Przekaz optyczny. Mikołaj Leszczuk. Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki Katedra Telekomunikacji

Transkrypt

1 Przekaz ptyczny Mikłaj Leszczuk Wydział Elektrtechniki, Autmatyki, Infrmatyki i Elektrniki Katedra Telekmunikacji

2 Falwód służący d przesyłania prmieniwania świetlneg ŚWIATŁOWÓD

3 Ewlucja światłwdów Pierwtnie... Pstać metalwych rurek wyplerwanych ściankach Służących d przesyłania infra-red Obecnie... W frmie włókien dielektrycznych Najczęściej szklanych Z tuliną z twrzywa sztuczneg Mniejszym współczynnikiem załamania światła tuliny niż szkła

4 Zalety światłwdu jak ptyczneg medium transmisyjneg Użycie prądu elektryczneg Zniekształcenia sygnału Wytwarzanie własneg pla magnetyczneg: Brak zabezpieczenia przed niepwłanym dstępem Mżliwść pdsłuchania transmisji Użycie mdulwanej wiązki światła Brak zniekształceń Nie wytwarza własneg pla magnetyczneg: Zabezpieczenie przed dstępem Brak mżliwści pdsłuchu Transmisja d 3 Tbit/s Źródł wiązki: Laser Dida LED

5 Laser jak źródł mdulwanej wiązki światła

6 Odprnść na błędy w światłwdzie Duża dprnść na zakłócenia elektrmagnetyczne zewnętrzne Stpa błędów mniejsza niż przy najwyższych szybkściach transmisji Mała tłumiennść jednstkwa (zwykle kł 0,20db/km)

7 Inne zalety światłwdu Odległści na jakie mże być transmitwany sygnał bez ptrzeby ddatkweg wzmacniania km Żywtnść 25 lat Mżliwść równczesneg stswania wielu prtkłów (efektywny transfer)

8 Pdział światłwdów według liczby przesyłanych długści fali Wielmdwe MMF (ang. multi mde fiber) 50 i 62,5 mikrna Gradientwe Skkwe Jednmdwe SMF (ang. single mde fiber) 5 d 10 mikrna

9 ŚWIATŁOWODY WIELOMODOWE

10 Źródł: Wikipedia Schemat światłwdu wielmdweg

11 Wielmdwe światłwdy gradientwe Budwa warstwwa Każda warstwa inaczej dmieszkwana Wynik współczynnik załamania światła zmienia się w spsób ciągły Wartść maksymalna na si rdzenia Wartść minimalna na granicy z płaszczem

12 Wielmdwe światłwdy gradientwe kntynuacja... Zapewnienie dla różnych mdów (pruszających się p łukach) tej samej prędkści rzchdzenia wzdłuż kabla Fale rzchdzące się w większej dległści d śrdka pruszają się w warstwach mniejszym współczynniku załamania Wynik większa prędkść liniwa

13 Źródł: Wikipedia Przepływ strumieni świetlnych w światłwdzie wielmdwym gradientwym

14 Wiel-mdwe światłwdy skkwe Pruszanie się pszczególnych mdów skkw Odbijanie się na granicy rdzeń-płaszcz Mdy wprwadzane d rdzenia pd różnymi kątami Różna drga d przebycia Stała prędkść rzchdzenia światła w szkle km/s Różny czas przejścia prmienia przez światłwód

15 Wiel-mdwe światłwdy skkwe kntynuacja... Pwstawanie tzw. dyspersji między-mdwej Efekt pszerzenie impulsu dcierająceg na kniec światłwdu Knsekwencje graniczenie przepustwści i dległści, na jaką mgą być przesyłane sygnały

16 Źródł: Wikipedia Przepływ strumieni świetlnych w światłwdzie wielmdwym skkwym

17 ŚWIATŁOWODY JEDNOMODOWE

18 Światłwdy jednmdwe (1/2) Sygnał wytwarzany przez laser Prawie całkwity brak rzpraszania (brak dyspersji międzymdwej) Strumień danych przesyłany równlegle d si Odbiór danych na kńcu włókna w jednym mdzie (tzw. mdzie pdstawwym) Nie ma dbić

19 Światłwdy jednmdwe (2/2) Knsekwencje: Mała średnica włókna (zwykle d 5 d 10 mikrnów) Skkwy współczynnik załamania światła Zastswanie w daleksiężnej telekmunikacji światłwdwej Sygnał transmitwany bez wzmacniania na dległść d 100 km Drga technlgia wytwarzania światłwdu jednmdweg

20 7/25/2009 STRATY W ŚWIATŁOWODZIE

21 Straty w światłwdzie Wszystkie światłwdy, nawet jednmdwe nieidealne medium transmisyjne Straty w światłwdzie Tłumienie Dyspersja 7/25/2009

22 Tłumienie sygnału Tłumienie sygnału jedna z pdstawwych wad mediów transmisyjnych W światłwdzie spwdwane przez straty falwe wynikające z niedsknałści falwdu Pnadt w rzeczywistym światłwdzie występuje: Absrpcja (pchłanianie energii przez cząstki światłwdu) Rzpraszanie energii spwdwane przez: Fluktuacje gęstści materiału rdzenia, Fluktuacje współczynnika załamania, raz Wady prdukcyjne: Zgięcia, Mikrpęknięcia 7/25/2009

23 Tłumienie sygnału kntynuacja... Jedn z głównych źródeł tłumienia sygnału straty materiałwe Większść światłwdów wyknana ze szkła kwarcweg SiO2 Światł rzpraszane z pwdu fluktuacji gęstści materiału rdzenia, a ta spwdwana niedsknałścią struktury szkła 7/25/2009

24 Straty falwdwe Wynik niejednrdnści światłwdu Pwdy niejednrdnści Fluktuacje średnicy rdzenia Zgięcia włókna Nierównmiernści rzkładu współczynnika załamania w rdzeniu i płaszczu Wszelkie inne dstępstwa d gemetrii idealneg światłwdu cylindryczneg Defrmacje włókna mające duży wpływ na tłumienie światłwdu Mikr-zgięcia Makr-zgięcia 7/25/2009

25 Mikr-zgięcia Nieregularnści kształtu rdzenia i płaszcza rzłżne wzdłuż włókna Lsw Okresw Źródł pwstawania prces wytwarzania włókien Efekty w światłwdzie wiel-mdwym Mieszanie się mdów Knwersja w mdy wyciekające d płaszcza Efekty w światłwdzie jedn-mdwym Rzmycie mdu 7/25/2009

26 Makr-zgięcia Fizyczne zakrzywienie włókna światłwdweg Tłumienie dla prmieni zakrzywień większych d kilku centymetrów Pmijalnie małe Tłumienie dla prmieni zakrzywień mniejszych d kilku centymetrów Zmiana współczynnika załamania w bszarze zgięcia Twrzenie się mdów wyciekających Efekt świecenia włókna na pwierzchni 7/25/2009

27 Inne przyczyny straty mcy sygnału Przesunięcie światłwdów Rzsunięcie światłwdów Wzajemny brót światłwdów Kncentracja zanieczyszczeń metali 7/25/2009

28 Kncentracja zanieczyszczeń metali Niewielka absrpcja w zakresie pasma 0,8 1,5 µm Większa przy zanieczyszczeniach metalami Fe Cu Cr Jnów OH (zwłaszcza) Prces niedwracalny Wynikwa tłumiennść zależna d Rdzaju dmieszek Spsbu ich kncentracji Rzwiązanie wybór kien transmisyjnych celem pminięcia pasm absrpcyjnych 7/25/2009

29 Tłumienie sygnału dla czysteg szkła kwarcweg Stała materiałwa k=0,8 Tłumiennść spwdwana rzprszeniem Rayleigha dla długści fali w światłwdzie: λ=850 nm - 1,53 db/km λ=1300 nm - 0,28 db/km λ=1550 nm - 0,138 db/km Oprócz rzpraszania Rayleigha silna absrpcja związana bezpśredni z samymi własnściami szkła krzemweg SiO2: W pdczerwieni W nadfilecie Brak mżliwści użycia jeszcze dłuższych fal d transmisji 7/25/2009

30 Dyspersja Dyspersja zjawisk pszerzenia (rzmycia) impulsu w światłwdzie Przyczyna niezerwa szerkść widma przy kreślnej długści fali Szersze widm t więcej prmieni przemieszczających się w rdzeniu Różna drga d przebycia przez prmienie W knsekwencji różny czas przebycia prmienia przez włókn Pjawienie się na wyjściu szerszeg impulsu, rsnąceg wraz ze wzrstem długści światłwdu 7/25/2009

31 Dyspersja kntunuacja... Przepływnść transmisyjna włókna jest więc kreślna przez t, jak blisk siebie mżna transmitwać klejne impulsy bez ich wzajemneg nakładania się na siebie Przy zbyt bliskich impulsach nie ma spsbu ich rzpznania Dyspersja granicza długść światłwdu przez który mże być transmitwany sygnał 7/25/2009

32 Dwa rzróżniane typy dyspersji Dyspersja między-mdwa Występująca w światłwdach wiel-mdwych Dyspersja chrmatyczna Występująca w włóknach jednmdwych 7/25/2009

33 Dyspersja między-mdwa Impuls światła wiedziny przez światłwód t superpzycja wielu mdów Różne kąty dbicia d granicy rdzenia Prawie dla każdeg mdów inna długść drgi między dbirnikiem a nadajnikiem Dyspersja mdwa światłwdów skkwych >> wszystkie pzstałe dyspersje 7/25/2009

34 Dyspersja między-mdwa kntynuacja... Ddatkw duże tłumienie jednstkwe tych włókien Wyraźnie inny kształt i mniejsza amplituda dcierająceg sygnału Zniekształcenie rśnące wraz z długścią światłwdu Rzwiązanie wprwadzenie włókien gradientwych Ograniczenie dyspersji mdwej Zwiększenie pasma światłwdów wielmdwych 7/25/2009

35 Dyspersja chrmatyczna Dyspersja chrmatyczna nie występuje tutaj zjawisk dyspersji międzymdwej B światłwdy jednmdwe prpagują tylk jeden mód Uwidacznia się natmiast inny, dtychczas niewidczny rdzaj dyspersji, dyspersja chrmatyczna. Składają się na nią dwa zjawiska dyspersja: Materiałwa Falwdwa 7/25/2009

36 Dyspersja Dyspersja materiałwa pwdwana jest zmianą współczynnika załamania szkła kwarcweg w funkcji długści fali Pnieważ nie istnieje źródł światła ściśle mnchrmatyczne, gdyż każdy impuls światła składa się z grupy rzprsznych częsttliwści ptycznych rzchdzących się z różną prędkścią, dcierający p przebyciu fragmentu włókna mód charakteryzuje się rzmyciem w czaswym 7/25/2009

37 Dyspersja Dyspersja falwa częściw pwdwana jest wędrwaniem wiązki przez płaszcz światłwdu Szybkść rzchdzenia się zależy d właściwści materiałwych płaszcza 7/25/2009

38 Dyspersja Wykrzystanie w systemach światłwdwych większych długści fali przede wszystkim k nm, zamiast nm wykrzystywanych w pierwszych systemach przynsi pważne krzyści jeśli chdzi dyspersję, gdyż dyspersja materiałwa w tym bszarze długści fali jest praktycznie równa zeru. C więcej, w miarę dsknalenia prcesu prdukcji włókna, zaczęł się kazywać, że dla bardz suchych ( małej zawartści jnów OH) rdzajów szkła, mżna uzyskać dla fali 1300 nm wartści tłumiennści znacznie pniżej 3 5 db/km, jakie uzyskiwan dla 850 nm i z wielu źródeł pjawiły się dniesienia uzyskaniu dla fali 1300 nm wartści tłumiennści rzędu d 1 d 0,5 db/km. Później uzyskan dla fali 1550 nm tłumiennść rzędu 0,2 db/km. 7/25/2009

39 Dyspersja chrmatyczna Spwdwana zależnścią prędkści grupwej (współczynnika załamania) d długści fali prpagującej się we włóknie Rezultat różne składwe spektralne emitwane przez źródł, prpagwane ze zróżnicwanymi późnieniami Efekt pszerzenie bwiedni transmitwanych impulsów 7/25/2009

40 Dyspersja chrmatyczna kntynuacja... Źródł strat Występwanie dyspersji chrmatycznej: Światłwdy wiel-mdwe Światłwdy jedn-mdwe Dzięki dmieszkwaniu, w pewnych granicach, mżliwe zmienianie parametrów światłwdu, celem zmniejszenia jeg dyspersji chrmatycznej 7/25/2009

41 Literatura T.J.K. Prgram Edukacyjny Sieciach Telekmunikacyjnych Pmc Tplgie równległe [ Interaktywny pdręcznik sieci kmputerwych [ Tplgie sieci [ Grafy [ ] Strna główna wikipedia [ %C3%B3wna]

42 Literatura Interaktywny pdręcznik sieci kmputerwych, Słwnik techniki cyfrwej,