Hlbšie vedomosti o optických vláknach, optických komunikáciách a ich využití v predmete Optické komunikačné systémy v inžinierskom štúdiu.

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Hlbšie vedomosti o optických vláknach, optických komunikáciách a ich využití v predmete Optické komunikačné systémy v inžinierskom štúdiu."

θάνατος Αντωνοπούλου
7 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Hlbšie vedomosti o optických vláknach, optických komunikáciách a ich využití v predmete Optické komunikačné systémy v inžinierskom štúdiu. OPTOELEKTRONIKA Obsah: Prednáška OVS a OKS Optické komunikačné systémy Optické vláknové senzory december 10 1

2 Vývoj ľudskej komunikácie december 10 2

3 Dôležité medzníky vo vývoji komunikácií 1830 objav telegrafu (Morzeova abeceda) 1866 prvý úspešný trans-atlantický kábel B = 10bit/s 1876 objav telefónu (počiatok analógovej éry el. dvojlinka) B = 3MHz, 300 zvukových, resp 1 TV kanál 1975 najdokonalejší systém B = 274Mbit/s + relatívne lacné, pomerne rýchle - veľmi stratové, prenosová vzdialenosť L < 1km => nutná generácia signálu = drahé riešenie 1948 mikrovlnný systém f c = 4GHz 1970 dosiahol svoj fyzikálny limit B.L~100(Mb/s).km Lacnejší ako koaxiálny kábel s ohľadom na parameter B.L [(Mb/s).km] 1966 prvý optický vlnovod demonštrovaný pánom Ch. Kao (straty 1000dB/km) december 10 3

4 Dôležité medzníky vo vývoji komunikácií 1970 optické vlákno so stratou menšou ako 20dB/km GaAs laser (λ ~ 0,8 µm) generácia optických komunikačných systémov generácia optických komunikačných systémov generácia optických komunikačných systémov generácia optických komunikačných systémov generácia optických komunikačných systémov 6. generácia optických komunikačných systémov december 10 4

5 Dôležité medzníky vo vývoji OKS WDM december 10 5

6 Dôležité medzníky vo vývoji OKS Optický prenos informácií charakterizácia Vláknové OKS dnes predstavujú najvýkonnejšie prenosové systémy OKS využívajú na prenos informácie optické žiarenie v spektrálnej oblasti nm s frekvenciou v oblasti 100-viek THz Potenciálna prenosová rýchlosť až 10-tky Tbit/s Prenosová kapacita už dosahuje bit/s.km - Pbit/s.km december 10 6

7 Prečo využiť optické komunikačné siete Potreba rýchleho prenosu veľkého počtu dát (veľká šírka pásma) Potreba prenosu dát na veľké vzdialenosti bez zosilnenia (malý útlm) Nízke náklady na 1bit Úspora drahých kovov Malé rozmery, nízka hmotnosť Odolnosť voči elektromagnetickému rušeniu Vysoká bezpečnosť odolnosť voči odpočúvaniu Aktuálny problém: Súčasné hybridné komunikácie sa stávajú limitujúcim faktorom pre prenose dát Riešenie: Čiste optické spracovanie dát v optických sietiach (potreba nových čiste optických prvkov a subsystémov) december 10 7

8 Optický komunikačný systém (OKS) Základné parametre: preklenuteľný útlm šírka prenášaného pásma prenosová kapacita vstup dát elektrický signál Vysielač (E/O) TX prevod elektrického signálu na optický optické vlákno optický signál Prijímač (O/E) RX prevod optického signálu na elektrický výstup dát elektrický signál december 10 8

9 Bloková schéma vysielača OKS vstup dát optický výstup elektrické rozhranie (electrical interface) kódovanie dát modulátor zdroj optického žiarenia video Audio RS 232 RS 422 RS 485 atď amplitúdová modulácia (AM) frekvenčná modulácia (FM) digitálna modulácia LED laserová dióda (LD) rôzne vlnové dĺžky 660nm 780nm 850nm 1310nm 1550nm december 10 9

10 Bloková schéma prijímača OKS optický vstup detektor optického žiarenia / zosilňovač dekódovanie dát demodulátor elektrické rozhranie výstup dát PIN dióda lavínová fotodióda rôzne materiály kremík (Si) germánium (Ge) InGaAs amplitúdová modulácia (AM) frekvenčná modulácia (FM) digitálna modulácia video Audio RS 232 RS 422 RS 485 atď. december 10 10

11 1. Generácia OKS 850 nm LED Si LED PIN fotodiódy MM GI optické vlákno 2. Generácia OKS 1300 nm LED InGaAs PIN fotodiódy MM GI optické vlákno 3. Generácia OKS 1300 nm LAD InGaAs PIN alebo APD fotodiódy SM optické vlákno Generácie OKS 4. Generácia OKS 1550 nm LAD InGaAs PIN alebo APD fotodiódy SM optické vlákno 5. Generácia OKS Koherentné systémy Optické solitóny 6. Generácia OKS Optické zosilňovače WDM systémy (DWDM, CWDM) Čisté optické spracovanie december 10 11

12 Generácie OKS generácia I II III IV vlákno MM GRIN MM GRIN SM SM vlnová dĺžka 0,85 µm 1,3 µm 1,3 µm 1,55 µm zdroj GaAs/AlGaAs LD alebo LED InGaAsP/InP LD alebo LED InGaAsP/InP LD InGaAsP/InP LD detektor Si PIN alebo APD Ge (InGaAs) Ge alebo InGaAs Ge alebo InGaAs útlm vo vlákne 2 4 db/km ±0,6 db/km ±0,4 db/km ±0,2 db/km šírka pásma LED: 200(Mbit/s)km LD: 1 2(Gbit/s)km LD: ~2(Gbit/s)km LD: > 100 (Gbit/s)km MM: 5 10(Gbit/s)km SM: > 100 (Gbit/s)km december 10 12

13 Generácie OKS 1 gen. 2 a 3 gen. 4 a vyš gen. december 10 13

14 Generácie OKS 2 a 3 generácia 4 a vyššie generácie december 10 14

15 Generácie OKS Disperzia v jednomódovom vlákne SMF, NZ-DSF SMF december 10 15

16 Výhody OKS v porovnaní s klasickými spojmi extrémne veľká šírka preneseného pásma malý útlm vo vlákne malé rozmery a hmotnosť jednoduchšia inštalácia a flexibilita vysoká odolnosť voči rušeniu vysoká odolnosť voči odpočúvaniu možnosť galvanického oddelenia TX a RX úspora farebných kovov vyššia spoľahlivosť a životnosť jednoduchá možnosť inovácie (upgrade) nižšia cena na 1 km spoja Výhody vyšších generácií OKS nižšie straty vo vlákne nižšia disperzia väčší priemer monomódového optického vlákna december 10 16

17 Problémy pri zavádzaní OKS Potreba veľkých počiatočných investícií Náročné postupy pri spájaní optických vlákien a káblov Pomerne vysoká cena rozhraní (interface), TX a RX Preškolenie a prevýchova pracovníkov december 10 17

18 Princíp vysielača s LD a prijímača s fotodiódou laser šošovka optické vlákno Charakteristické parametre: výkon (v optickom vlákne): 1-10 mw Max: mw Šírka pásma: 1-10 GHz fotodióda optické vlákno + Charakteristické parametre: citlivosť ~1 A/W Šírka pásma: 1-20 GHz december 10 18

19 Príklad LED pre OKS december 10 19

20 Útlm A [db/km] maximálna dĺžka 10 L = log A P P T R Limitujúce faktory OKS Šírka prenášaného pásma násobok B L = konštanta L max = konštanta B P T dodaný výkon P R prijatý výkon L [km] B [Mbit/s] december 10 20

21 WDM-transmission optical fibre optický vysielač optický prijímač + Lepšie využitie prenosovej kapacity optického vlákna Vysielače na viacerých vlnových dĺžkach MUX DMX Prijímače viacerých vlnových dĺžok december 10 21

22 Perspektívy OKS Možnosti zvýšenia prenosovej kapacity OKS december 10 22

23 Perspektívy OKS Zvyšovanie prenosovej kapacity Rast prenosovej rýchlosti 40 a viac Gbit/s Zvyšovanie šírky využiteľného spektra pásma S, E a U Znižovanie odstupu medzi kanálmi pri DWDM GHz Zavádzanie FTTx Plne optické OKS V oblasti optických vlákien a káblov Vývoj vlákien All-Wave LEAF NZDSF (P a N-NZDSF) DCM (moduly pre aktívnu kompenzáciu disperzie) december 10 23

24 Perspektívy OKS Požiadavky na pasívne a aktívne prvky pre OKS Tlak na: zvyšovanie parametrov kvality spoľahlivosti integrácia prvkov a funkcií na čip (pri znižovaní ceny) integrované fotonické IO a funkčné bloky (subsystémy) december 10 24

25 Aktívne prvky pre OKS DBR Laser + zosilňovač + modulátor december 10 25

26 Aktívne prvky pre OKS MESFET + MSM monolitický optoelektronický prijímač december 10 26

27 Aktívne prvky pre OKS Optický prepínač december 10 27

28 Aktívne prvky pre OKS Regenerátor a vlnový konvertor - λ 1 λ 2 december 10 28

29 Aktívne prvky pre OKS Možnosti realizácie optického vlnového konvertora december 10 29

30 Architektúry a topológie OKS Dnešné systémy optický prenos point-to-point Perspektíva plne optické systémy OADM, OXC december 10 30

31 Architektúry a topológie OKS Typy OXC a) Prepinanie vlákien b) Prepínanie vlnovej dĺžky c) Prepínanie so zmenou vlnovej dĺžky december 10 31

32 Architektúry a topológie OKS Typy OADM december 10 32

33 Architektúry a topológie OKS Prototypy OADM Preladiteľný optický filter s povrchovou akustickou vlnou december 10 33

34 Architektúry a topológie OKS Prototypy OADM OXC (Alcatel, 2000) december 10 34

35 Architektúry a topológie OKS Návrh konfigurácie prototypu OXC (Fujitsu, 1999) december 10 35

36 Architektúry a topológie OKS Návrh konfigurácie prototypu OXC (Lucent) december 10 36

37 Architektúry a topológie OKS Štruktúra OKS v budúcnosti polygonálna - Mash Global Mesh 21 nodes 31 links X Reroute after failure december 10 37

38 Trendy ďalšieho rozvoja OKS Zvyšovanie prenosovej kapacity Rast prenosovej rýchlosti 40 a viac Gbit/s Zvyšovanie šírky využiteľného spektra pásma S, E a U Znižovanie odstupu medzi kanálmi pri DWDM GHz V oblasti optických vlákien a káblov Vývoj vlákien All-Wave LEAF NZDSF (P a N-NZDSF) DCM (moduly pre aktívnu kompenzáciu disperzie) december 10 38

39 Trendy ďalšieho rozvoja OKS V oblasti komponentov pre realizáciu moderných OKS: Lasery pracujuce bez chladenia MQW Superrýchle fotodetektory Preladiteľné lasery DWDM Optické prepínače (cross-connect), connect), smerovače (router) Vláknové zosilňovače pre nové vlnové pásma S,E a U V oblasti topológií a systémových riešení Postupné zavádzanie plneoptických komunikačných systémov december 10 39

40 Záver ako a kam ďalej? december 10 40

41 Perspektívy OKS december 10 41

42 Optické vláknové senzory december 10 42

43 Výhody OVS odolnosť proti elektromagnetickému rušeniu vysoká citlivosť rozmerová prispôsobivosť kompaktná konštrukcia dielektrická konštrukcia nevýbušné prevedenie veľká šírka pásma dobrá cena (pomer cena - parametre) december 10 43

44 Rozdelenie OVS Podľa konštrukcie: intrinzické (s moduláciou optického žiarenia v optickom vlákne) extrinzické (s moduláciou optického žiarenia mimo optického vlákna) december 10 44

45 Rozdelenie OVS december 10 45

46 Rozdelenie OVS Podľa princípu činnosti: amplitúdové OVS fázové OVS (interferenčné) polarizačné OVS december 10 46

47 Rozdelenie OVS Podľa použitia: fyzikálne OVS (tlak, teplota, poloha,...) chemické OVS (ph, plyny, spektrá,...) biomedicínske OVS (glukóza, tok krvi,...) december 10 47

48 Príklady realizácie OVS Extrinzický amplitúdový OVS pre meranie polohy 1 (fyzikálny) december 10 48

49 Príklady realizácie OVS Extrinzický amplitúdový OVS pre meranie polohy 1 (fyzikálny) Vplyv konštrukcie vláknového zväzku na vlastnosti OVS december 10 49

50 Príklady realizácie OVS Extrinzický amplitúdový OVS pre meranie polohy 2 (fyzikálny) december 10 50

51 Príklady realizácie OVS OVS tlaku (intrinzický, amplitúdový, fyzikálny) december 10 51

52 Príklady realizácie OVS OVS s Braggovou mriežkou na meranie tlaku (teploty) Intrinzický, fyzikálny, spektrálny december 10 52

53 Príklady realizácie OVS Optická koherentná tomografia - OCT Biomedicínsky senzor, extrinzický, fázový, interferenčný. december 10 53

54 Otázky? december 10 54

Σχετικά έγγραφα

Z O S I L Ň O V A Č FEARLESS SÉRIA D

Z O S I L Ň O V A Č FEARLESS SÉRIA D FEARLESS SÉRIA D FEARLESS SÉRIA D Fearless 5000 D Fearless 2200 D Fearless 4000 D Fearless 1000 D FEARLESS SÉRIA D Vlastnosti: do 2 ohmov Class-D, vysoko výkonný digitálny kanálový subwoofer, 5 kanálový