Curs 4

2016/2017

2C/1L Optoelectronică, structuri, tehnologii, circuite, OSTC

Minim 7 prezente curs + laborator

Curs - sl. Radu Damian◦ Joi 15-18, P5◦ E – 70% din nota 20% test la curs, saptamana 4-5?

◦ probleme + (?1 subiect teorie) + (2p prez. Curs) 2prez=0.5p

◦ toate materialele permise

Laborator – sl. Daniel Matasaru◦ Joi 8-14 par

◦ L – 15% din nota◦ C – 15% din nota

Joi 16.03.2017, 15, P5◦ toate materialele permise

20% nota◦ Singura proba la care minim 5 nu e necesar

◦ Absenta = 0p

Primele 3 capitole◦ Introducere

◦ Lumina ca undă electromagnetică

◦ Fotometrie şi radiometrie

Personalizat

0 dBm = 1 mW

3 dBm = 2 mW5 dBm = 3 mW10 dBm = 10 mW20 dBm = 100 mW

-3 dBm = 0.5 mW-10 dBm = 100 W-30 dBm = 1 W-60 dBm = 1 nW

0 dB = 1

+ 0.1 dB = 1.023 (+2.3%)+ 3 dB = 2+ 5 dB = 3+ 10 dB = 10

-3 dB = 0.5-10 dB = 0.1-20 dB = 0.01-30 dB = 0.001

dB = 10 • log10 (P2 / P1) dBm = 10 • log10 (P / 1 mW)

[dBm] + [dB] = [dBm]

[dBm/Hz] + [dB] = [dBm/Hz]

[x] + [dB] = [x]

in

out

P

PPierderi

in

out

P

P10log10dBPierderi

]lungime[km

B]Pierderi[ddB/kmAtenuare

dBmdBmdBPierderi inout PP

√

Minim 7 prezente

0.5p/2(3)prez

3 teste

foto

Curs 3

0 dBm = 1 mW

3 dBm = 2 mW5 dBm = 3 mW10 dBm = 10 mW20 dBm = 100 mW

-3 dBm = 0.5 mW-10 dBm = 100 W-30 dBm = 1 W-60 dBm = 1 nW

0 dB = 1

+ 0.1 dB = 1.023 (+2.3%)+ 3 dB = 2+ 5 dB = 3+ 10 dB = 10

-3 dB = 0.5-10 dB = 0.1-20 dB = 0.01-30 dB = 0.001

dB = 10 • log10 (P2 / P1) dBm = 10 • log10 (P / 1 mW)

[dBm] + [dB] = [dBm]

[dBm/Hz] + [dB] = [dBm/Hz]

[x] + [dB] = [x]

Capitolul 2

3770

00

smc 8

00

0 1099790,21

f

c00

2

fT

12

n

cc 0

rn n

0

nfn

c 00

fT

12

1n

ITU G.692"the allowed channel frequencies are based on a 50 GHz grid with the reference frequency at 193.10 THz"SI"a source that emits monochromatic radiation of frequency 540·1012 Hz"

indep.

f

n

Capitolul 2

Lumina este constituita din raze care se propaga in liniedreapta in medii omogene

Sursa omnidirectionala: emitesimilar in toate directiile

Energia luminoasa descresteinvers proportional cu patratul distantei fata de sursa (energia se imparteuniform pe suprafata intregiisfere)

2

0

r

PP

Apare numai când lumina se propaga dintr-un mediu mai dens optic intr-un mediu mai puțin dens

La intersecția luminii cu suprafața de separație a doua medii se întâlnesc in general raze reflectate si raze refractate

Pentru un unghi de incidenta numit unghi critic, raza refractata se obține in lungul suprafeței de separație

Pentru orice unghi mai mare decât unghiul critic exista numai raza reflectata

90;21 Rnn

21 sin nn C

1

2arcsinn

nC

n1

n2

n1>n2

Capitolul 3

In optoelectronica, lumina poate fi privita din doua puncte de vedere◦ energetic (efect asupra dispozitivului)◦ uman (efect asupra ochiului uman)

Dualitatea mărimilor implicate◦ energetice◦ luminoase

Candela (cd) este una din cele 7 mărimi fundamentale ale SI◦ Cd = intensitatea luminoasa a unei surse ce emite o

radiație monocromatica cu frecventa 540·1012 Hz (λ = 555nm in vid) si are o intensitate radianta de 1/683 W/sr

Se incearca definirea omului “standard”

CIE – Commission Internationale de l'Éclairage◦ 1931 – luminozitatea relativa standard V(λ) – fotopic

◦ 1951 – luminozitatea relativa standard V(λ) – scotopic

◦ 1978 – Vos

◦ 2005 – Sharpe, Stockman, Jagla, Jägle

◦ 2008 – CIE V(λ) – fotopic (~Sharpe)

Sensibilitatea maxima a ochiului uman◦ vedere diurna (fotopic), λ=555 nm, ηv = 683 lm/W

◦ vedere nocturna (scotopic ), λ=507 nm , ηv = 1700 lm/W

Intensitatea◦ raportul dintre fluxul care părăseşte sursa şi se

propagă într-un element de unghi solid ce conţine direcţia de propagare şi elementul de unghi solid.

◦ o masura a puterii emise de o sursa intr-un element de unghi solid

Intensitatea

Fotometrie Radiometrie

SI: cd SI: W/sr

d

dI v

v

d

dI e

e

SLED◦ radiatia este emisa cu simetrie

circulara, in interiorul unuicon cu unghi la varf tipic de 60°

◦ Viewing Half Angle ~ 10÷15°

ELED◦ radiatia emisa nesimetric in

forma de con eliptic perpendicular pe jonctiune

~60°

paralel cu jonctiunea ~30°

Sursa lambertiana

Aproximatie Lambertiana pentru surse cu directivitate crescuta

Surse cu emisie asimetrica

cos)( 0 PP

nPP cos)( 0

LT

PP

cos

cos

cos

sin)(

22

0

Standardele pentru surse luminoase (de ex. semne de circulatie), iluminarea spatiilor de lucru/odihna sunt concepute cu marimiluminoase

de multe ori se adapteaza relatiile pentrusurse mai simple:

Spect

vv

vv

vS

EdS

dE

.

inctI

vv

vv

v

Id

dI

.

i

iiev

nm

nm

ev V

W

lmdV

d

d

W

lm

683683

830

390

Capitolul 4

un ghid de undadielectric ◦ miez

◦ teaca

Optical fibers

Tube

Strain relief(e.g., Kevlar)

Innerjacket

Sheath

Outerjacket

Unghi de acceptanta

Aperturanumerica

cACC nn sinsin 20

2

1

2

22

2

2

1

2

22 nn

n

nnnNA

ACCnNA sin0

n2 – miezn1 – teacan2 > n1 !!

Monomod

Multimod◦ cu salt de indice

◦ cu indice gradat

50/125 sau62.5/125 (μm)

15-50 MHz· km

50/125 sau62.5/125 (μm)

700-1200 MHz·km

g = 1 – indice gradat triunghiular

g = 2 – indice gradat parabolic

g = ∞ - salt de indice

6-8/125 (μm)

MHz·kmnerelevant

MFD – Mode Field Diameter

Ecuatiile lui Maxwell in coordonate cilindrice

a - raza miezuluiU - E(r) sau H(r)

solutii proportionale cu functii Bessel

Moduri in ghid rectangular

Moduri linear polarizate in fibra

“Sparkle” pattern

Frecventa normalizata

Numar de moduri

NAakNAa

V

2

22

2

g

gVN

L

mL

a - raza miezului

2k

Fibre monomod

NAa

NAV

a

C

C405.2

22

Exemplu:2a = 8.5μm

NA = 0.11

nm121011.0405.2

5.8C

405.2 CVV

exista un singur mod (solutiifc. Bessel)

b – coeficient de propagaremodal relativ

Numar de moduri◦ Multimod cu salt de indice

◦ Multimod cu indice gradat

◦ Monomod

2

2VNg

42

2VNg

405.2 CVV exista un singur mod (solutii fc. Bessel)

22

2

g

gVN

fibra tipica multimod◦ g=2

◦ 2a = 50μm -> a = 25μm

◦ NA = 0.2 la λ = 1μm

4.31522.01

2522

NA

aV

2474

4.31

42

22

V

Ng

Propagarea luminiipoate fi explicatadoar prin teoriaelectromagnetica

Energia campului se extinde in teaca (diametrul efectiv al spotuluiluminos – MFD, Mode Field Diameter)

MFD > 2a Adancimea de patrundere in teaca

depinde de lungimea de unda, generand dispersia de ghid

d

Through the Wormhole S02E07 How Does the Universe Work

Cat de departe pot transmite semnalul luminos pe fibra◦ atenuare

Cat de rapid pot transmite informația◦ dispersie

Macrocurburi◦ utilizator, localizat, dB

Discontinuitate in fibra◦ utilizator, localizat, dB

Microcurburi◦ distribuit, tehnologie, dB/km

Imprastiere◦ distribuit, tehnologie, dB/km

Absorbtie◦ distribuit, material, dB/km

utilizator, localizat, dB

i

iAA

iANA

Multimod

Monomod v cresten scade

v scaden creste

2,1 nnRR extC

Apare cand nu putem considera fibra un singur ghid dielectric◦ defectiuni

◦ conectori

utilizator, localizat, dB

i

iAA

iANA

distribuit, tehnologie, dB/km

LAA i

kmLkmdBAdBA i /

distribuit, tehnologie, dB/km

LAA i

kmLkmdBAdBA i /

distribuit, material, dB/km

kmLkmdBAdBA i /

imprastierea luminii (si a altor radiatiielectromagnetice) de particule (molecule) mult mai mici decat lungimea de unda

4

1~

A

Absorbtie◦ 950nm

◦ 1244nm

◦ 1383nm

Apa!

111

ztjzy eeCtzE

2~, EPW

222

ztjzy eeCtzE

12

1

22

22

22

1

2 zz

z

z

eeCt

eCt

P

PA

12210

1

210 log10log10][

zze

P

PdBA

121012 686.8log20][ zzezzdBA

0686.8]/[/ kmdBLA

Atenuarea se exprima de obicei in dB/km

de obicei valori pozitive

semnul = implicit

in

out

P

PPierderi

in

out

P

P10log10dBPierderi

]lungime[km

B]Pierderi[ddB/kmAtenuare

dBmdBmdBPierderi inout PP

√

Stimulated Brillouin Scattering, SBC◦ difractia luminii inspre emitator datorita undelor

mecano-acustice generate in fibra◦ 6-10 dBm

Stimulated Raman Scattering, SRS◦ interactiunea luminii cu vibratiile moleculare◦ 27 dBm (~1W)

Self Phase Modulation, SPM◦ Frontiera impulsului implica indice de refractie variabil in

timp moduland faza impulsului◦ 5 dBm◦ Cross Phase Modulation, CPM

Four-Wave Mixing, FWM◦ 0 dBm

23

2

1NNNL

N = 2, NL = 4

N = 3, NL = 9

N = 16, NL = 1920

Cat de departe pot transmite semnalul luminos pe fibra◦ atenuare

Cat de rapid pot transmite informația◦ dispersie

Propagarea cu viteze diferite a radiatiilor cu lungimi de unda diferite◦ intermodala (modala – depinde de prezenta

modurilor)

◦ intramodala (cromatica – depinde de lungimea de unda)

de material

de ghid

v

Lt 0

C

Cv

Lt

cos

2n

cv NAC cos

2

1220

n

nn

c

nLttt CSI

c

nLttt CSI

20

11

12

n

nn 2

2

02

NAnc

Lttt CSI

salt de indice

indice gradat

2

2

2

12

1

2

2

2 nc

NAL

n

nn

nc

nLdt

intarzierea intre

moduri cand1

1

12

n

nn

2

2

mod23

1

dt

2

2

2mod

3432 nc

NAL

c

nL

3

2

42

2

82 nc

NAL

c

nLdt

c

nL

34

2

2mod

12.01.0 NAn2 – miezn1 – teacan2 > n1 !!

d

dnnngr

2

2

d

nd

c

Lmat

SiO2

Neglijabila in fibrele multimod fata de dispersia modala

2

2

dV

VbdV

c

Lngh

b – constanta de propagarenormalizata

405.2 CVV

D(λ) ≈ 100 + 0.4 (850 - λ) [ps/nm/km] pentru 800 < λ < 900 nm

D(λ) ≤ 3,5 ps/nm/km pentru 1285 < λ < 1330 nm

D(λ) ≤ 17 ps/nm/km pentru 1525 < λ < 1575 nm

LDcr

3

400 -

4

S=)D(

3

400 -

4

S=)D(

S0 panta dispersiei –ps/nm2/km

0=)D( 0

degenerarea nivelelor energeticeduce la aparitia benzilorenergetice

Multitudinea de tranzitii posibileintre cate doua nivele situate in benzi energetice diferite duce la largirea caracteristicii spectrale a surselor

2,

2000

0

Δ

nm002.0

Laboratorul de microunde si optoelectronica

http://rf-opto.etti.tuiasi.ro

rdamian@etti.tuiasi.ro