nagib krive je: talasna dužina - λ (nm) Slika Hromatska disperzija u funkciji talasne dužine

Transcript

1 nagib krive je: 20 S 0 = 0,095 psec 2 ( nm) km 0 disperzija - D (nsec/nm/km) λ 0 =1335nm S 0 λ0 D = λ1 + 4 λ talasna dužina - λ (nm) Slika Hromatska disperzija u funkciji talasne dužine Nulta disperzija javlja se pri nultoj talasnoj dužini λ 0. Nagib krive u ovoj tački obeležava se sa S 0 (disperzivni nagib) i koristi se prilikom izračunavanja disperzije na određenoj talasnoj dužini. Hromatsku disperziju delimo na materijalnu i talasovodnu. Ona se javlja i u multimodnim i u monomodnim vlaknima prvenstveno zbog toga što optički izvori emituju svetlost na više različitih talasnih dužina, a različite talasne dužine putuju različitim brzinama kroz optičko vlakno. Materijalna disperzija nastaje zbog toga, što optički izvori imaju konačnu širinu spektra, a indeks prelamanja materijala zavisi od talasne dužine svetlosti. Talasovodna disperzija je svojstvena konstrukciji samoga vlakna, a predstavlja pojavu širenja impulsa usled promene efektivnog indeksa prelamanja u funkciji talasne dužine Polarizaciona disperzija javlja se usled toga što singlmodna vlakna prenose dva među sobom ortogonalna polarizaciona moda, po jedan za svaku ravan polarizacije. Kada bi vlakno bilo potpuno izotropno (kao što se ranije smatralo), oba polarizaciona moda bi se prostirala istom brzinom i samo vlakno bi se ponašalo kao pravo singlmodno vlakno. Međutim, realna monomodna vlakna nikada nemaju idealne karakteristike (zbog asimetričnosti jezgra, unutrašnjih pritisaka u staklu kao posledice izvlačenja vlakna, usled naprezanja, bočnih pritisaka, uvrtanja i krivljenja vlakna pri kabliranju), pa se u njima javlja anizotropan indeks prelamanja (različit indeks prelamanja duž različitih pravaca) i usled toga različite brzine polarizacionih modova. Svetlost koja se prostire kroz takvo vlakno se razdvaja na dve komponente i usled toga, polarizacioni modovi će se prostirati različitim brzinama kroz vlakno i tako stići u nejednakim vremenskim trenucima na izlaz. U poređenju sa hromatskom disperzijom, uticaj polarizacione disperzije na kvalitet prenosa je manje izražen (samo za brzine signalizacije veće od 10 Gbps), ali nedostatak odgovarajućih tehnika za kompenzaciju pojačava njen značaj. Za razliku od hromatske disperzije, PMD nije konstantna veličina specifična za vlakna, koja bi se mogla uzeti u obzir još u fazi planiranja izgradnje sistema. Ona umnogome zavisi od načina instaliranja kabla. Vrednost joj varira u zavisnosti od spoljašnjih faktora, kao što je mehaničko naprezanje, vibracije, pritisak, pa čak i temperatura

2 14.3. Nelinearni efekti Nelinearni efekti mogu postaviti značajna ograničenja u performansama optičkih sistema. Iako je staklo samo po sebi linearan materijal, optički prenos postavlja prag nelinearnih efekata na dva značajna načina. Prvo, geometrija vlakna snažno fokusira optičku snagu u središte monomodnih vlakana, što rezultira stvaranjem velike gustine snage koja doprinosi pojavi nelinearnih efekata. S druge strane, optički prenos podrazumeva slanje signala kroz kilometre vlakna, a nelinearni efekti su proporcionalni prevaljenom rastojanju. Nelinearni efekti u vlaknu primarno se manifestuju kao šum i izobličenja. Šum obuhvata i preslušavanje prenosnih kanala koje se javlja kao posledica generisanja lažnih signala dobijenih mešanjem četiri talasa (four-wave mixing) kao i izobličenjem samih signala. Linearne interakcije se nazivaju linearnim jer su direktno proporcionalne snazi upadnog električnog ili magnetnog polja. Nelinearne interakcije proporcionalne su višim stepenima amplitude svetlosnog talasa, tako da njihova snaga raste brže sa porastom optičke snage. Veličina nelinearnih efekata se ne povećava linearno sa rastojanjem, jer slabljenje vlakna smanjuje nivo optičke snage, efiktivno smanjujući domet optičke veze. Stoga uticaj nelinearnih efekata zapravo zavisi od veličine koju zovemo efektivna dužina, definisane sa L eff α L e = 1, (14.17) α gde je L ukupna dužina vlakna, a α slabljenje. Tako je efektivna dužina vlakna sa tipičnim slabljenjem od 0,22 db/km oko 20 km. Nekoliko nelinearnih efekata se može javiti u optičkim sistemima koji prenose nekoliko milivata ili više po kanalu. To su: simulisano Briljunovo (Brillouin) rasejanje koje se javlja kada svetlost generiše akustičke talase dužinom vlakna, stvarajući varijacije u indeksu prelamanja i rasipajući se nazad u smeru izvora, povećavajući na taj način slabljenje. stimulisano Ramanovo (Raman) rasejanje, koje predstavlja proces apsorpcije fotona od strane atoma sredine koji koristi deo te energije za pobuđivanje tzv. oscilatornog energetskog moda i oslobađanje ostatka energije u vidu drugog fotona veće talasne dužine. Stimulisano Ramanovo rasejanje pomera talasnu dužinu za karakteristični iznos koji zavisi od upotrebljenog materijala. mešanje četiri talasa, koje predstavlja nelinearni proces interakcije tri talasa i stvaranja četvrtog talasa na frekevenciji datoj sa f 4 = f 1 + f 2 f 3. (14.18) U staklu se mogu pojaviti i drugi procesi mešanja, ali mešanje četiri talasa proizvodi najveću snagu šuma na talasnim dužinama koje se koriste za multipleks po talasnim dužinama

3 14.4. Optički predajnici i prijemnici Predajnik u optičkim komunikacionim sistemima ima dvostruku ulogu. U sebi mora da sadrži svetlosni izvor koji će napajati optičko vlakno i modulator koji treba da moduliše tu svetlost tako da ona reprezentuje bimarni ili analogni ulazni signal. U digitalnim sistemima modulacija se najčešće vrši promenom intenziteta svetlosti koja se šalje na ulaz optičkog vlakna. Postoje dve vrste poluprovodničkih dioda koje zadovoljavaju ove zahteve i mogu se koristiti kao optički izvori u predajniku. To su LED (Light Emitting Diode) i laserske diode, koje se mogu modulisati na željenu brzinu, a pogodnim izborom poluprovodnika i načina proizvodnje može se dobiti dovoljno velika optička snaga signala kao i efikasna veza sa optičkim vlaknom. LED diode su jednostavnije građe i generišu nekoherentno svetlo manje snage. Laserske diode su mnogo složenijeg sastava i generišu koherentno svetlo veće snage. Laserske diode imaju prednost nad LED diodama jer je kod laserske diode: brzina modulacije mnogo veća optička snaga mnogo veća efikasnije se mogu povezati na optičko vlakno manja spektralna širina zračenja Malobrojne prednosti LED dioda nad laserskim diodama su: veća pouzdanost bolja linearnost niža cena. Obe vrste dioda generišu svetlosni snop dimenzija koje se mogu prihvatiti na ulazu u optičko vlakno. Svetlosni snop koji generiše laserska dioda je mnogo manje prostorne širine nego LED dioda. Zahvaljujući tome laserska dioda ima veću efikasnost prilikom pobuđivanja optičkog vlakna. Pored fokusiranosti snopa zračenja, osnovna razlika između svetlosti koju generiše LED i laserska dioda jeste opseg talasnih dužina u kojima se prenosi optička snaga. Laserske diode uvek imaju manju spektralnu širinu nego svetleće diode. Ovo je ilustrovano na slici normalizovana snaga izvora 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 laserska dioda σ λ za lasersku diodu σ λ za LED LED talasna dužina - λ (nm) Slika Spektralane širine laserske i LED diode 14-17

4 Sa druge strane, osnovne funkcije optičkih prijemnika jesu detektcija svetlosnih signala koji napuštaju svetlovod i njihovo pretvaranje u električne signale. Dominantna grupa detektora u optičkim sistemima sa svetlovodima jesu poluprovodnički detektori čiji se rad zasniva na generisanju slobodnih nosilaca naelektrisanja kao posledica apsorbcije fotona koji padaju na aktivnu površ detektora. Pri tome izbor poluprovodničkog materijala diktira opseg talasnih dužina u kome fotodetektor ima izražena apsorpciona svojstva svetlosti. Optičke detektore karakterišemo sa tri važna parametra, a to su odzivnost, spektralni odziv i vreme uspostavljanja. Odzivnost ρ, definišemo kao odnos izlazne struje detektora i pobudne optičke snage i ρ = [ A/ W ]. (14.19) P o Krivu koja opisuje odzivnost u funkciji talasne dužine nazivamo spektralni odziv detektora. Zbog brze promene odzivnosti sa talasnom dužinom, različiti detektori moraju biti korišćeni u različitim prozorima optičkog spektra, kao što se vidi na slici Unutar svakog od prozora, pri projektovanju prijemnika moramo koristiti odzivnost detektora na talasnoj dužini zračenja optičkog izvora. S λ (A/W) 1,0 0,5 Si InGaAs Ge (23 ºC) Ge (0 ºC) λ (nm) Slika Spektralni odziv za različite materijale fotodetektora u tri optička prozora Vreme uspostavljanja se definiše kao vreme potrebno da se izlazna struja detektora promeni sa 10 % na 90 % svoje konačne vrednosti pri skokovitoj promeni ulazne optičke snage. Na osnovu toga, ovo vreme definiše odgovarajući propusni opseg odnosno brzinu odziva fotodetektora. Za primenu u optičkim sistemima sa svetlovodima najpogodnije su PIN fotodiode (Positive Intrinsic Negative) i lavinske fotodiode (Avalanche Photo Diode). Za PIN diode odzivnost je oko 0,5 0,7 A/W, dok je kod lavinskih fotodioda ovaj parametar nekoliko stotina puta veći. PIN diode su jeftinije, manje osetljive na promene temperature i zahtevaju značajno manji inverzni napon polarizacije od APD dioda. Brzina rada ova dva poluprovodnička elementa je uporediva, stoga PIN diode najčešće imaju prednost pri dizajnu prijemnika. Veliko pojačanje APD detektora može se iskoristiti u svetlovodima velike dužine, kada dodatno veća kompleksnost kola APD diode ima svoje opravdanje

5 14.5. Sečenje i spajanje optičkih vlakana Sečenje optičkih vlakana U procesu merenja parametara i spajanja optičkih vlakana veoma je značajan kvalitetan presek vlakna, te je razvijen širok spektar različitih uređaja i alata za njihovo sečenje. Sekač optičkog vlakna (cleaver) smatra se kvalitetnim ukoliko je ugao između normale na površinu preseka i ose optičkog vlakna manji od jednog stepena. Kriterijumi za izbor sekača su: Ugao sečenja, i Ponovljivost kvalitenog preseka. Defekti preseka optičkog vlakna Standard za kontrolu kraja odsečenog optičkog vlakna interferometrijskom metodom, definiše najčešće defekte preseka na sledeći način (slika 14.20): jezičak (lip) - oštro ispupčenje na ivici preseka optičkog vlakna zalomljenje (roll-off) - nedostatak dela ivice preseka optičkog vlakna, komplement defekta tipa jezičak krhotina (chip) - lokalno nazubljen deo ivice preseka optičkog vlakna; nazubljen vrh (hackle) - izraženo nazubljena ivica po celom obimu optičkog vlakna; iskrzan vrh (mist) - blago nazubljena ivica po celom obimu optičkog vlakna, blaži oblik defekta tipa nazubljen vrh površinska spirala (spiral-step) - pojava naglih promena u topologiji površine preseka optičkog vlakna zasek (indent) - pukotina na spoljašnjem obimu vlakna od koje se širi lom u strukturi optičkog vlakna. Preseci optičkih vlakana sa defektom tipa jezičak veoma su nepovoljni za proces spajanja, jer sprečavaju približavanje krajeva optičkih vlakana. Preseci monomodnih optičkih vlakana mnogo su kritičniji za proces spajanja od preseka multimodnih optičkih vlakana. Prilikom spajanja mogu sa tolerisati neki defekti, kao što su na primer defekti tipa zalomljenje ili krhotina. U procesu merenja optička vlakna se posle sečenja ne proveravaju vizuelno, te postojanje nekog od defekata, može dovesti do loše ponovljivosti merenja. Greška u merenju se može pripisati lošem kvalitetu vlakna ili lošoj imisiji svetlosti u vlakno zbog defekta sečenja. Pri merenju slabljenja u optičkom vlaknu veoma je važan presek na kraju bližem uređaju, zbog količine ubačene snage u optičko vlakno, dok kvalitet preseka na daljem kraju može uticati samo na tačnost određivanja dužine optičkog vlakna. Većina sekača optičkog vlakna koristi zasecanje i prelamanje, odnosno delovanja sile na optičko vlakno. Najjednostavniji alat je sekač od keramike ili tungsten-karbida. Ovim sekačem najpre se napravi zarez na površini optičkog vlakna, a zatim se ono prelomi dejstvom mehaničke sile. Optičko vlakno se lomi na mestu zareza. Dubina i ugao zasecanja, kao i sila kojom se deluje, menjaju se sa svakim sečenjem, pa se tako menja i kvalitet sečenja vlakna

6 jezičak zalomljenje krhotina nazubljen vrh iskrzan vrh površinska spirala zasek Slika Defekti preseka optičkog vlakna Elektronski sekač koji se koristi za presecanje polarizovanih optičkih vlakana koristi naprednije principe za postizanje preseka visokog kvaliteta. Optičko vlakno pridržava se čeljustima na koja se deluje malom torzionom silom, ali i aksijalnom silom. Dijamantsko sečivo, montirano na prigušujući ležaj, vibrira ultrasoničnom brzinom presecajući optičko vlakno. Poluga kojom se započinje procedura presecanja odvojena je od mehanizma sečenja, te je uticaj operatera na proces sečenja zanemarljiv. Ovakav sekač pravi preseke sa uglom manjim od jednog stepena i bez defekata tipa jezičak, zalomljenje, nazubljen vrh, iskrzan vrh i površinska spirala. Pored sekača dobrog kvaliteta za postizanje kvalitetnog preseka potrebni su dodatni uslovi: Kompletno uklanjanje primarne zaštite optičkog vlakna. Neke vrste primarne zaštite mogu se ukloniti mehaničkim, a druge hemijskim putem Dobro očišćeno vlakno posle skidanja primarne zaštite i dobro očišćen sekač (sečivo, čeljusti, podmetač i ostali delovi sekača koji dolaze u dodir sa vlaknom) Ukoliko sekač deluje promenljivom silom na vlakno, potrebno je ustaliti odgovarajući način pridržavanja vlakna kako bi preseci bili ponovljivi Kod sekača čiji su uglovi sečenja uvek veći od dozvoljenih, obično se radi o delovanju torzionih sila na vlakno ili loše očišćenom sekaču Kod sekača koji nakon velikog broja dobrih preseka počnu da prave loše preseke, eventualni uzrok greške je oštećenje sečiva tokom vremena 14-20

7 Spajanje optičkih vlakana Kada je potrebno postići velike dužine komunikacionih linija pristupa se spajanju optičkih vlakana. Postoje tri metode za međusobno spajanje optičkih vlakana: spajanje pomoću mehaničkih spojeva metoda zatapanja u električnom luku spajanje pomoću optičkih konektora Kod mehaničkog spajanja, dva ogoljena optička vlakna (vlakna bez primarne zaštite) sa ravno odsečenim krajevima, sučeljavaju se u cevčicama mehaničkih spojeva. Pretpostavljajući perfektno sučeljavanje, na svakom kraju dolazi do Frenelove refleksije (4%), što je jednako gubitku od 0,35 db po mehaničkom spoju. Da bi se smanjili gubici na spoju, mogu se koristiti materijali u obliku gela koji imaju indeks prelamanja sličan kao omotač u optičkom vlaknu, čime se smanjuje rasipanje svetlosti Slabljenje koje se unosi mehaničkim spojevima, prema podacima proizvođača, iznosi: 0,2 db za multimodna, i 0,3 db za monomodna optička vlakna. Minimalna vrednost unetog slabljenja mehaničkim spojem je 0,15dB, prema kataloškim vrednostima proizvođača. Ovakav način spajanja optičkih vlakana je veoma koristan na relacijama gde nije kritično slabljenje, ali je bitno brzo izvršiti spajanje, posebno na nepristupačnim lokacijama. Kod spajanja zatapanjem u električnom luku, dva ogoljena optička vlakna (vlakna bez primarne zaštite), sa ravno odsečenim krajevima sučeljavaju se u spajaču - splajseru (splicer), gde se stapaju i obrazuju homogeno mesto spoja dva vlakna. Ovo se postiže kontrolisanim procesom grejanja vrhova dva optička vlakna koja su prethodno bila precizno sučeljena. Ceo postupak se može vizuelno nadzirati. Spajanje se izvodi tako što električni luk otopi staklo na krajevima optičkih vlakana koja se približe i dodirnu. Po prestanku delovanja električnog luka staklo na spoju očvrsne i zadržava osobine optičkog vlakna. Time se kompletno eliminiše Frenelova refleksija, pa i slabljenje od 0,35 db. Smanjeno slabljenje predstavlja najveću prednost nad mehaničkim spojevima. Slabljenje na spoju dva monomodna optička vlakna koje može da se postigne je ispod 0,03 db, a mogući su i spojevi kod kojih je izmereno slabljenje 0,00 db. Faktori za postizanje malog slabljenja na spoju su: Ispravni parametri zatapanja (optimalni uslovi grejanja i pomeranja) Čistoća elektroda Čistoća optičkog vlakna Kvalitet sečenja optičkog vlakna Precizno sučeljavanje optičkih vlakana 14-21