Ινοοπτικές ζεύξεις
Εξελίξεις στις οπτικές επικοινωνίες Δεκαετία 1980: μήκος κύματος φέροντος στα 850nm (1o παράθυρο εξασθένησης) Δεκαετία 1990: μήκος κύματος φέροντος στα 1310nm (2o παράθυρο εξασθένησης με ταυτόχρονη ελαχιστοποίηση της διασποράς) Σήμερα: μήκος κύματος φέροντος στα 1550nm (3o παράθυρο εξασθένησης με ταυτόχρονη αύξηση της διασποράς σε σχέση με το 2ο παράθυρο). Χρησιμοποιείται κυρίως λόγω της λειτουργίας των οπτικών ενισχυτών ερβίου. Η τάση στις οπτικές επικοινωνίες είναι ο εξοπλισμός να λειτουργεί αμιγώς οπτικά. Σε αυτή την κατεύθυνση έχουν βοηθήσει οι οπτικοί ενισχυτές και οι οπτικοί πολυπκλέκτες.
Κατάσταση των ζεύξεων σήμερα Χρησιμοποιούνται μήκη κύματος στις περιοχές των 1310 και 1550 nm στις οποίες ελαχιστοποιείται η οπτική εξασθένηση. Χρησιμοποιούνται μονότροπες οπτικές ίνες με συντελεστή εξασθένησης μικρότερο των 0,4 db/km. Χρησιμοποιούνται οπτικοί πομποί laser υψηλών επιδόσεων. Χρησιμοποιείται κυρίως εξωτερική διαμόρφωση ASK. Χρησιμοποιούνται κυρίως ενισχυτές Ερβίου (EDFAs). Χρησιμοποιείται ευρέως η τεχνική πολύπλεξης WDM.
Βασικοί υπολογισμοί Ισολογισμός ισχύος Ο οπτικός δέκτης πρέπει να λαμβάνει ισχύ P r μεγαλύτερη απο την ευαισθησία του P r,min. Προδιαγράφεται από τους κατασκευαστές η μέγιστη δυνατή εξασθένηση A max από την έξοδο του πομπού έως την είσοδο του δέκτη. Εάν Pt η ισχύς του πομπού τότε: Α max = P t P r,min H συνολική εξασθένηση A tot υπολογίζεται απο: Τον συντελεστή εξασθένησης του οπτικού καλωδίου a f (db/km) Απώλειες λόγω συνδετήρων Α con Πρόσθετες απώλειες Π λόγω γήρανσης περιβάλλοντος κλπ Α tot = α f L + Α con + Π < Α max
Παράδειγμα Σε ζεύξη οπτικών ινών μήκους L=100km χρησιμοποιείται μονότροπη ίνα με συντελεστή εξασθένησης a f =0,3dB/km. O πομπός εκπέμπει ισχύ P t = 1mW ενω ο δέκτης έχει ευαισθησία P r,min =-30dBm. Αν Α con =2dB και Π=8dB να διευκρινιστεί άν θα χρειαστεί οπτικός ενισχυτής. Υπολογίζουμε την ισχύ του πομπού σε dbm. P t = 1mW = 10log(1mw/1mw) = 0dBm Η μέγιστη επιτρεπτή εξασθένηση προκύπτει από την διαφορά της στάθμης του πομπού μείον την στάθμη του δέκτη: Α max = P t P r,min = 30dB Στην συνέχεια υπολογίζουμε την πραγματική εξασθένηση: A tot = a f. L +A con + Π = 0,3 db/km. 100 km +2dB +8dB = 40dB Αφού η πραγματική εξασθένηση είναι 10dB πάνω από την επιτρεπτή, απαιτείται ενίσχυση 10 db.
Διασπορά Εάν D s είναι η συνολική διασπορά του οπτικού καλωδίου, t rise,t και t rise,r οι χρόνοι ανύψωσης 10% - 90% του πομπού και του δέκτη αντίστοιχα και B είναι το διαθέσιμο εύρος ζώνης ισχύουν οι σχέσεις: τ tot = 1,1.[D s 2 + t rise,t 2 + t rise,r2 ] 1/2 (σε sec) και Β = 0,25 / τ tot (Hz) Ο μέγιστος ρυθμός μετάδοσης R δίνεται απο τον τύπο: R max = 0,25 / τ tot (bit/sec)
Παράδειγμα Μια ξεύξη οπτικών ινών έχει μήκος L=40km και χρησιμοποιεί καλώδιο μονότροπων ινών με συντελεστή ενδοτροπικής διασποράς τ ε = 15ps/nm.km. Ο πομπός έχει εύρος Δλ = 1nm. Αν οι χρόνοι ανόδου του πομπού και του δέκτη είναι t rise,t =1ns και t rise,r =1ns αντίστοιχα να υπολογιστούν: α) Το εύρος ζώνης Β της ζεύξης. β) Ο επιτεύξιμος ρυθμός μετάδοσης R. Λύση: D s =D ε =τ ε.δλ.l= 15 (ps/nm.km). 1nm. 40km = 600ps =0,6ns 2 2 τ tot = 1,1.(D s + t rise,t + t rise,r2 ) 1/2 = 1,1.(0,6 2 + 1 2 + 1 2 ) 1/2 =1,7ns B = 0,25 / τ tot = 147MHz R max = 0,25 / τ tot = 147 Mbit/s
Τυπική διάταξη για την διεξαγωγή μετρήσεων Οπτική πηγή π.χ. laser Σύστημα προς μέτρηση Οπτικός δέκτης π.χ. ισχυόμετρο
Μέτρηση οπτικής ισχύος πομπού Γεννήτρια Ψηφιακών σημάτων πομπός Οπτικά κορδόνια Ισχυόμετρο
Μέτρηση εξασθένησης ζεύξης laser Ισχυόμετρο Η συνολική εξασθένηση Α tot μιας ζεύξης μπορεί να μετρηθεί απο την σύγκριση της οπτικής ισχύος εξόδου του laser P laser και της οπτικής ισχύος P meter που καταγράφει το ισχυόμετρο: A tot (db) = P laser (dbm)-p meter (dbm)
Μέτρηση εξασθένησης ζεύξης Προκειμένου το laser και το ισχυόμετρο να βρίσκονται στο ίδιο χώρο χρησιμοποιείται η παρακάτω διάταξη: laser Ισχυόμετρο ODF A tot (db)=[p laser (dbm) - P meter (dbm)] / 2
Μέτρηση BER T x Δέκτης Εμπρόσθιας ζεύξης Μετρητής BER Πομπός Ζεύξης Αντίθετης Κατεύθυνσης R x
Παράδειγμα Να υπολογιστεί ο χρόνος διάρκειας της μέτρησης του BER αν η προδιαγραφόμενη τιμή του BER είναι 10-12 και ο ρυθμός του μεταδιδόμενου σήματος είναι 2,5Gbps. Λύση Για BER = 10-12 στατιστικά απαιτούνται 10 12 bit για να προκύψει ένα σφάλμα. Εάν θεωρήσουμε αξιόπιστη την μέτρηση όταν εκπέμπονται 100. 10 12 bit θα έχουμε 10 14 bit συνολικά. Γνωρίζουμε οτι το μεταδιδόμενο σήμα έχει ρυθμό 2,5 Gbps = 2,5 10 9 bit /secκαι αρα για να εκπεμφθούν 10 14 bit απαιτείται χρόνος 10 14 / (2,5. 10 9 ) sec = 40000 sec = 11h