Postawy sprzętowe budowania sieci światłowodowych

Transkrypt

1 Postawy sprzętowe budowania sieci światłowodowych cz. 1. elementy pasywne Włókna światłowodowe Kable światłowodowe Złącza światłowodowe Rozgałęziacze (sprzęgacze) Prezentacja zawiera kopie folii omawianych na wykładzie. Niniejsze opracowanie chronione jest prawem autorskim. Wykorzystanie niekomercyjne dozwolone pod warunkiem podania źródła. Sergiusz Patela

2 Światłowód Tłumienie [db/km] 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, THz 0,5 db/km 25 THz 0,2 db/km Długość fali [nm] A L 10log10 = 10log10 = ( 0) P P L ( 0) P P A Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 2

3 Standardowe (ITU) pasma transmisji (ITU transmission bands) O-Band (1,260nm to 1,360nm), E-Band (1,360nm to 1,460nm), S-Band (1,460nm to 1,530nm), C-Band (1,530nm to 1,565nm), L-Band (1,565nm to 1,625nm) U-Band (1,625nm to 1,675). Pasmo nie zdefiniowane przez ITU, ale stosowane w sieciach światłowodowych - 850nm. Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 3

4 Odległość między węzłami Tłumienie włókna A Krotność rozdzielacza pasywnego N Moc nadajnika P t Czułość odbiornika P r Odległość maksymalna D max 10 Dmax = log10 A Pt NP r z def. tłumienia światłowodu: A P we = 10log 10 P wy L P = P, P = we t wy NP r Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 4

5 Charakteryzacja światłowodów włóknistych ~50 µm Światłowód wielomodowy. Średnica rdzenia 50 µm, 62,5 µm lub 1mm 125 µm Światłowód jednomodowy, V < 2,4 V = k a n co n cl ~10 µm m = 1 V 2 2 Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 5

6 Dyspersja włókna Poszerzanie impulsu Międzymodowa 100 do 800 MHz/km praca w pierwszym lub drugim oknie transm. świat. chromatyczna materiałowa własna (światłowodowa, wynik fluktuacji n, λ, a 0 do 20 ps/km.nm praca w drugim lub trzecim oknie transm. świat. Polaryzacyjna 0,1 ps/km ½ Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 6

7 Kable światłowodowe - podstawowa klasyfikacja wg. konstrukcji ścisła tuba luźna tuba Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 7

8 Podstawowe typy kabli Kable zewnętrzne kanałowe wzmacniane przeciwgryzoniowe samonośne, ósemkowe ziemne podwodne konstrukkcyjnie: luźna tuba lub rozetowe Kable wewnątrzobiektowe wzmacniane i niewzmacniane przeciwgryzoniowe Kable stacyjne jednowłóknowe dwuwłóknowe wielowłóknowe rozdzielcze (dzielone) Kable samonośne dla linii energetycznych i telekomunikacyjnych Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 8

9 Podstawowe parametry użytkowe kabla Zewnętrzna powłoka kabli - parametry materiału, niepalność, emisją związków trujących, odporność na: ścieranie, promieniowanie UV, korozję naprężeniową nadruk: oznakowanie, metraż (można specyfikować w zamówieniu) promień zginania (jednokrotnego, wielokrotnego) Dopuszczalna siła rozciągania podczas instalacji Zakres temperatur: instalacji, transportu i przechowywania, pracy Identyfikacja tub i światłowodów (np.. tuba licznikowa czerwona, kierunkowa niebieska, następne białe) Barwy światłowodów w tubie Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 9

10 Przykład. Kabel ZW NOTKSd zewnętrzno -wewnętrzny (ZW - kabel uniwersalny, N z powłoką zewnętrzną bezhalogenową, OTK optotelekomunikacyjny, S z tuba ścisłą, d całkowicie dielektryczny) a - włókno optyczne b tuba ścisła bezbarwna c element wytrzymałościowy d włókna aramidowe e suche uszczelnienie ośrodka f powłoka zewnętrzna g nitka rozrywająca powłokę Kabel przeznaczony do : - wykonywania połączeń pomiędzy urządzeniami optoelektronicznymi w pomieszczeniach zamkniętych i na zewnątrz budynków. - zaciągania do kanalizacji kablowej i wewnątrzobiektowej. Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 10

11 Przykład. Kabel Z-XOTKtsdD tubowy, kanałowy, podwieszany Z - kabel zewnętrzny, X - z powłoką polietylenową, OTK optotelekomunikacyjny, ts tubowy (tuba luźna) z suchym uszczelnieniem ośrodka, d całkowicie dielektryczny, D ze wzmocnieniem z włókien aramidowych na ośrodku kabla) a centralny element wytrzymałościowy w powłoce z polietylenu lub bez powłoki, b luźna tuba ze światłowodami wypełniona żelem hydrofobowym, c włókno optyczne, d wkładka polietylenowa, e ośrodek kabla : tuby skręcone wokół centralnego elementu, f suche uszczelnienie ośrodka, g wzmocnienie : włókna aramidowe, h 2 nitki do rozrywania powłoki, i powłoka polietylenowa, czarna Kabel przeznaczony do : -układania w kanalizacji kablowej pierwotnej i wtórnej. - podwieszania na słupach linii telefonicznych, linii energetycznych niskich i średnich napięć, trakcji kolejowej. Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 11

12 FOCIS (Fiber Optic Connector Intermateability Standard) Publikowane jako standard TIA-604-XX FOCIS 1: Biconic FOCIS 2: ST FOCIS 3: SC FOCIS 4: FC FOCIS 5: MTP/MPO FOCIS 6: Panduit FJ FOCIS 7: 3M Volition FOCIS 8: Mini-MAC (Wycofany) FOCIS 9: Mini MPO (Wycofany) FOCIS 10: Lucent LC FOCIS 11: Siecor SCDC/SCQC (jeszcze nie zatwierdzony) FOCIS 12: Siecor/Amp MT-RJ FOCIS 15: MF FOCIS 16: LSH (LX-5) Złączka MU nie poosiada na razie standardu FOCIS. Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 12

13 Wybrane złączki światłowodowe - światłowody szklane SMA 905 DIN SMA 906 D-4 ST FC, FC/PC Biconic SC HMS-10/HP Diamond FDDI Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 13

14 Nowe technologie i konstrukcje złączek światłowodowych Nowe technologie i rozwiązania konstrukcyjne złączek pojawiają się jako wynik zapotrzebowania na połączenia o większej gęstości upakowania (mniejszy wymiar poprzeczny) i niższej cenie. Zwraca się również uwagę na zwiększenie szybkości wytwarzania złączek. Pożądana jest również zgodność z istniejącymi technologiami światłowodowymi i sieciowymi. Wyraźnie można zauważyć tendencję do opierania się na standardzie złącza RJ-45 (Prezentowane rozwiązania określane są jako Small Form Factor (SFF) Connectors) Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 14

15 Small Form Factor (SFF) connectors Porównanie wielkości złączki FC i LC (SFF) Różne złączki SFF, od lewej do prawej: SC-DC, LC, MT-RJ, Duplex SC, Volition, Opti-Jack Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 15

16 Złącza E-2000, E-2000 PS i E-3000 Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 16

17 Technologie złączek 1. Złączki klejone przy pomocy żywić epoksydowych, utwardzane na gorąco 2. Złączki klejone technologią HotMelt (3M) 3. Złączki wstępnie zarabiane - bez kleju, bez polerowania (UniCam, LithtCrimp+ -AMP) 4. Złączki zaciskane - technika bez kleju (LightCrimp - AMP) Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 17

18 Straty w elementach toru światłowodowego straty absorpcyjne - pochłanianie w obszarze materiału lub struktury straty odbiciowe - wywołane odbiciami na powierzchniach granicznych światłowodów i struktur Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 18

19 Straty absorpcyjne Straty całkowite w elementach toru światłowodowego: A [ db] = 10log P P WY WE Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 19

20 Straty odbiciowe Współczynnik odbicia na granicy dielektryków o współczynnikach załamania n 1 i n 2 2 ( n1 n2 ) R = ( n + n ) 2 1 Tłumienność odbiciowa db (optical return loss) - określa jaka część sygnału wraca w kierunku źródła: 2 ( ) n = = 1 n ORL [ db] 10log( R) 10log 2 2 n1 + n2 Tłumienność wywołana odbiciami w db - określa jaka część sygnału pozostaje w linii po odbiciu (np.. tłumienność złączki): A = 10log 1 2 ( ) 2 ( n ) 1 n2 2 ( n + ) 1 n2 Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 20

21 Współczynniki odbicia na granicy różnych materiałów R = 2 ( n1 n2 ) ( n + n ) szkło n=1,5 R=4% lub -14dB GaAs n=3,2 R=27% lub -6 db Si n=4 R=36% lub -4 db tłumienność odbiciowa dla złączki PC -50 db tłumienność odbiciowa dla złączki AC -80 db Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 21

22 Wymagania dla złączek rozłączalnych (1) Wymagania transmisyjne Tłumienność złączek średnia 0,15 db (max 0,3 db) Reflektancja większa od 50 db Trwałość parametrów Złączki powinny umożliwiać dokonanie co najmniej 1000 przełączeń przy czym wzrost ich tłumienności nie powinien przekraczać 0,2 db. Na podstawie ZN-96/TP S.A. 006 i ZN-96/TP S.A. 007 Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 22

23 Wymagania dla złączek rozłączalnych (2) Wymagania geometryczne i mechaniczne Niecentryczność nie większa niż 0,5 µm Ustawienie światłowodów Siła łącząca O<0, N Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 23

24 Spawanie światłowodów (Złącza spajane) Tłumienność połączeń światłowodów 0,08 db Reflektancja złączy nie mniejsza niż 60dB (dla 1310nm i 1550nm) Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 24

25 Wpływ nieliniowości optycznych włókna na działanie sieci światłowodowych Nieliniowości optyczne włókna mogą być źródłem: zwiększonego tłumienia sygnału w kanale zniekształceń przesłuchów W sieciach WDM nieliniowości nakładają ograniczenia na: odległości międzykanałowe (λ) moc świata prowadzoną w kanale szybkość transmisji Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 25

26 Nieliniowe zjawiska optyczne we włóknach światłowodowych (1) Nieliniowe zmiany współczynnika załamania wywołujące modulację fazy: współczynnik załamania szkła światłowodu zależy od natężenia światła; Φ NL = n 2k0L E 2 SPM: automodulacja fazy (self phase modulation) - wywołane przez zmiany mocy w impulsie. XPM - modulacja między kanałowa (cross-phase modulation) - modulacja fazy wywołana zmianą natężenia światła w sąsiednim kanale Mieszanie czterech fal (FWM): Kanały o częstotliwościach f1 i f2 mogą być źrółem sygnałów 2f 1 -f 2 i 2f 2 -f 1 ; sygnały te mogą interferować z falami w innych kanałach. Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 26

27 Nieliniowe zjawiska optyczne we włóknach światłowodowych (2) Wymuszone rozpraszanie Ramana (SRS): W wyniku oddziaływania światła z cząsteczką pojawia się fala rozproszona o częstotliwości zmienionej o częstotliwość jej drgań własnych; Wymuszone rozpraszanie Brillouina (SBS): Rozpraszanie na falach akustycznych; Podsumowanie: Współczesna technologia umożliwia pracę WDM dla 100 kanałów odległych o 10 GHz, po 0,1 mw/kanał przy λ=1550 nm. Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 27

28 Projektowanie sieci i ograniczenia sprzętowe Liczba kanałów Moc w kanale Przesłuchy i dyspersja Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 28

29 Przesłuchy i dyspersja Przesłuchy: wewnątrzpasmowe (intraband) międzypasmowe (interband) Dyspersja: ogranicza pasmo i odległości transmisji, Dyspersja może być kompensowana przy pomocy: włókien o specjalnie kształtowanej dyspersji (o znaku przeciwnym niż typowa) światłowodowych siatek dyfrakcyjnych o zmiennej stałej formowania charakterystyki lasera (chirp) Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 31

30 Sprzęgacze Urządzenia rozdzielające lub zbierające sygnał w sieciach światłowodowych dzielnik (spliter) łącznik (combiner) sprzęgacz (coupler) Parametry: stosunek podziału tumienność odbiciowa straty własne Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 32

31 Technologia i budowa sprzęgaczy i rozgałęziaczy światłowodowych 1. Sprzęgacze polerowane i klejone 2. Sprzęgacze (stożkowe) rozciągane i stapiane (tapered/ fused) 3. Sprzęgacze wykonane technologią optoelektroniki zintegrowanej Etapy wytwarzania sprzęgacza polerowanego i klejonego Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 33

32 Filtry optyczne (stałe) Parametry filtrów szerokość połówkowa linii ( f) dostępny zakres widmowy (FSR) finezja = FSR/ f Rodzaje filtrów stałych Siatkowy (siatka dyfrakcyjna) Światłowodowy filtr Bragga Cienkowarstwowe filtry interferencyjne Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 34