Optotelekomunikacja. dr inż. Piotr Stępczak 1

Transkrypt

1 Optotelekomunikacja dr inż. Piotr Stępczak 1

2 dr inż. Piotr Stępczak Falowa natura 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 n n n n gr λ π β λ π λ π λ π β λ π λ π β < < Θ Θ Θ 0

3 λ 1 > λ > λ 3 Stała fazowa modu n ef n 1 βλ0 π LP 01 Dyspersję falowodową wyraża zależność od częstotwliości efektywnego współczynnika załamania oddziałującego z n ef LP 11 λ danym modem, spowodowaną zmianami podziału mocy tego modu między rdzeń i płaszcz LP 1 LP0 w o λ 1 λ 3 a,5 a (0,65 + 1,619 V +,879 V 1 6 ) n V πa λ,405 4 V częstotliwość znormalizowana n 1 n dr inż. Piotr Stępczak 3

4 Prędkość fazowa, grupowa 1,5 Współczynnik załamania 1,48 1,46 n kn 1 β LP 01 LP 11 β LP 1 LP0 1,44 0,5 1 1,5 λ [µm] kn π k λ 0,405 4 ω V częstotliwość znormalizowana πa ω a V NA NA λ c dr inż. Piotr Stępczak 4

5 Prędkość fazowa, grupowa Współczynnik załamania 1,5 1,48 1,46 N n v v f g π ω Tβ β c n ω dω β dβ c dn n λ dλ c N 1,44 0,5 1 1,5 λ [µm] Czas propagacji obwiedni (grupy fal) - τ g L v g dr inż. Piotr Stępczak 5

6 Dyspersja chromatyczna Zniekształcenie kształtu sygnału rozszerzenie impulsu τ g L d n λ λ c dλ τ g D m λ L Lc dn dλ D m wsp. dyspersji materiałowej [ ps nm km] τ C D [ps nm -1 km -1 ] λ [nm] ( D D ) λ L + m 170 f D m D C D m +D f D f dr inż. Piotr Stępczak 6

7 Profil wsp. załamania: SF Dyspersja chromatyczna D [ps nm -1 km -1 ] +40 SF (G.65) +0 DSF (G.653) DSF DFF DFF λ [nm] dr inż. Piotr Stępczak 7

8 Przykład: L10km, λ nm, D m 0, ps/nmkm λnm τ C 4,13ps Częstotliwość powtarzania impulsów nie powinna być większa niż B 0,441/ τ 106,8 GHz L10km, λ nm, D m 17,6 ps/nmkm λnm τ C 35,4ps Częstotliwość powtarzania impulsów nie powinna być większa niż B 0,441/ τ 1,5 GHz dr inż. Piotr Stępczak 8

9 Kompensacja dyspersji chromatycznej D [ps nm -1 km -1 ] D L 1 1 D L +0 SF 0 L 1 dd1 dd L dλ dλ DCF λ [nm] D 1 D L 1 L dr inż. Piotr Stępczak 9

10 Przykład: Łącze optyczne o całkowitej długości 100km skompensowane dyspersyjnie z włóknem SF o D C 17,6 ps/nmkm i DCF o D C -30 ps/nmkm wymaga: włókna SF o L 1 63km włókna DCF o L 37km dr inż. Piotr Stępczak 10

11 Straty mocy optycznej we włóknie Mechanizmy strat Rozproszenie Rayleigha Absorpcja Mikro- i makroskopowe zagięcia Rozpraszanie nieliniowe dr inż. Piotr Stępczak 11

12 Rozproszenie Rayleigha n n 1 n 3 P wyj P we 10 α L n n 1 n 3 α R 0, n 4 λ dr inż. Piotr Stępczak 1

13 Absorpcja Zamiana energii fotonów w inne formy energii drgania sieci atomowej w ultrafiolecie i podczerwieni zanieczyszczenia szkła kwarcowego Fe, Cu, Cr (0,001ppm) OH - (największy wpływ) (1ppm) dr inż. Piotr Stępczak 13

14 Mikro- i makro zagięcia Mikroskopowe zagięcia nieregularność kształtu rdzenia/płaszcza wzdłuż włókna występujące losowo lub okresowo powstają w procesie produkcji włókna Makroskopowe zagięcia zmiany spowodowane zgięciem włókna o promieniu mniejszym od 50 x średnicy włókna powstają w procesie kablowania i instalacji dr inż. Piotr Stępczak 14

15 Rozproszenia nieliniowe Rozproszenie Brillouina (SBS Stimulated Brillouin Scattering) oddziaływanie propagującej fali optycznej z falą dźwiękową tworzącą poruszającą się okresową siatkę rozproszenie SBS propaguje w przeciwnym kierunku do fali opt. bardzo wąskie widmo SBS przesunięte o kilka GHz niekorzystny dla źródeł optycznych 3 moc progowa P B,4 10 d λ α λ 4 d średnica rdzenia db (w praktyce P B,4mW) λ długość fali α 3dB tłumienność włókna λ szerokość widma wiązki dr inż. Piotr Stępczak 15

16 Rozproszenia nieliniowe Rozproszenie Ramana (SRS Stimulated Raman Scattering) oddziaływanie propagującej fali z drgającymi molekułami SiO powodujące przemianę częstotliwości fali świetlnej rozproszenie SRS propaguje w obu kierunkach duża szerokość spektralna wiązki rozproszonej (dla szkła kwarcowego 40THz) niekorzystny wpływ dla transmisji wielofalowej moc progowa PB,9 10 d λ αdb 5 d średnica rdzenia (w praktyce P B λ/500 GHz W) λ długość fali α 3dB tłumienność włókna λ szerokość widma wiązki dr inż. Piotr Stępczak 16

17 α [db/km] Tłumienność włókna α α + α + α + α R A F N Original: nm Extended: nm Short: nm Conventional nm Long: nm Ultra-long: nm Rozproszenie Rayleigh a Absorpcja w ultrafiolecie I 0.95µm Absorpcja OH - II Original 1.3µm Extended Short 1.37µm Stratność falowodowa III Conventional Long Ultra-long Absorpcja w podczerwieni λ [µm] dr inż. Piotr Stępczak 17

18 Pomiar tłumienności włókna Metoda transmisyjna tłumienie całkowite toru optycznego Metoda reflektometryczna (OTDR) tłumienie części i całości światłowodu długość światłowodu tłumienie współczynnika odbicia złączy charakterystykę dyspersyjną dr inż. Piotr Stępczak 18

19 Optical Time Domain Reflectometry światłowód Nadajnik t złącze sprzęgacz kierunkowy Fotodioda Integrator ln : Monitor : dr inż. Piotr Stępczak 19

20 Optical Time Domain Reflectometry α s - współczynnik rozpraszania, [1/km] S - faktor rozpraszania, P o - moc optyczna wprowadzona do światłowodu [W], T s - straty dwukrotnego przejścia sprzęgacza, w - szerokość impulsu [s], c -prędkość światła w próżni, 3*10 8 m/s, N - grupowy współczynnik załamania r współczynnik odbicia P wc N αl /10 Sα s P0 T s 10 spaw P1 Sα s P0 T s Moc sygnału powracającego Moc [db] wc N L c N t P rp0 10 F T s αl /10 złącze spaw czas odległość [s] [km] [ db km] ( L L ) ( L1 ) ( L ) dr inż. Piotr Stępczak 0 α 1 1 P 10log P

21 Optyczne elementy pasywne Złącza światłowodowe Spawy Sprzęgacze światłowodowe i multipleksery Filtry światłowodowe Bragga Przestrajalne filtry optyczne dr inż. Piotr Stępczak 1

22 Złącza światłowodowe Podstawowe parametry złączy wnoszone straty wynikające z niedokładności geometrycznych spowodowane przesunięciem osi szczeliną pomiędzy złączami odchyleniem kąta osi dr inż. Piotr Stępczak

23 Złącza światłowodowe Podstawowe parametry złączy współczynnik odbicia mocy n1 n R n1 + n włókno-powietrze styk rdzeni (PC) 4% (14dB) 40dB kątowy styk rdzeni (APC) 70dB tłumienność odbiciowa (Optical Return Loss) [ ] n1 ORL db 10log n1 n + n dr inż. Piotr Stępczak 3

24 Złącza światłowodowe Budowa Najczęściej spotykane dr inż. Piotr Stępczak 4

25 Złącza światłowodowe Technologie wykonania 1. Złączki klejone przy pomocy żywic epoksydowych, utwardzanych na gorąco. Złączki klejone metodą HotMelt (3M) 3. Złączki zaciskane bez kleju (AMP) dr inż. Piotr Stępczak 5

26 Technika wykonania Spawy połączenie w łuku elektrycznym stopienie połączenie mechaniczne Elastomeric Lab Splice 3M Fibrlock AMP Corelink dr inż. Piotr Stępczak 6