BÖLÜM 2 IŞIĞIN DAVRANIŞI VE OPTİK FİBERLER

GEOMETRİK OPTİK (IŞIN OPTİK, RAY OPTICS)

DALGA OPTİK (WAVE OPTICS)

2-2. Düzlemsel elektromanyetik dalgada E&M alan dağılımları

2-3. İki lineer polarize dalganın toplanması (aralarında faz farkı olmayan)

2-4. Eliptik polarize ışık (eşit olmayan genlikte ve aralarında  faz farkı bulunan iki lineer polarize dalganın toplamı)

2-5. İki eşit genlikli lineer polarize dalganın toplamı = Sağa dairesel polarize dalga (  =  /2+2m  faz farklı)

Polarizer : A polarizer is a material or device that transmits only one polarization component and blocks the other. For example, when unpolarized light enters a polar­izer that has a vertical transmission axis as shown in Fig. 3.7, only the vertical polarization component passes through the device. As noted earlier, a familiar application is the use of polarizing sunglasses. To see the polarization property of the sunglasses you are wearing, tilt your head sideways. A number of glare spots will then appear. The sunglasses block out the polarized light from these spots when you hold your head normally.

Faraday Rotator : A Faraday rotator is a device that rotates the state of polarization (SOP) of light passing through it by a specific amount. For example, a popular device rotates the SOP clockwise by 45° or one-quarter wavelength, as shown in Fig This rotation is independent of the SOP of input light, but the rotation angle is different depending on the direction in which the light passes through the device. That is, the rotation is not reciprocal. In addition, the SOP of the input light is maintained after the rotation; for example, if the input light to a 45° Faraday rotator is linearly polarized in a vertical direction, then the rotated light exiting the crystal also is linearly polarized at a 45° angle. The material is usually some type of asymmetric crystal such as yttrium iron garnet (YIG), and the degree of angular rotation is proportional to the thickness of the device.

Double Refractive Crystals Certain crystalline materials have a property called double refraction or bire­fringence. This means that the indices of refraction are slightly different along two perpendicular axes of the crystal, as shown in Fig A device made from such materials is known as a spatial walk-off polarizer (SWP). The SWP splits the light signal entering it into two orthogonally (perpendicularly) polarized beams. One of the beams is called an ordinary ray or o ray, since it obeys Snell’s law of refraction at the crystal surface. The second beam is called the extraor­dinary ray or e ray, since it refracts at an angle that deviates from the predic­tion of the standard form of Snell’s law. Each of the two orthogonal polarization components thus is refracted at a different angle, as shown in Fig For example, if the incident unpolarized light arrives at a perpendicular angle to the surface of the device, the o ray can pass straight through the device whereas the e ray component is deflected at a slight angle so it follows a different path through the material. Table 3.1 lists the ordinary index no and the extraordinary index ne of some common birefringent crystals that are used in optical communication compo­nents. As will be described in later chapters, they have the following applications: ■ Calcite is used for polarization control and in beam splitters. ■ Lithium niobate is used for light signal modulation. ■ Rutile is used in optical isolators and circulators. ■ Yttrium vanadate is used in optical isolators, circulators, and beam displacers.

KUANTUM OPTİK (QUANTUM OPTICS)

Kırılma İndisi (Refractive Index) : Bir malzemenin en temel optik parametrelerinden birisi ışığın malzeme içindeki hızıdır. Işık dalgası bir dielektrik veya iletken olmayan bir ortama girdiğinde yavaşlar ve  hızıyla yolalmaya başlar.  hızı malzemenin karakteristiğidir ve ışığın vskumdaki hızında ( c) daha düşüktür. Işığın vakumdaki hızının, made içerisindeki hızına oranı malzemenin kırılma indisi (refractive index or index of refraction) olarak tanımlanır : n için tipik değerler : hava : 1.00, su : 1.33, silika cam: 1.45, elmas : 2.42 İki malzemeden n kırılma indisi daha büyük olana, optik olarak daha yoğun malzeme denir. Örneğin cam havadan daha yoğundur. Havanın kırılma indisi dalgaboyu, sıcaklık, basınç ve gaz kompozisyonu ile değişir. Standart kuru havanın 760 torr basınç ve 15 C sıcaklıktaki kırılma indisinin dalgaboyu ile değişimi ( (  m): 1.55  m için havanın kırılma indisi : n air = havadaki ışık hızı : c air = 299, m/s

Işın Teorisi : Yansıma ve Kırılma (Reflection and Refraction) :

Yansıma ve Kırılma :

11 22 1212 Düz Ayna Normal Düz Aynada Yansıma 22 11 Normal Az Yoğun Çok Yoğun n1 n2>n1   Az Yoğun Ortamdan Çok Yoğun Ortama Geçiş ( Işın normale YAKLAŞARAK Kırılır) Az Yoğun Ortamdan Çok Yoğun Ortama Geçiş

Normal n2 n1>n2 Az Yoğun Çok Yoğun cc cc cc Çok Yoğun Ortamdan Az Yoğun Ortama Geçiş Kritik açı ile gelen ışın n1-n2 arayüzeyine paralel olarak yol alır. 1-Kritik açıdan büyük açıyla gelen ışın diğer ortama geçmeden YANSIR. (Tam İç Yansıma) 2-Kritik açıdan küçük açıyla gelen ışın diğer ortama geçer ve normalden UZAKLAŞARAK kırılır. Bir kısmı ise aynı ortama geriye YANSIR. HAVA CAM HAVA CAM  c  = Kritik Açı

Kritik Açı : Örnek : n1 = 1.48 (cam), n2= 1.00 (hava) için kritik açı 42° den daha büyük bir  1 açısıyla cam-hava arayüzeyine gelen ışınlar tamamen cama geri yansıtılır.

Optik Fiberin Yapısı : Çekirdek (Core) (Öz) Yansıtıcı (Cladding) (Örtü) Kılıf (Coating) (Koruyucu)

Fig. 2-10: Comparison of fiber structures

Üç Tip Optik Fiberin Karakteristik Özellikleri Fiber Tipi Kesit Kesit Dağılımı Işık Yayılımı İletim Karakteristiği Basamaklı İndisli Çok Modlu Fiber Dereceli İndisli Çok Modlu Fiber Basamaklı İndisli Tek Modlu Fiber

Üç Tip Optik Fiberin Karakteristik Özellikleri Fiber Tipi Kesit Kesit Dağılımı Işık Yayılımı İletim Karakteristiği Basamaklı İndisli Çok Modlu Fiber Dereceli İndisli Çok Modlu Fiber Basamaklı İndisli Tek Modlu Fiber Kırılma İndisinin Verilen Alınan Darbe Darbe

Nümerik Açıklık,NA, (Numerical Aperture) : Tipik değerler : NA = 0.14 ~ 0.50

Kırılma İndis Farkı (∆) : (Refractive Index Difference) Kabul Konisi (  0max ) : (Cone of Acceptance) ∆ = %1-3 (MM Fiber) ∆ = %0.2-1 (SM Fiber)

Core Diameter (  m) Cladding diameter (  m) NA : Tipik Fiber Boyutları :

Yansıtıcı Çekirdek Kılıf

 max    max   min Yansıtıcı Çekirdek Kılıf

Farklı fiber tipleri 100 µm µm 0.28 N.A. 140µm Basamaklı indisli çok modlu fiber SI 100/ µm µm 50 µm n 1 = n 2 = µm Dereceli indisli çok modlu fiber GI 62.5/125 GI 50/125 N.A. n 2 =1.517 n 1 = µm 9 to 12 µm µm Basamaklı indisli tek modlu fiber SI 9/125 n 1 =1.471 n 2 =1.457 N.A.  çekirdek  buffer/kılıf  yansıtıcı

Mod sayısı : M, Normalize Frekans : V a = öz yarıçapı NA = nümerik açıklık 0 = ışığın boşluktaki dalgaboyu Mod sayısı V>>1 için Basamaklı İndis Fiber : Dereceli İndis Fiber :

Tek Modlu Çalışma Şartı : ise fiberde yalnızca tek bir mod iletilmektedir. Kesim Dalgaboyu : V parametresi : veya

Örnek : Bir basamaklı indis fiberin 1300 nm’de normalize frekansı V = 26.6’dır. Öz yarıçapı 25  m olduğuna göre NA değerini bulunuz.

Mod alan çapı : Mode-field diameter (MFD) Gausiyen elektrik alan dağılımı : MFD = 2 *W 0 = 2 *(1/e elektrik alan genişliği) MFD = 2 *W 0 = 2 *(1/e 2 optik güç genişliği)

Dereceli-İndis Fiber (Graded-Index Fiber) : 0  r  a r  a Özdeki kırılma indis değişimi : Dereceli indis fiber için kırılma indis farkı : Not :  =  için n(r) = n 1 olur. NA değişimi : r  a r > a

Eksenel Nümerik Açıklık : Dereceli İndis Fiberde Mod Sayısı :

Fig. 2-14: Low-order-mode fields

Fig. 2-24: Polarizations of fundamental mode

Fig. 2-11: Skew rays

Fiber Uygulamaları Dalgaboyu Fiber Tipi Core/cladding Uygulama 850 nm 1300 nm 1550 nm 100/140 µm 85/125 µm 62.5:125 µm 50/125 µm 9/125 µm Max. mesafe (km) Telecom / CATV LAN Endüstri Multimode Singlemode