OPTOTELEKOMUNIKACJA. dr inż. Piotr Stępczak 1

OPTOTELEKOMUNIKACJA dr inż. Piotr Stępczak 1

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

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

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

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

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

Dyspersja chromatyczna D ps nm km +40 D m +20 1270 ~17 D C =D m +D f 0 1550 D f -20 1310-40 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 λ [nm] dr inż. Piotr Stępczak 7

Dyspersja chromatyczna D ps nm km +40 +20 0 13 310 15 550 DFF -20-40 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 λ [nm] depressed cladding dr inż. Piotr Stępczak 8

Wpływ dyspersji na pasmo T 2T τ T 2 t τ 1 2BR t dla gaussowskiego kształtu impulsu B 3dB 0 441 =, τ 3dB dr inż. Piotr Stępczak 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

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

Dyspersja polaryzacyjna dla włókna ps SF D PMD = 0.5 DSF 0.5 km τ p = D PMD L NZ-DSF D PMD = 0.2 0.1 ps km t dr inż. Piotr Stępczak 13

Dyspersja polaryzacyjna dla włókna ps SF D PMD = 0.5 DSF 0.5 km τ p = D PMD L NZ-DSF D PMD = 0.2 0.1 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

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

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

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

DL ps nm 800 600 400 200 Zasięg transmisji dla λ=1550nm ograniczony przez dyspersję chromatyczną SMF D c = 17 ps/(nm km) L < 5 10 2 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 16 000 1 000 60 941,2 58,8 3,5 3 555,5 222,2 13,3 C 100 200 300 odległość [km] dr inż. Piotr Stępczak 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

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

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 L1 0-20 1520 1580 D c toru -400 DCF 1400 1450 1500 1550 1600 1650 1700 λ [nm] dr inż. Piotr Stępczak 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

α, db/km Materiał 1972 Koncentracja domieszek: 6 5 4 I okno trans. 1978 Cu, Fe, Cr 10-9 jon OH - 10-6 3 2 1 Absorpcja nadfioletu OH - Rozproszenie Raylieigh a II okno trans. OH - III okno trans. 1982 Absorpcja podczerwieni 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 λ (µm) dr inż. Piotr Stępczak 25

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

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

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

Wytwarzanie włókien 1200 o C Si CL 4 + O 2 Si O 2 + 2 CL 2 G 2 CL 4 + O 2 G 2 O 2 + 2 CL 2 1900 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

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

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

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

Rozproszenie Rayleigha n = n 1 n 3 α R = 0,75 + 60 n 4 λ n 2 P wyj = P we 10 α L n 1 n 3 L dr inż. Piotr Stępczak 33

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

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

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 = 4,4 10 3 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

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 = 5,9 10 2 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

Tłumienność włókna α [db/km] α = α + α + α + α R A F N Original: 1260 1360 nm Extended: 1360 1460 nm Short: 1460 1530 nm Conventional 1530 1565 nm Long: 1565 1625 nm Ultra-long: 1625 1675 nm 100 10 3.50 1.0 Absorpcja OH - Origin nal Extende ed 1.37µm Sho ort Convention nal Lon ng Ultra-lon ng 0.35 0.2 1.23µm 0.1 I 0.95µm II Stratność falowodowa III 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 0.85 1.31 1.55 λ [µm] dr inż. Piotr Stępczak 38

Podstawowe parametry włókien dr inż. Piotr Stępczak 39

Kable światłowodowe dr inż. Piotr Stępczak 42

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