielomodowym, rdzeń jest dosyć gruby, ma ok. 50 mikrometrów, czyli jego średnica jest wielokrotnie większa niż długość fali przenoszonego światła. Promień światła może składać się z wielu składowych, z wielu modów, które mogą być przenoszone jednocześnie. Jeżeli zmniejszymy rdzeń dostatecznie (do ok. 5-10 mikrometrów, dla długości fali światła 1,3 mikrometra), to światłowód może przewodzić jedynie jeden mod. Będzie to światłowód typu jednomodowego. Ze względu na bardzo dobre własności częstotliwościowe posiada on możliwość gęstego upakowania informacji - posiada dużą pojemność kanału przenoszenia. Wadą takiego rozwiązania jest cienki rdzeń, co utrudnia łączenie światłowodów ze sobą.
Czymś pośrednim miedzy światłowodem o pojedynczym modzie i kablami światłowodowymi o współczynniku skokowym, jest kabel światłowodowy gradientowy. W kablu takim współczynnik załamania zmniejsza się sukcesywnie od środka rdzenia na zewnątrz. Promień świetlny, który ukośnie chce wydostać się z centrum kabla jest uginany w sposób ciągły i kierowany z powrotem w stronę środka kabla. Rdzeń w światłowodzie gradientowym jest tak gruby, że jednocześnie może on przenosić wiele modów światła. Długość kabla światłowodowego jest ograniczona przez jego dyspersję i tłumienie.
Dyspersja powoduje, że poszczególne promienie światła mają różny czas przebiegu przez światłowód. Impuls świetlny ulega poszerzeniu (rozmyciu), co ogranicza częstotliwość maksymalną powtarzania impulsów, czyli szerokość pasma przenoszenia. Jest to szczególnie istotne przy światłowodach wielomodowych ponieważ różne mody mają różne czasy przebiegu, a to ogranicza szerokość pasma. Zjawiska te nie występują w światłowodzie jednomodowym. W światłowodach tak jedno, jak i wielomodowych, istnieje również naturalna dyspersja materiału. Wynika ona ze zmian współczynnika załamania światła
w szkle. Zależy ona od długości fali, powodowana jest też przez niejednorodności struktury materiału.
Typy światłowodów
Skokowy jednomodowy - Typ SM (Single Module)
W światłowodzie jednomodowym, przenosi się tylko jeden mod. Oznacza to, że wszystkie promienie odbijane są pod tym samym kątem do powierzchni płaszcza. Wszystkie promienie mają wiec jednakową drogę do przebycia i zajmuje to taki sam czas. Oznacza to, że nie powstaje dyspersja.
Światłowód typu SM
Skokowy, wielomodowy - Typ SI (Step Index)
W grubym światłowodzie, jest możliwość występowania różnych kątów odbicia i w związku z tym następuje rozmycie krawędzi przesyłanego sygnału, czyli dyspersji.
Światłowód typu SI
Gradientowy, wielomodowy - Typ GI (Graded Index)
W światłowodzie gradientowym promienie uginają się w sposób ciągły.
Światłowód typu GI
Tłumienie i dyspersja zależą od długości fali i materiału światłowodu. Pierwsze włókna wykonane w roku 1970 posiadały tłumienie rzędu 20 dB/km. Z postępem technologicznym zaczęto produkować światłowody o znacznie niższym tłumieniu, zoptymalizowano długość fal pod względem najmniejszego tłumienia. Pierwsza generacja światłowodów pracowała ze światłem o długości fali 0,85 µm, druga generacja 1,3 µm, a trzecia 1,55 µm. Najniższe teoretyczne tłumienie występuje przy fali o długości 1,55 mm i wynosi 0,16 dB/km, podczas gdy najmniejsza dyspersja występuje przy fali o długości 1,3 µm.
Złożonym problemem jest cięcie i łączenie światłowodów ze sobą. Zwłaszcza dotyczy to światłowodów jednomodowych, gdzie cienkie rdzenie w każdym segmencie kabla muszą być w stosunku do siebie ułożone idealnie centrycznie. Na styku powstają również tzw. odbicia Fresnela, zwiększające tłumienność połączeń. Na przejściach można ograniczyć straty do teoretycznej granicy ok. 4%. Tłumienie na złączach jest zmienne i zawiera się miedzy 0,2
i 2 dB w zależności od typu użytego złącza i jakości wykonania.
Ze względu na rodzaj materiału światłowody dzielimy na APF, PCF i Silica (szklane) - rodzina TOSLINK.
* Światłowód typu APF posiada rdzeń oraz płaszcz wykonany z plastiku (PMMA). Grubość rdzenia wynosi 980/1000- mikro metrów, długość fali świetlnej 650 nm., tłumienność – ok. 220 dB/km, max. odległość transmisji - do 50m.
* Światłowód typu PCF posiada rdzeń wykonany ze szkła, płaszcz natomiast jest plastikowy. Grubość rdzenia wynosi 200/300 mikro metrów, długość fali świetlnej 800 nm., tłumienność – ok. 6 dB/km, max odległość transmisji - do 1km.
* Światłowód typu Silica posiada rdzeń oraz płaszcz wykonany ze szkła. Są to światłowody wykorzystywane głównie w telekomunikacji. Pozwalają one na transmisję sygnałów na wiele kilometrów bez potrzeby wzmacniania sygnału.
W technice pomiarowej (ze względu na odległość nie są zbyt często stosowane).
* Światłowody innych typów nie mają powszechnego zastosowania chociaż niektóre z nich są bardzo ciekawe i rokują duże nadzieje (np.: światłowody domieszkowane).
Technika światłowodowa jest bardzo dynamicznie rozwijającą się dziedziną elektroniki. Zastosowanie światłowodów w telekomunikacji, technice pomiarowej, medycynie, lotnictwie jest już dziś bardzo znaczne. Wydaje się, że kto dziś nie opanuje podstaw techniki światłowodowej, jutro może okazać się bez pracy (myślę tu oczywiście o firmach i ludziach profesjonalnie związanych z projektowaniem, wdrażaniem i obsługą urządzeń optoelektronicznych).