Światłowody telekomunikacyjne

Transkrypt

1 Światłowody telekomunikacyjne Parametry i charakteryzacja światłowodów Kolejny wykład będzie poświęcony metodom pomiarowym Prezentacja zawiera kopie folii omawianych na wykładzie. Niniejsze opracowanie chronione jest prawem autorskim. Wykorzystanie niekomercyjne dozwolone pod warunkiem podania źródła. Sergiusz Patela

2 Charakteryzacja światłowodowych kabli telekomunikacyjnych (standardy ITU) G.650 Definicje i metody testowania parametrów światłowodów jednomodowych G.651 Charakterystyki wielomodowych gradientowych kabli światłowodowych typu 50/15 µm G.65 Charakterystyki jednomodowych kabli światłowodowych G.653 Charakterystyki jednomodowych kabli światłowodowych z przesuniętą dyspersją G.654 Charakterystyki światłowodowych kabli jednomodowych z minimum tłumienia (optymalizowanych) dla 1550 nm G.655 Charakterystyki jednomodowych kabli światłowodowych z niezerową dyspersją (c) Sergiusz Patela Światłowody telekomunikacyjne

3 Różnice między światłowodami G.65 i G.654 Światłowody G.65 były optymalizowane do pracy przy 1310nm Światłowody G.654 zostały zoptymalizowane dla długości fali 1550 nm. Rdzeń światłowodu wykonany jest z czystej krzemionki. Średnica pola modu i dopuszczalne poziomy mocy są większe niż w G.65. G.654 przeznaczone są do pracy w łączach b.dalekiego zasięgu, np. transoceanicznych. (c) Sergiusz Patela Światłowody telekomunikacyjne 3

4 Metody pomiarowe Parametry i ich definicje oraz metody pomiarowe są ze sobą ściśle związane. Parametry światłowodu można zwykle mierzyć kilkoma metodami. Jedna z nich wybierana jest jako metoda główna (inaczej - metoda referencyjna). Pomiary należy przeprowadzać ściśle według zaleceń normy lub standardu. Pozostałe to metody alternatywne. (c) Sergiusz Patela Światłowody telekomunikacyjne 4

5 Parametry światłowodu jednomodowego 1. Tłumienność. Dyspersja chromatyczna 3. Średnica pola modu 4. Apertura numeryczna 5. Długość fali odcięcia 6. Dyspersja polaryzacyjna (Polarisation mode dispersion) 7. Średnica płaszcza, błąd koncentryczności pola modu i eliptyczność płaszcza. 8. Wytrzymałość mechaniczna (c) Sergiusz Patela Światłowody telekomunikacyjne 5

6 Światłowód włóknisty - mody liniowo spolaryzowane 1 LP 01 LP 11 b LP 1 LP V Mody liniowo spolaryzowane światłowodu włóknistego (c) Sergiusz Patela Światłowody telekomunikacyjne 6

7 Pole modu Błąd koncentrycznośc Średnica Środek Zdjęcie pola modu światłowodu jednomodowego w bliskim polu (c) Sergiusz Patela Światłowody telekomunikacyjne 7

8 Średnica pola modu Pole modu to rozkład pola jednego modu (LP 01 ), który daje przestrzenny rozkład natężenia w światłowodzie. Średnica pola modu (MFD) w jest miarą rozciągłości natężenia pola elektromagnetycznego w poprzecznym przekroju światłowodu. MFD jest definiowana przez kątowy rozkład natężenia dalekim polu F (θ) w = π F λ 0 π π F 0 ( θ ) ( θ ) sinθ cosθdθ 3 sin θ cosθdθ 1 (c) Sergiusz Patela Światłowody telekomunikacyjne 8

9 Inne parametry pola modu Środek pola modu: pozycja środka masy rozkładu natężenia we włóknie. Środek masy zlokalizowany jest w r c i określony jest przez całkę iloczynu znormalizowanego pola natężenia i wektora położenia. r c = Area Area ri I ( r) () r da da Błąd koncentryczności pola modu. Odległość pomiędzy środkiem pola modu i środkiem płaszcza. (c) Sergiusz Patela Światłowody telekomunikacyjne 9

10 Średnica płaszcza, odchyłka średnicy i eliptyczność płaszcza (1) Definicja: Płaszcz najbardziej zewnętrzny obszar o stałym współczynniku załamania w przekroju poprzecznym włókna. Środek płaszcza. W przekroju poprzecznym włókna - środek okręgu, który jest najlepiej dopasowany do zewnętrznej granicy płaszcza. Średnica płaszcza. Średnica okręgu który definiuje środek płaszcza. Odchyłka średnicy płaszcza. Różnica pomiędzy rzeczywistą i nominalną średnicą płaszcza. (c) Sergiusz Patela Światłowody telekomunikacyjne 10

11 Średnica płaszcza, błąd koncentryczności pola modu i eliptyczność płaszcza () Pole tolerancji płaszcza. W przekroju poprzecznym włókna, obszar pomiędzy koncentrycznymi okręgami opisanym i wpisanym w zewnętrzny obrys płaszcza. Eliptyczność (non-circularity) płaszcza. Różnica średnic okręgów definiujących pole tolerancji płaszcza podzielona przez nominalną średnicę płaszcza. (c) Sergiusz Patela Światłowody telekomunikacyjne 11

12 Długość fali odcięcia - definicja teoretyczna Teoretycznie, długość fali odcięcia to najmniejsza długość fali przy której w światłowodzie rozchodzi się tylko jeden mod. Przy długościach poniżej długości odcięcia w światłowodzie rozchodzi się kilka modów i światłowodu nie można uważać za jednomodowy. (c) Sergiusz Patela Światłowody telekomunikacyjne 1

13 Długość fali odcięcia - wartość rzeczywista We włóknach światłowodowych przejście od zachowania wielo do jednomodowego nie występuje gwałtownie, tylko dla pewnego zakresu długości fal. Długość fali odcięcia jest definiowana jako długość dla której stosunek mocy całkowitej (wszystkie mody) do mocy modu podstawowego maleje do 0,1 db. Zgodnie z tą definicją mod LP 11 jest tłumiony o 19,3 db silniej niż mod LP 01, w sytuacji gdy oba mody są wzbudzane jednakowo. (c) Sergiusz Patela Światłowody telekomunikacyjne 13

14 Trzy rodzaje długości fali odcięcia Długość fali odcięcia zależy od długości, naprężeń i zagięć włókna. W konsekwencji otrzymujemy trzy definicje długości fali odcięcia (DFO): DFO kabla (mierzona przed instalacją), DFO włókna (mierzona na nie-kablowanym włóknie z pokryciem pierwotnym) DFO kabla przyłączeniowego. (c) Sergiusz Patela Światłowody telekomunikacyjne 14

15 DFO kabla światłowodowego - referencyjna metoda pomiarowa DFO kabla światłowodowego λ cc (cable cut-off) mierzy się przed instalacją na m. odcinku prostego kabla. Na obu końcach odsłaniamy 1 m. włókna z pokryciem pierwotnym, na każdym wykonujemy pętlę o promieniu 40 mm. 1 m m 1 m R 40mm (c) Sergiusz Patela Światłowody telekomunikacyjne 15

16 DFO kabla światłowodowego - 1. metoda alternatywna 1. Alternatywnie, możemy przeprowadzić pomiar na m. pierwotnie pokrytego (nie-kablowanego) włókna ułożonego luźno w pętle o promieniu > 140 mm. na każdym wykonujemy pętlę o promieniu 40 mm. m R 140mm R 40mm (c) Sergiusz Patela Światłowody telekomunikacyjne 16

17 DFO kabla światłowodowego -. metoda alternatywna Alternatywnie - pomiarowe, jeżeli można zastosować inne konfiguracje wyniki pokrywają się w granicach 10 nm z konfiguracją podstawową, lub jeśli otrzymana DFO jest większa. Np. dla niektórych włókien wystarcza następująca konfiguracja: m. włókna z pokryciem pierwotnym z dwoma pętlami o promieniu 40 mm. (c) Sergiusz Patela Światłowody telekomunikacyjne 17

18 DFO włókna światłowodowego DFO włókna światłowodowego λ c mierzymy na niekablowanym włóknie z pokryciem pierwotnym w następującej konfiguracji: metry włókna jedna luźno ułożona pętla o promieniu 140 mm, reszta włókna ułożona prosto. m R 140mm (c) Sergiusz Patela Światłowody telekomunikacyjne 18

19 DFO kabla przyłączeniowego Długość fali odcięcia kabla przyłączeniowego λ cj (jumper cable) mierzymy w następujące konfiguracji: metry, z jedną pętlą o promieniu x (lub odpowiednikiem takiej pętli). Reszta włókna utrzymywana prosto. Często x jest ustalane na 76 mm. m x = 76mm (c) Sergiusz Patela Światłowody telekomunikacyjne 19

20 Tłumienność Tłumienność A(λ) dla fali o długości λ pomiędzy dwoma przekrojami poprzecznymi włókna odległymi o L definiowana jest jako: P A ( λ) = 10log P 1 ( λ) ( λ) ( db) gdzie P 1 (λ) to moc optyczna w przekroju poprzecznym 1, a P (λ) moc optyczny w przekroju dla fali o długości λ. Dla światłowodu jednorodnego można zdefiniować tłumienność jednostkową (współczynnik niezależny od długości światłowodu): a ( λ) = ( λ) A L (db/ jednostka dłługości) (c) Sergiusz Patela Światłowody telekomunikacyjne 0

21 Dyspersja chromatyczna Definicja dyspersji chromatycznej. Poszerzenie impulsu optycznego we włóknie, powstające w wyniku różnic prędkości grupowych różnych fal składających się na spektrum źródła. Dyspersja chromatyczna może być wywołana następującymi czynnikami: dyspersja materiałowa, dyspersja falowodowa, dyspersja profilu. (c) Sergiusz Patela Światłowody telekomunikacyjne 1

22 Współczynnik dyspersji chromatycznej Zmiana opóźnienia impulsu światła na jednostkową długość światłowodu wywołana przez jednostkową zmianę długości fali światła. Zwykle wielkość dyspersji podaje się w ps/(nm km). Miarą dyspersji będzie czas trwania impulsu światła, przypadający na jednostkę widma, po przejściu jednostkowej długości światłowodu. Poprawny wynik otrzymamy jeżeli: 1. źródło ma szerokie spektrum,. czas trwania impulsu wejściowego jest znacznie krótszy niż wyjściowego, 3. pomiar przeprowadzamy poza obszarem zerowej dyspersji D t lub L (c) Sergiusz Patela Światłowody telekomunikacyjne

23 Inne parametry charakteryzujące dyspersję Nachylenie zera dyspersji. Nachylenie charakterystyki dyspersji chromatycznej w funkcji długości fali w punkcie gdzie dyspersja przyjmuje wartość zero. Długość fali zerowej dyspersji. Długość fali przy której dyspersja chromatyczna zanika. Przesunięcie dyspersji. Tylko dla światłowodów DSF G.653. (c) Sergiusz Patela Światłowody telekomunikacyjne 3

24 Dyspersja polaryzacyjna Dyspersja polaryzacyjna (PMD = Polarisation Mode Dispersion) przejawia się jako różnicowe opóźnienie grupowe (DGD = Differential Group Delay) pomiędzy dwoma modami spolaryzowanymi ortogonalnie. DGD wywołuje poszerzenie impulsu w systemach cyfrowych i dystorsję sygnału w systemach analogowych. Uwaga 1 Rzeczywiste światłowody nie mogą być idealnie cylindryczne oraz podlegają lokalnym naprężeniom, w wyniku czego światło jest dzielone na dwie ortogonalne polaryzacje rozchodzące się z różnymi prędkościami. Występująca anizotropia ma charakter statystyczny. Uwaga W światłowodzie zawsze występują dwa podstawowe stany polaryzacji (PSP = Principal States of Polarization) takie że PMD zanika jeżeli tylko jeden z nich jest wzbudzany. PMD ma wartość maksymalną jeżeli oba PSP są wzbudzane równomiernie. (c) Sergiusz Patela Światłowody telekomunikacyjne 4

25 Podstawowe stany polaryzacji (PSP) - definicja Przy pracy światłowodu powyżej długości fali odcięcia, w reżimie quasi-monochromatycznym, wyjściowe PSP to dwa stany polaryzacji, dla których polaryzacja nie zmienia się przy niewielkich zmianach częstości optycznej. Odpowiadające im polaryzacje wejściowe definiują wejściowe PSP. Uwagi Ponieważ lokalne naprężenia zmieniają się wzdłuż włókna, PSP zależą od całkowitej długości światłowodu (inaczej niż we włóknach PMF) Jeżeli sygnał ma widmo szersze niż widmo PSP, wystąpią efekty dyspersyjne wyższych rzędów, depolaryzacja sygnału i dodatkowa dyspersja chromatyczna. (c) Sergiusz Patela Światłowody telekomunikacyjne 5

26 Podstawowe stany polaryzacji (PSP) - ilustracja 1. We λ λ + λ Wy W ogólnym przypadku polaryzacja wyjściowa zależy od długości fali. λ Dla PSP stan polaryzacji nie zmienia się z długością fali (w niewielkim oknie λ) (c) Sergiusz Patela Światłowody telekomunikacyjne 6

27 Różnicowe opóźnienie grupowe Różnicowe opóźnienie grupowe (the Differential Group Delay DGD) to różnica czasów propagacji dwóch podstawowych stanów polaryzacji (PSP). Uwaga DGD zależy od długości fali i może zmieniać się w czasie przy zmianach warunków zewnętrznych. Typowe są zmiany o rząd wielkości. Rozkład statystyczny DGD jest określony przez średnią drogę sprzęgania modów h, średnią dwójłomność modową i stopień koherencji źródła. Dla typowych łączy długość całkowita L >> h, w związku z tym obserwuje się silne sprzęganie modów. W takim przypadku rozkład prawdopodobieństwa DGD jest rozkładem Maxwella. (c) Sergiusz Patela Światłowody telekomunikacyjne 7

28 Trzy definicje PMD (1) Drugi moment statystyczny PMD (wariancja) P s jest definiowany jako podwójne odchylenie średniokwadratowe (σ) zależnego od czasu rozkładu natężenia światła I(t) na wyjściu światłowodu po wprowadzeniu na wejście krótkiego impulsu światła. Zakłada się że usunięto wpływ dyspersji chromatycznej: P s = ( < t > < t > ) 1 = () t t () t I dt dt I I () t () t tdt dt t reprezentuje czas dotarcia impulsu do wyjścia światłowodu. I 1 (c) Sergiusz Patela Światłowody telekomunikacyjne 8

29 Trzy definicje PMD () Średnie różnicowe opóźnienie grupowe P m definiujemy jako różnicowe opóźnienie grupowe δτ(ν) pomiędzy odstawowymi stanami polaryzacji, uśrednione w przedziale częstotliwości optycznych (ν 1, ν ): p m = v δτ v 1 v () v v cdv Uwaga: Dopuszcza się uśrednianie po temperaturze lub czasie zamiast uśredniania po częstotliwości. 1 (c) Sergiusz Patela Światłowody telekomunikacyjne 9

30 (c) Sergiusz Patela Światłowody telekomunikacyjne 30 Trzy definicje PMD (3) Średniokwadratowe różnicowe opóźnienie grupowe P r definiujemy jako: () = v v dv v P v v r δτ

31 Wyróżniamy dwa przypadki: Współczynnik PMD Słabe sprzęganie modów (krótkie włókna): PMD c [ ps / km] = P / L, P / L, lub P / L Silne sprzęganie modów (długie włókna): PMD (c) Sergiusz Patela Światłowody telekomunikacyjne 31 s [ ps/ km] P / L, P / L, or P / L c = s Silnie sprzęganie modów występuje w zainstalowanych kablach światłowodowych dłuższych km. W normalnych warunkach sprzęganie jest statystyczną funkcją długości fali, czasu, typu i serii wybranego włókna. W większości przypadków należy stosować drugi z przedstawionych wzorów. m m r r

32 Pytania kontrolne 1. Wymienić standardy (wg. ITU) charakteryzujące podstawowe światłowody telekomunikacyjne. Krótko scharakteryzować każdy ze standardów.. Czego dotyczą standardy G.65 i G.654? Czym różnią się światłowody opisane w tych standardach? 3. Wymienić podstawowe parametry światłowodów telekomunikacyjnych. Parametry podzielić na grupy, na początku każdej listy umieścić parametry najważniejsze. 4. Podać definicję średnicy pola modu światłowodu. Czym różni się średnica pola modu od średnicy rdzenia światłowodu? (c) Sergiusz Patela Światłowody telekomunikacyjne 3