OPTOTELEKOMUNIKACJA. dr inż. Piotr Stępczak 1

Transkrypt

1 OPTOTELEKOMUNIKACJA dr inż. Piotr Stępczak 1

2 Falowa natura światła E H z z ( ) ± jmθ j( ωt βz ) r e e k = E o n 1 z LP 01 = H z ( ) ± jmθ j( ωt βz ) r e e LP 11 k o V = 2πa λ 2π ω = = o λ c λ 0 lim ω ω o β = ω NA = a NA c k o n2 lim β = ω β k 0 n 2 k o n 1 2,405 3,83 LP 21 LP02 V dr inż. Piotr Stępczak 2

3 Stała fazowa modu βλ λ 1 > λ 2 > Dyspersję λ falowodową 0 3 n = wyraża zależność ef 2π ~n 1 LP od częstotliwości efektywnego współczynnika 01 λ 1 załamania oddziałującego z danym modem, λ 2 λ 3 ~n 2 n ef LP 11 spowodowaną zmianami podziału mocy tego modu między rdzeń i płaszcz 2,405 4 LP 21 LP02 V w o a,5 = 2a (0,65 + 1,619 V + 2,879 V 1 6 ) częstotliwość znormalizowana 2πa V = λ n 2 1 n 2 2 dr inż. Piotr Stępczak 3

4 Prędkość fazowa, grupowa Współczynnik załam mania 1,5 1,48 1,46 1,44 Dyspersję materiałową wyraża zależność od częstotliwości grupowego współczynnika załamania oddziałującego z danym modem N n ω v f = = β c n ν g ν f 0,5 1 1,5 2 λ [µm] Czas propagacji fali Czas propagacji obwiedni (informacji) τ τ f g = = L v f L v g ω c v g = = β N gdzie N n = n + ω = ω n n λ λ dr inż. Piotr Stępczak 4

5 Dyspersja chromatyczna 1,5 Współczynnik załam mania 1,48 1,46 1,44 N n kn 1 β LP 01 LP 11 β LP 21 LP02 0,5 1 1,5 2 λ [µm] λ wsp. dyspersji falowodowej - wsp. dyspersji materiałowej - D f D m = = τ f λ τ g λ kn 2 2ππ k = λ 0 2,405 4 ω częstotliwość znormalizowana 2πa ω a V = NA = λ c dr inż. Piotr Stępczak NA V 5

6 Dyspersja chromatyczna T A L T tłumienność dyspersyjna τ c t τ C = λ ( ) D D L + m f t ps nm km D m, D f są wyrażane w dr inż. Piotr Stępczak 6

7 Dyspersja chromatyczna D ps nm km +40 D m ~17 D C =D m +D f D f λ [nm] dr inż. Piotr Stępczak 7

8 Dyspersja chromatyczna D ps nm km DFF λ [nm] depressed cladding dr inż. Piotr Stępczak 8

9 Wpływ dyspersji na pasmo T 2T τ T 2 t τ 1 2BR t dla gaussowskiego kształtu impulsu B 3dB =, τ 3dB dr inż. Piotr Stępczak 10

10 Przykład włókno SMF τ C = λ L ( ) D + D = λ L D m f C L=100km, λ 0 =1310nm, D Ch =0,2 ps/(nm km) λ=0,1nm τ C = 2 ps Pasmo optyczne ograniczone dyspersją chromatyczną: B = 0,441/ τ = 220,5 GHz L=100km, λ 0 =1550nm, D Ch =17ps/(nm km) λ=0,1nm τ C = 170 ps Pasmo optyczne ograniczone dyspersją chromatyczną: B = 0,441/ τ = 2,6 GHz dr inż. Piotr Stępczak 11

11 Przykład włókno SMF a NZDSF τ C = λ L ( ) D + D = λ L D m f C L=100km, λ 0 =1550nm, D Ch =4,5 ps/(nm km) λ=0,1nm τ C = 45 ps Pasmo optyczne ograniczone dyspersją chromatyczną: B = 0,441/ τ = 9,8 GHz L=100km, λ 0 =1550nm, D Ch =17ps/(nm km) λ=0,1nm τ C = 170 ps Pasmo optyczne ograniczone dyspersją chromatyczną: B = 0,441/ τ = 2,6 GHz dr inż. Piotr Stępczak 12

12 Dyspersja polaryzacyjna dla włókna ps SF D PMD = 0.5 DSF 0.5 km τ p = D PMD L NZ-DSF D PMD = ps km t dr inż. Piotr Stępczak 13

13 Dyspersja polaryzacyjna dla włókna ps SF D PMD = 0.5 DSF 0.5 km τ p = D PMD L NZ-DSF D PMD = ps km L=100km, D PMD =0,5 ps/(km 1/2 ) τ p = 5 ps Pasmo optyczne ograniczone dyspersją polaryzacyjną: B = 0,441/ τ p = 88,2 GHz dr inż. Piotr Stępczak 14

14 Wpływ dyspersji na pasmo T 2T t t 0,441 B3dB = = τ 3dB τ 2 M 0,441 + τ 2 C + τ 2 p dr inż. Piotr Stępczak 15

15 Kompensacja dysp. chromatycznej Ze strony źródła optycznego: zmniejszenie szerokości linii widmowej zewnętrzna modulacja wiązki optycznej Wtrącenie w tor : światłowód kompensujący siatka Bragga o monotonicznie zmiennym okresie konwerter widma sygnału przesyłanego dr inż. Piotr Stępczak 16

16 Kompensacja dysp. chromatycznej τ = λ L D C C szerokość linii widmowej lasera: 0,1 nm -> 0,001nm (12GHz -> 120MHz) maksymalny zasięg ograniczony dysp. dla przepływności binarnej BR [Gbit/s] L max BR 10 < 2 5 D C dr inż. Piotr Stępczak 17

17 DL ps nm Zasięg transmisji dla λ=1550nm ograniczony przez dyspersję chromatyczną SMF D c = 17 ps/(nm km) L < BR D NZDSF D c = 4,5 ps/(nm km) Parametr 2,5 Gbps 10 Gbps 40 Gbps Maks.dyspersja [ps/nm] dla 1km Maks. zasięgtrans. dla SMF [km] Maks. zasięg trans. dla NZDSF [km] max ,2 58,8 3, ,5 222,2 13,3 C odległość [km] dr inż. Piotr Stępczak 18

18 Przykład Wyznacz 3dB pasmo optyczne w torze światłowodowym o długości 100km z włóknem SMF dla transmisji na λ=1550 nm i λ=1310 nm o szerokości widma sygnału zmodulowanego f=12ghz. Włókno SMF charakteryzuje się wsp. dyspersji: 0,2ps/(nm km) dla λ=1310 nm D C = 17 ps/(nm km) dla λ=1550 nm D PMD =0,5 ps/(km 1/2 ) 2 λ λ = f c Szerokość spektralna źródła: λ=0,0961nm dr inż. Piotr Stępczak 19

19 Przykład Wyznacz 3dB pasmo optyczne w torze światłowodowym o długości 100km z włóknem SMF dla transmisji na λ=1550 nm o szerokości widma sygnału zmodulowanego f=12ghz. Włókno SMF charakteryzuje się wsp. dyspersji: 0,2 ps/(nm km) D C = 17 ps/(nm km) D p = 0,5 ps/ km Szerokość spektralna źródła: Rozszerzenie impulsu: 2 = λ λ c f λ=0,0961nm λ=1310 nm λ=1550 nm τ C = D C λ L = 1,922ps 163,37ps τ p = D p L = 5ps τ 3dB = ( τ C + τ p ) = 5,356ps 163,45ps B 3dB = 0,441 / τ 3dB = 82,3GHz 2,7 GHz dr inż. Piotr Stępczak 20

20 Kompensacja włóknem DCF D 1 D 2 D1 L1 = D2L2 +20 L 1 L 2 D [ps nm -1 km -1 ] L 3 SMF dd1 dd = L2 dλ dλ 2 L D c toru -400 DCF λ [nm] dr inż. Piotr Stępczak 21

21 Przykład Tor światłowodowy o długości 100km z włóknem SMF o D C =17 ps/(nm km) dla λ=1550 nm Włókno DCF o D Ch = -400 ps/(nm km) D 1 D 2 L = 2 D1L D 2 1 [ ps] τ L 1 L 2 L [km] Długość włókna DCF: L 2 = 4,25km dr inż. Piotr Stępczak 22

22 α, db/km Materiał 1972 Koncentracja domieszek: I okno trans Cu, Fe, Cr 10-9 jon OH Absorpcja nadfioletu OH - Rozproszenie Raylieigh a II okno trans. OH - III okno trans Absorpcja podczerwieni 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 λ (µm) dr inż. Piotr Stępczak 25

23 Typy włókien planarne płaskie o 2 ścianach odbijających (lasery, optyka zintegrowana) cylindryczne okrągły rdzeń otoczony okrągłym płaszczem powleczony powłokami elastycznymi (telekomunikacja, sieci komputerowe, HiFi) eliptyczne rdzeń eliptyczny lub profilowany z okrągłym płaszczem (przenoszenie jednego kierunku polaryzacji, czujniki wielkości nieelektrycznych) dr inż. Piotr Stępczak 26

24 Rozmiary włókna - standardy powłoka pierwotna: 250 µm płaszcz: 125 µm 240 µm 400 µm 1000 µm rdzeń: 2-4 µm 8-10 µm 50 µm 62,5 µm 200 µm 390 µm 910 µm dr inż. Piotr Stępczak 27

25 Wytwarzanie włókien Etapy Formowanie preformy Wyciąganie włókna z preformy Ochrona i uelastycznianie dr inż. Piotr Stępczak 28

26 Wytwarzanie włókien 1200 o C Si CL 4 + O 2 Si O CL 2 G 2 CL 4 + O 2 G 2 O CL o C kolaps O 2 O 2 O 2 T φ preforma zawór pompa Mieszalnik Palnik H 2 O 2 SiCl 4 GCl 4 BCl 3 Dozownik Regulacja Metoda MCVD dr inż. Piotr Stępczak 29

27 Wytwarzanie włókien Argon Mechanizm podawania preforma Piec ~200 o C Pomiar laserowy Pokrycie pierwotne guma, żywica akrylowa Suszenie, polimeryzacja 1-60 km/godz dr inż. Piotr Stępczak 30

28 Klasyfikacja włókien charakterystyka modowa: jednomodowe, wielomodowe rozkład wsp. załamania w rdzeniu: skokowe, gradientowe materiał: szklane, plastikowe, półprzewodnikowe zastosowania: pasywne, aktywne, specjalne dr inż. Piotr Stępczak 31

29 Straty mocy optycznej we włóknie Mechanizmy strat Rozproszenie Rayleigha Absorpcja Mikro- i makroskopowe zagięcia Rozpraszanie nieliniowe dr inż. Piotr Stępczak 32

30 Rozproszenie Rayleigha n = n 1 n 3 α R = 0, n 4 λ n 2 P wyj = P we 10 α L n 1 n 3 L dr inż. Piotr Stępczak 33

31 Absorpcja Zamiana energii fotonów w inne formy energii drgania sieci atomowej w ultrafiolecie i podczerwieni zanieczyszczenia szkła kwarcowego Fe, Cu, Cr OH - (0,001ppm) (1ppm) (największy wpływ) dr inż. Piotr Stępczak 34

32 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 35

33 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 moc progowa P B = 4, d (w praktyce P B =2,4 [mw]) 2 2 λ α db v [ W ] d średnica rdzenia λ długość fali α db tłumienność włókna ν szerokość widma wiązki dr inż. Piotr Stępczak 36

34 Rozproszenia nieliniowe Rozproszenie Ramana (SRS Stimulated Raman Scattering) oddziaływanie propagującej fali z drgającymi molekułami SiO 2 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 P R = 5, d 2 λ α (w praktyce P R =500/ ν [GHz W]) db [ W ] d średnica rdzenia λ długość fali α db tłumienność włókna ν szerokość widma wiązki dr inż. Piotr Stępczak 37

35 Tłumienność włókna α [db/km] α = α + α + α + α R A F N Original: nm Extended: nm Short: nm Conventional nm Long: nm Ultra-long: nm Absorpcja OH - Origin nal Extende ed 1.37µm Sho ort Convention nal Lon ng Ultra-lon ng µm 0.1 I 0.95µm II Stratność falowodowa III λ [µm] dr inż. Piotr Stępczak 38

36 Podstawowe parametry włókien dr inż. Piotr Stępczak 39

37 Podstawowe parametry włókien dr inż. Piotr Stępczak 40

38 Podstawowe parametry włókien dr inż. Piotr Stępczak 41

39 Kable światłowodowe dr inż. Piotr Stępczak 42

40 Kable światłowodowe Oznaczenie włókien w tubie Kod barwnych oznaczeń powłok kabli stacyjnych dr inż. Piotr Stępczak 43

41 Kable światłowodowe dr inż. Piotr Stępczak 44

42 Kable światłowodowe dr inż. Piotr Stępczak 45

43 Kable światłowodowe dr inż. Piotr Stępczak 46

44 Kable światłowodowe dr inż. Piotr Stępczak 47