Περιεχόμενα διάλεξης

3η Διάλεξη Οπτικές ίνες II Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 1 Περιεχόμενα διάλεξης Ιδιότητες οπτικών ινών Εξασθένηση (Attenuation) Διασπορά (Dispersion) Ορισμός εξασθένησης Αιτίες εξασθένησης Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 2 Page 1

Διαμεσημβρινές ακτίνες (Meridional Rays) Μία διαμεσημβρινή ακτίνα βρίσκεται σε επίπεδο που περιλαμβάνει τον άξονα συμμετρίας της ίνας. Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 3 Στρεβλές ακτίνες (Skew Rays) Μία στρεβλή ακτίνα βρίσκεται σε επίπεδο μετατοπισμένο κατά μια απόσταση R από τον άξονα συμμετρίας της ίνας. Η ακτίνα ακολουθεί ελικοειδή τροχιά. Η προβολή της στο εγκάρσιο επίπεδο είναι ένα κανονικό πολύγωνο, όχι αναγκαστικά κλειστό. Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 4 Page 2

Υποβαθμισμός σήματος στις οπτικές ίνες (Signal Degradation in Optical fibers) Το πιο απλό τηλεπικοινωνιακό σύστημα οπτικών ινών είναι ένα σύστημα point-to-point στο οποίο ένας οπτικός πομπός και ένας δέκτης είναι ενωμένοι με μια οπτική ίνα (πχ υπερατλαντικές ζεύξεις) Information source Optical transmitter Optical receiver Information recipient Optical fiber Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 5 Υποβαθμισμός σήματος στις οπτικές ίνες Στις ιδανικές ίνες, ότι σήμα μπαίνει μέσα πρέπει να βγαίνει έξω : f (t) f (t - τ) L τ = Ln 1 /c Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 6 Page 3

Υποβαθμισμός σήματος στις οπτικές ίνες Στην πραγματικότητα, το σήμα που περνά μέσα από την ίνα υποβαθμίζεται λόγω: εξασθένισης (attenuation (i.e. optical signal loss)) διασποράς (dispersion (i.e. optical signal distortion)) P in P out input pulse output pulse Η εξασθένιση δεν επηρεάζει το πλάτος του σήματος απλώς μειώνει την ισχύ του σήματος (Attenuation does not affect the temporal width of the input pulse, it simply reduces the power) Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 7 Υποβαθμισμός σήματος στις οπτικές ίνες: Διασπορά Εάν η εξασθένιση ήταν η μόνη πηγή του υποβαθμισμού του σήματος, τότε δεν θα είχαμε πρόβλημα λόγω της ύπαρξης των οπτικών ενισχυτών: OPTICAL AMPLIFIER fiber 0 1 0 0 1 0 0 1 0 Input bit stream Δυστυχώς, η οπτικές ίνες παρουσιάζουν επίσης διασπορά... Output bit stream: attenuated Original bit stream Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 8 Page 4

Τα σήμα που μπαίνει μέσα στην ίνα δεν είναι το ίδιο με το σήμα που βγαίνει έξω p IN (t) p OUT (t) fiber p (t) p(t - τ) Καμία αλλαγή στην t μορφή του σήματος t Μόνο εξασθένηση Μείωση στην ισχύ του παλμού Εξασθένηση και Διασπορά Μείωση στην ισχύ του παλμού Pulse spreading τ τ τ Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 9 t t Η πλειοψηφία των οπτικών ζεύξεων είναι ψηφιακές: Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. Page 5

Ορισμοί Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 11 Ορισμός db Ο λόγος δύο μεγεθών R μπορεί να εκφραστεί σε decibel (db) R(dB) = log R Π.χ. Λόγος σήματος προς θόρυβο SNR (db) = log (S/N) όπου S, N οι ισχείς σήματος και θορύβου, αντίστοιχα. Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 12 Page 6

Οι μονάδες db και dbm Η μονάδα db χρησιμοποιείται σε ευρεία κλίμακα στον σχεδιασμό οπτικών ζεύξεων γιατί: Επιτρέπει τις διάφορες συνεισφορές απώλειας και απολαβής (loss and gain contributions) να συμπεριλαμβάνονται χρησιμοποιώντας πρόσθεση/αφαίρεση, παρά πολλαπλασιασμό/διαίρεση. (Αυτό χρειάζεται εάν χρησιμοποιούμε γραμμικές μονάδες απολαβής/απώλειας) Η λογαριθμική φύση του db επίσης επιτρέπει μεγάλους λόγους (large ratios) να εκφράζονται με πιο μικρούς αριθμούς (more manageable numbers) και επιτρέπει επίπεδα ισχύς (power levels) που διαφέρουν κατά πολύ (by many orders of magnitude) να είναι εύκολα συγκρίσιμα. Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 13 Οι μονάδες db και dbm Οπτικός ενισχυτής με απολαβή (gain) (σε γραμμικές μονάδες (linear units)) του G : P OUT (mw) = G P IN (mw) Ορίζουμε την απολαβή G σε db ως ακολούθως: G (db ) = log P P OUT IN Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 14 Page 7

Οι μονάδες db και dbm Ratio db N N 00 30 0 20 1 0 0.1-0.01-20 0.001-30 -N - N Ratio db 2 N 3.01 N 8 9.03 4 6.02 2 3.01 1 0 0.5-3.01 0.25-6.02 0.125-9.03 2 -N - 3.01 N Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 15 0 90 80 70 Power Ratio 60 50 40 30 20 0-20 -15 - -5 0 5 15 20 db Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 16 Page 8

Ορισμός του dbm Στις οπτικές επικοινωνίες είναι χρήσιμο να έχουμε λογαριθμική μετρική μονάδα (logarithmic measure) της απόλυτης ισχύς σε οποιοδήποτε σημείο μέσα στο σύστημα. Αυτό μπορούμε να το καταφέρουμε με την μονάδα dbm, η οποία υποδηλώνει σχετική οπτική ισχύ πάνω σε λογαριθμική κλίμακα με σημείο αναφοράς το 1 mw: P ( dbm ) = log P (mw ) 1 mw Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 17 Γιατί dbm? Η χρησιμότητα του dbm είναι ότι είναι συμβατό με τις μονάδες db για απολαβή/απώλεια. Για παράδειγμα, ξέρουμεότιεάνέχουμεισχύ1 mw και πολλαπλασιάσουμε με απολαβή 2 (gain of 2), παίρνουμε 2 mw. Τώρα να κοιτάξουμε το ίδιο παράδειγμα με db και dbm. Οι αντίστοιχες τιμές της ισχύς είναι 0 dbm and 3 dbm; Και ο παράγοντας 2 αντιστοιχεί σε 3 db. Μπορούμε δηλαδή να πούμε ότι εάν πάρουμε ένα σήμα με ισχύ 0 dbm το περάσουμε μέσα από ένα οπτικό ενισχυτή με απολαβή 3 db, η ισχύςτου σήματος στην έξοδο θα είναι 0 + 3 = 3 dbm. Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 18 Page 9

Παράδειγμα P OUT ( mw ) = G PIN ( mw ) log { POUT ( mw )} = log { G PIN ( mw )} = log G + log { P ( mw )} IN P ( mw ) log = log G + log 1 mw OUT P IN ( mw 1 mw ) P OUT ( dbm ) = G (db ) + PIN (dbm ) Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 19 Το κλάσμα των μεταβιβασμένων bits που λήφθηκαν λάθος (Bit Error Rate (BER)) Στις ψηφιακές επικοινωνίες, ο βασικός στόχος είναι να ελαχιστοποιήσουμε τον αριθμό των bits που λαμβάνονται λανθασμένα (bit errors). Ένα τυπικό BER για συστήματα τηλεπικοινωνιών είναι -9 - -15. Ακόμη ένας στόχος είναι να μεγιστοποιήσουμε την απόσταση μεταξύ αναγεννητών (repeater spacing) L για ένα δεδομένο ρυθμό δεδομένων (given bit rate) B T. Αυτές οι δύο παράμετροι συνδυάζονται για να μας δώσουν το γινόμενο ρυθμό δεδομένων-απόσταση αναγεννητών (bit-rate - repeater spacing product). Για ένα δεδομένο B T, η ελάχιστη επιτρεπόμενη ισχύς στην φωτοδίοδο ονομάζεται η ευαισθησία του δέκτη (receiver sensitivity) P R. Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 20 Page

Εξασθένιση στις Οπτικές Ίνες Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 21 Απώλεια Ζεύξης Εάν η οπτική ισχύς από μία δίοδο λέιζερ δίνεται από P S, τότε η ολική επιτρεπόμενη απώλεια στην ζεύξη δίνεται από: PS loss link = P Δηλαδή, loss link αντιπροσωπεύει την απώλεια που επιτρέπεται μεταξύ της εξόδου της οπτικής πηγής και της εισόδου στην φωτοδίοδο: R Optical transmitter P S (mw) Optical fiber loss = loss link P R (mw) Optical receiver Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 22 Page 11

Εξασθένιση (Attenuation) Σε μια οπτική ίνα: εξασθένιση για κάθε μονάδα μήκους (attenuation is per unit length), δηλαδήόσοπιομακριάήίνα τόσοπιομεγάληηεξασθένιση. Η οπτική ισχύς σε (mw) μειώνεται εκθετικά καθώς το φώς ταξιδεύει μέσα στην ίνα: P(z) = P(0) e -Az P(z): Ισχύςσεαπόστασηz (at a distance z down the fiber) P(0): Ισχύς στην είσοδο της ίνας (power at input to fiber) A: Σταθερά εξασθένισης (attenuation constant (per unit length): nepers per m) (neper (Np) unit expressing the ratio of two numbers as a natural logarithm; the ratio r corresponds to (1/2) ln r nepers. One neper is equal to about 8.685 890 decibels, and in general n nepers equal 20n/(ln ) decibels. Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 23 Εξασθένιση Για μία ίνα με μήκος L(σε Kms), ηεξασθένισησεdb είναι: P(0) AL log = log ( e ) P( L) Ξέρουμε ότι log x = ln x / ln, και παίρνουμε: log [P(0)/P(L)] = [ln(e AL )/ln()] = [/ln()]al = 4.343AL = α F L α F είναι η εξασθένιση στην ίνα ανά μονάδα μήκους σε db/km (fiber attenuation per unit length, in units of db/km) Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 24 Page 12

Εξασθένιση Η εξίσωση της οπτικής ισχύος στις ίνες σε mw είναι:, P(z) = P(0) e -Az Εάν πάρουμε τους λογάριθμους: log P(L) = log {P(0) e -AL } = log {P(0)} + log {e -AL } = log {P(0)} - AL log {e} P(L) in units of dbm P(0) in units of dbm α F L in units of db Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 25 Διαχείριση Ισχύος σε μια ζεύξη (Link Power Budget) Η διαχείριση ισχύος σε μια ζεύξη καθορίζει πόση οπτική ισχύς μπορεί να απολεσθεί μεταξύ του πομπού και του δέκτη για μια δεδομένη ευαισθησία του δέκτη και μια δεδομένη ισχύ στον πομπού. (The link power budget determines how much power can be lost between the transmitter and the receiver for a given receiver sensitivity (which depends on the bit rate) and transmitter power output.) Μονάδες db και dbm χρησιμοποιούνται στην διαχείριση ισχύος. LASER fiber PHOTODIODE P S (dbm) α F L (db) P R (dbm) α F L max = P S - P R Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 26 Page 13

Οπτική Ισχύς / Ηλεκτρική Ισχύς Γιατί η ηλεκτρική ισχύς διαφέρει από την οπτική ισχύ? Εξάλλου, ισχύς είναι ισχύς, ηλεκτρική η οπτική, καιοιμονάδεςείναιοι ίδιες, πχ Watts (W). Η απάντηση έρχεται μέσα από την μετατροπή από τα ηλεκτρονικά σήματα στα οπτικά μέσω πχ διόδους λέιζερ και στην αντίστοιχη μετατροπή από οπτικά σε ηλεκτρονικά σήματα μέσω των φωτοδιόδων. Στα LEDs και διόδους λέιζερ, φωτόνια δημιουργούνται με επανασύνδεση ηλεκτρονίων-τρυπών (electron-hole recombination). Τα ηλεκτρόνια παρέχονται από ένα ρεύμα εισαγωγής (injection current). Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 27 Σε χρονικό διάστημα T, N e ηλεκτρόνια εισάγονται... I in I Παράδειγμα: Δίοδος Λέιζερ P LD...στην ίδια χρονική περίοδο, N p φωτόνια εκπέμπονται in = N q P e T T Κβαντική απόδοση (quantum efficiency): LD = Άρα ο αριθμός των φωτονίων που εκπέμπονται σε ένα χρονικό διάστημα T είναι ανάλογος με τον αριθμό των ηλεκτρονίων που εισάγονται q = electron charge, h = Planck s constant, hf = photon energy N p hf η LD = N N p e Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 28 Page 14

Παράδειγμα: Δίοδος Λέιζερ Με άλλα λόγια, ηοπτικήισχύςστηνέξοδοτουld είναι άμεσα ανάλογη (directly proportional) στο ρεύμα οδηγός (drive current). P optical I Σε αντίθεση, η ηλεκτρική ισχύς είναι άμεσα ανάλογη στο τετράγωνο τοθ ρεύματος: P electrical I 2 που σημαίνει: 2 P electrical P optical Παρόμοια ανάλυση για τις φωτοδιόδους, με την διαφορά ότι για τις φωτοδιόδους παράγουμε ηλεκτρόνια με εισαγωγή φωτονίων, και το ρεύμα που δημιουργείται είναι άμεσα ανάλογο με την οπτική ισχύ στην είσοδο της φωτοδιόδου. Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 29 Οπτική Ισχύς / Ηλεκτρική Ισχύς Σε γραμμικές μονάδες (πχ. mw), μπορούμε να γράψουμε: 2 P = k electrical P optical Όπου k είναι κάποια σταθερά (μονάδες mw -1 ). Παίρνοντας λογάριθμους έχουμε: 2 log P = log k P electrical = log { } optical k + 20 log δηλαδή P electrical (dbm) = constant + 2 P optical (dbm) P optical Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 30 Page 15

Οπτική Ισχύς / Ηλεκτρική Ισχύς P electrical (dbm) Κλίση = 2 db Για κάθε 1 db αύξηση/μείωση στην οπτική ισχύ, έχουμε 2 db αύξηση/μείωση στην ηλεκτρική ισχύ P optical (dbm) =>1 οπτικό db 2 ηλεκτρικά db Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 31 Οπτικό Εύρος Ζώνης/ Ηλεκτρικό Εύρος Ζώνης current ratio i out (jω)/ i in (jω) 1.000 0.707 0.500 electrical 3 db point optical 3 db point electrical bandwidth frequency optical bandwidth (Note: the default BW definition is electrical BW) Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 32 Page 16

Εξασθένιση Εάν κοιτάξουμε το ηλεκτρικό πεδίο για ένα οδεύον κύμα που σχετίζεται με το φώς, η εξασθένισημπορείναθεωρηθείότιμαςοδηγείσεμιαπεριβάλλουσα φθοράς (If we look at the electric field travelling wave associated with light, attenuation can be thought of as leading to a decaying envelope): Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 33 Εξέλιξη απώλειας σε γυαλί Optical Loss (db/km) 7 6 5 4 3 2 1 Egyptian Venetian Optical glass Optical fiber 0.1 3000 BC 00 AD 1900 1966 1979 1983 Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 34 Page 17

Διάφορες πηγές εξασθένησης της οπτικής ισχύος στις ίνες Source: C-L Chen, Elements of Optoelectronics & Fiber Optics Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 35 Φασματική απορρόφηση Μηχανισμοί εξασθένισης : 1. Απορρόφηση υλικού 2. Σκέδαση Rayleigh 3. Κατασκευαστικές ατέλειες 4. Μη γραμμικότητες Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 36 Page 18

Αιτίες εξασθένησης στις ίνες Απορρόφηση (Absorption): Εξαρτάται από το υλικό και τις προσμίξεις Ενδογενής απορρόφηση από άτομα στο υλικό των ινών Εξωγενής απορρόφηση από άτομα ξένων σωμάτων (impurity atoms) Απορρόφηση από ατομικές ατέλειες στο γυαλί (atomic defects in glass) Σκεδασμός (Scattering): Λόγω του ανομοιογενούς υλικού (inhomogeneous material) Σκεδασμός Rayleigh Σκεδασμός Mie Ακτινοβολία (Radiation): Λόγω των διακοπών (discontinuities), πχ κάμψεις των ινών (e.g. bending of fiber) Μικρο-κάμψεις και Μεγαλο-κάμψεις (Macrobends and microbends) Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 37 Απορρόφηση υλικού Διακρίνεται σε ενδογενή και εξωγενή Ενδογενής απορρόφηση: Ηλεκτρονιακή διέγερση (λ<0.4 μm) Ταλαντώσεις του μορίου SiΟ 2 (λ>7 μm) Εξωγενής απορρόφηση: Ηλεκτρονιακή διέγερση μεταλλικών προσμίξεων (Fe, Cu, Co, Ni, Mn, Cr) Ταλάντωση ΟΗ -1 (2.73, 1.39, 1.24, 0.95 μm) Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 38 Page 19

Απώλειες απορρόφησης: εξωγενείς Εξωγενής απορρόφηση είναι τις περισσότερες φορές ο κύριος παράγοντας απορρόφησης και προκαλείται από μέταλλα (σίδηρο, κοβάλτιο, χαλκό και χρώμιο) και ιόντα υδροξυλίου (ΟΗ). Οι αρχικές ίνες είχαν μεγάλη συγκέντρωση ξένων σωμάτων νερού και παρουσίαζαν μεγάλη απορρόφηση του φωτός. Στις μοντέρνες ίνες (χαμηλό OH), απώλειες λόγω εξωγενής απορρόφησης έχουν μειωθεί σημαντικά. («Στέγνωμα» τωνινώνσε αέριο χλωρίου για να φύγει το νερό). Η συγκέντρωση των ιόντων OH και μετάλλου στις ίνες για να έχουμε επιτρεπόμενες απώλειες είναι ένα στο δισεκατομμύριο ή λιγότερο (one part per billion or less). Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 39 Φάσμα απορρόφησης για ΟΗ στο διοξείδιο του πυριτίου (Absorption spectrum for OH in silica) Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 40 Page 20

Απώλειες απορρόφησης: ενδογενείς Ενδογενής απορρόφηση συμβαίνει λόγω των ζωνών ηλεκτρονιακής διέγερσης (electronic absorption bands) στην περιοχή UV και των ζωνών ατομικών ταλαντώσεων κοντά στην περιοχή IR. Αυτές οι απώλειες συσχετίζονται με το υλικό της ίνας και μας δίνουν το κατώτατο όριο για την απορρόφηση. Με άλλα λόγια, απώλειες λόγω απορρόφησης δεν μπορεί να είναι μικρότερεςαπόαυτότοόριο. Εξασθένιση που προκαλείται από ενδογενή απορρόφηση στις περιοχές UV και IR εξαρτάται από το μήκος κύματος ως ακολούθως: α UV = A UV exp (λ UV / λ) α IR = A IR exp (-λ IR / λ) Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 41 Απορρόφηση πλέγματος Το ΗΜ κύμα (φώς) αναγκάζει τα ιόντα να ταλαντεύονται στην συχνότητα του κύματος. Κάποια ενέργεια χάνεται στις ταλαντώσεις του πλέγματος (θερμική ενέργεια) The EM wave (light) forces ions to vibrate at the frequency of the wave; some energy is then lost by being coupled into lattice vibrations (heat). E x - + - + - + - - + - + + - + - Solid material Ions form a lattice z Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 42 Page 21

Απώλειες λόγω σκέδασης (Scattering losses) Μηχανισμοί σκεδασμού έχουν σαν αποτέλεσμα την μεταβίβαση μέρους ή όλης της οπτικής ισχύς γραμμικά από ένα τρόπο διάδοσης σε ένα διαφορετικό τρόπο. Υπάρχουν 2 κύριοι μηχανισμοί σκέδασης: (Scattering mechanisms cause the transfer of some or all of the optical power contained in one propagating mode to be transferred linearly into a different mode. There are two major types of scattering:) Σκέδαση Rayleigh: Προκαλείται από τυχαίες ανομοιογένειες που συμβαίνουν σε μικρή κλίμακα σε σύγκριση με το μήκος κύματος. Σκέδαση Mie: Συμβαίνει σε ανομοιογένειες όπου η διακοπή (discontinuity) είναι συγκρίσιμη με το μήκος κύματος. Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 43 Σκέδαση Rayleigh (Rayleigh scattering) Το ΗΜ κύμα προκαλεί διπολικές ταλαντώσεις στα διηλεκτρικά σωματίδια που συναντά. Τα σωματίδια τότε συμπεριφέρονται σαν διπολικές αντένες και εκπέμπουν κύματα σε πολλές κατευθύνσεις. (The EM wave forces dipole oscillations in the dielectric particle that it encounters. The particle then acts like a dipole antenna, radiating waves in many directions.) Scattered wave Incident wave Through wave + - Scattered wave Scattered wave Dielectric particle smaller than wavelength Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 44 Page 22

Σκέδαση Rayleigh Μικροδιακυμάνσεις της πυκνότητας SiΟ 2 Μικρομεταβολές δ.δ. σε κλίμακα << λ ar 4 = C/ λ όπου: C db 0.7 0.9 km μm = 4 Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 45 Σκέδαση Rayleigh (Rayleigh scattering) Η σκέδαση Rayleigh εξαρτάται από το λ -4, δηλαδή α Rayleigh = A R λ -4 Attenuation (db/km) 1.0 0.1 1200 1400 1600 Wavelength (nm) Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 46 Page 23

Ενδογενής απορρόφηση σε οπτικές ίνες από διοξείδιο του πυριτίου (Intrinsic attenuation for a pure silica fiber) Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 47 Πειραματική μέτρηση εξασθένισης σε οπτικές ίνες από διοξείδιο του πυριτίου με πολύ χαμηλές απώλειες (Measured attenuation for ultra-low loss silica fiber) Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 48 Page 24

«Παράθυρα» λειτουργίας (Windows of operation) Το προφίλ της εξασθένισης σε σχέση με το μήκος κύματος παίζει μεγάλο ρόλο στο να αποφασίσουμε τα μήκη κύματος που θα χρησιμοποιήσουμε για τα οπτικά συστήματα επικοινωνιών: Πρώτο παράθυρο: 850 nm περιοχή Δεύτερο παράθυρο: 1300 nm περιοχή Τρίτο παράθυρο: 1550 nm περιοχή Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 49 «Παράθυρα» λειτουργίας Loss of modern fibers Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 50 Page 25

Κατασκευαστικές ατέλειες Μικροδιακυμάνσεις της ακτίνας πυρήνα Μικρομεταβολές δ.δ. σε κλίμακα ~ λ (σκέδαση Mie) Καμπυλώσεις Μικροκάμψεις Απώλειες ισχύος λόγω κακής ευθυγράμμισης συγκολλήσεων, συνδετήρων, κ.λ.π. Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 51 Απώλειες ακτινοβολίας (Radiation losses) Απώλειες ακτινοβολίας συνήθως συμβαίνουν στις καμπές των οπτικών ινών (Radiation losses usually occur at bends in the optical fiber): Critical bend radius usually 3-4 cm for sm fiber Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 52 Page 26

Απώλειες ακτινοβολίας Απώλειες ακτινοβολίας επίσης συμβαίνουν όταν έχουμε μικρο-κάμψεις λόγω της πίεσης σε μερικά σημεία της ίνας (Radiation losses also occur at microbends introduced due to uneven pressures in cabling of fiber:) Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 53 Απώλειες ακτινοβολίας α B (m -1 ) for cmof bend 2 1 1 Measured microbending loss for a cm fiber bent by different amounts of radius of curvature R. Single mode fiber with a core diameter of 3.9 μm, cladding radius of 48μm, Δ = 0.004, NA = 0.11, V = 1.67 and 2.08. 2 3 λ = 633 nm V 2.08 λ = 790 nm V 1.67 0 2 4 6 8 12 14 16 18 Radius of curvature (mm) 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall) Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 54 Page 27

Απώλειες από ίνα σε ίνα Μη ευθυγράμμιση των ινών όταν τις ενώνουμε μαζί προκαλεί απώλειες. Μόνιμες ενώσεις (splices), παρουσιάζουν απώλειες. «Γυμνή» ίνα: χωρίς συνδετήρες (connectors) Fiber pigtail: Ένα συνδετήρα στην μια άκρη και «γυμνή» ίνα στην άλλη άκρη (one connector on one end, other end left bare) Fiber patchcord (connectorised fiber): συνδετήρες και στις δύο άκρες Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 55 Απώλειες από ίνα σε ίνα Core Longitudinal misalignment Lateral misalignment Angular misalignment diagrams are exaggerated! Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 56 Page 28

Μη γραμμικά φαινόμενα Εξαναγκασμένη σκέδαση Raman Brillouin Μη γραμμική διάθλαση Αυτοδιαμόρφωση φάσης Ετεροδιαμόρφωση φάσης Μίξη τεσσάρων κυμάτων Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 57 Καταπολέμηση εξασθένισης Εξάλειψη προσμίξεων Χρήση υλικών (γυαλιών) με μικρή ενδογενή απορρόφηση στο μακρινό υπέρυθρο Προσεκτική καλωδίωση Μετάδοση μικρών οπτικών ισχύων Χρήση οπτικών ενισχυτών Προηγμένες τεχνικές σχεδίασης (π.χ. Ίνες φωτονικών κρυστάλλων) Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 58 Page 29

Τελικά. Μπορεί να φαίνεται ότι το μήκος κύματος 1550 nm πρέπει να χρησιμοποιείται (έτσι συμβαίνει σε πολλά μοντέρνα συστήματα) αλλά, η εξασθένιση δεν είναι η μόνη μορφή υποβάθμισης του σήματος σε μια οπτική ίνα Γ. Έλληνας, Διάλεξη 3, σελ. 59 Page 30