Telekomunikacja światłowodowa

Transkrypt

1 KATEDRA OPTOELEKTRONIKI I SYSTEMÓW ELEKTRONICZNYCH Wydział Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki Politechnika Gdańska GDAŃSK, ul.g.narutowicza 11/12, tel.(48)(58) , fax.(48)(58) , opto@eti.pg.gda.pl Program studiów podyplomowych Telekomunikacja światłowodowa Kierownik studiów: dr hab. inŝ. Bogdan B. Kosmowski, prof. nadzw. PG Gdańsk 2009

2 Spis treści CEL STUDIÓW 4 WYMAGANIA WSTĘPNE 4 ZAŁOśENIA ORGANIZACYJNE STUDIÓW. 4 PROGRAM STUDIÓW Wprowadzenie. 5 Cel 5 Treść wykładów 5 2. Budowa i klasyfikacja światłowodów. 6 Cel 6 Treść wykładów 6 3. Propagacja światła w światłowodach 7 Cel 7 Treść wykładów 7 4. Parametry światłowodów 8 Cel 8 Treść wykładów 8 5. Budowa i zasada działania wybranych elementów toru światłowodowego.. 9 Cel 9 Treść wykładów 9 6. Technologia wytwarzania włókien światłowodowych. 10 Cel. 10 Treść wykładów Podstawy telekomunikacji światłowodowej Cel 11 Treść wykładów 11 Treść ćwiczeń Źródła zakłóceń w układach światłowodowych. 12 Cel 12 Treść wykładów Zjawiska nieliniowe w światłowodach. 13 2

3 Cel 13 Treść wykładów Sieci światłowodowe. 14 Cel 14 Treść wykładów Pomiary eksploatacyjne sieci światłowodowych.. 15 Cel 15 Treść wykładów 15 Treść laboratorium Kable i osprzęt światłowodowy. 16 Cel 16 Treść wykładów 16 Treść laboratorium Nietelekomunikacyjne wykorzystanie światłowodów. 17 Cel 17 Treść wykładów Trendy rozwojowe techniki światłowodowej 18 Cel 18 Treść wykładów Projektowanie transmisyjnych sieci światłowodowych.. 19 Cel 19 Treść zajęć projektowych. 19 3

4 Cel studiów Celem studiów jest podniesienie kwalifikacji uczestników w zakresie telekomunikacji światłowodowej. Poszczególne przedmioty składające się na program studiów obejmują zasadnicze etapy projektowania, realizacji i eksploatacji światłowodowych systemów telekomunikacyjnych. Z takimi problemami spotykają się projektanci, inŝynierowie oraz inne osoby odpowiedzialne za eksploatacje sieci w codziennej pracy zawodowej. Wymagania wstępne Uzyskanie świadectwa ukończenia Studiów Podyplomowych wymaga, by uczestnicy studiów legitymowali się dyplomem ukończenia studiów wyŝszych. Znajomość zagadnień z zakresu elektroniki, telekomunikacji, fizyki będzie znaczącym ułatwieniem w realizacji programu studiów. W zajęciach poszczególnych modułów studiów mogą uczestniczyć osoby bez dyplomu uczelni wyŝszej, wówczas jednak w miejsce Dyplomu ukończenia studiów podyplomowych otrzymują Świadectwo ukończenia kursu dla kaŝdego ukończonego kursu. ZałoŜenia organizacyjne studiów Studiów trwa dwa semestry, obejmując 15 modułów przedmiotowych, w łącznym wymiarze 210 godzin lekcyjnych. Ukończenie studiów wymaga uzyskania pozytywnej oceny z końcowego testu pisemnego oraz zaliczenia zajęć praktycznych. KaŜdy moduł obejmuje wykłady i w niektórych przypadkach równieŝ zajęcia praktyczne. Zajęcia kończą się zaliczeniem oraz anonimową ankietą oceny modułu. Zajęcia w ramach studiów odbywają się co dwa tygodnie szczegółowy harmonogram zajęć publikowany jest na początku semestru na stronie internetowej Wydziału ETI poświęconej studiom podyplomowym. Minimalna liczba słuchaczy, przy której studia są uruchamiane, wynosi 16 osób; przy czym w jednej edycji na studiów przyjmowanych jest nie więcej niŝ 24 słuchaczy. Organizatorem studiów jest Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych Wydziału Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki, Politechniki Gdańskiej. 4

5 Program studiów 1. Wprowadzenie Wykład - 8 godzin Celem zajęć jest wprowadzenie w organizację i tematykę Studiów. W ramach wykładu zostaną równieŝ omówione zagadnienia stanowiące wstęp do dalszych zajęć. W szczególności metody opisu zjawisk optycznych i podstawowe prawa związane z transmisją światła. Światło jako fala elektromagnetyczna MoŜliwości opisu zjawisk optycznych Podstawowe pojęcia związane z optoelektroniką Zjawisko odbicia światła na granicy ośrodków Zjawisko załamania światła na granicy ośrodków Podstawowe elementy światłowodowego układu transmisji sygnału: o Źródła światła o Detektory 5

6 2. Budowa i klasyfikacja światłowodów Wykład - 8 godzin Celem wykładów jest zapoznanie słuchaczy z budową, klasyfikacją światłowodów i ich własnościami transmisyjnymi. Budowa światłowodu planarnego Budowa światłowodu włóknistego Modowa struktura promieniowania w światłowodach Światłowód wielodomowy o Światłowód wielodomowy o skokowym profilu współczynnika załamania o Światłowód wielodomowy o gradientowym profilu współczynnika załamania Światłowód jednodomowy Podstawowe układy optyki zintegrowana 6

7 3. Propagacja światła w światłowodach Wykład - 12 godzin Celem wykładu jest przedstawienie fizycznych podstaw propagacji światła w światłowodach uŝywanych w telekomunikacji. Omówione zostaną zjawiska związane z transmisją sygnału w światłowodzie takie jak: dyspersja oraz tłumienie sygnału. Poruszony zostanie równieŝ problem strat sygnału optycznego we włóknie światłowodowym w związku z mikro- i makrozgieciami włókna. Propagacji światła w światłowodzie wielodomowym o skokowym profilu współczynnika załamania Propagacji światła w światłowodzie wielodomowym o gradientowym profilu współczynnika załamania Propagacja światła w światłowodzie jednodomowym Tłumienie światłowodów Dyspersja Dyspersja międzymodowa Dyspersja chromatyczna Dyspersja polaryzacyjna Zarządzanie dyspersją Wpływ mikro- i makrozgięc włókna na transmisję sygnału w światłowodzie 7

8 4. Parametry światłowodów Wykład - 6 godzin Celem wykładu jest przedstawienie uczestnikom studiów podstawowych parametrów róŝnych typów światłowodów oraz ich wpływu na własności transmisyjne. Omówione zostaną równieŝ własności wybranych typów światłowodów specjalnych. Apertura numeryczna i kąt akceptacji światłowodu Profile współczynnika załamania światła w światłowodach włóknistych Częstotliwość znormalizowana Długość fali odcięcia Liczba modów Średnica pola modu Grupowy i efektywny współczynnik załamania światła Dyspersja Tłumienie Własności mechaniczne światłowodu Standardowe parametry światłowodów Światłowody specjalne 8

9 5. Budowa i zasada działania wybranych elementów toru światłowodowego Wykład - 22 godziny Celem wykładu jest przedstawienie zasady działania i budowy elementów słuŝących do rozbudowy i zwiększenia moŝliwości transmisyjnych w stosunku do prostego łącza światłowodowego składającego się jedynie ze źródła promieniowania optycznego, światłowodu i fotodetektora. Podstawowe optyczne elementy toru transmisyjnego Budowa oraz zasada działania elementów tj. sprzęgacz światłowodowy, cyrkulator, optyczny izolator. Omówienie problemów występujących w długich torach światłowodowych Budowa, właściwości oraz przykłady zastosowań regeneratorów optycznych Wzmacniacze półprzewodnikowe i światłowodowe, budowa, właściwości i zastosowanie Omówienie problemów dyspersji w światłowodach Metody kompensacji dyspersji z wykorzystaniem światłowodów o niezerowej dyspersji oraz światłowodowych siatek Bragga. Układy nadawcze i odbiorcze oraz przykłady budowy torów transmisyjnych. 9

10 6. Technologia wytwarzania elementów toru światłowodowego Wykład - 6 godzin Celem wykładu jest przedstawienie słuchaczom współczesnych technologii wytwarzania włókien światłowodowych. Przegląd materiałów na światłowody Wytwarzanie włókna Technologie wytwarzania preform Technologia MCVD (ang. Modified Chemical Vapour Deposition) Technologia PCVD (ang. Plasma Chemical Vapour Deposition) Technologia OVD (ang. Outside Vapour Deposition) Technologia VAD (ang. Vapour Axial Deposition) Wyciąganie włókna światłowodowego 10

11 7. Podstawy telekomunikacji światłowodowej Razem - 22 godziny (wykład - 12 godzin, projekt -10 godzin) Celem wykładu jest zapoznanie słuchaczy i pogłębienie ich wiedzy na temat budowy i podstawowych własności światłowodowych systemów telekomunikacyjnych. W szczególności omówione zostaną metody modulacji sygnałów optycznych zarówno modulacji analogowej, jak i cyfrowej, rodzaje i sposoby kodowania sygnałów optycznych oraz charakterystyki transmisji analogowej (stosowanej m.in. w sieciach CATV) oraz transmisji cyfrowej. Omówione zostaną równieŝ podstawy zwielokrotnienia przepływności systemów światłowodowych w dziedzinie czasu i długości fali. Omówione równieŝ będą metody i charakterystyki detekcji koherentnej sygnałów optycznych, zarówno homo-, jak i heterodynowej. o o o o o o Światłowodowy system transmisyjny Metody modulacji sygnałów optycznych o modulacja analogowa modulacja amplitudy fali AM modulacja intensywności fali IM modulacja pośrednia AM-IM o modulacja cyfrowa modulacja impulsowo-kodowa PCM rodzaje kodów stosowanych w modulacji PCM: kody cyfrowe, kodowanie, połoŝenia i szerokości impulsów, kodowanie z kluczowaniem fali podnośnej Metody zwielokrotnienia przepływności binarnej o zwielokrotnienie z podziałem czasu TDM o zwielokrotnienie z podziałem częstotliwości WDM Transmisja sygnałów analogowych Transmisja sygnałów cyfrowych Detekcja koherentna sygnałów optycznych Treść zajęć projektowych: Wstęp do projektowania sieci światłowodowych 11

12 8. Źródła zakłóceń w układach światłowodowych Wykład - 14 godzin Celem wykładu jest omówienie źródeł zakłóceń sygnałów optycznych transmitowanych w systemach światłowodowych. W szczególności przeanalizowany zostanie wpływ dyspersji i tłumienia światłowodu na kształt transmitowanych impulsów oraz na pasmo sygnałów analogowych. Omówione zostaną teŝ podstawowe źródła szumów istotne w układach optycznych i ich wpływ na detekcją sygnału. Zniekształcenia kształtu transmitowanych impulsów świetlnych spowodowane wpływem dyspersji i tłumienia światłowodu Wpływ dyspersji i tłumienia na pasmo transmitowanych sygnałów analogowych Wpływ szumów na detekcją sygnałów optycznych o Wpływ szumu kwantowego o Wpływ szumu termicznego o Wpływ szumu modowego Stosunek sygnału do szumu dla transmisji analogowej Elementarna stopa błędu BER w transmisji cyfrowej 12

13 9. Zjawiska nieliniowe w światłowodach Wykład - 10 godzin Celem wykładu jest omówienie podstawowych zjawisk nieliniowych występujących w światłowodach oraz ich wykorzystanie w technice pomiarowej i telekomunikacji. Wyjaśniony teŝ będzie szkodliwy wpływ niektórych z nich na pracę systemów transmisji sygnałów optycznych o duŝych przepływnościach binarnych. Spontaniczne i wymuszone rozpraszanie Ramana i jego wykorzystanie w technice światłowodowej Spontaniczne i wymuszone rozpraszanie Brillouina i jego wykorzystanie w technice światłowodowej Metody modulacji fazy Mieszanie czterofalowe Wykorzystanie rozpraszania Ramana i Brillouina do wzmacniania sygnałów optycznych Wykorzystanie zjawisk nieliniowych do transmisji sygnału solitony optyczne 13

14 10. Sieci światłowodowe Wykład - 22 godziny Celem wykładu jest przekazanie wiedzy z zakresu wykorzystania światłowodów w sieciach transmisyjnych, zarówno analogowych jak i cyfrowych. Słuchacz zapozna się z budową i właściwościami podstawowych światłowodowych sieci transmisyjnych takich jak FDDI, HIPPI, FITL, Fibre Channel oraz CATV, oraz z stosowanymi w nich metodami modulacji sygnału optycznego. Architektura teletransmisyjnych sieci światłowodowych Przedstawione zostaną sieci lokalne, regionalne, metropolitarne i globalne Sieci z multipleksowaniem w dziedzinie czasu TDM (m.in. sieci PDH i SDH) Sieci z multipleksowaniem w dziedzinie długości fali WDM (m.in. sieci DWDM i CWDM) Zasada działania i budowa urządzeń do zwielokrotniania sygnałów (krotnice, multipleksery, demultipleksery) Standardy i parametry sieci światłowodowych Dostęp do sieci światłowodowych, w tym architektura sieci wielodostępowych. Kierunki rozwoju teletransmisyjnych sieci światłowodowych. 14

15 11. Pomiary eksploatacyjne sieci światłowodowych Razem - 22 godziny (wykład - 16 godzin, laboratorium - 6 godzin) Zapoznanie słuchaczy z procedurami pomiarowymi stosowanymi przy budowie i utrzymaniu (kontrolne pomiary okresowe i pomiary stosowane w przypadku awarii) sieci światłowodowych. Tematyka wykładu obejmuje przedstawienie procedur i metod stosowanych przy pomiarach łączy światłowodowych. Przedstawione zostaną podstawowe metody, umoŝliwiające badanie parametrów optycznych linii światłowodowej i lokalizacji jej uszkodzeń, w szczególności: 1. Optyczna reflektometria w dziedzinie czasu OTDR; 2. Pomiary tłumienności torów światłowodowych; 3. Pomiary dyspersji w torach światłowodowych. Oprócz tego tematyka wykładów obejmować będzie pomiary parametrów teletransmisyjnych łącza, przede wszystkim: 1. Pomiar stopy błędów BER; 2. Pomiar przepływności; 3. Pomiar parametrów charakterystycznych dla danego protokołu transmisji danych. Omówione zostaną zalety i ograniczenia poszczególnych metod pomiarowych, a takŝe kryteria doboru aparatury pomiarowej do poszczególnych rodzajów sieci. Przedstawiona zostanie specyfika procedur stosowanych w przypadku pomiarów odbiorczych nowych łącz, okresowych pomiarów eksploatacyjnych i lokalizacji uszkodzeń w przypadku awarii. Treść laboratorium: W ramach laboratorium uczestniczy uczą się praktycznie wykonywać pomiary sieci światłowodowych. Słuchacze nauczą się: obsługi telekomunikacyjnego OTDR lokalizacji uszkodzeń w sieci światłowodowej pomiaru tłumienności jednostkowej linii światłowodowej pomiaru tłumienności całościowej linii światłowodowej określania tłumienności połączeń 15

16 12. Kable i osprzęt światłowodowy Razem - 22 godziny (wykład - 6 godzin, laboratorium - 16 godzin) Cel zajęć jest zaznajomienie uczestników z obecnie obowiązującymi standardami kabli oraz osprzętu światłowodowego. Parametry osprzętu światłowodowego Rodzaje kabli światłowodowych System oznaczania kabli światłowodowych Patchcordy światłowodowe Złączki światłowodowe Wtyki światłowodowe MontaŜ kabli optotelekomunikacyjnych Łączenie włókien światłowodowych Łączenie kabli Sprzęgacze kierunkowe Przełączniki kierunkowe Multipleksery i demultipleksery falowe Osprzęt światłowodowy Treść laboratorium: W ramach zajęć uczestnicy uczą się: obsługi spawarki światłowodowej wykonywania poprawnego spawu włókien światłowodowych wykonywania złączy rozłączalnych zapoznanie z osprzętem światłowodowym takim jak: szelfy, karty WDM, optyczny switche. 16

17 13. Nietelekomunikacyjne wykorzystanie światłowodów Wykład - 8 godzin Celem wykładów jest przedstawienie zastosowań nietelekomunikacyjnych światłowodów. Głównym obszarem zastosowań światłowodów są tutaj czujniki optoelektroniczne, zarówno dyskretne jak i rozłoŝone. W ramach wykładu przedstawione zostaną następujące zagadnienia: Wprowadzenie: schemat blokowy czujników, funkcja przenoszenia i podstawowe parametry. Klasyfikacja czujników. Czujniki z modulacją natęŝenia promieniowania - wykorzystywane zjawiska fizyczne. Sensory wykorzystujące pomiar promieniowania termicznego. Przykładowe konstrukcje czujników natęŝeniowych. Czujniki z modulacja fazy. Metody modulacji fazy w światłowodach monomodowych. Metody detekcji zmian fazy. Funkcja przenoszenia interferometru Mach-Zehndera i Michelsona. Zastosowanie interferometrów: pomiar temperatury i napręŝeń, Ŝyroskopy światłowodowe. Interferometry światła białego metody detekcji i przetwarzania sygnału wyjściowego. Sensory optyczne z modulacją polaryzacji. Sensory z elektrycznie sterowana dwójłomnością. Sensory wykorzystujące aktywność optyczną. Przykładowe konstrukcje sensorów polaryzacyjnych. Światłowodowe siatki Bragga i ich klasyfikacja. Wykorzystanie siatek Bragga jako czujników wybranych wielkości fizycznych. Sieci sensorowe, metody ich multipleksowania. 17

18 14. Trendy rozwojowe techniki światłowodowej Wykład - 6 godzin Celem wykładu jest przedstawienie trendów rozwojowych techniki światłowodowej, w szczególności telekomunikacji światłowodowej. Wykorzystanie nowych materiałów i technologii w sieciach światłowodowych Rozwój globalnych sieci i przepływów informacji Problemy bezpieczeństwa (odporność sieci światłowodowych na akty agresji) Kwantowe kodowanie, kryptografia kwantowa Zastosowanie elementów i techniki światłowodowej w nowych obszarach zastosowań 18

19 15. Projektowanie transmisyjnych sieci światłowodowych Projekt - 22 godziny Celem zajęć jest nauczenie uczestników sttudiów podstaw projektowania i paszportyzacji światłowodowych sieci telekomunikacyjnych. Treść zajęć projektowych: Telefoniczne łącza cyfrowe typu punkt-punkt Kodowanie sygnału w światłowodowych sieciach telekomunikacyjnych Światłowodowe analogowe sieci transmisji sygnału Bilans mocy światłowodowego systemu transmisyjnego Potencjał zasięgowy systemów światłowodowych Bilans rozszerzenia impulsu w światłowodowym systemie transmisyjnym Projektowanie systemów z zwielokrotnianiem długości fali Paszportyzacja optyczna Paszportyzacja trasowa 19