Optotelekomunikacja. dr inż. Piotr Stępczak 1

Transkrypt

1 Optotelekomuikacja dr iż. Piotr Stępczak

2 Iformacje Kotakt: pok dr iż. Piotr Stępczak

3 System trasmisyjy Źródło iformacji Nadajik (modulator) Medium trasmisyje Odbiorik (demodulator) Odbiorca iformacji dr iż. Piotr Stępczak 3

4 Optyczy System trasmisyjy Źródło iformacji Nadajik elektryczy (modulator) Źródło optycze Kabel światłowodowy Odbiorik optyczy Odbiorik elektryczy (demodulator) Odbiorca iformacji dr iż. Piotr Stępczak 4

5 Rys historyczy demostracja efektu światłowodowego w dielektrykach, Joh Tydal Aleksader Graham Bell wyalazł (880 opatetował) fototelefo. Urządzeie pozwalało komuikować się a odległość 00 m badaia i prace teoretycze ad światłowodami, Lord Rayleigh (Hodros,Debye 90) Propozycja budowy lasera (Schawlow, Towes) Pierwszy laser (rubiowy, Theodor Maima) 96 - Impulsowy laser GaAs (Hall i i., Natha i i. 96) propozycja stosowaia światłowodów gradietowych w telekomuikacji (Miller) 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 5

6 Rys historyczy 97 - Włóko o stratach 4 db/km 98 - Pierwsze włóka jedomodowe Opracowaie wzmaciacza światłowodowego Opracowaie stadardu trasmisji SONET Pierwsze istalacje systemów DWDM Trasmisja > Tb/s w jedym włókie Wprowadzeie pasma L (560-60m). - Trasmisja 40 GB/s w jedym kaale (opracowaie laboratoryje) dr iż. Piotr Stępczak 6

7 Pasmo - zasięg Korzyści optyczego systemu trasmisyjego ośikiem iformacji jest fala o częstotliwości z zakresu Hz, która oferuje zaczie większe pasmo trasmisyje (~00THz/km) w porówaiu z elektryczymi systemami trasmisyjymi (a kablach współosiowych doghz/00m), wielokrotie miejsze straty mocy, co daje duży zasięg trasmisji (~00km bez regeeracji), możliwość jedoczesej trasmisji różych sygałów w tym samym medium przy zachowaiu maksymalie szerokiego pasma. dr iż. Piotr Stępczak 7

8 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 kilkadzięsiątkrotie lżejszy od wieloparowych kabli telekomuikacyjych Bezpieczeństwo Korzyści optyczego systemu trasmisyjego jako izolator ie stwarza zagrożeia pożarowego i wybuchowego, utrudioy (prawie iemożliwy) podsłuch przesyłaej iformacji dr iż. Piotr Stępczak 8

9 Niewrażliwość 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 Korzyści optyczego systemu trasmisyjego duża iezawodość prawidłowo wykoaej istalacji malejące koszty kompoetów i motażu dr iż. Piotr Stępczak 9

10 Materiał Kocetracja domieszek: Cu, Fe, Cr 0-9 jo OH dr iż. Piotr Stępczak 0

11 Budowa włóka dr iż. Piotr Stępczak

12 Światło a graicy ośrodków Θ gr Θ p Θ o Θ p Θ si Θ si Θ o p gr si Θ z si 90 prawo Sella > całkowite wewętrze odbicie Θ z siθ gr dr iż. Piotr Stępczak

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

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

15 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 5

16 dr iż. Piotr Stępczak 6 Falowa atura światła () ( ) () ( ) z t j jm z z z t j jm z z e e r H H e e r E E β ω β ω Θ ± Θ ± zatem 0 gr λ π β λ π λ π λ π β λ π λ π β < < Θ Θ Θ 0

17 dr iż. Piotr Stępczak 7 Graficze rozwiązaie rówań Maxwella ( )( ), gdzie : w u w u a m K J K J m m m m λ π β β λ π π βλ ( ) 0 a V a w u V + λ π zakres jedomodowy częstotliwość zormalizowaa V

18 Rozkład pola modu w o,5 a (0,65 +,69 V +,879 V 6 ) dr iż. Piotr Stępczak 8

19 Rozkład pola modu w o,5 a (0,65 +,69 V +,879 V 6 ) dr iż. Piotr Stępczak 9

20 dr iż. Piotr Stępczak 0 Ciężar wielomodowości czas propagacji fali cos cos Θ Θ c L v L τ różica między modem cetralym a skrajym ( ) 0 cos NA c L NA c L c L gr gr Θ τ τ τ

21 Ciężar wielomodowości T L T τ m t t dr iż. Piotr Stępczak

22 Ciężar wielomodowości T A T ½ A τ m L Przykład: t,49; NA0,97; dla Lkm τ m 98,67s Częstotliwość powtarzaia impulsów ie powia być większa iż B 0,44/ τ m 0,44/98,67s 4,47 MHz dr iż. Piotr Stępczak

23 dr iż. Piotr Stępczak 3 Włóko gradietowe r współczyik załamaia ośrodka 0 a a () a r r ( ) a r r gdzie: względy współczyik załamaia włóka

24 Włóko gradietowe ( r ) cosθ ( r ) cosθ... ( r) cosθ( r) cosθ 3 3 cosθ () r cosθ dr iż. Piotr Stępczak 4 r a

25 Włóko gradietowe Tor fali jest siusoidaly o amplitudzie : a si Θ πa cosθ i okresie : πa NA maksymala amplituda jest rówe a gdy : si Θ zatem apertura umerycza : NA si Θ0 dr iż. Piotr Stępczak 5

26 Włóko gradietowe Dyspersja modowa to suma elemetarych czasów dt która ostateczie prowadzi do zależości : dl c () r τ ( NA) 8c 3 4 L dr iż. Piotr Stępczak 6

27 Przykład:,49; NA0,97; a5µm; % okres fali 770,3µm dł. soczewki 9,6µm Przykład:,49; NA0,97; Lkm światł. gradietowy τ 990,0 ps światł. skokowy τ 98,67 s Częstotliwość powtarzaia impulsów ie powia być większa iż B 0,44/ τ 444,3 MHz dr iż. Piotr Stępczak 7

28 Typy włókie plaare płaskie o ściaach odbijających (lasery, optyka zitegrowaa) cylidrycze okrągły rdzeń otoczoy okrągłym płaszczem powleczoy powłokami elastyczymi (telekomuikacja, sieci komputerowe, HiFi) eliptycze rdzeń eliptyczy lub profiloway z okrągłym płaszczem (przeoszeie jedego kieruku polaryzacji, czujiki wielkości ieelektryczych) dr iż. Piotr Stępczak 8

29 Klasyfikacja włókie charakterystyka modowa: jedomodowe, wielomodowe rozkład wsp. załamaia w rdzeiu: skokowe, gradietowe materiał: szklae, plastikowe, półprzewodikowe zastosowaia: pasywe, aktywe, specjale dr iż. Piotr Stępczak 9

30 Wytwarzaie włókie Etapy Formowaie preformy Wyciągaie włóka z preformy Ochroa i uelastycziaie dr iż. Piotr Stępczak 30

31 00 o C Wytwarzaie włókie Si CL 4 + O Si O + CL G CL 4 + O G O + CL 900 o C kolaps Metoda MCVD dr iż. Piotr Stępczak 3

32 Wytwarzaie włókie dr iż. Piotr Stępczak 3