Meritve v optičnih komunikacijah

17. Seminar Optične Komunikacije Laboratorij za Sevanje in Optiko Fakulteta za Elektrotehniko Ljubljana, 27.-29. januar 2010 Meritve v optičnih komunikacijah Matjaž Vidmar

... Seznam prosojnic:... Slika 1 - Meritve: prostozračna in vlakenska optika. Slika 2 - Slabljenje stekla in telekomunikacijska okna. Slika 3 - Vrste in lastnosti svetlobnih vlaken. Slika 4 - Vlakenski zvari in konektorji s ferulami. Slika 5 - Merilni izvori: žarnica, LED, laserji FP in DFB. Slika 6 - Zunanji rezonator in zunanji modulator svetlobe. Slika 7 - Vakuumska in polprevodniška fotodioda. Slika 8 - Fotodiodni in toplotni merilnik moči. Slika 9 - Optični multimeter. Slika 10 - Vlakenski smerni sklopnik. Slika 11 - Svetlobni cirkulator. Slika 12 - Vodena moč Rayleigh-ovega sipanja v steklu. Slika 13 - Vlakenski OTDR. Slika 14 - Meritev z OTDR. Slika 15 - OFDR s spreminjanjem svetlobne frekvence. Slika 16 - OFDR s spreminjanjem modulacijske frekvence. Slika 17 - Mogorodovna, barvna in polarizacijska razpršitev. Slika 18 - Meritev mnogorodovne razpršitve. Slika 19 - Meritev barvne razpršitve. Slika 20 - Nastavljanje in merjenje polarizacije. Slika 21 Meritev polarizacijske razpršitve (PMD). Slika 22 - Zahtevnost valovnodolžinskega razvrščanja (WDM). Slika 23 - Optični spektralni analizator z interferometrom. Slika 24 - Optični spektralni analizator z uklonsko mrežico. Slika 25 - Optični spektralni analizator z rezonatorjem. Slika 26 - Regeneracija signala in drhtenje takta. Slika 27 - Meritev izvora drhtenja (jitter generation). Slika 28 - Meritev prenosa drhtenja (jitter transfer). Slika 29 - Meritev odpornosti na drhtenje (jitter tolerance). Slika 30 - Odziv osciloskopa in širina impulza. Slika 31 - Očesni vzorec (eye pattern) in razmerje Q. Slika 32 - Meritev pogostnosti napak (BER). Slika 33 - Izvedba in lastnosti polinomskih izvorov. Slika 34 - Vnaprejšnje popravljanje napak (FEC). Slika 35 - Cilji in pomanjkljivosti optičnih meritev.

OPTIČNE MERITVE PROSTOZRAČNA OPTIKA (BULK OPTICS) leče, prizme, zrcala optične klopi in mize čisto laboratorijsko okolje številne zamudne mikrometrske nastavitve visoko usposobljena delovna sila nezdružljivost z vlakensko optiko oziroma TK opremo VLAKENSKA OPTIKA (FIBER OPTICS) mnogorodovna vlakna (MMF): GI 50/125 (G.651), GI 62.5/125, plastična enorodovna vlakna (SMF): G.652, G.653, G.655... konektorji: vrsta, premer in brušenje ferule združljivost s TK opremo uporaba v poljubnem okolju nastavitev skoraj ni, mala verjetnost človeške napake 1 - Meritve: prostozračna in vlakenska optika.

f [THz] 400 350 300 250 200 150 slabljenje vlakna 5dB/km 2dB/km 1dB/km 0.5dB/km 0.2dB/km 0.1dB/km 0.05dB/km 0.02dB/km I.OKNO 850nm nečistoče (OH - ) enorodovno vlakno Rayleigh UV rezonance II.OKNO 1300nm III.OKNO 1550nm IR rezonance λ [μm] 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 2.0 2 - Slabljenje stekla in telekomunikacijska okna.

n 2 1mm mnogorodovno stopničasto plastčno vlakno n 1 (MMF-SI) NA=0.5 gradientno stekleno vlakno n NA=0.2 1 (x) 50μm SiO 2 +GeO 2 SiO 2 n 2 (MMF-GI) 125μm n 2 enorodovno stekleno vlakno (SMF-SI) n 1 SiO 2 +GeO 2 125μm NA=0.1 SiO 2 9μm 3 - Vrste in lastnosti svetlobnih vlaken.

MMF vlakno (GI) zvar spojka slabljenje 0.05dB odboj -80dB ravno brušena ferula slabljenje 1dB odboj -15dB SMF PC PC krivinsko brušena ferula (PC) (SI) spojka slabljenje 0.2dB odboj -40dB SMF APC APC kotno brušena ferula (APC) (SI) spojka slabljenje 0.5dB odboj -70dB 4 - Vlakenski zvari in konektorji s ferulami.

I žarnica τ=1ms Δλ=800nm I LED τ=10ns Δλ=100nm P N I FP laser P N F(λ) τ=1ns Δλ=3nm λ I DFB/DBR laser P N F(λ) τ=1ns Δλ=0.0003nm λ 5 - Merilni izvori: žarnica, LED, laserji FP in DFB.

I vrtljiva uklonska mrežica: Δλ=100nm leča AR sloj EC laser (InGaAsP) P N leča izhod amplitudni MZM: B=10GHz a ugasno =25dB LiNbO 3 : U π =5V...15V GaAs: U π =2V...4V vhod LiNbO 3 izhod -U+ vhod P -U+ LiNbO 3 :Ti EAM (InGaAsP) N izhod EAM: ΔU=3V...5V B=40GHz a ugasno =15dB 6 - Zunanji rezonator in zunanji modulator svetlobe.

P I N P o P o Z I e R I e U b + U b + R kvantni izkoristek fotodioda @λ vakuum @500nm vakuum @1550nm Si @850nm odzivnost InGaAs @1550nm = N elektronov N fotonov I e = Q e P o h c o 20% 1E-6 85% 70% I e / P o 0.08A/W 1.2μA/W 0.58A/W 0.87A/W 7 - Vakuumska in polprevodniška fotodioda.

P o fotodioda 1 2 I e P o max U b R 1 + R 2 A odziv foto diode P o črno telo termo člen U e + ojačevalnik G mv U e P o odziv termočlena U b 8 - Fotodiodni in toplotni merilnik moči.

P o FP LASER ali LED R vtičnici merjenec???? U b + priključni vrvici P s fotodioda A a=10 logp o / P s [db] 9 - Optični multimeter.

vstop odboj zvarjeni svetlobni vlakni jedri na majhni razdalji prepust protismerni sklop l sklopna dolžina P prepust =P vstop 1 2 1 2 cos2 l P sosmerni =P vstop 1 2 1 2 cos2 l Smernost= P sosmerni P protismerni 10 7 =70 db 10 Vlakenski smerni sklopnik. Vlakenski sklopnik: zelo velika dolžina zelo rahel sklop nehomogen dielektrik slab protismerni sklop močen sosmerni sklop utripna dolžina 1000...10000 sosmerni sklop

vlakno#1 dvolomni kristal N magnet S GRIN leča GRIN leča vlakno#3 vlakno#1 TE TM enopolarizacijski! vlakno#2 vlakno#3 V optiki ni poti 3>>>1! YIG kristal Faraday 45º N magnet S GRIN leča vlakno#2 vstavitveno slabljenje 1>>>2 oziroma 2>>>3 okoli 0.2-0.5dB (izgube GRIN prehodov) smernost ali povratno slabljenje 2>>>1 oziroma 3>>>2 okoli 35-40dB (učinkovitost AR slojev) 11 Svetlobni cirkulator.

P odbiti =P vpadni 0.23 S c z slabljenje sipanja [db/m] z dol. vlakna.......... S c koeficient ujetja sipane svetlobe nazaj v jedro vlakna mnogorodovno stopničasto vlakno S c = 3 8 NA2 n 1 2 NA=n 1 2 n 2 2 num. apertura mnogorodovno gradientno vlakno S c = 1 4 NA2 n 1 2 n 1 lomni kol. jedra enorodovno vlakno S c = 3 8 [ 2 n 1 w ] w rodovni polmer 12 Vodena moč Rayleigh-ovega sipanja v steklu.

elektr. pulzni izvor t p 30 ns pulzni FP LASER sklopnik fotodioda prosto predvlakno osciloskop konektor #1 prosto zvar vlakno#1 vlakno#3 vlakno#2 logaritemski ojačevalnik 13 Vlakenski OTDR. Y-vhod proženje konektor #2 steklena vlakna c= c 0 n 2 108 m/ s

jakost [db] (logaritemska skala) presluh sklopnika konektor #1 predvlakno vlakno#1 zvar konektor #2 vlakno#2 vlakno#3 odboj od prostega konca duh šum log. ojačevalnika razdalja [m] (linearna časovna skala) 14 Meritev z OTDR.

DBR FM LASER B100 khz enorodovno vlakno sklopnik konektor FM fotodioda prosto (končni odboj) elektr. izvor žage sukalnik polarizacije t prosto (referenčni odboj) radiofrekvenčni ojačevalnik f mikrovalovni SA f = df dt t 15 OFDR s spreminjanjem svetlobne frekvence.

LED ali LASER AM elektr. izvor žage sklopnik RF ojač. konektor fotodioda vlakno prosto RF VCO 30MHz-3GHz mešalnik NP sito NF (FFT) SA 16 OFDR s spreminjanjem modulacijske frekvence.

mnogorodovno vlakno n 2 n 1 različne poti mnogorodovna razpršitev n 2 (λ) enorodovno vlakno n 1 (λ) n 1 (λ),n 2 (λ),valovod v(λ 1 ) > v(λ 2 ) barvna razpršitev n 2 enorodovno vlakno v(hp) > v(vp) n 1 nesimetrija polarizacijska razpršitev 17 - Mogorodovna, barvna in polarizacijska razpršitev.

FP LASER sklopnik konektor l merjenec AM RF izvor ~ f m PD#1 PD#2 konektor U 2 U 1 D m =B l [MHz.km] RF voltmeter RF voltmeter -3dB B f m U 1 U 2 18 Meritev mnogorodovne razpršitve.

DBR/EC LASER LiNbO3 MZ modulator konektor l merjenec fotodioda konektor D= 2 f m l RF izvor ~ f m mešalnik (fazni detektor) [ps/nm.km] ( f m [THz] ) 19 Meritev barvne razpršitve.

vhod sukalnik polarizacije z dvolomnimi ploščicami λ/4 λ/2 λ/4 izhod M vhod λ/4 ω P fotodioda 4 fotodiode Q ali s 0 s 1 s 2 s 3 I =I 0 I 1 cos2ti 2 cos4t vhod vlakenski sukalnik polarizacije izhod λ/4 λ/2 λ/4 vhod polarizacijski delilnik A/D+računalnik Q ali s 0 s 1 s 2 s 3 20 Nastavljanje in merjenje polarizacije.

sukalnik polarizacije EC LASER konektor P l merjenec računalnik Q s 0...3 merilnik polarizacije konektor D p = l ps/km 21 Meritev polarizacijske razpršitve (PMD).

DFB DFB 1 2 N x 40Gb/s EAM EAM kretnica WDM G svetlobni ojačevalnik 1... N DFB N EAM črpalka λ č prenosna pot: več odsekov z ojačevalniki s črpalkami 1... N črpalka G λ č WDM 1 2 PIN-FET PIN-FET N x 40Gb/s svetlobni ojačevalnik kretnica N PIN-FET 22 - Zahtevnost valovnodolžinskega razvrščanja (WDM).

fotodioda A D FFT pokončni odklon Y vhod leča proženje zaslon leča referenčni žarek zrcalo 50/50 vrteči zrcali M zakasnjeni žarek zrcalo trirobnik vodoravni odklon X zrcalo trirobnik ločljivost f = c 0 l l=l zakasnjen l ref Δl 2cm >>> Δf 15GHz (Δλ 0.12nm) 23 - Optični spektralni analizator z interferometrom.

vhod M proženje vodoravni odklon X leča pokončni odklon Y uklonska mrežica (monokromator) zaslon fotodioda leča w ločljivost f = c 0 w w 3cm >>> Δf 10GHz (Δλ 0.08nm) 24 - Optični spektralni analizator z uklonsko mrežico.

pomično zrcalo nepomično zrcalo pokončni odklon Y vhod piezo leča rezonator Fabry Perot leča fotodioda zaslon d =m 2 VN krmilnik proženje vodoravni odklon X ponavljanje FSR Δf=300MHz...1THz (Δλ=0.0024nm...8nm) ločljivost Δf=1MHz...3GHz (Δλ=0.000008nm...0.024nm) 25 - Optični spektralni analizator z rezonatorjem.

1.stopnja OJAČENJE 2.stopnja RESHAPING 3.stopnja RETIMING vhod O E G D D-FF Q E O izhod TAKT takt Unit Interval 1 UI PLL izločanje takta drhtenje (jitter) 26 - Regeneracija signala in drhtenje takta. t

oddajnik data E O vlakno O E sprejemnik data izvor zaporedja izločanje takta takt proženje izvor takta Δt izhodni 12kHz osciloskop Y-vhod RF Δt izhodni 0.01UI eff fazni šum f drhtenja mikrovalovni SA 27 - Meritev izvora drhtenja (jitter generation).

oddajnik data E O vlakno O E sprejemnik data izvor zaporedja log Δt izhodni /Δt vhodni izločanje takta takt Δt vhodni Δt izhodni RF FM izvor takta +0.1dB odziv -6dB/okt. RF FM demodulator izvor f drhtenja f c U f log f drhtenja 28 - Meritev prenosa drhtenja (jitter transfer).

oddajnik E vlakno O sprejemnik data O E data izvor zaporedja log Δt BER sprejemnik Δt RF FM izvor takta 1.5UIpp odpornost BER=10-9 izločanje takta takt izvor f drhtenja f 2-6dB/okt. f 1 0.15UIpp log f drhtenja 29 - Meritev odpornosti na drhtenje (jitter tolerance).

t r 0.35 B B=50GHz >>> t r =7ps brezhibna stopnica 90% 10% Y osciloskop t r t m =t s 2 t r 2 t m t s resnična širina t s Y t m izmerjena širina osciloskop t r odziv osciloskopa 30 - Odziv osciloskopa in širina impulza.

oddajnik data E O vlakno O E sprejemnik data izvor zaporedja razmerje signal/šum Q= P 1 P 0 1 0 SDH sito izvor takta Y osciloskop proženje izločanje takta 31 - Očesni vzorec (eye pattern) in razmerje Q.

oddajnik data E O 10-0 vlakno slabilec sprejemnik O E polinomski izvor 10-1 10-2 izločanje takta 10-3 10-4 izvor takta BER 10-5 10-6 10-7 polinomski delilec 10-8 10-9 10-10 0 1 2 3 4 5 6 7 32 - Meritev pogostnosti napak (BER). Q števec napak

takt takt pomikalni set postavi register enice data Q m Q n EXOR izhod zaporedja primitivni nerazcepni polinom P(x)=1+x m +x n maksimalno zaporedje dolžine 2 n -1 (1) enice/ničle 2 n-1 enic (2) avtokorelacija (3) spekter 2 n -1 2 n -1 2 n-1-1 ničel zelo dobro premešane -1 33 - Izvedba in lastnosti polinomskih izvorov. τ f takt f

40Gb/s FEC enkoder 43Gb/s OTX Q (razmerje S/N) omejen s presluhom in popačenjem!!! kretnica WDM G prenosna pot: več odsekov z ojačevalniki 10-2 BER RS(255,239) nekodirano 10-12 6dB ORX WDM 43Gb/s kretnica log(q) [db] 34 - Vnaprejšnje popravljanje napak (FEC). FEC dekoder 40Gb/s

KAKOVOST ZVEZE SLABLJENJE POGOSTNOST NAPAK STATISTIKA NAPAK RAZMERJE SIGNAL/ŠUM POPAČENJE SIGNALA RAZMERJE SIGNAL/PRESLUH POMANJKLJIVOSTI TERMINALNE OPREME POMANJKLJIVOSTI POSTOPKOV MERITEV B=1THz...10THz >>> zajemanje celotne info ni možno! frekevnčni spekter: samo jakost, omejena ločljivost časovni prostor: samo ovojnica, povprečenje, vzorčenje 35 - Cilji in pomanjkljivosti optičnih meritev.