OPTOTELEKOMUNIKACJA. dr inż. Piotr Stępczak 1

Transkrypt

1 OPTOTELEKOMUNIKACJA dr iż. Piotr Stępczak

2 Iformacje Kotakt: pokój 03 tel lab. 07 tel hydrus.et.put.poza.pl/~pstepcz dr iż. Piotr Stępczak

3 Z karty opisu przedmiotu (ECTS) Cel przedmiotu Zapozaie z podstawowymi zasadami i techikami leżącymi u podstaw komuikacji optyczej i trasmisji sygałów optyczych w światłowodowych systemach telekomuikacyjych. Efekty kształceia WIEDZA. Posiada usystematyzowaą, podbudowaą matematyczie wiedzę z zakresu propagacji światła i metod jej opisu w światłowodzie.. Ma uporządkowaą i szeroką wiedzę w zakresie właściwości i charakterystyk kompoetów aktywych i pasywych teletrasmisyjego systemu światłowodowego, ich klasyfikacji, doboru i aalizy. 3. Ma uporządkowaą i podbudowaą teoretyczie wiedzę w zakresie optotelekomuikacji, za i rozumie pojęcia i techologie. dr iż. Piotr Stępczak 3

4 Z karty opisu przedmiotu (ECTS) Cel przedmiotu Zapozaie z podstawowymi zasadami i techikami leżącymi u podstaw komuikacji optyczej i trasmisji sygałów optyczych w światłowodowych systemach telekomuikacyjych. Efekty kształceia UMIEJĘTNOŚCI. Potrafi pozyskiwać iformacje z literatury i iych źródeł, potrafi itegrować uzyskae iformacje, dokoywać ich iterpretacji, wyciągać wioski i uzasadiać opiie.. Potrafi dokoać ocey parametrów określających jakość trasmisji w torze i systemie światłowodowym. 3. Potrafi formułować założeia projektowe oraz właściwie dobierając kompoety, zaprojektować światłowodowy system trasmisyjy oraz poprzez aalizę oceić jego jakość. dr iż. Piotr Stępczak 4

5 Z karty opisu przedmiotu (ECTS) Cel przedmiotu Zapozaie z podstawowymi zasadami i techikami leżącymi u podstaw komuikacji optyczej i trasmisji sygałów optyczych w światłowodowych systemach telekomuikacyjych. Efekty kształceia KOMPETENCJE SPOŁECZNE. Posiada świadomość koieczości profesjoalego podejścia do rozwiązywaych problemów techiczych w optotelekomuikacji i podejmowaia odpowiedzialości za propoowae przez siebie rozwiązaia techicze.. Posiada świadomość wpływu systemów i sieci światłowodowych a kształtowaie społeczeństwa iformacyjego. dr iż. Piotr Stępczak 5

6 Treść programowa Zjawiska optycze i ich opis. Propagacja światła i metody jej opisu. Światłowód cylidryczy. Światłowody skokowe, gradietowe i jedomodowe. Mody światłowodowe, apertura umerycza i kąt akceptacji, długość fali odcięcia, wielkość plamki, efektywy współczyik załamaia. Parametry trasmisyje, zjawiska absorpcji i rozpraszaia światła towarzyszące propagacji w szkle kwarcowym, krzywa tłumieia, oka trasmisyje i ich zastosowaia, zjawiska rozpraszaia w zakresie propagacji ieliiowej. Dyspersja modowa, chromatycza i polaryzacyja, sposoby opisu, obliczaie wielkości dyspersji jej wpływ a pasmo optycze włóka. Diody adawcze LED i LD, zasady działaia, parametry i podstawowe charakterystyki, lasery wielo i jedomodowe, modulacja bezpośredia i zewętrza. dr iż. Piotr Stępczak 6

7 Treść programowa Diody odbiorcze PIN i APD, parametry i charakterystyki, struktury odbiorików, właściwości szumowe, obliczaie SNR. Pasywe elemety optycze rozgałęźe, kierukowe, filtrujące. Techologie łączeia włókie, rodzaje złączy trwałych i rozłączalych, stadardy i parametry. Kostrukcje kabli światłowodowych, zasady i metody ich istalacji. Podstawowe wiadomości o metodach zwielokrotieia w łączach światłowodowych oraz o wzmaciaczach optyczych. Optyczy system trasmisyjy, elemety projektowaia: kolejość postępowaia, dobór kompoetów systemu, formułowaie założeń projektowych, określaie budżetu mocy optyczej i dostępego pasma, ocea SNR i BER. Sieci optycze, specyfika, rodzaje, elemety, perspektywy rozwoju. dr iż. Piotr Stępczak 7

8 Bibliografia J. Siuzdak, Wstęp do współczesej telekomuikacji światłowodowej, WKŁ, W-wa 998 K. Perlicki, Pomiary w optyczych systemach telekomuikacyjych, WKŁ, W-wa 00 K. Perlicki, System trasmisji optyczej WDM, WKŁ, W-wa 009. K. Booth, S. Hill, Optoelektroika, WKŁ, W-wa 00 M. Marciiak, Łączość światłowodowa, WKŁ, W-wa 997. G. Eierso, Podstawy telekomuikacji światłowodowej, WKŁ, W-wa 997. dr iż. Piotr Stępczak 8

9 System trasmisyjy Źródło iformacji Nadajik (modulator) Medium trasmisyje Odbiorik (demodulator) Odbiorca iformacji dr iż. Piotr Stępczak 9

10 System trasmisyjy Źródło Nadajik P TX iformacji modulator źródło ośej sprzęgacz Medium trasmisyje P RX Odbiorik detektor wzmaciacz procesor syg. Odbiorca iformacji dr iż. Piotr Stępczak 0

11 Optyczy System trasmisyjy Źródło Nadajik Źródło P TX iformacji optycze elektryczy (modulator) Medium OPTYCZNE P RX Odbiorik optyczy Odbiorik elektryczy (demodulator) Odbiorca iformacji dr iż. Piotr Stępczak

12 Optyczy System trasmisyjy Źródło iformacji P RX Odbiorik optyczy Nadajik elektryczy (modulator) Medium OPTYCZNE Odbiorik elektryczy (demodulator) Źródło optycze P TX Odbiorca iformacji P P TX RX Poziom mocy: PTX [ W [ dbm 0log mw PRX [ W [ dbm 0log mw Tłumieie: PRX [ W A[ db 0log P [ W TX A[ db P TX [ dbm P RX [ dbm dr iż. Piotr Stępczak

13 Optyczy System trasmisyjy Źródło iformacji Nadajik elektryczy (modulator) Źródło optycze P TX Poziom mocy: W P [ (modulator) Odbiorca iformacji Odbiorik elektryczy (demodulator) Odbiorik optyczy A P RX A A3 P X P X mw W P dbm P mw W P dbm P RX RX TX TX [ 0log [ [ 0log [ Tłumieie: dr iż. Piotr Stępczak 3 Tłumieie: [ [ 3[ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ 0log 3[ [ [ [ dbm P dbm P db A dbm P dbm P db A dbm P dbm P db A W P W P W P W P W P W P db A db A db A A db RX X X X X TX X RX X X TX X + +

14 Rys historyczy demostracja efektu światłowodowego w dielektrykach, Joh Tydal 876 -Aleksader Graham Bell wyalazł (880 opatetował) fototelefo. Urządzeie pozwalało komuikować się a odległość 00 m. 90 -badaia i prace teoretycze ad światłowodami, Lord Rayleigh (Hodros,Debye 90) Propozycja budowy lasera Pierwszy laser (rubiowy, Theodor Maima) (Schawlow, Towes) 96 -Impulsowy laser GaAs (Hall i i., Natha i i. 96) 965 -propozycja stosowaia światłowodów gradietowych w telekomuikacji (Miller) 966 -Wskazaie, że szkła kwarcowe mogą być stosowae w telekomuikacji do wytwarzaia światłowodów o małych stratach (Kao, Hockma 966) Publikacja t małych strat w bryłach topioego kwarcu (Kao, Davis 968) Produkcja pierwszego światłowodu telekomuikacyjego (Uchida i i. 969) Produkcja włóka o stratach < 0 db/km, Corig Glass Compay dr iż. Piotr Stępczak 4

15 Rys historyczy 97 -Włóko o stratach 4 db/km 98 - Pierwsze włóka jedomodowe Opracowaie wzmaciacza światłowodowego Opracowaie stadardu trasmisji SONET Pierwsze istalacje systemów DWDM 998 -Trasmisja > Tb/s w jedym włókie 000 -Trasmisja 40 Gb/s w jedym kaale 0 -Trasmisja > 0Tb/s w jedym włókie dr iż. Piotr Stępczak 5

16 Korzyści systemu optyczego Pasmo - zasięg ośikiem iformacji jest fala o częstotliwości z zakresu Hz (0 Hz THz), która oferuje zaczie większe pasmo trasmisyje (~00THz/km) w porówaiu z elektryczymi systemami trasmisyjymi (a kablach współosiowych ~GHz/00m), wielokrotie miejsze straty mocy, co daje duży zasięg trasmisji (~50km bez regeeracji), możliwość jedoczesej trasmisji różych sygałów w tym samym medium przy zachowaiu maksymalie szerokiego pasma. dr iż. Piotr Stępczak 6

17 Korzyści systemu optyczego Rozmiar i waga medium średica włóka telekomuikacyjego ie przekracza 300µm, a kabla światłowodowego w zależości od przezaczeia od 5mm do 5mm kabel światłowodowy jest kilkakrotie lżejszy od kabli współosiowych i kilkadziesiąt krotie lżejszy od wieloparowych kabli telekomuikacyjych Bezpieczeństwo jako izolator ie stwarza zagrożeia pożarowego i wybuchowego, brak przeiku między włókami współbieżymi w jedym kablu, utrudioy (prawie iemożliwy) podsłuch przesyłaej iformacji dr iż. Piotr Stępczak 7

18 Korzyści systemu optyczego Odporość a zakłóceia medium optycze jest dielektrykiem i dlatego wykazuje dużą odporość a oddziaływaie pola elektromagetyczego, fal radiowych, impulsów elektromagetyczych, ograiczoy ścisłymi kryteriami proces propagacji optyczej uiemożliwia przesłuch pomiędzy włókami. Ekoomiczość iskie straty to większe zasięgi bez złożoości połączeia, duża iezawodość prawidłowo wykoaej istalacji, malejące koszty kompoetów i motażu. dr iż. Piotr Stępczak 8

19 Aplikacje światłowodowe Multimedia Trasmisja sygałów foii i wizji w sieciach rozsiewczych (CATV, IPTV) Systemy moitorigu Trasmisja daych Sieci komputerowe LAN, WAN, Log Haul (między kotyet.) Sesory Żyroskop, temperatura, pole elektrycze, pole magetycze, ciśieie, poziomy cieczy, itd. dr iż. Piotr Stępczak 9

20 Światło we włókie Waruki propagacji światła we włókie (w aalizie przy użyciu optyki geometryczej) całkowite wewętrze odbicie zachowaie stałej fazy fali świetlej dr iż. Piotr Stępczak 0

21 Światło a graicy ośrodków > Θ gr Θ p Θ o Θ p Θ o si Θ p si Θ z Θ z prawo Sell a całkowite wewętrze odbicie siθ siθ gr gr π si dr iż. Piotr Stępczak

22 Budowa włóka powłoka pierwota płaszcz ( ) rdzeń ( ) dr iż. Piotr Stępczak

23 Światło uwięzioe w ośrodku si Θ gr si 90 > si Θ gr cosθ z wzorów redukcyjych Θ a Θ Θ gr si Θ si Θ 0 Θ o 90 o Przykład:,49;,46 z prawa Sell a dla graicy powietrze-włóko si Θ 0 si Θ a si Θa 0 NA stożek akceptacji NA 0,97 Θ a 7,3 o Θ a 34,6 o dr iż. Piotr Stępczak 3

24 Waruek propagacji waruek zgodości faz AB CB π + ϕ π + m π λ λ gdzie: poieważ: AB m,,3,4... a si Θ m a CB si Θ m cos Θ Θ am m 0 to przy: kąt akceptowaych promiei we włókie -> λ A Θ m Θ m ϕ 0 si Θ kąt akceptowaych promiei a wejściu do włóka -> m C mλ 4a si Θ am B m 4a λ a dr iż. Piotr Stępczak 4 0

25 Opóźieie modowe 0 si Θ m Θ m λ 0 m 4a a τ < τ < τ < 3... L τ m L v cosθ m L c cosθ m dr iż. Piotr Stępczak 5

26 Opóźieie modowe 3 τ < τ < τ < 3... τ τ dr iż. Piotr Stępczak 6

27 Dyspersja modowa czas propagacji fali m m c L v L Θ Θ cos cos τ m m c v Θ cos Θ cos różica między modem cetralym a skrajym gr 0 gr NA c L c L Θ τ τ τ cos dr iż. Piotr Stępczak 7 ( ) NA c L NA τ

28 Wpływ dyspersji a pasmo T τ T t lub τ BR t B dla gaussowskiego kształtu impulsu 3dB ( opt ) 0 44, τ 3dB dr iż. Piotr Stępczak 8

29 Pasmo optycze 3dB T T A L T ½ A τ m Przykład:,49; NA0,97; dla Lkm t τ NA 9 m L c 0, , 49, τ m 98,67s B 3dB (opt) 4,47MHz dr iż. Piotr Stępczak 9

30 Falowa atura światła ( ) ( ) z t j jm z z e e r E E ω β Θ ± 0 λ π λ π β Θ Θ x x E r E φ y z ( ) ( ) z t j jm z z e e r H H ω β Θ ± E Z dr iż. Piotr Stępczak gr 0 λ π β λ π λ π λ π β λ λ < < Θ Θ 0 zatem

31 Graficze rozwiązaie rówań Maxwella ( )( ) gdzie : 0 m m m m w u a m K J K J π βλ, gdzie : 0 0 w u λ π β β λ π ( ) a w u V + zakres jedomodowy 0 λ π β ( ) cos 0 Θ LP 0 LP LP LP 0 dr iż. Piotr Stępczak 3 ( ) a w u V + V 0 λ π ( ) Θ Θ gr cos częstotliwość zormalizowaa,405 NA a V λ π

32 Rozkład pola modu LP O w o a ( 0, , V +, 879 V, 5 6 ) w o dr iż. Piotr Stępczak 3

33 w/a Rozkład pola modu 4 3 LP 0 LP LP LP 0,405 3, V w o a ( 0, , V +, 879 V, 5 6 ) dr iż. Piotr Stępczak 33

34 Rozkład pola modu LP 0 LP LP LP 0 w o a ( 0, , V +, 879 V, 5 6 ) dr iż. Piotr Stępczak 34

35 Opóźieie modowe V πa a λ NA π cos ( Θ 0 ) λ 0 β 3 β < β β < 3 <... β LP 0 LP LP β LP 0 π cos( ) λ V Θ Θ gr dr iż. Piotr Stępczak 35

36 Mod - defiicja Modem w falowodzie lub rezoatorze azywamy jedą z dopuszczalych struktur pola elektromagetyczego. Dopuszczale struktury pola otrzymamy korzystając z rówań Maxwella i odpowiedich waruków brzegowych. Przykłady modu Mody falowodu mody włóka światłowodowego Mod rezoatora mody lasera półprzewodikowego dr iż. Piotr Stępczak 36

37 Włóko gradietowe współczyik załamaia ośrodka r 0 a a ( ) r r ( ) r r dr iż. Piotr Stępczak 37 ( ) a r ( ) a r gdzie: względy współczyik załamaia włóka

38 r Włóko gradietowe a Θ 4 (r) a Θ 0 Θ Θ 3 Θ ( r ) cosθ ( r ) cosθ... ( r ) cos ( r ) cosθ 3 3 cosθ ( ) cosθ r r a Θ dr iż. Piotr Stępczak 38

39 Włóko gradietowe amplit tuda a okres dr iż. Piotr Stępczak 39

40 Włóko gradietowe Tor fali jest siusoidaly o amplitudzie : i okresie : tuda amplit a a si Θ πa cosθ πa NA okres a amplituda jest rówa a gdy : zatem apertura umerycza : si NA Θ si Θ 0 0 dr iż. Piotr Stępczak 40

41 Włóko gradietowe Dyspersja modowa to suma elemetarych czasów dt która ostateczie prowadzi do zależości : dl ( r ) c τ ( NA) 3 8c 3 4 L dr iż. Piotr Stępczak 4

42 Przykład soczewki GRIN:,49; NA0,97; a5µm; % okres fali 770,3µm dł. soczewki 9,6µm Przykład:,49; NA0,97; Lkm 4 4 τ NA m L c 0, , 49, okres cyklu fali światłowód gradietowy τ 990,0 ps światłowód skokowy τ 98,67 s Pasmo 3dB optycze km włóka gradietowego : B 3dB (opt) 0,44/ τ 444,3 MHz dr iż. Piotr Stępczak 4