Optikai Hálózatok Alapjai (BMEVIHVJV71) Optikai átviteli közeg 2014.02.13. Gerhátné Dr. Udvary Eszter
[email protected]
Budapest University of Technology and Economics Department of Broadband Infocommunication Systems http://www.mht.bme.hu/omt
since 1782
2
Optikai összeköttetés blokkvázlata
Fényforrás
Elektromos bemenet
Optikai szál
Optikai vevő
Optikai jel (intenzitásmoduláció) Elektromos kimenet
3
Fényvezető szál tulajdonságai •SiO2 •Kis átmérő •Kis súly •Kis csillapítás •Nagy sávszélesség
• Nagy mennyiség áll rendelkezésre, olcsó • Nincs elektromágneses zavar, biztonság • Fölfüggetlen, szigetelt átvitel (nincs földhurok, földpotenciál, drift probléma)
• Könnyű kezelhetőség • Nagy távolság • Nagy kapacitás
mag
héj védőburkolat
Fényvezetés: Teljes reflexió a mag és héj határán
4
Átviteli közegek összehasonlítása
Csillapítás súly
Optikai szál
Koax (RG-19/U)
0.3dB/km (kb. 7%/km)
22.6dB/km@100MHz (kb.99.5%/km)
6kg/km (2.5mm kábelátmérő)
1110kg/km (d=28.4mm)
5
Átviteli közegek összehasonlítása
6
A hordozó – fény (fizika) Részecskék
Hullámok
Vezetési sáv
Sugarak
n0 n1 n0
Tiltott sáv
Vegyérték sáv Abszorció Emisszió
Interferencia
Fénytörés Fény visszaverődés
7
Fényterjedés leírása • tisztán geometriai leírás (sugároptika) Akkor ad pontos leírást, ha a szál méretei nagyobbak a fény hullámhossznál (MM szálak esete) • elektromágneses megközelítés: a fényt elektromágneses hullámnak tekinti, és a Maxwell egyenleteket alkalmazza a vezetés feltételeinek meghatározására • A kvantummechanikai megközelítés Numerikus apertúra: NA = sin α = n 2 − n 2 ≈ 2.n1.∆n L 1 2
αL határszögnél, kisebb szögben érkező sugarak (α < αL) a mag és a héj határfelületén teljes visszaverődnek, ez biztosítja a fényvezetést
8
Fényvezető szál egymódusú Többmódusú (rövid távolságra) • mag < 10λ • mag = 50, 62.5, 100µm • mag átmérője=9 (8.3-10) µm • héj átmérője=125µm • SI és GI • héj átmérője=125µm • SI
9
Terjedő módusok száma Levágási hullámhossz: Az a hullámhossz, mely fölött egymódusúként viselkedik a szál (pl. G.652 szálnál 1280nm) A normalizált levágási frekvencia (V) > 2.405 multimódusú
V = ka
(n
2 1
)
− n 22 > 2 , 405
a: mag sugara, k = 2π/λ a hullámszám λ: fény hullámhossza n1 és n2 : mag és héj törésmutatója, 2.405, a nulladrendű Bessel függvény első zérus helye
SI szál módusainak száma: N=V2/2 A GI szál módusainak száma: N=V2/4 (A törésmutató folyamatos változása miatt a fény állandóan változtatja irányát és a tengelyhez igyekszik visszatérni. A különböző módusok különböző útvonalat járnak be a szálban => diszperzió hatásának csökkentése)
10
Többmódusú terjedés
Alap
másodrendű
Multimodusú terjedés (akár 100 módus)
harmadrendű
11
Fontosabb hatások Bemenet
Kimenet
Csillapítás (veszteség) t
Diszperzió (torzítás)
t
A két hatás együtt jelentkezik + nemlinearitás + stb.
12
Csillapítás Pbe
Pki
P a = 10 ⋅ log ki Pbe
Okai: • Abszorpció (fényelnyelés) • Szóródás (inhomogenitásokon) • Reflexió (határátmeneten) • Sugárzásos veszteség (hullámvezető deformáció)
Függ: •Hullámhossz •Hőmérséklet •stb.
13
Csillapítás - Abszorpció • Az atom vagy molekula a beérkező fotont elnyeli, s hatására magasabb energiájú állapotba kerül • Függ a közeg anyagától és a hullámhossztól • Üvegben: • Az elektronátmenetekhez tartozó rezonanciák az ultraibolya tartományba esnek • A molekularezgésekhez tartozó rezonanciák az infravörös tartományba esnek
14
Csillapítás – Rayleigh szórás a hullámhossznál jóval kisebb (< λ/4 ) inhomogenitásokon való szóródás mikro-repedések, buborékok az adalékanyagok szabálytalan eloszlása mechanikai feszültségek alakváltozások, szálgörbület
iránykarakterisztikája a haladási iránykörül forgásszimmetrikus. Az előre és hátraszórás megegyező, a haladási irányra merőlegesen a legkisebb. Felhasználás: OTDR (Optical Time Domain Reflectometer) mérés Ha a szóró inhomogenitások mérete a hullámhossz felét meghaladja, akkor az aszimmetrikus eloszlású ún. Mie szórás lép fel.
15
Abszorpció + Rayleigh szórás OH ionok miatt csillapítás csúcsok
3dB/km
3 optikai ablak • 850nm • 1310nm • 1550nm Optikai csillapítás: <3dB/km (800nm-1700nm) (Látható fény: 360-760nm)
f=c/λ (∆f≠c/∆ λ !!!!), c=3·108 m/s λ1=800nm => f1=375 THz Optikai sávszélesség ≈ 200THz λ2=1700nm =>f2=176 THz Hangcsatorna (4kHz) TV csatorna (6MHz)
5·1010 csatorna 6·105 csatorna
16
Technológiai fejlődés
17
Szabványos optikai sávok Original Extended Short Conventional Long Ultra-long
1260-1360nm 1360-1460nm 1460-1530nm 1530-1565nm 1565-1625nm 1625-1675nm
DWDM: C sáv (elsősorban EDFA működési tartománya miatt) CWDM: S, C, L sáv Szabványos hullámhossz kiosztás: ITU-T G.694.1: DWDM az S,C és L sávban ITU-T G.694.2: CWDM az O, E, S, C és L sávban.
18
Csillapítás – Fresnel reflexió a közeg felületéről történő, a törésmutatók különbségétől függő visszaverődés (szálvég: üveg-levegő átmenet)
Negatív előjel => visszavert hullámra: 180 fokos fázisugrást a hullám energiája az amplitúdójának négyzetével arányos => R reflexióképesség (visszavert energiahányad)=ρ2
19
Csillapítás – diffúz visszaverődés optikailag durva felületen való szóródás • A száloptikában megkívánjuk, hogy a lencsék, prizmák, szálvégek optikailag sík felületek legyenek, ami azt jelenti, hogy a tökéletlenségek (gödrök és kiemelkedések) nem haladhatják meg az alkalmazott fény hullámhosszát. A beeső fénysugár több irányba szóródik szét
Csillapítás – Sugárzási veszteség mikroszkópikus görbület
20
• A szál tengelyvonalának kismértékű, véletlenszerű elmozdulása, hullámzása. • A szálak kábelezésekor fellépő feszültségek hatására keletkeznek, és jelentős veszteségeket okozhatnak
Csillapítás – Sugárzási veszteség makroszkópikus görbület
21
22
Csillapítás - hőmérsékletfüggés • Hőmérséklet függvényében az optikai szál fajlagos csillapítása (egységnyi a normál szobahőmérsékleten felvett csillapítás értéke • Alakja miatt kádgörbének is nevezik. • Pl. légvezetékek esetén a téli nagy hidegek hatására megnő a csillapítás, ezért a tervezésnél nagyobb maximális csillapítás értékkel kell számolni. k
2
1 -20
+70
T (oC)
23
Diszperzió A jel egyes összetevői eltérő sebességgel terjednek. • Módus diszperzió (többmódusú terjedés esetén a módusok eltérő sebességgel haladnak) • Kromatikus diszperzió (a különböző frekvenciájú összetevők eltérő sebességgel terjednek) • Anyagi (az anyag tulajdonsága miatt) • Hullámvezető (a hullámvezető az eltérő frekvenciájú jeleket eltérően koncentrálja a magba, ezért az átlagos törésmutató, tehát az átlagos sebesség eltérő)
• Polarizációs mód diszperzió: a nem tökéletesen kör keresztmetszetű magban a fény két polarizációs síkja eltérő sebességgel terjed, nagy sebességű átvitelnél jelentős (>10Gbps)
24
Módusdiszperzió
SI
GI SI 100/140 µm Silica Fiber: ~ 20 Mb/s • km SI 0.8/1.0 mm Plastic Optical Fiber: ~ 5 Mb/s • km GI 62.5/125 or 50/125 µm, NA ~ 0.2 : ~ 1 Gb/s • km
25
Kromatikus diszperzió • SM szálakban (9/125 µm vagy 10/125 µm, NA ~ 0.1) • Bitrate x Távolság < 1000 Gb/s • km (CD & PMD korlátoz) • Az adó jele nem monokromatikus (forrás vonalszélessége, chirp, modulációs sávszélesség) • Különböző hullámhosszú fény komponensek kis mértékben eltérő sebességgel terjednek • Az impulzus kiszélesedését okozza (nagy bitsebesség és nagy távolság esetén probléma) • Kb. 1000-szer kisebb, mint módusdiszperzió
26
Kromatikus diszperzió leírása C (fénysebesség), n(törésmutató) frekvencia/hullámhossz függő Ennek hatására az impulzus kiszélesedik, elnyúlik, „elkenődik”
∆τ = D ⋅ ∆λ ⋅ l
•∆τ : Impulzusszélesség növekedése (időben) [ps] •D : Diszperziós állandó (anyagfüggő) [ ps/(nm·km) ] •∆λ: Impulzus hullámhossz sávszélessége, azaz a fényforrás spektrális szélessége (a használt fényforrás fizikai paramétere) [nm] •l :szál hossz [km] D negatív => a rövidebb hullámhossz terjed lassabban D pozitív => a hosszabb hullámhossz terjed lassabban (mindkét esetben elkenődik az impulzus, de diszperzió kompenzálás szempontjából fontos az előjel.
27
Polarizációs mód diszperzió (PMD) okai Oka: A két merőleges polarizációs mód eltérő sebességgel terjed Tipikus nagyságrend: ps/(nm·km) CD-vel ellentétben értékét nem lehet előre kiszámolni, ezért hatását nem tudjuk kompenzálni
Mértékegysége: ps
km
28
Fényvezető szál - szabványok ITU-T G.652:
standard Single Mode Fiber (SMF) Non Dispersion Shifted Fiber (NDSF) Dispersion Unshifted Fibre (USF) A leggyakrabban alkalmazott száltípus (a világon telepített szálak 95%-a). 1550nm: Csillapítási minimum, diszperzió: Dkromatikus< 20 (tip.17) ps/(nm·km) 1310nm: nulla diszperzió “Water Peak Region”: 1383nm körül, kb. 80nm széles tartomány, nagy csillapítással Alkalmazás: egycsatornás átvitel és TDM (1310nm) DWDM (1550nm, diszperzió kompenzálással)
29
Fényvezető szál - szabványok ITU-T G.652c: Low Water Peak Non Dispersion Shifted Fiber (LWPF) ITU-T G.653: Dispersion Shifted Fiber (DSF) ITU-T G.655: Non-Zero Dispersion Shifted Fibre (NZDF/NDF/NZDSF) ITU-T G.657: hajlításra érzéketlen szál (Tipikus hajlítási sugár: 7-10mm (G652: >30mm), R=10mm => a<0.1dB, R=15mm => a<0.003dB) Long wavelength: fluor adalék => IR abszorpciót eltoljuk Negative dispersion fiber (NDF)
Műanyag szál Fajlagos csillapítás [db/km] 300 szálátmérő
200
250 µm 500 µm 100
500
amin= 140 dB/km @ 650 nm => hullámhossz-konverzió LED: 50 Mbit/s lézer: 155 Mbit/s.
1000 µm
600
700
800
λ [nm]
• Előny: – a nagyobb magátmérő megkönnyíti az illesztést, olcsóbbá válik a szerelés – Olcsóbb anyag
• Hátrány: – nagy csillapítás – nagy diszperzió – korlátos sávszélesség
30
31
Szál - kábel
32
Pigtail • Egyik végén csatlakozó, másik végén szabad szálvég • Eszközökhöz (pl. adó, vevő) illesztés • Kábelvéghez hegesztés
33
Patchcord • Mindkét végén csatlakozó • Összekötő kábel: eszközök és berendezések közti kapcsolat • Adapter kábel : különböző típusú csatlakozók közti kapcsolat • A beiktatási csillapítás elsősorban a csatlakozók csillapításából adódik (1-2m szál => elhanyagolható csillapítás) • Általában – sárga: egymódusú, – narancs: többmódusú
34
Optikai kábelek • Mechanikai szempontok: – Beltéri, kültéri, tengeralatti – Helyi, nemzeti előírások
Optical fibers Tube Strain relief (e.g., Kevlar)
• Elektromos szempontok: – Ne legyen fém és elektromos kábel – Tápellátás (erősítők vagy regenerátorok számára)
• Felépítés • • • • •
Elemi fényvezető szál Elsődleges védelem (245 µm lakkréteg) Másodlagos védelem (900 µm műanyag) Kevlár (feszültség/feszítés könnyítése) Köpeny (1.5-3mm): belső héj, burkolat, külső héj
Inner jacket Sheath Outer jacket
35
Kábelek Beltéri
Kültéri
Késleltetett égésű kis füstkibocsátású és halogénmentes Feszes vagy laza szerkezet Hajlékony
rágcsáló védelem vízálló robosztus => alépítményi csövekbe való befújás
36
Illesztés
37
Fényvezető szálak illesztése • Illesztés oka – Hosszabb szálszakasz – Törött kábel – Szál végződtetés
• Illesztési lehetőségek – Hegesztés (bonthatatlan/fix) – Mechanikai illesztés (bonthatatlan/fix) – Csatlakozók (bontható)
• Paraméterek – Beiktatási csillapítás – reflexió
38
Szálhegesztés Elektromos ív olvasztja össze a két szálvéget • Gyors, megbízható, jó minőségű • Drága berendezés • • • • •
Szálvégek előkészítése Pozicionálás Tisztítás Összeolvasztás Védőelem
39
Mechanikus illesztés • • • •
Pattintott szálvég (fontos a jó minőség) A két szálat mechanikusan rögzítik (több módszer, pl. V) A szálvégek között törésmutató illesztő olaj Szálhegesztéshez képest olcsóbb berendezés, de egy illesztésre eső ár nagyobb • A csillapítás változó, de kisebb, mint csatlakozóknál
40
Csatlakozó • • • •
Ferrule: szál mechanikai tartása A szálak végei polírozottak Csap – adapter – csap Nagy pontosság, tökéletes felületi megmunkálás, tisztaság
Sleeve
Key Fiber
Ferrule
Ferrule
41
Csatlakozó • Csatlakozó végének kialakítása – PC (Physical Contact) – APC (Angled Physical Contact)
• Mechanikai felépítés – 2.5mm ferrule => ST, FC, SC, Euro2000… – 1.25mm ferrule => LC – Simplex, Duplex…
42
Csatlakozási hibák • Nem kiküszöbölhető – Szálhiba (elipszicitás, excentricitás)
• Optimalizálható – Tengelyhiba – Szögeltérés – Légrés
• Kiküszöbölhető – Eltérő szálak (MM-SM, 50/125-62.5/125, SI-GI)
Egy kábelszakaszon a két irányban mért csillapítás érték nem feltétlenül egyezik meg!
43
Csatlakozó szerelés Üveg és gumi alátét Gumi polírozó pad Üveg munkafelület Polírozó tárcsa Polírozó fóliák Leírás Tisztítószer Crimp fogó Kézi mikroszkóp Törlőkendő Fecskendő és tű Szálpattintó Száltisztitó EPO-TEK Epoxy ragasztó Kb. 500EUR (+csatlakozók:7-10EUR, szál:4-5EUR/m)
44
Csatlakozó szerelés – gépesítés • • • • •
Védelem eltávolítás Ragasztó adagolás Kemence Polírozás Mérés
45
Tisztaság! Diamond
MM szálvég, folyadék
Optikai csatlakozók tisztítása
46
Optikai csatlakozók ellenőrzése
47
48
Szálvég automatizált ellenőrzése
Mikroszkóp
Interferométer
49
Határidők • ZH – 2014.04.17. (10. hét, csütörtök) 13:30-14:00
• PótZH – 2014.05.13. (14. hét kedd) 13:30-14:00
• Témák kiválasztásának határideje – 2014.03.09.
• Írásbeli feladat beadási határidő – 2014.05.09, 24:00
• Szóbeli beszámoló – 2014.05.15. (14. hét csütörtök) 12:15-14:00
