Sieci optoelektroniczne

Sieci optoelektroniczne Wykład 4: Pasywne elementy sieci światłowodowych dr inż. Walery Susłow

Elementy budowy sieci światłowodowej Pasywne: włókno złącza światłowodowe rozgałęziacze sprzęgacze filtry akcesoria moduły naprawcze Aktywne: nadajniki odbiorniki wzmacniacze i konwertery optyczne rutery i przełączniki optyczne

Kable światłowodowe (Fiber( Optic Cable) Mogą mieć od 1 do 1000 włókien. Długość łącza kilkadziesiąt km dla włókna SM Odporność na zakłócenia EM i RF Możliwość instalacji z kablami energetycznymi Pasmo 600MHz*km (MM) dziesiątki THz*km (SM) Kolory są używane do identyfikacji pojedynczych włókien w kablu. Każda para posiada unikatowy kolor: 1-e stały kolor (jednolity), 2-gie w paski.

Nowe charakterystyki włókien (Mike Lynch, Telecommunications Industry Association)

Schemat transmisji danych linią światłowodową Transmisja światłowodowa polega na przekazaniu wiązki światła, którego źródłem może być laser lub dioda LED. Wiązka odbierana jest przez element światłoczuły (fotodiodę). Wiązka jest modulowana, co zapobiega mogącym pojawiać się zniekształceniom sygnału. Transmisja światła jest niewrażliwa na zakłócające pola elektromagnetyczne, co jest szczególnie istotne w środowisku przemysłowym.

Typowy system komunikacji optycznej Optical Transmitter Optical Fiber Optical Receiver Information Information Multiplexer Optical Receiver Optical Repeater Optical Transmitter Multiplexer Przykładem konwencjonalnego systemu komunikacji światłowodowej może być MillenniumM Fibre Optic Systems (MFOS). System ma wszystkie niezbędne elementy sieci: krosownice, złącza, adaptery, kable krosujące, pigtajle, kable z włóknami wielo- i jednomodowymi, które zapewniają transmisję wielogigabitową przy użyciu standardowych złącz typu ST, SC i SFF.

Straty w elementach toru światłowodowego Straty całkowite: A[dB]=10*log(P WY /P WE ). Wyróżnia się straty absorpcyjne - pochłanianie w obszarze materiału lub struktury, i straty odbiciowe wywołane odbiciami na powierzchniach granicznych światłowodów i struktur. Tłumienność odbiciowa (optical return loss) - określa jaka część sygnału wraca w kierunku źródła: ORL[dB] =log(r), gdzie R=(n 1 - n 2 ) 2 /(n 1 +n 2 ) 2 - wsp. odbicia na granicy dielektryków. Tłumienność wywołana odbiciami określa jaka część sygnału pozostaje w linii po odbiciu (np.. tłumienność złączki): A[db]=10*log(1- R).

Optical fiber performance

Polskie Normy dotyczące połączeń optycznych Normy dotyczące połączeń optycznych zawarte są w zestawie norm zakładowych Telekomunikacji Polskiej SA Telekomunikacyjne Linie Kablowe Dalekosiężne : ZN-96/TP S.A.-002, ZN-96/TP S.A.-004, ZN-96/TP S.A.-005, ZN-96/TP S.A. -007, ZN-96/TP S.A.-008, ZN-95/TP S.A.-009. Złącza! ZN-96/TP S.A.-006 006, W zestawie przedstawione są normy dotyczące światłowodów i wszelkich związanych z nimi aspektów, a więc złączek, kabli, przełącznic, osłon.

Podział złącz światłowodowych Złącze stałe powstaje przez zespawanie lub sklejenie końcówek światłowodu; jest to złącze, które na trwale łączy ze sobą dwa włókna światłowodowe. Złącze rozłączalne powstaje przez zbliżenie końcówek światłowodu i odpowiednie ich pozycjonowanie za pomocą układu mechanicznego (obudowy). Ze względu na doskonałe parametry złącz spawanych (niska tłumienność wtrąceniowa), to one stanowią podstawowy rodzaj złącza w traktach telekomunikacyjnych. Złącza rozłączalne mimo swoich gorszych parametrów optycznych również są stosowane.

Złącze nierozłączalne spawane

Złącze spajane światłowodów jednomodowych ZSJ ZSJ powinno umożliwiać stałe połączenie światłowodów z sąsiednich odcinków instalacyjnych kabli światłowodowych wchodzących w skład linii optotelekomunikacyjnej, z zachowaniem jak najlepszej jednorodności linii, trwałości połączeń i niezmienności ich parametrów w długim okresie czasu (około 30 lat). Tłumienność średnia przypadająca na jedną spoinę nie może przekraczać wartości 0,08dB. Reflektancja złączy nie mniejsza niż 60dB (dla 1310nm i 1550nm).

Złącze nierozłączalne klejone

Złącza rozłączalne z pozycjonowaniem stożkowym, tulejowym i soczewkowym

Straty mocy spowodowane łączeniem światłowodów Błędy przy łączeniu światłowodów: a) przesunięcie poprzeczne; b) ustawienie kątowe osi; c) przerwa między czołami; d) nierówności powierzchni włókien

Wymagania dla złączek rozłączalnych Wymagania geometryczne i mechaniczne: Niecentryczność nie większa niż 0,5 µm Ustawienie światłowodów O<0,5 Siła łącząca 7-12 N 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.

Wymagania dla złączek rozłączalnych, cd. Wymagania klimatyczne: złączki powinny być odporne na zmiany temperatury w zakresie od -40 do +70 C w ten sposób, że w trakcie badań złącza nie mogą zwiększyć tłumienności wnoszonej o więcej, niż 0,2 db w stosunku do wartości zmierzonej przed próbą temperaturową. Odporność na wibracje: zmiany tłumienności złączek w trakcie testu wibracyjnego < 0,1 db przy następujących parametrach testu: częstotliwość 10-55 Hz; amplituda drgań 1,5 mm (wartość międzyszczytowa); czas trwania po 2 godz. w trzech prostopadłych płaszczyznach.

Wymagania dla złączek rozłączalnych, cd. Odporność na wyrwanie kabla ze złączek: zmiana tłumienności złączek w trakcie testu na wyrwanie < 0,2dB przy następujących parametrach testu: siła naprężenia kabla 50N; czas działania siły 1min. Odporność na skręcenie kabla w złączce: zmiana tłumienności złączek w trakcie testu na skręcenie < 0,2dB przy następujących parametrach testu: 10 cykli skręcenia ±180 ; siła skręcająca 15N w odległości 1m od zamocowanej złączki.

Wymagania dla złączek rozłączalnych, cd. Odporność na uderzenia o twarde podłoże: zmiana tłumienności złączek w trakcie testu na uderzenie < 0,2dB przy 10 upadkach z wysokości m. Odporność na zginanie: zmiana tłumienności złączek w trakcie testu na zginanie < 0,2dB przy następujących parametrach testu: 300 cykli zginania do ± 90 ; siła obciążenia kabla 5 N. Odporność na wielokrotne łączenia/rozłączenia: tłumienność wnoszona przez złączki po wykonaniu 1000 cykli połączenie / rozłączenie nie powinna wzrosnąć o więcej niż 0,2dB, a powtarzalność tłumienności w czasie próby wielokrotnego łączenia / rozłączenia nie powinna być gorsza niż 0,2dB.

Technologie złączek Złączki klejone przy pomocy żywić epoksydowych, utwardzane na gorąco. Złączki klejone technologią HotMelt (3M). Złączki wstępnie zarabiane - bez kleju, bez polerowania (UniCam, LithtCrimp+ - AMP). Złączki zaciskane - technika bez kleju (LightCrimp - AMP).

Złączki klejone Proces klejenia opiera się na: kleju epoksydowym wprowadzanym za pomocą specjalnej igły i strzykawki lub na kleju termoutwardzalnym, który jest już fabrycznie wprowadzony do ferruli.

Connector Ferrule Shapes & Polishes While air gap connectors usually had losses of 0.5 db or more and return loss of 20 db, physical contact (PC) connectors had typical losses of 0.3 db and a return loss of 30 to 40 db. The convex ferrule guaranteed the fiber cores were in contact. Losses were under 0.3dB and return loss 40 db or better.

Termination Procedures Epoxy/Polish: Most connectors are the simple "epoxy/polish" type where the fiber is glued into the connector with epoxy and the end polished with special polishing film. These provide the most reliable connection, lowest losses (less than 0.5 db) and lowest costs, especially if you are doing a lot of connectors. "Hot Melt": This is a 3M trade name for a connector that already has the epoxy (actually a heat set glue) inside the connector. You strip the cable, insert it in the connector, crimp it, and put it in a special oven. In a few minutes, the glue is melted, so you remove the connector, let it cool and it is ready to polish.

Termination Procedures, cd. Crimp/Polish: Rather than glue the fiber in the connector, these connectors use a crimp on the fiber to hold it in. Expect to trade higher losses for the faster termination speed. Prepolished/splice: Some manufacturers offer connectors that have a short stub fiber already epoxied into the ferrule and polished perfectly, so you just cleave a fiber and insert it like a splice. First it is very costly, five to ten times as much as an epoxy polish type. Second, you have to make a good cleave to make them low loss, and that is not as easy as you might think. Third, even if you do everything correctly, you loss will be higher, because you have a connector loss plus two splice losses at every connection!

Złączki zaciskane i wstępnie zarabiane LightCrimp Plus is an epoxyless connector system where a prepolished fibre stub is fitted in the ceramic ferrule. To terminate a fibre requires fibre preparation, and fibre cleave; the fibre is then fitted to the connector and crimped, the termination process taking less than a minute. Pre-Polished, Singlemode LIGHTCRIMP PLUS Field Installable Connector Eliminates Need for Manual Polishing

Fiber Optic Connector Intermateability Standards Intermateability standards define the minimum physical attributes of mating connector components. The requirements of FOCIS have been selected with the objectives of ensuring that any combination of plugs and adapters conforming to the requirements of FOCIS will mechanically intermate and that intermated connector assemblies will meet their common level of performance. The common level of performance of an intermated connector assembly is the least demanding set of performance requirements in the separate performance specifications of each of the products in the assembly. TIA-604-XX standards are created by TIA FO-4.3 Subcommittee on Fiber Optic Interconnecting Devices.

9.2004 istniały następne dokumenty FOCIS: 1.Biconic 2.ST 3.SC 4.FC 5.MTP/MPO 6.Panduit FJ 7.3M Volition 8.Mini-MAC (wycofany) Standardy TIA-604 604-XX 9. Mini MPO (wycofany) 10. Lucent LC 11. Siecor SCDC/SCQC (jeszcze nie zatwierdzony) 12. Siecor/Amp MT-RJ 13. MF 14. LSH (LX-5) Złączka MU nie posiada standardu FOCIS.

Wybrane złączki światłowodowe

Wybrane złączki światłowodowe, cd. SMA Biconic ST SC Dual Fixed-Shroud (FDDI)

Nowe technologie i konstrukcje złączek światłowodowych Pojawiają się jako wynik zapotrzebowania na połączenia o większej gęstości upakowania (mniejszy wymiar poprzeczny) i niższej cenie. Zwraca się uwagę na szybkość wytwarzania złączek. Pożądana jest zgodność z istniejącymi technologiami światłowodowymi i sieciowymi. Wyraźnie można zauważyć tendencję do opierania się na standardzie złącza RJ-45

Small Form Factor (SFF) connectors Porównanie złączek grupy SFF A - SC-DC D - Duplex SC B LC E - Volition C - MT-RJ F - Fiber-Jack

Następna generacja złączek światłowodowych OPTI-JACK Fiber Optic Connector OPTI-JACK jest bardzo podobna do RJ45. Ona łączy dwa włókna odległe tylko o ¼ cala, jest to połowa odległości pomiędzy włóknami złączki duplex SC.

Sprzęgacze (rozgałęziacze) Sprzęgacze - urządzenia rozdzielające lub zbierające sygnał optyczny w sieciach światłowodowych: dzielnik (splitter), łącznik (combiner), sprzęgacz (coupler). Parametry techniczne: stosunek podziału, tłumienność odbiciowa, straty własne.

Technologia i budowa sprzęgaczy i rozgałęziaczy światłowodowych Sprzęgacze polerowane i klejone Sprzęgacze (stożkowe) rozciągane i stapiane (tapered / fused) Sprzęgacze wykonane technologią optoelektroniki zintegrowanej

Technologia i budowa sprzęgaczy i rozgałęziaczy światłowodowych, cd.

Fiber Optic Coupler Single Mode and Multimode available, 100% passive, no power required. Industry standard and custom housings available. Variety of connectors available. Coupling ratios of 1% - 99% available. 1x2, 1x4 and N custom couplers configurations available. Low Insertion Loss, Environmentally Stable.

Filtry optyczne stałe (tłumiki) 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

Fiber Optic Splitter Splittery z podziałem mocy - pozwalają na podział mocy wejściowej sygnału optycznego pomiędzy wyjścia splittera w dowolnym stosunku. W standardowym wykonaniu splitter ma konfigurację 1x2 ale możliwa jest praktycznie każda konfiguracja (1x3, 1x4, itd). Najpopularniejsze wartości podziału mocy dla konfiguracji 1x2 to 50/50, 60/40, 70/30, 80/20, 90/10.

Osprzęt światłowodowy - akcesoria Kaseta światłowodowa umożliwia uporządkowane ułożenie 2x6 lub 2x12 włókien światłowodowych. Przepusty kablowe, osłony spawu i wtyku.

Światłowodowe łatki - moduł naprawczy FTOS FTOS ma postać elastycznej rury o długości 400mm i średnicy 25mm, kryje ona w sobie ceramiczne ferrule (podobne do stosowanych w złączkach ST), które łączą ze sobą zerwane włókna. Włókno optyczne mocowane jest do ferruli poprzez klejenie. Na krańcach rury znajdują się uchwyty, w których zaciska się włókna aramidowe kabla, przenoszące obciążenia mechaniczne. FTOS zapewnia niemal całkowite odtworzenie parametrów mechanicznych kabla oraz pozwala nawijać kabel na bębnach. Odporność środowiskowa naprawionego kabla także nie jest gorsza niż kabla przed naprawą.

Moduł naprawczy FTOS (Francja)

Światłowodowe łatki - moduł naprawczy HEIS Obudowa HEIS jest sztywna, wymiary (21x146mm) są na tyle małe, że po zamontowaniu kabel może być nadal zwijany na bębnie. W HEIS ie metalowa ferrula jest zaciskana mechanicznie specjalną prasą ręczną. Sprężyna po przekroczeniu pewnego progu naciągnięcia zwalnia prasę zaciskającą czołową część ferruli wokół włókna optycznego. Konstrukcja prasy zapewnia powtarzalność parametrów zaciskania. Użycie metalowych ferrul sprawiło, że sam proces polerowania także nie jest tak krytyczną operacją technologiczną jak w przypadku ferrul ceramicznych.

Moduł naprawczy HEIS (Anglia) Prasa zaciskająca zintegrowana jest z precyzyjną, ręczną obcinarką nadmiaru włókna, co upraszcza szlifowanie czoła ferruli. Zestaw naprawczy HEIS dzięki metalowej konstrukcji zapewnia większą wytrzymałość mechaniczną przy zachowaniu wysokiej odporności na warunki środowiskowe i zachowaniu porównywalnych do FTOS parametrów optycznych.

Spawarki światłowodowe firmy FUJIKURA Spawarka FSM-50S do SM i MM włókien światłowodowych. Oprócz sekwencji spawania, urządzenie przeprowadza ocenę tłumienności spawu (9s) i wygrzewa osłonki spawów (35s). Średnia wartość tłumienia w przypadku włókien SMF 0,02dB. FSM-40PM - ten model spawarki zachowuje polaryzację włókien. Unikalną cechą urządzenie jest pasowanie włókien w czterech kierunkach (X,Y,Z oraz Teta).

Przykłady prac instalacyjnych (The Fiber Optic Association)

Do przeczytania Sergiusz Patela, Postawy sprzętowe budowania sieci światłowodowych, http://wtm.ite.pwr.wroc.pl/~spatela/) The Fiber Optic Association - Tech Topics, http://www.thefoa.org/tech/ Fiber Optic Tutorials, http://www.lanshack.com/, http://www.cirl.com/ Glosariusz optyki światłowodowej http://www.fiberc.com/glossary.asp Fiber Optic Termination http://www.jimhayes.com/vho/fiberterm/