ΙΝΟΟΠΤΙΚΕΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ (Πρόσθετες Σημειώσεις)

ΑΝΩΤΑΤΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΙΔΑΓΩΓΙΚΗΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗΣ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗΣ (Α.Σ.ΠΑΙ.Τ.Ε.) Τμήμα Εκπαιδευτικών Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Εκπαιδευτικών Ηλεκτρονικών Μηχανικών Δρ. Γερ. Κ. Παγιατάκης Αναπληρωτής Καθηγητής Α.Σ.ΠΑΙ.ΤΕ. ΙΝΟΟΠΤΙΚΕΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ (Πρόσθετες Σημειώσεις) 008

ΟΠΤΙΚΕΣ ΙΝΕΣ Γενικά Τυπική διατομή ίνας: Πυρήνας (για τη διάδοση του ΗΜ κύματος) Περίβλημα (για τον εγκλωβισμό της ΗΜ ισχύος στον πυρήνα) Πλαστικό κάλυμμα (για προστασία). Στην ίνα μεταδίδονται ηλεκτρομαγνητικά κύματα με μήκη κύματος (συχνότητες) στην περιοχή του υπερύθρου. Για την ακρίβεια, η μετάδοση γίνεται στην περιοχή μηκών κύματος γύρω από τα 850 nm (0,85 μm) ή τα 1310 nm (1,31 μm) ή τα 1550 nm (1,55 μm). Η μελέτη της μετάδοσης μπορεί να γίνει με τη βοήθεια είτε της ηλεκτρομαγνητικής θεωρίας (πολυπλοκότερη αλλά ακριβέστερη μέθοδος) είτε της γεωμετρικής οπτικής (προσεγγιστική, αλλά απλούστερη τεχνική αλλά προϋποθέτει η διάμετρος του πυρήνα d της ίνας να είναι σημαντικά μεγαλύτερη από το μήκος κύματος λ ο λειτουργίας). Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ινοοπτικές Τηλεπικοινωνίες (πρόσθετες σημειώσεις) 1

Βασικοί τύποι οπτικών ινών Οι οπτικές ίνες μπορεί να είναι πολύτροπες (διάμετρος πυρήνα ~ 50 μm) ή μονότροπες (διάμετρος πυρήνα < 10 μm). Στις πολύτροπες ίνες μπορούν να μεταδίδονται πολλές οπτικές ακτίνες (με διαφορετικές γωνίες ως προς τον άξονα της ίνας) ενώ στις μονότροπες μόνο μία. Με κριτήριο τη μεταβολή του δείκτη διάθλασης, οι ίνες κατηγοριοποιούνται ως εξης: Ίνες με βηματικό δείκτη διάθλασης: Στις ίνες αυτές, ο δείκτης διάθλασης παίρνει δύο συγκεκριμένες τιμές, n 1 (ή n co ) στον πυρήνα και n (ή n cl ) στο περίβλημα. Ίνες με βαθμιαίο δείκτη διάθλασης: Στις ίνες αυτές, ο δείκτης διάθλασης του πυρήνα μεταβάλλεται βαθμιαία από μια τιμή n 1 (n co ) μέχρι την τιμή n (n cl ) που είναι και η τιμή του δείκτη διάθλασης του περιβλήματος. Οι μονότροπες ίνες κατασκευάζονται με βηματικό δείκτη διάθλασης. Οι πολύτροπες ίνες κατασκευάζονται είτε με βαθμιαίο δείκτη διάθλασης (συνήθης περίπτωση) είτε με βηματικό δείκτη διάθλασης (σπανιότερα). Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ινοοπτικές Τηλεπικοινωνίες (πρόσθετες σημειώσεις)

Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ινοοπτικές Τηλεπικοινωνίες (πρόσθετες σημειώσεις) 3

Η κυματοδήγηση στην οπτική ίνα Η κυματοδήγηση υπό το πρίσμα της γεωμετρικής οπτικής Η γεωμετρική οπτική θεωρεί ότι στην ίνα μεταδίδονται οπτικές ακτίνες οι οποίες ανακλώνται ολικά στη διαχωριστική επιφάνεια πυρήνα περιβλήματος. Οι οπτικές ακτίνες μπορεί να μεταδίδονται είτε πάνω σε «μεσημβρινό» επίπεδο της ίνας (δηλαδή σε επίπεδο που περιέχει το διαμήκη άξονά της) οπότε χαρακτηρίζονται ως «μεσημβρινές» ακτίνες ( meridional rays) είτε να είναι «λοξές» ( skew ) και να μεταδίδονται εκτός του «μεσημβρινού» επιπέδου. Αναφορικά με τη χρήση γεωμετρικής οπτικής, είναι σκόπιμο να τονιστούν τα παρακάτω: Η γεωμετρική οπτική χρησιμοποιείται επειδή είναι σημαντικά απλούστερη από την ηλεκτρομαγνητική θεωρία. Η γεωμετρική οπτική είναι προσεγγιστική θεωρία η οποία μπορεί να χρησιμοποιείται, μόνον όταν οι διαστάσεις της ίνας είναι σημαντικά μεγαλύτερες από το μήκος κύματος λ ο (d >> λ ο ). Δεδομένου ότι λ ο ~ 1 μm, η γεωμετρική οπτική εφαρμόζεται ικανοποιητικά μόνο στις πολύτροπες ίνες. Ακόμη και στις πολύτροπες ίνες, η γεωμετρική οπτική αδυνατεί να «εξηγήσει» σημαντικά φαινόμενα (όπως π.χ. η ενδοτροπική διασπορά). Πολύ σημαντική παράμετρος για τη μελέτη των οπτικών ινών (οποιουδήποτε τύπου) είναι το «αριθμητικό παράθυρο» (ΝΑ). Η συγκεκριμένη παράμετρος ορίζεται ως ΝΑ = sin(θ in,max ) όπου θ in,max η μέγιστη γωνία εισαγωγής (στην ίνα) της οπτικής ακτίνας ώστε να επιτυγχάνεται ολική ανάκλασή της στην επιφάνεια πυρήνα-περιβλήματος. Με διαδοχική χρήση του νόμου του Schnell αποδεικνύεται ότι ΝΑ = 1 n n Άλλη παράμετρος (ισοδύναμη με το αριθμητικό παράθυρο) είναι η «παράμετρος Δ» που ορίζεται ως Δ = 1 n n1 n (1 ) n n 1 1 Ισχύει ότι Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ινοοπτικές Τηλεπικοινωνίες (πρόσθετες σημειώσεις) 4

ΝΑ n 1 r στερεά γωνία Ω d θ in,max n n 1 sin(θ in,max ) = ΝΑ = 1 n n Ω = πr d π(d.tanθ d in,max ) π(d.sinθ d in,max ) πsin θ in,max π(na) Μπορεί να αποδειχθεί ότι, αν η ισχύς της οπτικής πηγής είναι της μορφής P s = P o cosθ (όπως είναι στις περισσότερες LEDs) και P coupled η οπτική ισχύς που τελικά εισέρχεται στην ίνα, τότε: Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ινοοπτικές Τηλεπικοινωνίες (πρόσθετες σημειώσεις) 5

Pcoupled (NA) (για βηματική πολύτροπη ίνα) P P s coupled P s 1 1 n (NA) 1 (για πολύτροπη ίνα με βαθμιαίο δείκτη διάθλασης) Η κυματοδήγηση υπό το πρίσμα της ηλεκτρομαγνητικής θεωρίας Η ανάλυση της κυματοδήγησης με χρήση της ηλεκτρομαγνητικής θεωρίας στηρίζεται στις εξισώσεις Maxwell. Αν και πολυπλοκότερη της γεωμετρικής οπτικής, η ηλεκτρομαγνητική θεωρία μπορεί να εφαρμοστεί σε όλους τους τύπους οπτικών ινών και να εξηγήσει όλα τα σχετικά φαινόμενα. Αναφορικά με το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο στην οπτική ίνα, ισχύουν τα εξής: Το ηλεκτρικό πεδίο στην ίνα είναι συνάρτηση της θέσης r (x,y,z) (ρ,φ,z) και του χρόνου t Ε(r,t) E(x,y,z,t) E(ρ,φ,z,t) (1),(). Για αρμονικά πεδία, η παραπάνω συνάρτηση αποκτά τη μορφή Ε(r)e jω ο t E(x,y,z)e jω ο t E(ρ,φ,z)e jω ο t (όπου ω ο = πf ο = πc/λ ο, = k o c, η συχνότητα της πηγής). Η χωρική μεταβολή του συνολικού πεδίου Ε(r) E(x,y,z) E(ρ,φ,z) είναι άθροισμα (για την ακρίβεια, γραμμικός συνδυασμός) επιμέρους πεδίων E ν (x,y,z) E ν (ρ,φ,z) που λέγονται «τρόποι» (ή «ρυθμοί»). Οι σχετικές εξισώσεις έχουν τη μορφή E(x,y,z) = Σa ν E ν (x,y,z), άρα E(ρ,φ,z) = Σa ν E ν (ρ,φ,z), άρα E(x,y,z)e jω ο t = Σa ν E ν (x,y,z)e jω ο t E(ρ,φ,z)e jω ο t = Σa ν E ν (ρ,φ,z)e jω ο t όπου ν ακέραιος δείκτης που μπορεί να θεωρηθεί ως ένας (προσωρινός) «αύξων αριθμός» του τρόπου 3. Λόγω κυματοδήγησης κατά τον άξονα z, κάθε τρόπος παρουσιάζει χωρική μεταβολή της μορφής E ν (x,y,z) = E ν (x,y)e jβ ν z E ν (x,y,z,t) = E ν (x,y)e jβ ν z e jω ο t E ν (x,y,z,t) = E ν (x,y)cos(β ν z+ω ο t) ή ισοδύναμα E ν (ρ,φ,z) = E ν (ρ,φ)e jβ ν z E ν (ρ,φ,z,t) = E ν (ρ,φ)e jβ ν z e jω ο t E ν (ρ,φ,z,t) = E ν (ρ,φ)cos(β ν z+ω ο t) 1 Το αν θα χρησιμοποιηθούν οι καρτεσιανές (x,y,z) ή οι κυλινδρικές (ρ,φ,z) συντεταγμένες, εξαρτάται από τη γεωμετρία (επίπεδη ή κυλινδρική) του κυματοδηγού. Για τη μελέτη των οπτικών ινών, χρησιμοποιούνται οι κυλινδρικές συντεταγμένες. Για το μαγνητικό πεδίο Η(r,t) Η(x,y,z,t) Η(ρ,φ,z,t), ισχύουν σχέσεις αντίστοιχες με αυτές για το ηλεκτρικό πεδίο. 3 «Προσωρινός» υπό την έννοια ότι (όπως θα φανεί αμέσως παρακάτω) για τον χαρακτηρισμό των τρόπων, χρησιμοποιούνται δύο () δείκτες (l και m). Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ινοοπτικές Τηλεπικοινωνίες (πρόσθετες σημειώσεις) 6

Προφανώς το πεδίο κάθε τρόπου μπορεί να αναλυθεί στις 3 συνιστώσες του καρτεσιανού ή του κυλινδρικού συστήματος. E ν (x,y,z,t) = E ν (x,y)cos(β ν z+ω ο t) = [Ε ν,x (x,y)x + Ε ν,y (x,y)y + Ε ν,z (x,y)z]cos(β ν z+ω ο t) E ν (ρ,φ,z,t) = E ν (ρ,φ)cos(β ν z+ω ο t) = [Ε ν,ρ (ρ,φ)ρ + Ε ν,φ (ρ,φ)φ + Ε ν,z (ρ,φ)z]cos(β ν z+ω ο t) Ειδικά για την παράμετρο β ν ισχύουν τα εξής: Η β ν είναι η σταθερά μετάδοσης του τρόπου ν και αποτελεί παράμετρο που χαρακτηρίζει τον τρόπο ν. H β ν είναι συνάρτηση της κυκλικής συχνότητας ω (ω = πf = πc/λ, = kc, η εκάστοτε συχνότητα της πηγής). H συνάρτηση β ν (ω) είναι η συνάρτηση ή διάγραμμα διασποράς 4. Τις περισσότερες φορές, αντί για τα μεγέθη ω και β ν, χρησιμοποιούνται οι κανονικοποιημένες παράμετροι V και b ν, όπου V = και πd λ n d c 1 n ω n1 n β ν n k o b ν = n n 1 Υπό την έννοια αυτή, το διάγραμμα διασποράς είναι η συνάρτηση b ν (V). Τέλος, το β ν μέγεθος n ν = ονομάζεται «ενεργός δείκτης» ( effective index ) του τρόπου. k o Η ταυτοποίηση («συμβολισμός») του τρόπου ν γίνεται με βάση τη μεταβολή του πεδίου πάνω στη διατομή του κυματοδηγού. Για τις οπτικές ίνες, προβλέπονται δύο () δείκτες l, m, από τους οποίους: Ο 1ος ( l ) περιγράφει τη μεταβολή του πεδίου ως προς την αζιμουθιακή γωνία φ (συγκεκριμένα σχετίζεται με τον αριθμό των μεγίστων κατά μήκος της περιφέρειας της διατομής της ίνας). Ο ος ( m ) περιγράφει τη μεταβολή του πεδίου κατά μήκος της ακτίνας ρ (συγκεκριμένα σχετίζεται με τον αριθμό των μεγίστων κατά μήκος της ακτίνας της διατομής της ίνας). Οι βασικοί κανόνες συμβολισμού είναι οι εξής: Οι εγκάρσιοι τρόποι συμβολίζονται με ΤΕ (Ε z = 0) ή ΤΜ (H z = 0). Οι υβριδικοί τρόποι συμβολίζονται με ΗΕ ή ΕΗ. Για τους τρόπους TE και TM, ισχύει ότι l = 0, οπότε δεν υπάρχει αζιμουθιακή μεταβολή (δηλαδή μεταβολή κατά μήκος της περιφέρειας της ίνας) και το πεδίο είναι ανεξάρτητο 4 Ο δείκτης «ο» (ω ο, λ ο, κλπ.) χρησιμοποιείται μόνον όταν γίνεται αναφορά σε συγκεκριμένη κυκλική συχνότητα ή μήκος κύματος. Ο δείκτης παραλείπεται όταν γίνεται αναφορά (π.χ. στην κυκλική συχνότητα ω) ως μεταβλητή. Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ινοοπτικές Τηλεπικοινωνίες (πρόσθετες σημειώσεις) 7

της γωνίας φ. Οι τρόποι αυτοί αντιστοιχούν στις λεγόμενες «μεσημβρινές» οπτικές ακτίνες και συμβολίζονται με TΕ 0m και TΜ 0m. Για τους τρόπους ΗE και ΕΗ, ισχύει ότι l 0 (υπάρχει αζιμουθιακή μεταβολή, δηλαδή εξάρτηση από τη γωνία φ). Οι τρόποι αυτοί αντιστοιχούν στις λεγόμενες «λοξές» οπτικές ακτίνες και συμβολίζονται με TΕ 0m και TΜ 0m. Για τους τρόπους ΗΕ l+1,m, υπάρχουν l μέγιστα κατά μήκος της περιφέρειας της διατομής (0 φ π). Για τους τρόπους EH l1,m, υπάρχουν l μέγιστα κατά μήκος της περιφέρειας της διατομής (0 φ π). Σε χαλαρά κυματοδηγούσες ίνες (n 1 n ), οι τρόποι ΗΕ m, TΕ 0m και TΜ 0m καθώς και (για l ) οι τρόποι ΗΕ l+1,m και EH l1,m αποκτούν παραπλήσια διαγράμματα διασποράς. Οι τρόποι αυτοί μπορούν (έστω και κατά προσέγγιση) να επανομαδοποιηθούν και να σχηματίσουν νέους τρόπους, οι οποίοι χαρακτηρίζονται ως LP ( 5,6 ). Στους τρόπους αυτούς, λόγω του ότι n 1 n, προκύπτει ότι οι διαμήκεις συνιστώσες τους (E z, H z ) είναι αμελητέες (σχεδόν εγκάρσιοι τρόποι). Ισχύει ότι: LP 01 = ΗΕ 11 LP 1m = ΗΕ m + TΕ 0m + TΜ 0m LP lm = ΗΕ l+1,m + EH l1,m (l ) Ο τρόπος ΗΕ 11 (ο οποίος, λόγω του ότι LP 01 = ΗΕ 11, μπορεί, σε κάθε περίπτωση, να συμβολίζεται και με LP 01 ) είναι ο «θεμελιώδης» τρόπος της ίνας. Χαρακτηριστικό του τρόπου αυτού είναι ότι έχει μηδενική συχνότητα αποκοπής (f HE11 = 0) και συνεπώς μεταδίδεται υπό οποιεσδήποτε συνθήκες. Αυτό σημαίνει ότι (αντίθετα με τους μεταλλικούς κυματοδηγούς) μια ίνα μπορεί να υποστηρίξει τουλάχιστον έναν τρόπο. Στο μήκος κύματος (συχνότητα) για το οποίο V =,405, εμφανίζονται και άλλοι τρόποι στην ίνα. Συνεπώς, η σχέση V <,405 αποτελεί τη συνθήκη ώστε η ίνα να είναι μονότροπη (να υποστηρίζεται μόνον ο ΗΕ 11 ). Υπό την έννοια αυτή, η κανονικοποιημένη σταθερά μετάδοσης b l,m, για συγκεκριμένο τρόπο με δείκτες l, m, ορίζεται ως β, m n k o b l,m = n n 1 και ο ενεργός δείκτης διάθλασης n l m = β l m k o n l m ως Και οι δύο παράμετροι είναι συναρτήσεις της συχνότητας f (ισοδύναμα του μήκους κύματος λ και της κανονικοποιημένης συχνότητας V). Το διάγραμμα που ακολουθεί απεικονίζει, 5 Η επανομαδοποίηση γίνεται με βάση το γεγονός ότι αν οι τρόποι ΗΕ l+1,m και EH l1,m έχουν β 1 β β, τότε a l+1,m E l+1,m(x,y)e jβz e jω ο t + a l1,m E l1,m(x,y)e jβz e jω ο t = [a l+1,m E l+1,m(x,y) + a l1,m E l1,m(x,y)]e jβz οπότε ο όρος [a l+1,m E l+1,m(x,y) + a l1,m E l1,m (x,y)] (άθροισμα των πεδίων των δύο τρόπων) μπορεί να θεωρηθεί ως ένας νέος τρόπος (LP lm ). 6 Επισημαίνεται ότι οι περισσότερες από τις ίνες που χρησιμοποιούνται στην πράξη ικανοποιούν τη συνθήκη χαλαρής κυματοδήγησης (n 1 n ). Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ινοοπτικές Τηλεπικοινωνίες (πρόσθετες σημειώσεις) 8

ακριβώς, την εξάρτηση της κανονικοποιημένης σταθεράς μετάδοσης b l,m από την κανονικοποιημένη συχνότητα V για τους διάφορους τρόπους της ίνας. Αναφορικά με την επίλυση της κυματικής εξίσωσης για τις οπτικές ίνες, ισχύουν τα εξής: Λόγω της ημιτονοειδούς (~e jωt ) χρονικής εξάρτησης του ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου, η κυματική εξίσωση για τον τρόπο lm μεταπίπτει στη διαφορική εξίσωση Helmoltz E lm (ρ,φ, z) n k o E lm (ρρφ, z) 0 Η επίλυση της παραπάνω εξίσωσης γίνεται με τη μέθοδο των χωριζόμενων μεταβλητών, υπό την έννοια ότι το πεδίο Ε lm γράφεται στη μορφή Ε lm (ρ,φ,z) = a lm R lm (ρ)φ lm (φ)ζ lm (z) = a lm R lm (ρ)e jlφ e jβ lm z Ο δείκτης l παίρνει ακέραιες τιμές (l = 0, 1,, ) γεγονός που δηλώνει ότι η μεταβολή ως προς φ είναι περιοδική. Στην περίπτωση που l = 0, το πεδίο είναι σταθερό ως προς φ και ο τρόπος είναι είτε ΤΕ είτε ΤΜ (υπενθυμίζεται ότι οι συγκεκριμένοι τρόποι συμβολίζονται ως ΤΕ 0m, TM 0m ). Προκειμένου, η ακτινική μεταβολή R lm (ρ) του πεδίου να παρουσιάζει ημιτονοειδή μεταβολή στον πυρήνα (δείκτης διάθλασης n co ) και εκθετική μείωση στο περίβλημα (δείκτης διάθλασης n cl ), θα πρέπει n 1 k o β lm 0 και n k o β lm < 0. Αυτό σημαίνει ότι n k o < β lm n 1 k o 0 < b lm 1 n < n l m n 1 Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ινοοπτικές Τηλεπικοινωνίες (πρόσθετες σημειώσεις) 9

Η κατάσταση β lm = n k o χαρακτηρίζεται ως κατάσταση αποκοπής επειδή ο αντίστοιχος τρόπος παύει να κυματοδηγείται (δηλαδή, «αποκόπτεται»). Δεδομένου ότι ο δείκτης διάθλασης n cl είναι δεδομένος, προκύπτει ότι η αποκοπή ( cut off ) του τρόπου π ππο εμφανίζεται για συγκεκριμένη τιμή ενώ ισχύει ότι k oc =, άρα για λοc c συγκεκριμένο μήκος κύματος λ οc (μήκος κύματος αποκοπής) και, ισοδύναμα, για πd συγκεκριμένη συχνότητα και κανονικοποιημένη συχνότητα V c = n1 n. λ οc Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ινοοπτικές Τηλεπικοινωνίες (πρόσθετες σημειώσεις) 10

Η οπτική ίνα ως μέσο μετάδοσης (εξασθένηση και διασπορά) Εξασθένηση Ο συντελεστής εξασθένησης α (συνήθης μονάδα, db/km) είναι συνάρτηση του μήκους κύματος λειτουργίας λ (μm): Στη γραφική παράσταση, απεικονίζονται και οι βασικοί μηχανισμοί που προκαλούν την εξασθένηση του μεταδιδόμενου σήματος. Διευκρίνιση επί της μονάδας μέτρησης (db/km) του συντελεστή εξασθένησης α Η χρήση της μονάδας db/km, υπονοεί ότι η σχέση των ισχύων P 1 και Ρ σε δύο σημεία ( 1 και ) της ίνας που απέχουν, μεταξύ τους, απόσταση L (σε km) είναι της μορφής α L 10 P = P 1. 10 (όπου α σε db/km) Εναλλακτικά μπορεί να χρησιμοποιηθεί η μονάδα Np/km (neper/km) οπότε η σχέση γίνεται P = P 1 α (σε Νp/km) = 0,3.α(σε db/km). α' L e (όπου α σε Np/km). Μπορεί να αποδειχθεί ότι Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ινοοπτικές Τηλεπικοινωνίες (πρόσθετες σημειώσεις) 11

Διασπορά (dispersion) Διατροπική διασπορά (intermodal or modal dispersion) Εμφανίζεται μόνο στις πολύτροπες ίνες. Ίνες με βηματικό δείκτη διάθλασης L/sinφ c L L n1 n1 n ΔL = L L L( 1) L( ) sinφ n c n n n ΔT = c n1 T n L c L n1 n n1( c n 1 n ) L c L 1 1 (ns/km) To πηλίκο ΔT συμβολίζεται, πολλές φορές, ως τδ (συντελεστής διατροπικής διασποράς). L Ίνες με βαθμιαίο δείκτη διάθλασης (α = ) Μπορεί να αποδειχθεί ότι τ δ T L n1 8c (ns/km) δηλαδή συντελεστής διατροπικής διασποράς σε ίνα με βαμιαίο δείκτη διάθλασης είναι κατά Δ μικρότερος από το συντελεστή βηματικής ίνας ίδιων διαστάσεων. 8 Ενδοτροπική ή χρωματική διασπορά (intramodal or chromatic dispersion) Η ανάλυση και τα σχήματα που ακολουθούν αφορούν τις μονότροπες ίνες, στις οποίες εμφανίζεται μόνον η ενδοτροπική ή χρωματική διασπορά (intramodal or chromatic dispersion). Επισημαίνεται ότι, για ρυθμούς μετάδοσης άνω των,5 Gbit/s, εκδηλώνεται και ένας άλλος τύπος διασποράς, η διασπορά τρόπου πόλωσης (Polarisation Mode Dispersion ή PMD) η οποία, εδώ, αγνοείται. Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ινοοπτικές Τηλεπικοινωνίες (πρόσθετες σημειώσεις) 1

Ο συντελεστής ενδοτροπικής διαποράς τ ε είναι άθροισμα δύο επιμέρους συντελεστών, του τ εm (συντελεστής διασποράς υλικού - εναλλακτικός συμβολισμός τ ε,υ ) και του τ εw (συντελεστής διασποράς κυματοδήγησης - εναλλακτικός συμβολισμός τ ε,κ ). Για τις συμβατικές (G.65) ίνες (όπως π.χ. η SMF-8) τ ε 0 για λ λ ΖD 1310 nm. Για τις ίνες μετατοπισμένης διασποράς (Dispersion-Shifted Fibers ή DSFs κατά G.653) λ ΖD 1550 nm (το μήκος κύματος ελάχιστης εξασθένησης). Τέλος, για τις ίνες μετατοπισμένης μη μηδενικής διασποράς (Νon-Zero Dispersion-Shifted Fibers ή NZDSFs κατά G.655 π.χ. η ίνα LEAF) προβλέπεται η εκδήλωση χαμηλής (μη μηδενικής) διασποράς στην περιοχή λ = 1300 1600 nm. Ταχύτητα ομάδας: dω v g = dβ Καθυστέρηση ανά μονάδα μήκους: ω d n1 1 dβ c 1 dn1 1 n1 ω n L v dω dω c dω c dn1 N λ dλ c τ 1 1 g όπου Ν 1 = dn1 dn1 n1 ω n1 λ ο δείκτης διάθλασης ομάδας (group refractive index) dω dλ Καθυστέρηση ανά μονάδα μήκους (εξάρτηση από το μήκος κύματος λ): τ(λ) = L 1 v g dβ dβ dλ πc dβ λ dβ (μονάδα SI: sec/m) dω dλ dω ω dλ πc dλ όπου χρησιμοποιήθηκε το γεγονός ότι λ = ή, ισοδύναμα (βλ. σχέση παραπάνω) τ(λ) 1 dβ 1 dn1... n1 λ L v dω c dλ g πc ω dλ dω πc ω λ πc Παραγωγίζοντας τις δύο (ισοδύναμες) εκφράσεις για την παράμετρο παρακάτω (επίσης ισοδύναμες) εκφράσεις τ(λ) προκύπτουν οι δύο L τ(λ) d L dλ τ(λ) d L dλ 1 dτ(λ) L dλ 1 L dτ(λ) dλ λ c 1 πc d 1 dλ n λ dβ dλ λ d β dλ (σε sec/m.m ps/nm.km) (σε sec/m.m ps/nm.km) Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ινοοπτικές Τηλεπικοινωνίες (πρόσθετες σημειώσεις) 13

1 dτ(λ) Η παράμετρος χαρακτηρίζεται ως συντελεστής ενδοτροπικής διασποράς τ ε (μονάδα L dλ SI sec/m.m, συνήθης μονάδα μετρησης ps/nm.km) τεμ and τεw to τε Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ινοοπτικές Τηλεπικοινωνίες (πρόσθετες σημειώσεις) 14

τε τε = Διευκρίνιση επί του συμβολισμού των διαφόρων συντελεστών διασποράς Το (ελληνικό) γράμμα τ συμβολίζει τον εκάστοτε συντελεστή διασποράς. Έτσι, ο συντελεστής διατροπικής διασποράς συμβολίζεται με τ δ (σε ns/km) ενώ ο συντελεστής ενδοτροπικής διασποράς συμβολίζεται με τ ε (σε ps/nm.km). Από την άλλη πλευρά, ο (αγγλικός) χαρακτήρας D συμβολίζει την εκάστοτε συνολική διασπορά (διατροπική D δ ή ενδοτροπική D ε ). Ισχύει ότι D δ = τ δ.l και D ε = τ ε.δλ.l. Σε ορισμένους υπολογισμούς που αφορούν την ενδοτροπική διασπορα (βλ. κεφ. «ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ») χρησιμοποιείται και ο συντελεστής δ ε = τ ε L = D ε /Δλ (σε ps/nm) που εκφράζει τη διασπορά ανά μονάδα εύρους Δλ. Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ινοοπτικές Τηλεπικοινωνίες (πρόσθετες σημειώσεις) 15

ΟΠΤΙΚΑ ΚΑΛΩΔΙΑ ΣΥΝΑΦΗ ΠΑΘΗΤΙΚΑ ΕΞΑΡΤΗΜΑΤΑ Οπτικά καλώδια Στο σχήμα που ακολουθεί, απεικονίζεται ένας κυλινδρικός σωληνίσκος χαλαρής δομής (loose tube) 1 ινών (διάμετρος σωληνίσκου = 3 mm), ένας σωληνίσκος σφικτής δομής (tight buffer) μίας (1) ίνας (διάμετρος σωληνίσκου = 0,9 mm) και ένας ορθογωνικός (ribbon) σωληνίσκος 1 ινών (πλάτος σωληνίσκου = 3, mm). Στους σωληνίσκους των 1 ινών (χαλαρής δομής και ορθογωνικό), απεικονίζεται και ο χρωματικός κώδικας. Ειδικά, για τον σωληνίσκο χαλαρής δομής, απεικονίζεται και η θέση του εντός ενός οπτικού καλωδίου 96 ινών (με συνολικά 8 σωληνίσκους των 1 ινών). Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ινοοπτικές Τηλεπικοινωνίες (πρόσθετες σημειώσεις) 16

Οπτική ίνα Οπλισμός (μεταλλικός ή αραμίδης) Μανδύας πολυαιθυλενίου Σωλήνας χαλαρής δομής Στοιχείο Μηχανικής Ενίσχυσης Αποσχιστήριο νήμα Γέλη Καλώδιο χαλαρής δομής 96 ινών (8 σωληνίσκοι χαλαρής δομής των 1 ινών). Η διατομή του είναι της τάξης των,5 cm. Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ινοοπτικές Τηλεπικοινωνίες (πρόσθετες σημειώσεις) 17

Υποβρύχια καλώδια με δομή σωληνίσκου χαλαρής δομής του Οίκου Siemens (1 ινών) Υποβρύχιο ινοοπτικό καλώδιο URC μονής ενίσχυσης για μη επαναλαμβανόμενη εκπομπή (single armoured unrepeated cable) Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ινοοπτικές Τηλεπικοινωνίες (πρόσθετες σημειώσεις) 18

Δομή ταινιοκαλωδίου χαλαρής δομής κορεσμένου χώρου με 16 ίνες Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ινοοπτικές Τηλεπικοινωνίες (πρόσθετες σημειώσεις) 19

Συνδετήρες (σύνδεσμοι) Οι συνδετήρες προσφέρονται για προσωρινές διασυνδέσεις. Συνήθως χρησιμοποιούνται για τη διασύνδεση (μέσω οπτικών κορδονιών jumpers) του ενεργού εξοπλισμού με τις ίνες των οπτικών καλωδίων. Οι ευρύτερα χρησιμοποιούμενοι συνδετήρες είναι οι SC και οι FC. Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ινοοπτικές Τηλεπικοινωνίες (πρόσθετες σημειώσεις) 0

Συγκόλληση ινών - οργανωτήρες Η συγκόλληση ινών αποσκοπεί σε μόνιμες συνδέσεις (π.χ. μόνιμη διασύνδεση καλωδίων). Συνήθως η περιοχή συγκόλλησης δύο ινών περιβάλλεται από πλαστικό (θερμοσυστελλόμενο) σωληνίσκο. Εικόνα συγκόλλησης ινών όπως φαίνεται από την συσκευή συγκόλλησης Συσκευή συγκόλλησης του Οίκου Siemens Θερμοσυστελλόμενοι σωληνίσκοι Αναδιπλούμενοι μεταλλικοί φάκελοι Οι περιοχές συγκόλλησης των ινών (μαζί με τους σωληνίσκους) τοποθετούνται μέσα σε πλαστικούς οργανωτήρες. Ως «μονοκυκλωματικής διαχείρισης», χαρακτηρίζονται οι οργανωτήρες που τοποθετούνται σε χώρους συνδρομητών και περιέχουν τις συγκολλήσεις των ινών ενός μόνο συνδρομητή. Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ινοοπτικές Τηλεπικοινωνίες (πρόσθετες σημειώσεις) 1

Οργανωτήρες ΑΣΠΑΙΤΕ / Τμήμα Εκπαιδευτικών Ηλεκτρολόγων μονοκυκλωματικής Μηχανικών & Εκπαιδευτικών Ηλεκτρονικών Μηχανικών διαχείρισης Οπτικός Κατανεμητής Εισαγωγή καλωδίων και καλωδιο-ουρών Περιβλήματα Τα περιβλήματα περιέχουν τους οργανωτήρες συγκόλλησης που χρησιμοποιούνται για την (υπόγεια) διασύνδεση οπτικών καλωδίων κορμού. Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ινοοπτικές Τηλεπικοινωνίες (πρόσθετες σημειώσεις)

Περιβλήματα συνδέσεως μορφής σωλήνα (Οίκου Siemens) Περίβλημα συνδέσεως μορφής θόλου. Οπτικά κορδόνια (jumpers) Τα οπτικά κορδόνια (jumpers) είναι οπτικές ίνες μικρού μήκους (συνήθως από 1 έως 4 m) οι οποίες, στα άκρα τους, διαθέτουν τους κατάλληλους συνδετήρες και χρησιμοποιούνται για την τοπική διασύνδεση των τερματικών διατάξεων (π.χ. πομποδεκτών) με τους οπτικούς κατανεμητές (βλ. αμέσως παρακάτω) και, μέσω αυτών, με τα οπτικά καλώδια. Καλωδιο-ουρές και κορδόνια διασύνδεσης διαφορετικών τύπων συνδέσμων. Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ινοοπτικές Τηλεπικοινωνίες (πρόσθετες σημειώσεις) 3

Οπτικοί κατανεμητές Χώρος Αποθήκευσης Κορδονιών Διασύνδεσης Πλαίσια Διασύνδεσης Οπτικού Κατανεμητή Μέτωπο Οπτικού Κατανεμητή 19 με συνδέσμους Μέτωπο Οπτικού Κατανεμητή Χώρος Αποθήκευσης Σωληνίσκων Καλωδίου Εισαγωγή Ινοοπτικού Καλωδίου. Διαχωρισμός Σωληνίσκων. Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ινοοπτικές Τηλεπικοινωνίες (πρόσθετες σημειώσεις) 4

Μέτωπο Οπτικού Κατανεμητή με συνδέσμους Χώρος Αποθήκευσης Ινο-ουρών, Κορδονιών Διασύνδεσης και Σωληνίσκων του Καλωδίου Κατανεμητής Οίκου SIEMENS Χώρος Αποθήκευσης Κορδονιών Διασύνδεσης Εισαγωγή Καλωδίων και Κορδονιών Διασύνδεσης Θέσεις οργανωτήρων συνενώσεων και κατανεμητων Κατανεμητής Οίκου RAYCHEM Διπλοί προσαρμογείς σε οπτικό κατανεμητή μονοκυκλωματικής διαχείρισης (RAYCHEM). Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ινοοπτικές Τηλεπικοινωνίες (πρόσθετες σημειώσεις) 5

Ενεργός Εξοπλισμός Σύνδεσμοι Συνένωση Ίνα τεματιζόμενου καλωδίου Κορδόνι Διασύνδεσης Καλωδιο-ουρά Οργανωτήρας Ενεργός Εξοπλισμός Σύνδεσμοι Πλαίσιο διασύνδεσης Κορδόνι Διασύνδεσης Ίνα τερματισμένη σε σύνδεσμο Ίνα τεματιζόμενου. καλωδίου (σφικτής δομής) Πλαίσιο διασύνδεσης Μέθοδοι τερματισμού ινοοπτικού καλωδίου σε πλαίσιο διασύνδεσης. Κουτιά τερματισμού του Οίκου RAYCHEM που χρησιμοποιούνται στο δίκτυο πρόσβασης (μονοκυκλωματική διαχείριση). Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ινοοπτικές Τηλεπικοινωνίες (πρόσθετες σημειώσεις) 6