Elementi in pojavi v optičnih zvezah

Transcript

1 Šola Optike Ljubljana, junij 016 Elementi in pojavi v optičnih zvezah doc. dr. Boštjan Batagelj Laboratorij za sevanje in optiko, Katedra za informacijske in komunikacijske tehnologije Fakulteta za elektrotehniko, Univerza v Ljubljani Tržaška 5, 1000 Ljubljana E-pošta:bostjan.batagelj@fe.uni-lj.si Povzetek. Predavanje seznani z osnovnimi gradniki optičnih zvez in obravnava osnovne optične pojave v telekomunikacijskih zvezah izgrajenih iz optičnih vlaken. Pregled optičnih elementov vsebuje različne tipe optičnega vlakna, raznolike laserske vire, zunanje modulatorje, optične sprejemnike, optične ojačevalnike ter pasivne in valovnodolžinske optične razcepnike. Obenem obravnava pojav popolnega odboja, slabljenje optičnega signala, mnogorodovno, barvno in polarizacijsko disperzijo in se dotakne nelinearnih pojavov. Slušatelj pridobi teoretična sistematična znanja o gradnikih optičnega omrežja in skozi merilno opremo spozna optične pojave, ki jih je potrebno upoštevati pri načrtovanju, izgradnji in vzdrževanju telekomunikacijskih povezav. Ključne besede: optično vlakno, optične tehnologije, optični elementi, optične zveze Boštjan Batagelj je doktoriral leta 003 na Univerzi v Ljubljani s področja optičnih tehnologij. Od leta 1997 je zaposlen na Fakulteti za elektrotehniko, Katedri za informacijsko in komunikacijsko tehnologije v Laboratoriju za sevanje in optiko ( Kot predavatelj in asistent predava ter vodi avditorne in laboratorijske vaje pri nekaterih telekomunikacijskih predmetih. Je avtor več kot 300 objavljenih člankov, osmih patentnih prijav in sodeluje v domačih in mednarodnih raziskovalnih projektih s področja optičnih in radijskih komunikacij. Njegovo raziskovalno delo je povezano z optičnim dostopovnim omrežjem, optičnim transportnim omrežjem in nelinearnimi optičnimi pojavi.

2 Kazalo vsebine Slide /7 Elementi optičnih zvez: optično vlakno (MM, SM, plastično) viri svetlobe (LED, laser) optični modulatorji optični detektorji razcepniki (pasivni, WDM) Pojavi v optičnih zvezah: popolni odboj slabljenje optičnega signala disperzija (mnogorodovna, barvna, polarizacijska) nelinearni pojavi Stekleno optično vlakno Slide 3/7 obloga 15 µm Zelo veliko razmerje med dolžino in širino geometrijskega telesa lv 10 km = 10 d 15 µm o 6 d jedro l v =10 km ITU-T standardi ISO razredi MNOGORODOVNO VLAKNO jedro 50 µm (6,5 µm) ±3 µm 9 µm G.651 OM1 (6,5/15), OM (50 ali 6,5/15), OM3 (50/15), OM4 Optical Multimode ENORODOVNO VLAKNO G.65, G.653, G.654, G.655, G.656, G.657 ISO razred OS1, OS (9/15) Optical Singlemode

3 Primerjava optičnih vlaken z električnimi vodi Slide 4/7 izgube frekvenčni pas občutljivost na EM motnje galvanska ločitev komunikacijska oprema cena poraba električne energije za TK prenos bakrena parica, koaksialni vodnik velike majhen velika v posebnih primerih zahtevnejša cenejša potratna optično vlakno majhne velik neobčutljivost vedno enostavna ni več dražja ekonomična Slabljenje optičnega vlakna Slide 5/7 P vh P izh absorpcija

4 Merjenje slabljenja optičnega vlakna Slide 6/7 Potrebujemo merilnik moči in optične vire na različnih valovnih dolžinah. λ1, λ,... P vh vlakno merjenec oddajnik optična sprejemnik konektorja P izh Slabljenje(λ)[dB]=P vh (λ)[dbm] P izh (λ)[dbm] ISO razredi za dovoljeno maksimalno slabljenje v enorodovnem optičnem vlaknu G.65. ISO OS za vlakno brez OH absorpcije G.65C in G.65D. valovna dolžina [nm] dovoljeno slabljenje [db/km] ISO OS1 ISO OS 1,0 0,4 ni določeno 0,4 1,0 0,4 Princip delovanja reflektometrske meritve v časovnem prostoru λ1, λ,.. oddajnik sprejemnik OTDR razcepnik konektor zvar Slide 7/7 konec vlakna odboj 1 odboj odboj konec Povezava med časom preleta in dolžino c0 T L = n c 0 T n hitrost svetlobe v vakuumu čas preleta lomni količnik optična moč v db strmina prikazuje slabljenje vlakna na razdaljo Meritve na različnih valovnih dolžinah dajo različne rezultate. čas, dolžina

5 Optični svetlovod Slide 8/7 Vodenje svetlobe v vodnem curku svetloba se odbija od meje voda zrak Colladon in Babinet, 184 Vodenje svetlobe po dielektriku vir n 15 µm θ k n 1 Optični signal potuje po jedru optičnega vlakna. Obloga služi kot meja od katere se svetloba s pomočjo popolnega odboja ponovno odbije proti središču optičnega vlakna. Ukrivljanje optičnega vlakna Slide 9/7 θ<θ k θ<θ k θ>θk θ k obloga jedro R krivinsko slabljenje pri 1550 nm [db/ovoj] vlakno G.657.A je kompatibilno z G.65 vlakno G.657.B ni kompatibilno z G.65 Krivinski radij [mmj]

6 Spajanje optičnih vlaken z vlakenskim zvarom in konektorji s ferulami (tulkami) Slide 10/7 Sklopni izkoristek med različnima vlaknoma Slide 11/7 ni slabljenja a 1 NA 1 a NA Različni mnogorodovni vlakni a NA a db = 10 log 10 NA 1 a1 Različni enorodovni vlakni a 1 NA1 a NA ni slabljenja a 1 NA1 a NA 0 db enorodovno in mnogorodovno vlakno

7 Napaka v sprejemu zaradi disperzije Slide 1/7 L 1 L odločitveni nivo t t t Disperzija (razširitev impulza) nastane zaradi: mnogorodovnosti barvne razpršitve polarizacijske razpršitve Mnogorodovna disperzija Slide 13/7 vir 1 3 θ k n 1 n l t impulz l1 l direkten žarek (θ =π/) je naredil pot l 1 =l v času t 1 = = c c 1 0 n1 l n1 l 3. Žarek (θ= θ k ), ki najbolj vijuga naredi pot l = = l v času t = = sinθ n c k 1. žarek 3. žarek. žarek 1 n1 0 n l c vlakno dolžine 100 km t-t1 5 µs zmogljivost zveze < 00 kbit/s

8 Sinusna trajektorija žarkov v valovodu z gradientnim lomnim likom x x Slide 14/7 n n n(x) c(x) profil lomnega količnika hitrost svetlobe l1 l1 100km 1,46 3 direkten žarek je naredil pot l 1 =l v času t 1 = = = = 0,49 10 s = 490µ s 8 c c m/s n1 c1 3. žarek potuje s hitrostjo c x 1 a vlakno dolžine 100 km t-t1 t1 50 ns zmogljivost zveze < 0 Mbit/s Kromatska oziroma barvna disperzija Slide 15/7 Signali različnih valovnih dolžin potujejo z različnimi hitrostmi. Lomnikoličnik stekla je frekvenčno odvisen. Enotaps/(nm km) pomeni, da pri disperziji 1 ps/(nm km) dva sočasna impulza z valovnodolžinskim razmikom 1 nm, ki potujeta preko razdalje 1 km, prideta časovno zamaknjena za 1 ps. 1nm valovnodolžinski razmik 1 km 1ps časovni razmik D [ps/(nm km)] 8 G G λ [nm]

9 Kompenzacija disperzije z DCF Slide 16/7 predkompenzacija DCF prenosno vlakno pokompenzacija prenosno vlakno DCF Skupna disperzija: D sk =D pr +D DCF Skupen naklon: S sk =S pr +S DCF Da dosežemo popolno kompenzacijo (D sk =0) znotraj širšega pasa, mora veljati tudi S sk =0. κ prenosnega vlakna in vlakna za kompenzacijo disperzije se morata ujemati znotraj celotnega ciljnega pasu valovnih dolžin (v nasproten primeru je možna popolna kompenzacija le pri določeni valovni dolžini). Polarizacijska rodovna disperzija (angl. Polarization Mode Dispersion PMD ) Notranje napake v optičnem vlaknu: zaradi krožno nesimetričnega valovoda (eliptično jedro, ekscentrično jedro) zaradi tujkov v vlaknu (prisotnost zračnih mehurčkov, nečistoča primesi) zaradi notranjih napetosti v vlaknu Zunanje napake na optičnem vlaknu: prečna sila na vlakno torzijsko zvijanje vlakna upogibanje vlakna zunanja močna električna ali magnetna polja Slide 17/7 Nesimetrije in napetosti povzročajo od polarizacije odvisen lomni količnik dvolomnost. Zaradi dvolomnost se po t.i. počasna os enorodovnih optičnih vlaknih v resnici širita dva ortogonalno polarizirana rodova z rezličnimi hitrostmi. hitra os polarizacijska rodovna razpršitev

10 Viri v optičnih komunikacijah Slide 18/7 LED λ 100 nm λ 10 nm FP laser DFB laser λ 1 nm Direktna modulacija Slide 19/7 P svetlobe [mw] I [ma] direktna modulacija laserskega vira je mogoča do 5 Gbit/s karakteristika laserja je temperaturno odvisna

11 Zunanja svetlobna modulacija Slide 0/7 modulacijski signal I laser izolator modulator zunanja modulacija laserskega žarka z Mach-Zehnderjevim LiNbO 3 modulatorjem do 40 Gbit/s Zveza po optičnem vlaknu Slide 1/7 LASER a [db/km] fotodioda N f P opt. N e =ηn f η=50%.. 90% Detektorji v optičnih komunikacijah: PIN fotodioda APD fotodioda

12 Svetlobni razcepnik Slide /7 Svetlobni razcepnik je linearen in recipročen element (načelo recipročnosti) Ker je razcepnik pasiven recipročni element, ga je mogoče uporabiti kot delilnik ali kot smerni sklopnik. Optični razcepnik je vlakenski element, ki spaja eno optično vlakno na mnogo ločenih vlaken. Optični signal, ki prihaja na vhod razcepnika se pojavi na vseh izhodih. Moč signala se razdeli med vse izhode. V primeru enakomernega deljenje moči je izhodna moč zmanjšana za faktor delilnega razmerja število izhodov (N). P vh 1 : P/4 P/4 P/4 P/4 P izh = P N vh delilno razmerje[db] = 10log 1 N WDM tehnologija ( Wavelength Division Multiplexing ) Slide 3/7 enorodovno optično vlakno multiplekser WDM delilnik demultiplekser WDM sklopnik Valovno razvrščanje omogoča dodatna povečanja prenosne kapacitete posameznega vlakna čez meje časovnega multipleksiranja.

13 WDM zveza z optičnimi ojačevalniki Slide 4/7 laser λ 1 laser λ laser λ 3 laser λ N modulator modulator modulator modulator multiplekser P 100 mw λ 1550 nm G.655 NZ-DS enorodovno vlakno 8/15 µm sprejemnik sprejemnik sprejemnik demultiplekser sprejemnik domet 80 km med optičnimi ojačevalniki zmogljivost = N*,5 Gbit/s N*10 Gbit/s Tbit/s Namesto uporabe večjega števila optičnih vlaken, se v eno optično vlakno uvede več valovnih dolžin (kanalov). EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) vlakenski ojačevalnik s primesjo erbija Sestavni deli tipičnega EDFA dopirano optično vlakno črpalni laser(-ji) sklopniki odvisni od valovne dolžine izolatorji filter Izolator WDM sklopnik Dopirano vlakno WDM sklopnik Izolator Filter Slide 5/7 Črpalna laserska dioda črpalka1 črpalka Črpalna laserska dioda LASTNOSTI: Širina Širina spektra: 40 40nm Ojačenje > 0 0dB db

14 Nelinearni pojavi Slide 6/7 Medsebojno vplivanje signalov na dveh ali več valovnih dolžinah vodi v generiranje novih valovnih dolžin. nastanek intermodulacijskih produktov štirivalovno mešanje (FWM) ω 1 ω ω 3 ω 1 ω ω 13 ω 13 ω 13 ω 31 ω 31 ω 31 ω 11 ω 1 ω 113 ω 11 ω 3 ω 33 ω 1 ω 331 ω ω dva vhodna signala trije vhodni signali Število mešalnih produktov narašča s številom WDM kanalov. Hvala za pozornost! Laboratorij za sevanje in optiko bostjan.batagelj@fe.uni-lj.si Slide 7/7 priporočljiva (dovoljena) optična moč na kanal omogočen prenos previsoke nelinearnosti prenizko razmerje signal proti šum prenosna razdalja ali hitrost prenosa

15 Literatura: knjiga Pasivno optično dostopovno omrežje s časovnim razvrščanjem, Boštjan Batagelj, Založba FE in FRI, 011 Boštjan Batagelj, Matjaž Vidmar, Optične komunikacije-laboratorijske vaje, FE, Ljubljana 003 Jožko Budin, Optične komunikacije, založba FE, Ljubljana 1993 zbornik 10. strokovni seminar optične komunikacije, Ljubljana, januar 003, FE, LOK zbornik 11. seminar optične komunikacije, Ljubljana, januar 004, FE, LOK zbornik 1. seminar optične komunikacije, Ljubljana, februar 005, FE, LSO zbornik 13. seminar optične komunikacije, Ljubljana, februar 006, FE, LSO zbornik 14. seminar optične komunikacije, Ljubljana, 31.januar -. februar 007, FE, LSO zbornik VITEL 0. delavnica o telekomunikacijah: Optična dostopovna omrežja, Brdo pri Kranju, 5.november - 6. november 007, EZS zbornik 15. seminar optične komunikacije, Ljubljana, 30.januar - 1. februar 008, FE, LSO zbornik 16. seminar optične komunikacije, Ljubljana, januar 009, FE, LSO zbornik 17. seminar optične komunikacije, Ljubljana, januar 009, FE, LSO zbornik 18. seminar optične komunikacije, Ljubljana,. 4. februar 011, FE, LSO zbornik 19. seminar optične komunikacije, Ljubljana, 1.. februar 01, FE, LSO zbornik 0. seminar optične komunikacije, Ljubljana, 30. januar 1. februar 013, FE, LSO zbornik 1. seminar optične komunikacije, Ljubljana, februar 014, FE, LSO zbornik. seminar optične komunikacije, Ljubljana, februar 015, FE, LSO lso.fe.uni-lj.si