454-0323/01 – Optoelektronika I (OPT I)
| Garantující katedra | Katedra telekomunikační techniky | Kredity | 6 |
| Garant předmětu | prof. RNDr. Vladimír Vašinek, CSc. | Garant verze předmětu | prof. RNDr. Vladimír Vašinek, CSc. |
| Úroveň studia | pregraduální nebo graduální | Povinnost | volitelný odborný |
| Ročník | 1 | Semestr | zimní |
| | Jazyk výuky | čeština |
| Rok zavedení | 2005/2006 | Rok zrušení | 2009/2010 |
| Určeno pro fakulty | FEI | Určeno pro typy studia | navazující magisterské |
Cíle předmětu vyjádřené dosaženými dovednostmi a kompetencemi
Rozumět funkci optoelektronických prvků používaných v optických sítích.
Učební výstupy jsou stanoveny tak, aby studenti byli schopni identifikovat, aplikovat a řešit úlohy z oblasti optoelektroniky.
Vyučovací metody
Přednášky
Cvičení (v učebně)
Experimentální práce v laboratoři
Anotace
Předmět představuje úvod do studia problematiky optoelektroniky zaměřené na optické komunikace. Mimo úvodu, které představuje místo optických komunikací v dnešních komunikačních technologiích, se posluchači seznámí se základními vlastnostmi světla nezbytnými pro pochopení dějů v optických vláknech. Samotná optická vlákna jsou probírána ve dvou úrovních - základní popis a pokročilý popis. Tímto způsobem jsou popisována veškerá vlákna, mnohomódová, jednomódová, celoplastová. Jsou probírány veškeré vlastnosti od mechanismu vedení světla, přes útlumy a disperzní jevy. Jsou popisovány jak lineární, tak nelineární jevy ve vláknech.
Povinná literatura:
Doporučená literatura:
Studijní opora pro Optoelektronika I
Další studijní materiály
Forma způsobu ověření studijních výsledků a další požadavky na studenta
Absolvování dvou testů ve cvičeních, odevzd¨ání protokolů z laboratorních cvičení
E-learning
Další požadavky na studenta
Prerekvizity
Předmět nemá žádné prerekvizity.
Korekvizity
Předmět nemá žádné korekvizity.
Osnova předmětu
•Úvod do telekomunikací a optických vláken - Telekomunikace, základní představy, spojení bod-bod, sítě, informační kapacita přenosové trasy, přechod od analogových k digitálním přenosovým systémům, místo a role optických komunikačních systémů, historie a vývoj přenosových vlastností a parametrů optických vláken, vláknově optické komunikační systémy, základní blokový diagram optického přenosu informace, stávající stav v optických systémech, budoucí vývojové trendy
•Světlo a jeho vlastnosti v přehledu - Rovinná elektromagnetická vlna, index lomu, přenos energie světelnou vlnou, lineárně polarizované světlo, kruhově a elipticky polarizované světlo, průchod světla čtvrtvlnou destičkou, interference světla, dvojpaprsková interference, koherence světla, Gaussovský svazek, difrakce Gaussovského svazku, světlo jako soubor paprsků, index lomu, odraz a lom světla, Brewsterův úhel, úplný vnitřní odraz, světlo jako tok fotonů, energetické stavy elektronu a přechod mezi nimi, absorpce a emise světla
•Základy optických vláken 1 - Vedení světla v optických vláknech, vlákno se skokovou změnou indexu lomu jako základní optická komunikační struktura, úplný odraz na rozhraní jádra a pláště, indexy lomu jádra a pláště, mezní úhel na rozhraní jádro-plášť a mezní úhel šíření, zavedení světla do optického vlákna, příjmový kužel, numerická apertura, útlum optických vláken, ohybové ztráty, mikroohybové ztráty, rozptyl světla, absorpce světla, okna propustnosti optických vláken na SiO2, výpočet celkového útlumu optické trasy, přímá metoda měření útlumu optické trasy
•Základy optických vláken 2 - Módová a chromatická disperze, pojem módu optického vlákna, počet vedených módů, fyzikální význam módů, módová disperze, mechanismus rozšíření světla ve vlákně módovou disperzí, výpočet rozšíření pulsu módovou disperzí, souvislost mezi módovou disperzí a přenosovou rychlostí optické trasy, první způsob řešení módové disperze – gradientní vlákna, základní struktura gradientních vláken, redukce módové disperze gradientními vlákny, druhé a principiální řešení módové disperze – jednomódová vlákna, struktura jednomódového vlákna, srovnání módové disperze jednotlivých typů optických vláken
•Základy optických vláken 3 - Chromatická disperze, mechanismus vzniku chromatické disperze, výpočet rozšíření pulsu chromatickou disperzí, definice přenosové rychlosti a šířky pásma, souvislost přenosové rychlosti a šířky pásma, elektrická a optická šířka pásma, celková disperze a přenosová rychlost, výpočet přenosové rychlosti, specifikace přenosové rychlosti a šířky pásma výrobci optických vláken
•Základy optických vláken 4 - Katalogové parametry optických vláken, všeobecné parametry, optické charakteristiky, geometrické charakteristiky optických vláken, specifikace pracovních podmínek optických vláken, mechanické charakteristiky, ostatní charakteristiky
•Pokročilejší popis vlastností optických vláken 1 - Maxwellovy rovnice, interpretace Maxwellových rovnic, vlnová rovnice pro vakuum, řešení vlnové rovnice, rovinné vlny, šíření EM vln, vlnové rovnice pro harmonické EM pole, rozložení elektrické a magnetické složky v prostoru, šíření rovinných vln ve ztrátovém prostředí, fázová a skupinová(grupová) rychlost vln, skupinový(grupový) index lomu, EM vlny v ohraničeném prostředí, pravoúhlý vlnovod, módy vlnovodu, mezní frekvence a vlnové délky vlnovodu, pokročilý popis úplného vnitřního odrazu, jevy na rozhraní dvou bezztrátových dielektrik, fázový posuv při úplném odrazu a evanescentní pole, odrazivost, a propustnost na rozhraní dielektrik, vlastnosti evanescentních vln, Goos-Haenchenův posuv
•Pokročilejší popis vlastností optických vláken 2 - Cylindrická vlákna, módy cylindrických vláken, LP módy, výběrová pravidla pro stavy EM vln ve vlákně, vlny a paprsky optického vlákna, meridionální a kosé paprsky, vedené, zářivé a vytékající módy, světelný výkon nesený optickým vláknem, distribuce výkonu mezi jádro a plášť, počet módů a měření útlumu
•Pokročilejší popis vlastností optických vláken 3 - Mezní vlnová délka a mezní normalizovaná frekvence optického vlákna, souvislost mezní normalizované frekvence a úplného vnitřního odrazu, souvislost mezi rozložením výkonu po průřezu optického vlákna a mezní normalizované frekvence, efektivní index lomu
•Pokročilejší popis vlastností optických vláken 4 - Útlum optických vláken, obecný přístup k pojmu útlum, intrinzitní absorpce, Rayleigho rozptyl, SiO2 vlákna, výběr pracovních vlnových délek, další materiály pro výrobu optických vláken, fluoridová vlákna, chalkogenní vlákna extrinzitní absorpce, ztráty ohybem, mikroohyby a makroohyby, vliv módové struktury na útlum vlákna, útlum a útlumová konstanta, disperze v multimódových vláknech, celková disperze a šířka pulsu, elektrická a optická šířka pásma, módová disperze a její mechanismus rozšíření pulsu
•Pokročilejší popis vlastností optických vláken 5 - Chromatická disperze, odvození základní relace pro materiálovou disperzi, výpočty chromatické disperze podle katalogových parametrů, Sellmeierovy relace, vliv šířky spektrální čáry zdroje, vlnovodová diperze, popis přenosové rychlosti a šířky pásma multimódových vláken, výběr pracovní vlnové délky v závislosti na disperzi vlákna, vliv disperze na velikost útlumu
•Základy jednomódových vláken (SM vláken) - Princip činnosti jednomódového vlákna, Gaussovský svazek, vliv jádra a pláště na průměr módového pole MFD, mezní vlnová délka SM vlákna, útlum SM vláken, makroohybové ztráty, mikroohybové ztráty, absorpce a rozptyl světla v SM vláknech, disperze a šířka pásma SM vláken, chromatická disperze, materiálová disperze, vlnovodová disperze, konvenční vlákna, vlákna s posunutou disperzní charakteristikou, vlákna s plochou disperzní charakteristikou, polarizační módová disperze (PMD), šířka pásma a přenosová rychlost SM vlákna, katalogové parametry SM vláken, všeobecné charakteristiky, přenosové charakteristiky, MFD a mezní vlnová délka, geometrické charakteristiky, mechanické vlastnosti SM vláken
•Jednomódová vlákna – pokročilý popis 1 - Módové pole, Gaussův model a skutečné rozložení módového pole, mezní vlnová délka a normalizovaná frekvence vlákna, efektivní mezní vlnová délka, podrobnější popis útlumu v SM vláknech, ohybové ztráty SM vlákna se skokovým profilem indexu lomu, sofistikovanější profily indexu lomu SM vláken, řešení problematiky chromatické disperze v SM vláknech, řešení disperze pro vlákna pro WDM
•Jednomódová vlákna – pokročilý popis 2 kompenzace chromatické disperze kompenzačními vlákny, návrh komunikačních systémů s kompenzačními vlákny, kompenzace disperze vlákny s Braggovou mřížkou (FGB vlákna), výroba FGB vláken, polarizační módová disperze (PMD), popis polarizace v SM vlákně, charakteristiky PMD, vlákna zachovávající polarizační stav, kompenzace PMD, nelineární jevy v optických vláknech, vliv nelineárních změn indexu lomu, vlastní fázová modulace optické vlny (SPM), solitony optického vlákna, přeslechová fázová modulace (XPM), čtyřvlné směšování (FWM) v SM vlákně, stimulované rozptylové jevy, trendy v návrhu optických vláken
Podmínky absolvování předmětu
Výskyt ve studijních plánech
Výskyt ve speciálních blocích
Hodnocení Výuky