90m. Tłumienie [db] Spadek mocy sygnału [%] 3 50, , , , ,00. WZiPT PL mgr in. Dariusz Ku. Kabel miedziany 1.

Transkrypt

1 wiatłowody Zalety wiatłowodów Prawie nieograniczona przepustowo Odporno na interferencje i przesłuchy Niewielkie wymiary i masa Trwało i elastyczno Niewielkie tłumienie sygnału Bezpieczestwo sygnału Niski koszt w stosunku do moliwoci 90m Tłumienie to spadek poziomu mocy w miar jego rozchodzenia si w instalacji. Zjawisko to wystpuje w wyniku rozpraszania energii traconej na pokonanie rezystancji lub impedancji i zaley od czstotliwoci. Tłumienie mierzone jest w db (tłumienie 3dB to zmniejszenie mocy sygnału o 50%). Wymagania dla kanału przesyłu danych pozwalaj na dopuszczalne tłumienie 20dB. Tłumienie [db] Spadek mocy sygnału [%] 3 50, , , , ,00 Kabel miedziany 1.1km wiatłowód 12-15km wiatłowód 25-35km wiatłowód 50-80km wiatłowód km

2 Teoretycznie im krótsza długo fali wietlnej tym moliwe przesyłanie wikszych czstotliwoci. Ze wzgldu na własnoci materiału przewodzcego, w praktyce zastosowanie wikszych długoci fal pozwala na przesyłanie wikszej iloci danych. Współczynnik załamania Współczynnik załamania n jest bezwymiarow wielkoci wyraon przez stosunek prdkoci rozchodzenia si wiatła w próni c 0 do jego prdkoci w danym orodku v c0 n = v prónia: n=1.0, v=c 0 materiał x : n>1.0, v<c 0 Typowe wartoci współczynnika załamania n dla rónych orodków Materiał n Prónia 1,0000 Powietrze 1,003 Woda 1,33 Kwarc 1,46 Szkło 1,5, Diament 2,00 Silikon 3,40 Kt krytyczny/odbicie Kt krytyczny α jest minimalnym ktem pomidzy promieniem a prost normaln do powierzchni orodka, przy którym nastpi jeszcze odbicie wiatła od granicy orodków. Apertura numeryczna Apertura numeryczna (ang. NA-Numerical Aperture) okrela zdolno włókna do absorpcji wiatła i jest okrelana dla wymiaru rdzenia włókna. Im wiksza rednica rdzenia tym wiksza apertura numeryczna i tym łatwiej podłczy ródło do wiatłowodu. 2 2 NA = sinα 0 ( n1 n2 ) gdzie NA apertura numeryczna, α 0 połowa kta akceptacji, n 1 współczynnika załamania rdzenia, n 2 współczynnik załamania włókna Kt akceptacji (ang. Acceptance Angle) to podwójna warto maksymalnego kta padania promienia na czoło wiatłowodu, przy jakim dozna on jeszcze całkowitego wewntrznego odbicia na granicy płaszcz-rdze. Dla wiatłowodów wielodomowych wynosi ok. 28.

3 Mody - analogia 1 W uproszczeniu s to skupiska energii, które ze wzgldu na du rednic rdzenia docieraj do odbiornika po rónych drogach i co za tym idzie w rónym czasie tj. dyspersja. Definicja modu: Rdze wiatłowodu ma warto współczynnika załamania wysz w stosunku do płaszcza. Z tego powodu prowadzona w wiatłowodzie wizka wiatła ma tendencj do utrzymywania si wewntrz rdzenia. Definicja współczynnik a załamania c n =, gdzie c=3*10 8 m/s jest prdkoci wiatła v w próni, v jest prdkoci wiatła w orodku. Z tego wynika, e prdko wiatła w płaszczu jest wiksza ni w rdzeniu co powoduje zaginanie si powierzchni stałej fazy w kierunku rdzenia i przepływ energii do niego (ogniskowanie). Optycy mówi, e wiatło dy do wikszego współczynnika załamania. Z drugiej strony ograniczona wizka prowadzona w rdzeniu ulega dyfrakcji czyli rozproszeniu (poszerzeniu). Obydwa te zjawiska: ogniskowanie i dyfrakcja zachodz jednoczenie i maj działanie przeciwstawne. Jeeli rozkład natenia w prowadzonej wizce wiatła jest taki, e oba te efekty si znosz to taka wizka nazywa si modem wiatłowodowym. Mody - analogia 2 W wiatłowodach jednodomowych rdze ma kilkukrotnie mniejsz rednic ni w wielodomowych. Pozwala to na przesyłanie wiatła w postaci pojedynczego modu, zmniejszajc tym samym zjawisko dyspersji. Mody - analogia 3 Mody - analogia 4 Dziki temu, e wiatłowody jednodomowe mog przesyła tylko jeden mod, co eliminuje zjawisko dyspersji, mona zagci ilo modów tak, e przepustowo kanału wzronie. wiatłowód wielodomowy skokowy

4 wiatłowód wielodomowy gradientowy n płaszcza =1,46 n max rdzenia =1,4776 NA dla rednicy rdzenia 50µm = 0,2±0,015 62,5µm = 0,275±0,015 wiatłowody gradientowe s najpopularniejsz konstrukcj włókien. Przy pomocy specjalnych domieszek tak ukształtowano profil współczynnika załamania aby osign optymalne warunki transmisji wiatła. Jeeli mówimy o wiatłowodach wielodomowych to najczciej mamy na myli wiatłowody gradientowe. Włókna gradientowe wystpuj w kilku rozmiarach, kada przystosowana sa innych sieci. rednica włókna podawana jest w µm i okrela jego rodzaj. Produkowane obecnie włókna maj rdzenie o rednicach: 50µm, 62.5µm i 100µm. najczciej uywana (zalecana w ANSI X3T9.5 dla sieci FDDI (ang. Fiber Distributed Data Interface) jest rednica 62.5µm. rednica płaszcza wynosi 125µm i jest standardem przemysłowym. Włókno jest okrelane jako 62.5/125. wiatłowód jednodomowy Włókno jednodomowe zostało zaprojektowane z myl o przesyłaniu pojedynczego modu (promienia) wiatła. Współpracuje z laserem bardzo wskiej wizce wiatła. Ma bardzo du przepustowo i zasig. rednica rdzenia to µm. Płaszcz ma standardow rednic 125µm. Włókna jednodomowe s wybierane ze wzgldu na nieomal nieograniczone pasmo przenoszenia i nisk tłumienno. Pozwala to na wydłuenie odległoci midzy wzmacniaczami do ponad 150km. Włókna jednodomowe zapewniaj duo lepsze parametry transmisyjne ale s bardzo wraliwe na decentracj i inne wady powstajce przy łczeniu 62.5 MM decentracja 6µm lub10% powierzchni SM decentracja 1µm lub10% powierzchni

5 Porównanie włókiem MM i SM 62.5MM SM Tłumienie ~1.0dB/km <0.5dB/km Pasmo przenoszenia ~500MHz*km >GHz*km NA apertura numeryczna dua Bardzo mała Okna transmisyjne Okno transmisyjne o długoci fali 850 nm jest najstarsze historycznie. Charakteryzuje go umiarkowana pojemno transmisyjna, oraz wysoka tłumienno (4dB/km). Jest ono wykorzystywane do transmisji opartej o kabel gradientowy. Stosuje si tutaj sygnał modulowany, typowe odległoci to ponad 2km. Wad jest bardzo niska graniczna szybko transmisji 1Gb/s. Wykorzystywane jest wiatło o kolorze czerwonym (bardzo jaskrawym), emitowane przez zwykł diod półprzewodnikow. Z tego powodu koszt takiego połczenia jest stosunkowo niski. Okno transmisyjne o długoci fali 1300 nm zostało wprowadzone w roku Przeznaczone do współpracy z kablami jednomodowymi i wielomodowymi gradientowowymi. Tłumienno około 0,4 db/km. Przy transmisji wielomodowej transfer bez regeneracji moe odbywa si na odległoci do kilkudziesiciu kilometrów. Jako ródło wiatła wykorzystuje si najczciej laser półprzewodnikowy. Maksymalna prdko transmisji danych to Gb/s Okno transmisyjne o długoci fali 1550 nm wprowadzone w roku Nie znajduj tutaj zastosowania zwykłe wiatłowody SMF, musz by wykorzystywane specjalne kable. Tłumienno około 0,16 db/km. Okno to jest preferowane przy transmisjach na due odległoci. Zakres pomidzy oknami 1300 i 1550 nie jest wykorzystywany, ze wzgldu na du tłumienno spowodowan absorpcj jonów OH-. Tłumienie Tłumienno optyczna okrela ilo traconego wiatła w rdzeniu włókna przy załoeniu, e natenie impulsu wietlnego I w funkcji odległoci z opisuje funkcja I ( z) = I 0 exp( α z) gdzie α jest współczynnikiem pochłaniania, I 0 nateniem pocztkowym Powyszy wykładniczy charakter strat pozwala opisywa je w postaci logarytmicznej w db i zazwyczaj podawana jest dla odcinka o długoci 1km. 3dB odpowiada 50% utracie mocy sygnału Zmiana długoci fali wpływa na parametry propagacji wiatła w rdzeniu. Tłumienno optyczna jest okrelana dla dwóch długoci fal 850 i 1300 nm dla wiatłowodów wielodomowych lub 1310 i 1550nm dla jednodomowych.

6 Pasmo przenoszenia Pasmo przenoszenia jest wartoci okrelajc bezporednio przepustowo kabla. Wyraane jest w MHz*km i jest jednym z najwaniejszych parametrów okrelajcych wiatłowody. Zaley od: rodzaju włókna zastosowanego nadajnika długoci uytek fali

7 Szeroko widma (okna) jest mierzona w nm i okrela długo fali emitowanej przez nadajnik bdcy w otoczeniu rodka widma. Zaley od ródła wiatła i waha si w granicach od kilku nm (wska) do dziesitek a nawet setek nm (szeroka). Wskie widmo maj lasery a szerokie diody LED. Im pasmo wsze tym mniejsze straty (dyspersja chromatyczna) Dyspersja Zasadniczym zjawiskiem ograniczajcym pasmo przenoszenia jest (w uproszczeniu) dyspersja czyli rozszerzenie (zniekształcenie) impulsu wietlnego na linii nadajnikodbiornik. Rodzaje dyspersji: Modalna Chromatyczna Obydwa rodzaje wpływaj na ograniczenie pasma włókien wielodomowych. wiatłowody jednodomowe zasilane laserem o bardzo wskim pamie wykazuj minimaln dyspersj (ps/nm*km) co pozwala bez adnego kłopotu osign pasmo mierzone w GHz. Straty w wiatłowodzie wiatłowody, nawet te jednomodowe, nie s idealnym medium transmisyjnym. Tłumienie. Jedn z podstawowych wad wiatłowodu jest tłumienie sygnału optycznego. Spowodowane jest przez straty mocy optycznej wynikajce z niedoskonałoci falowodu. W rzeczywistym wiatłowodzie wystpuje: absorpcja (pochłanianie energii przez materiał wiatłowodu), rozpraszanie energii spowodowane przez fluktuacje gstoci i współczynnika załamania szkła (tzw. rozpraszanie Rayleigha). W czasie instalacji i uytkowania wiatłowodów mog pojawi si dodatkowe składniki tłumienia takie jak zgicia lub mikropknicia. ródła tłumienia: o Straty materiałowe. Wikszo wiatłowodów wykonana jest ze szkła kwarcowego SiO 2. wiatło ulega rozproszeniu z powodu fluktuacji gstoci materiału rdzenia, a ta spowodowana jest niedoskonałoci struktury szkła. Dla czystego szkła kwarcowego stała materiałowa k=0,8, a tłumienno spowodowana rozproszeniem Rayleigha wynosi dla długoci fali widzianej przez wiatłowód l=850 nm 1,53 db/km, dla l=1300 nm 0,28 db/km, a dla l=1550 nm 0,138 db/km. Oprócz rozpraszania Rayleigha istnieje silna absorpcja zarówno w podczerwieni, jak i nadfiolecie zwizana bezporednio z samymi własnociami szkła krzemowego SiO 2. Nie pozwala ona na wykorzystanie jeszcze dłuszych fal do transmisji. o Straty falowodowe wynikaj z niejednorodnoci wiatłowodu powodowanymi fluktuacjami rednicy rdzenia, zgiciami włókna, nierównomiernoci rozkładu współczynnika załamania w rdzeniu i w płaszczu, oraz wszelkimi innymi odstpstwami od geometrii idealnego wiatłowodu cylindrycznego. Deformacje włókna majce duy wpływ na tłumienie wiatłowodu to mikrozgicia i makrozgicia. o Mikrozgicia powstaj w procesie wytwarzania włókien i s to nieregularnoci kształtu rdzenia i płaszcza rozłoone wzdłu włókna losowo lub okresowo. Wywołuj w wiatłowodzie wielomodowym

8 mieszanie si modów i ich konwersj w mody wyciekajce do płaszcza. W wiatłowodzie jednomodowym mikrozgicia powoduj natomiast rozmycie modu. o Tłumienie wywołane makrozgiciami, czyli wywołane fizycznym zakrzywieniem włókna wiatłowodowego, jest pomijalnie małe dla promieni zakrzywie wikszych od kilku centymetrów. Mniejsze powoduj zmian współczynnika załamania w obszarze zgicia, co take prowadzi do tworzenia si modów wyciekajcych i uwidacznia si efektem wiecenia włókna na powierzchni. Straty mocy sygnału powodowane s równie przez przesunicia, rozsunicia oraz wzajemny obrót wiatłowodów. Absorpcja w zakresie pasm uytecznych (0,8-1,5 m) jest niewielka, wzrasta natomiast przy niewielkiej nawet koncentracji zanieczyszcze metali Fe, Cu, Cr, a zwłaszcza jonów OH. Jest to proces nieodwracalny, wynikowa tłumienno zaley od rodzaju domieszek oraz od sposobu ich koncentracji. Ponadto powysze zanieczyszczenia powoduj selektywny wzrost tłumienia, wybór okien transmisyjnych wynika z koniecznoci pominicia tych pasm absorpcyjnych. Dyspersja. Impuls biegncy w falowodzie ulega wydłueniu (rozmyciu), co ogranicza maksymaln czstotliwo sygnału przesyłanego przez falowód. Zjawisko to jest wynikiem dyspersji, fale wietlne biegnce w falowodzie nie maj dokładnie jednakowej długoci fali, ale róni si nieznacznie. W wyniku rónic w prdkoci poruszania si fal o rónych długociach, fale wysłane jednoczenie nie docieraj do odbiornika w tym samym czasie. W rezultacie na wyjciu pojawia si szerszy impuls, który ronie wraz ze wzrostem długoci wiatłowodu. Przepływno transmisyjna włókna jest wic okrelona przez to, jak blisko siebie mona transmitowa kolejne impulsy bez ich wzajemnego nakładania si na siebie (przy zbyt bliskich impulsach zlej si one w wiatłowodzie w jedn cigł fal). Dyspersja ogranicza długo wiatłowodu, przez który moe by transmitowany sygnał. Rozrónia si dwa typy dyspersji - dyspersj midzymodow wystpujc w wiatłowodach wielomodowych oraz dyspersj chromatyczn wystpujc w włóknach jednomodowych. Wykorzystanie w systemach wiatłowodowych wikszych długoci fali przede wszystkim ok nm, zamiast nm wykorzystywanych w pierwszych systemach przynosi powane korzyci jeli chodzi o dyspersj, gdy dyspersja materiałowa w tym obszarze długoci fali jest praktycznie równa zeru. Co wicej, w miar doskonalenia procesu produkcji włókna, zaczło si okazywa, e dla bardzo suchych (o małej zawartoci jonów OH) rodzajów szkła, mona uzyska dla fali 1300 nm wartoci tłumiennoci znacznie poniej 3 5 db/km, jakie uzyskiwano dla 850 nm i z wielu ródeł pojawiły si doniesienia o uzyskaniu dla fali 1300 nm wartoci tłumiennoci rzdu od 1 do 0,5 db/km. Uzyskano te dla fali 1550 nm tłumienno rzdu 0,2 db/km. o Dyspersja modowa. wystpuje w wiatłowodach wielomodowych. Impuls wiatła wiedziony przez wiatłowód jest superpozycj wielu modów, z których prawie kady, na skutek rónych któw odbicia od granicy rdzenia, ma do przebycia inn długo drogi midzy odbiornikiem a nadajnikiem. Dyspersja modowa wiatłowodów skokowych przekracza znacznie wszystkie pozostałe dyspersje. Dodatkowo z powodu duego tłumienia jednostkowego tych włókien docierajcy sygnał ma wyranie inny kształt i mniejsz amplitud.

9 Zniekształcenie to ronie wraz z długoci wiatłowodu. Ograniczenie dyspersji modowej i zwikszenie pasma wiatłowodów wielomodowych do 1200 MHz km uzyskano wprowadzajc włókna gradientowe. o Dyspersja chromatyczna. Z racji tego, e wiatłowody jednomodowe propaguj tylko jeden mod, nie wystpuje tutaj zjawisko dyspersji midzymodowej. Uwidacznia si natomiast inny, dotychczas niewidoczny rodzaj dyspersji, dyspersja chromatyczna. Składaj si na ni dwa zjawiska: dyspersja materiałowa i falowa. o Dyspersja materiałowa powodowana jest zmian współczynnika załamania szkła kwarcowego w funkcji długoci fali. Poniewa nie istnieje ródło wiatła cile monochromatyczne, gdy kady impuls wiatła składa si z grupy rozproszonych czstotliwoci optycznych rozchodzcych si z rón prdkoci, docierajcy po przebyciu fragmentu włókna mod charakteryzuje si rozmyciem w czasie. o Dyspersja falowa czciowo powodowana jest wdrowaniem wizki przez płaszcz wiatłowodu. Szybko rozchodzenia si zaley od właciwoci materiałowych płaszcza.

10 Konstrukcja włókien optycznych Elementy składowe: Rdze jest orodkiem, w którym biegnie wiatło. Wykonany jest z domieszkowanego szkła np. GeO 2 +SiO 2 zapewniajcego dobre właciwoci przewodzce. Płaszcz wiatłowodu wykonany jest z czystego szkła SiO 2 majcego niszy współczynnik załamania ni rdze. Rónica współczynników załamania pozwala wiatłu porusza si w rdzeniu. Granica rdze-płaszcz działa jak lustro nie pozwala wydosta si wiatłu poza rdze (całkowite wewntrzne odbicie). Bufor wykonany z tworzywa sztucznego np. akrylanu. Nie ma wpływu na działanie wiatłowodu. Chroni włókno przed uszkodzeniem w trakcie umieszczania w kablu, podczas instalacji iw wykonywania złcz. Poprawia równie elastyczno Parametry włókien wielodomowych Maksymalne tłumienie 850nm 1300nm Pasmo przenoszenia 850nm 1300nm Apertura numeryczna 0,275 ± 0,015 rednica rdzenia 62,5 ± 3µm rednica płaszcza 125 ± 3µ rednica bufora (cisła tuba) 900µ 3,2 3,75 db/km 1,0 1,5 db/km 160 MHz/km 500 Mhz/km

11 Konstrukcja kabli optycznych Cel: Ochrona włókien optycznych przed wpływem czynników mechanicznych i rodowiskowych przez lat. Czynniki rodowiskowe Mechaniczne Wilgotno Zagicie Chemia Naprenia Temperatura Uderzenia Woda Skrcenia Gryzonie Wewntrzny cisła tuba Uniwersalny luna tuba Stosuje si wewntrz budynków Włókna wiatłowodowe umieszczone s w buforze/izolacji o rednicy zewn. 0,9mm Na takich włóknach mona bezporednio zakłada złcza ST,SC lub inne Stosuje si zazwyczaj na zewntrz Włókna wiatłowodowe umieszczone s elowanych tybach zapewniajcych ochron włókien przed napreniami i działaniem warunków atmosferycznych Kabel uniwersalny Do kładzenia w kanalizacji wtórnej na zewntrz budynków lub do podwieszania Posiada niepaln izolacj i spełnia normy ppo. Zbrojony luna tuba Do zakopywania bezporednio w ziemi. Posiada metalowe zbrojenie zabezpieczajce przed gryzoniami Kable optyczne materiały Elementy wzmacniajce o Stal o Włókna kevlarowe powlekane ywic epoksydow

12 el zabezpieczajcy prze wilgoci Izolacja o Polietylen (PE) kable zewntrzne o Polichlorek winylu (PCV) - kable wewntrzne o Poliuretan (PUR) - kable wewntrzne o Fluoropolimery (Teflon) niepalne Karbowana stal - zabezpieczenie przed gryzioniami Kable optyczne - luna tuba Zapewniaj najlepsz ochron przed działaniem ekstremalnych temperatur, wilgoci i napre. Wypełnia si je elem. Stosowane głównie na zewntrz. Konstrukcja umoliwia wydłuenie lub skrócenie do 3% bez wpływu na włókna. Kable optyczne - cisła tuba Zapewniaj bardzo dobr ochron włókien, ale staj si sztywne przy wikszej ich liczbie. Łatwo wykonywania złcz. Zazwyczaj stosowane wewntrz budynków. Dobór materiałów podyktowany jest w duym stopniu wymogami przeciwpoarowymi dotyczcymi niepalnoci izolacji oraz emisji dymu. Kable w cisłej tubie uywane s do produkcji kabli krosowych Simplex pojedynczy Duplex podwójny (zip cord) Oraz pochodzcych od nich tzw. pigtail czyli zakoczonych z jedne strony złczami Złcza ST S.C. S.C. duplex

13