Οπτικά Δίκτυα. Νόκας Γιώργος. Δρ.Ηλεκτρολόγος Μηχανικός & Τεχνολογιας Υπολογιστών

Transcript

1 Οπτικά Δίκτυα Νόκας Γιώργος Δρ.Ηλεκτρολόγος Μηχανικός & Τεχνολογιας Υπολογιστών

2 Περιγραφή Μαθήματος Περιγραφή Μαθήματος: Χαρακτηριστικά διάδοσης σημάτων σε οπτική ίνα, Τεχνολογία οπτικών ινών, Φυσική Ημιαγωγών, Light Emitting Diode (LED), LASER ημιαγωγών, Ημιαγωγικά συστήματα προχωρημένων τεχνολογιών στην κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, Οπτικοί ενισχυτές, Οπτικά φίλτρα, Φωτοδέκτες, Σχήματα διαμόρφωσης αποδιαμόρφωσης, Πολυπλεξία μήκους κύματος (WDM), Αρχιτεκτονική οπτικών δικτύων.

3 Ιστορική ανασκόπηση Στην αρχαιότητα γινόταν μετάδοση μηνυμάτων με οπτικά σήματα (φρυκτωρίες). Το 1794 ο Γάλλος μηχανικός Claude Chappe δημιούργησε οπτικό τηλέγραφο που συνέδεε το Παρίσι με την Λίλ. Το 1880 ο A.G. Bell παρουσίασε το φωτόφωνο που μετέδιδε ακουστικά σήματα χρησιμοποιώντας μια φωτεινή δέσμη. Την δεκαετία έγιναν θεωρητικές εργασίες για την μετάδοση οπτικών σημάτων μέσω διαφανών ράβδων. Την δεκαετία του 1950 δημιουργήθηκαν οι πρώτες οπτικές ίνες σε ιατρικά ενδοσκόπια. Το 1966 οι C.Kao και C. Hockam πρότειναν την χρήση οπτικών ινών για επικοινωνίες. Απο τα μέσα της δεκαετίας του 1970 οι οπτικές ίνες άρχισαν να χρησιμοποιούνται στις τηλεπικοινωνίες.

4 Εξέλιξη του ρυθμού μετάδοσης

5 Οπτικά δίκτυα ανά τον κόσμο

6 Οπτικά δίκτυα στην χώρα μας

7 Πλεονεκτήματα οπτικών επικοινωνιών Πολύ μεγάλο εύρος ζώνης της τάξης των TΗz. Χαμηλή εξασθένηση. Μπορούν να μεταδώσουν σήματα σε απόσταση 100km χωρίς αναμετάδοση. Αναισθησία σε ηλεκτρομαγνητικές μεταβολές. Ασφάλεια σε προσπάθεια υποκλοπής. Μικρό βάρος.

8 Οι οπτικές ίνες είναι πολύ λεπτά νήματα από πλαστικό ή γυαλί, με διάμετρο μικρότερη των 10μm όπου από μέσα τους, μεταδίδονται ψηφιακά δεδομένα, υπό μορφή φωτός. Συνήθως τις συναντάμε συγκεντρωμένες σε δέσμες, που σχηματίζουν τα λεγόμενα οπτικά καλώδια. Ένα καλώδιο οπτικών ινών, περιέχει μέσα του δεκάδες ή και εκατοντάδες πολύ λεπτές τέτοιες οπτικές ίνες, με διάμετρο μικρότερη και από μία τρίχα. Με τις ακτίνες λέιζερ, ένα σήμα μπορεί να μεταδοθεί δια μέσου οπτικών ινών σε απόσταση μεγαλύτερη από 50 χλμ. Πηγή: Wikipedia

9 Δομή οπτικής ίνας

10 Διαστάσεις Επένδυση Περίβλημα d=120μm Περίβλημα d=120μm Πυρήνας d=9μm Πυρήνας d=50μm Τυπικές διατομές οπτικών ινών. Στις τηλεπικοινωνικές εφαρμογές χρησιμοποιούνται κυρίως ίνες με μικρό πυρήνα

11 Δείκτης διάθλασης Κάθε υλικό επιτρέπει στο φως να το διαπερνά με διαφορετική ταχύτητα με αποτέλεσμα να χαρακτηρίζεται από έναν δείκτη διάθλασης (index of refraction) ο οποίος δίνεται από τη σχέση: n= c u όπου c η ταχύτητα του φωτός στο κενό και u η ταχύτητα του φωτός στο μέσο διάδοσης. Καθώς επιβραδύνει ή επιταχύνει, το φως στρίβει, αν πέφτει υπό γωνία (όχι κάθετα) στην επιφάνεια που χωρίζει τα δύο μέσα. Έτσι ο δείκτης διάθλασης καθορίζει και τη γωνία κατά την οποία αλλάζει η διεύθυνση της διάδοσης του φωτός καθώς αυτό μεταβαίνει από μέσο σε μέσο.

12 Νόμος του Snell

13 Βασική προϋπόθεση ολικής ανάκλασης : n core >n clad n air = sin(θ core) n core sin(θin) n core = sin (θ clad) n clad sin(90 θ core )

14 Από τον νόμο του Snell έχουμε: n air.sinθ in = n core.sinθ core (1) n core sin(90 o -θ core )=n clad.sinθ clad (2) Δεδομένου ότι n air 1, sin(90 o -θ core )=cosθ core = (1-sin 2 θ core ) 1/2 Οι 1 και 2 γίνονται: n core (1-sin 2 θ core ) 1/2 =n clad sinθ clad (3) sinθ in =n core sinθ core (4)

15 Προκειμένου να έχουμε το φαινόμενο της ολικής ανάκλασης και να εγκλωβιστεί η ακτίνα ανάμεσα στον πυρήνα και στο περίβλημα πρέπει η γωνία εισαγωγής να μην υπερβεί μια μέγιστη αποδεκτή τιμή που συμβολίζουμε θ in,max Στην περίπτωση αυτή: οπότε οι (3) και (4) γίνονται: θ clad = 90 o <=> sinθ clad =1 sinθ in,max =n core sinθ core <=> sinθ core = sinθ in,max / n core και αντικαθιστώντας: n core (1-sin 2 θ core ) 1/2 =n clad sinθ in,max =(n core2 -n clad2 ) 1/2

16 Το συμπέρασμα απο την προηγούμενη ανάλυση είναι οτι προκειμένου μια ακτίνα να ανακλασθεί ολικά στην διαχωριστική επιφάνεια πυρήνα-περιβλήματος, πρέπει να εισέλθει στην ίνα με γωνία θin τέτοια ώστε: θ in <θ in,max = arcsin(n core2 -n clad2 ) 1/2

17 Αριθμητικό παράθυρο NA Ορίζουμε ώς αριθμητικό παράθυρο (numerical aperture) NA της οπτικής ίνας το μέγεθος: ΝΑ = (n core 2 - n clad2 ) 1/2 Αντίστοιχα έχουμε: θ in <θ in,max = arcsin(na)

18 Παράμετρος Δ Ως παράμετρο Δ ορίζεται η ποσότητα: Δ = (n core 2 n clad2 ) 1/2 / 2n core 2 = NA / 2n core 2 Στις περισσότερες οπτικές ίνες η διαφοροποίηση μεταξύ ncore και nclad είναι μικρή. Σε αυτή την περίπτωση ισχύει η προσέγγιση: Δ=(n core -n clad )/n core

19 Τρόποι μετάδοσης H εισαγωγή μιας οπτικής ακτίνας στην ίνα με γωνία θ in <θ in,max είναι αναγκαία συνθήκη αλλά όχι και ικανή. Αποδεικνύεται οτι μόνο ακτίνες με συγκεκριμένες γωνίες μπορούν να διατηρηθούν και συνεπώς να μεταφέρουν πληροφορία. Οι ακτίνες αυτές αντιστοιχούν στους τρόπους μετάδοσης

20 Το πλήθος των οπτικών ακτίνων που μπορούν να διαδοθούν απο μία οπτική ίνα εξαρτάται απο την παράμετρο V που ονομάζεται κανονικοποιημένη συχνότητα. V=(2πλ 0 )(d/2).(n core2 -n clad2 ) 1/2 =π(d/λ 0 ).ΝΑ Στην περίπτωση που ο αριθμός των μεταδιδόμενων ακτίνων Ν είναι μεγάλος αποδεικνύεται οτι: N=V 2 /2

21 Μπορεί να αποδειχθεί οτι αν, σε μια οπτική ίνα ισχύει οτι : V<2,405 στην ίνα θα μεταδίδεται μόνο μια οπτική ακτίνα παράλληλα με το διαμήκη άξονά της. Η διατήρηση μιας μόνο μεταδιδόμενης ακτίνας βελτιώνει θεαματικά τις επιδόσεις της οπτικής ίνας και αποτελεί βασική απαίτηση σε τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές. Στην πράξη η παράμετρος V μπορεί να κρατηθεί μικρή χρησιμοποιώντας πυρήνα μικρής διαμέτρου και διαφορά δεικτών διάθλασης πυρήνα/περιβλήματος κάτω του 1%.

22 Παράδειγμα 1 Να υπολογιστεί το αριθμητικό παράθυρο ΝΑ και η μέγστη επιτρεπτή γωνία εισαγωγής θin,max για ίνα με ncore=1,5 και nclad=1,495 Λύση ΝΑ = sin(θ in,max ) = (1,5 2-1,495 2 ) 1/2 =0,122 θ in,max = arcsin(na) => θ in,max = 7 o

23 Παράδειγμα 2 Να υπολογιστεί η διάμετρος d οπτικής ίνας με n core =1500, n clad =1,495 ώστε σε μήκος κύματος λ 0 =1550nm να μεταδίδεται μόνο μια ακτίνα. Λύση Πρέπει να ισχύει V =(2πλ 0 )(d/2).(n core2 -n clad2 ) 1/2 < 2,405 Άρα d < λ 0 V/π(n core2 -n clad2 ) 1/2 => d<9,7μm

24 Παραγωγή ινών με τη μέθοδο OVPO

25

26 Μέθοδος VAD

27 Μέθοδος MCVD

28 Μέθοδος με δύο χοάνες