Távközlés Optikai függelék

ATHÉNÉ Idegenforgalmi, Informatikai és Üzletemberképző Szakközépiskola

Távközlés Optikai függelék


Dia száma:

1


6. Optikai átviteli rendszerek A hosszú-, közép-, rövid-, ultrarövid hullámú és mikrohullámú frekvenciák felhasználása és gyakorlati célokra való felosztása a 20. század első évtizedeiben megtörtént. Az optikai frekvencia-tartomány felhasználása kommunikációs célokra egy olyan elvi lehetőség volt, amelyet sokáig nem sikerült kiaknázni. A felhasznált vivő nagy frekvenciája (1014 Hz) következtében az optikai szál ugyanis hatalmas mennyiségű információ átvitelére alkalmas. Az optikai átviteli rendszerek megvalósítása azonban csak a lézer feltalálása után vált lehetővé. Az optikai átviteli rendszer három fő eleme: • Az átviteli közeg • Az optikai források és modulációs eljárások • Az optikai vevő és detektor Távközlés Optikai függelék

Dia száma:

2


Optikai átviteli közeg:

fényvezető szál szabad tér (FSO)

6.1 A fényvezető szál: - kísérletek a hatvanas években, - gyakorlati rendszerek a hetvenes években.

Kezdetben d>10µm mag-átmérőjű optikai szálakon un. többmódusú (multimódusú) fényvezető rendszereket alakítottak ki. A korai többmódusú rendszerek 8 Mbit/s és 34 Mbit/s bitsebességű átvitelt tettek lehetővé. Ma az egymódusú rendszerek - egy fényvezető szálon 2,5 Gbit/s, - hullámhossz multiplexelésű (WDM, DWDM) rendszerek n x száz Gbit/s sebességet érnek el, és közelítenek az 1Tbit/s sebességhez. Távközlés Optikai függelék

Dia száma:

3


A többmódusú fényvezető tulajdonképpen dielektromos hullámvezető, amelyben többféle terjedési módus létezhet. A módusok periodikus tér-eloszlások, amelyek felhasználhatók bármilyen megengedett téreloszlás felépítésére az optikai szálban. Gyakorlati kivitel Mag Héj Külső réteg Védő köpeny

2 1 3

no n 1

1

n3

d1 d2

n2

n1

n3

d1 d2 d3

1/b ábra: Folytonos törésmutatójú

Mag Héj Külső réteg Védő köpeny

2 1 3

n1

d3

Mag Héj Külső réteg Védő köpeny

a

Törésmutató

n2

1/a ábra: Lépcsős indexű

2

3

Tipikus paraméterek

n1

n2

n3

d1 d2 d3

1/c ábra: Egymódusú

1: az üvegszál magja, 2: a héja, 3: a bevonat (köpeny)

n1=1,47 n2=1,45 n3=1,458 d1=60µm d2=80µm d3=125µm n1=1,47 n2=1,45 n3=1,458 d1=60µm d2=80µm d3=125µm n1=1,46 n2=1,454 n3=1,458 d1=3µm d2=40µm d3=100µm

A héj üveg-anyagának törésmutatója (a dielektromos állandóval kapcsolatos paraméter) valamivel kisebb a mag anyagának törésmutatójánál.


Dia száma:

4


A törésmutató változása a mag és a héj között: ugrásszerű (1/a ábra), folytonos (1/b ábra). A törésmutató változásának gradiens-indexe a két esetben egyetlen közös formulával közelíthető az r sugárirányú koordináta-rendszerben:

n(r )  n11  (r / a) g 

ahol „a” a mag sugara, „g” a törésmutató profil alaki paramétere, és   (n1  n0) ) / n1 , továbbá n1= n(0) és n0= n(a); ahol g=2 parabolikus, és g   lépcsős profilnál.

Az üvegszálba belépő fénysugarak közül bizonyos beesési szögön belül minden sugár visszaverődik a maghéj határon, míg a kritikus szögnél nagyobb szög alatt érkező sugarak részben visszaverődnek, részben pedig kilépnek a magból és elenyésznek. A cél a fénysugarak üvegszálon belül tartása, hiszen az elvesző energiamennyiség csillapítást jelent, ami csökkenti az áthidalható távolságot. Távközlés Optikai függelék

Dia száma:

5


A szál elméleti numerikus apertúrája: N . A. 

(n12  n02 )  n1 2

A numerikus apertúra a mag homlokfelületére a lézeradóból érkező azon fénysugár beesési szögének a szinusza, amely a szálban a mag-héj határfelületén még teljes reflexióval visszaverődik. A vezetett módusok száma megközelítően:

N   g / ( g  2)(n1 ka) 2    g / 2( g  2)V 2 ahol k  2 /  a szabadtéri hullámhossz és V  ka(n1  n0 ) a normalizált frekvencia, vagy „V szám”, amely meghatározza a szál által továbbítható módusok számát. 2


Dia száma:

2

6


6.2 Az egymódusú fényvezető A mag sugarának és/vagy  csökkentésével V a következő

érték alá csökkenthető:

V0  2,405 (1  2 / g)

Ebben az esetben csak az alapmódus (HE11) fog terjedni, amelynek nincs levágási hullámhossza, és a szál egymódusú lesz (1/c ábra). A gyakorlatban a fényvezetés akkor tekinthető egymódusúnak, ha a „V szám” értéke kisebb, mint 2,405. Ebben az esetben eltekinthetünk a módus-diszperzió hatásától. Egymódusú szálaknál viszont a „kromatikus diszperzió” hatásával kell számolnunk.


Dia száma:

7


6.1.1 Diszperziós fogalmak A kromatikus diszperziós együttható (D) alapvetően három, különböző hullámhossz-függő diszperziós jelenség szuperpozíciójaként adódik:

• Anyagi diszperzió, amely a nem teljesen monokromatikus fénysugár esetén a törésmutató (és ezzel együtt a terjedési sebesség) hullámhosszfüggéséből adódik. • Profil diszperzió, amely a csoportsebességnek a szál (és ezen belül elsősorban a mag) profiljától, struktúrájától függ. • Hullámvezető diszperzió, amely a szál hullámvezető tulajdonságainak frekvenciafüggéséből ered. Távközlés Optikai függelék

Dia száma:

8


Az 1300nm-es tartományban az egymódusú szálnak nemcsak a csillapítása kicsi (0,4dB/km), hanem a kromatikus diszperziója is elhanyagolható, így ebben a tartományban számottevő jelalakromlás nélkül, nagy sebességű és nagy távolságú összeköttetések megvalósítására nyílik lehetőség. A veszteségek az 1550nm-es ablakban még ennél is kisebbek (0,2dB/km), azonban itt a nagyobb (~20 psּkm) kromatikus diszperzió ellensúlyozására keskenyebb spektrumtartományban működő adót kell alkalmazni, máskülönben a kromatikus diszperzió korlátozná az elérhető sávszélességet. Egy másik lehetőség a szál törésmutató-profiljának módosítása: a kis diszperziójú tartományt eltolják az 1550nm-es sáv felé, vagy kiszélesítik az egész 1300 és 1500nm közötti tartományra. Az egymódusú szálak bitsebessége (λ-multiplexálás nélkül) jelenleg 2,5 Gbit/s. Távközlés Optikai függelék

Dia száma:

9


6.2 A fényvezető szál csillapítása A szálban terjedő optikai jel a veszteségek miatt csillapodik. Az adónál becsatolt PT teljesítményű jel szintje „z” távolságban: P( z)  PT e z ahol α a csillapítási tényező. Ez e képlet az egymódusú szálakra érvényes. 100

• Abszorpció

• Szóródási veszteségek • Hullámvezetési veszteségek

Csillapítás [dB / km ]

A csillapítás fő okai: 10

1

0,1 0,7 0,8 0,9

6.2 ábra: Egymódusú fényvezető szál csillapítása a hullámhossz függvényében Távközlés Optikai függelék

1

1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 Hullámhossz [ µm]

Dia száma:

10


6.3 A veszteségek okai A szóródási veszteségek zömét a Rayleigh szórás okozza. A csillapítás további csökkentése már a Rayleigh szórás és az infravörös abszorpció szabta elvi határokba ütközik. Az egymódusú szál diszperziója minimális, és ezért a legnagyobb az átviteli bitsebessége. A többmódusú szálaknak viszont az egymódusú szálakkal szemben két előnyös tulajdonságuk van, ha a kisebb sebesség nem akadály, ezek: • Nem-koherens fényforrások is használhatók (pl. LED)

• Kisebb tűrési követelmény a szálak csatlakozóinak méretére (vastagabb szál)


Dia száma:

11


6.3 Erbiummal kezelt fényvezető (EDFA) A monomódusú fényvezető szálas összeköttetések hosszát a bemeneti lézerdióda optikai teljesítménye (0dBm) korlátozza, ha ezt optikai teljesítményerősítővel növelni tudjuk, akkor közbenső elektronikus eszközök (komplex regenerátorok) nélkül megnövelhető az összeköttetés hossza. További korlátot jelent a vételi oldalon elhelyezett fotódetektor érzékenysége. Egy optikai előerősítő tovább növelheti az összeköttetések hosszát.

Adási végpont

Megnövelt összeköttetés

Optikai teljesítm. erősítő

Vételi végpont

Optikai előerősítő

6.3 ábra: A hatótávolság megnövelése adóoldali és vevőoldali optikai erősítéssel Távközlés Optikai függelék

Dia száma:

12


6.4 A fényvezető szálas erősítő lelke egy erbiummal kezelt fényvezető szakasz, amely folyamatos lézerfénnyel állandóan gerjesztett állapotban tartható. Az aktív szál magjában található erbium ionok elnyelik a lézer-szivattyúból érkező nagy energiájú fotonokat, így az ionok egy magasabb energiaszintre kerülnek, amelyről gyorsan visszaesnek egy közbenső, metastabil szintre, ahol viszonylag hosszabb ideig megmaradnak, és így az alapállapothoz képest inverz populáció jön létre. Ha egy olyan jel fotonja érkezik be, amelynek hullámhossza azonos az alapszint és a metastabil állapot közötti energiakülönbséggel, akkor ez bizonyos számú metastabil ion visszaesését indítja el, melyek energiája fotonok formájában szabadul fel.

Gerjesztett állapot

Rendszertelen átmenet, az energia nem hasznosul metastabil állapot

A szivattyú (pumpa) energiája

6.4 ábra: Háromszintű energia-diagram az EDFA magyarázatához Távközlés Optikai függelék

E=hn lavinaátmenet

A bejövő jel fotonja

Gerjesztett fotonok Alapállapot

Dia száma:

13


6.5 A fényvezető szálas erősítő / 2 A bejövő jel erősítése meghaladhatja a 30dB (1000-szeres) értéket, a 0dBm lézerteljesítmény pedig +15dBm (30mW) értékre is nőhet, a rendelkezésre álló lézerpumpa teljesítményétől függően. Az erősítő működéséhez (a visszasugárzás elkerülésére) optikai szigetelők használata szükséges. Adási végpont

Csatoló

Aktív fényvezető szál

Optikai szigetelő

Vételi végpont

Optikai szigetelő kötések Lézer pumpa

6.5 ábra: Elrendezés az optikai erősítő bemutatására Távközlés Optikai függelék

Dia száma:

14


6.6 A polarizáció-fenntartó szál (PMF) A HE11 alapmódus két kör-szimmetrikusan vezetett komponens szuperpozíciója, amelyek azonos terjedési állandóval és kölcsönösen független transzverzális villamos térerő vektorokkal rendelkeznek. Az egymódusú fényvezető szálakban akkor keletkezik polarizáció, amikor egymástól különböző βx és βy terjedési állandó szerepel. Minél nagyobb a terjedési állandók különbsége, annál nagyobb a birefrakció, illetve az eltérés az alapmódus két komponense között. A birefrakció a szál húzása közben keletkezik (fotoelasztikus jelenség) vagy geometriai jellegű (ellipticitás). A létrejövő polarizáció kézben tartva nem káros, sőt fel lehet használni, mint pl. a Mach-Zender féle modulátor esetében. A polarizáció-fenntartó szál (PMF) kimondottan erre a célra készül. A PMF szálakkal elért birefrakció értéke 10-3, az elért áthallási szint pedig –30 dB/km. 6.6 ábra: Polarizációfenntartó szál (PMF) típusok

Panda


Csokornyakkendő

Elliptikus héj felvitel

Dia száma:

15


7. A fénytávközlés szerkezeti elemei • • • •

Fényforrások Fényvezető csatolók Modulátorok és kapcsolók Detektorok

7.1 Fényforrások Rövid távolságú összeköttetéseknél a többmódusú fényvezetők jól használhatók világítódiódákkal (LED-ekkel). A LED nem-koherens fényforrás, a kibocsátott fotonok energiája a Boltzmann statisztikát követi. A LED előnye, hogy a meghajtó áram változtatásával egyszerűen modulálható. A LED megbízható eszköz és technológiailag könnyen összeilleszthető optikai lencsével. A LED lehetővé teszi a fénysugár több száz MHz-es jellel való modulálását, tehát kielégíti a többmódusú fényvezetők meghajtási igényeit. A félvezető lézer monokromatikus és koherens fényt ad, így az egymódusú rendszerek igényeit elégíti ki. A modern lézerek egymódusúak és rendkívül keskeny spektrumúak (1nm-nél kisebb az eltérés a névleges hullámhossztól). Távközlés Optikai függelék

Dia száma:

16


7.2 Fényvezető csatolók A fényvezetős távközlés célja az optikai-rézvezetős elektronikai átmenetek számának csökkentése. Erre szolgálnak az optikai modulátorok, optikai kapcsolók, egymódusú iránycsatolók. Egy N x M típusú optikai csatoló N darab bemeneti és M darab kimeneti kapuval rendelkezik, amelyben az N bemeneti kapura becsatolt teljesítmény az M kimeneti kapun meghatározott (vezérelt) módon oszlik meg, előre meghatározott és méretezett beiktatási csillapítással. Ma még azonban az integrált optikai csatolók fényvezető szálak közötti nagy (2dB) beiktatási csillapítása helyett a 0,1dB csillapítású direkt csatolást választják. Ezt úgy állítják elő, hogy a két megtisztított üvegszálat összecsavarják és felhevítik a héjak olvadáspontjáig, majd a magok érintkezéséig nyújtják.


Dia száma:

17


7.3 Fényvezető csatolók / 2 A csatolásnak egy másik módja az un. D-típusú szál gyártása, amelynek során a félkész fényvezető szálnak egy szegmensét még a húzás előtt lemetszik, így egy aszimmetrikus szálat kapnak, amelynek magja közel van a héj széléhez. Ha két ilyen szálat megfelelő módon, a lapos oldalaikkal egymás felé fordítva rögzítenek, akkor közöttük hullámhossz-függő szelektív csatolás jön létre. Ugyanez elérhető a letisztított szálak csiszolásával is, ami utólag megfelelő eszközökkel elvégezhető. Az integrált optika olyan eszközöket tud előállítani, amelyeknek nincs azonos sebesség-kategóriájú elektronikus megfelelőjük. Ilyenek a hullámvezető kapcsolók és szűrők. Így egyre inkább megvalósul az integrált optikai elemekből álló komplex fotonikai hálózat.

A félkész szál lemetszett, ill. a tisztított szál lecsiszolt szegmense


7.3 ábra: Szálak direkt csatolása Dia száma:

18


7.4 Modulátorok és kapcsolók Egy elektrooptikai modulátor egy megfelelő alapanyagú (pl. Lithium Niobate =LiNbO3 kristály vagy GaAs) optikai hullámvezetőből és egy ehhez társított vezérlőelektróda szerkezetből áll. Az elektródokra adott feszültség hatására az alapanyag dielektromos tulajdonságait meghatározó tenzor megváltozik és az optikai hullámvezető által vezetett fényhullámoknál fázisváltozást vagy módus-csatolási effektusokat hoz létre (7.4/a ábra). Amplitúdó-modulációt ezen az elven a Mach-Zehnder féle interferométer segítségével lehet megvalósítani (7.4/b ábra). lált odu et m n is Fáz kime y fén

Elektródok Hullámvezető

t ene m e y b Fén

Hordozó

y Fén

f

Jel ég ülts esz

ált dul o m itás enet z n Inte y kim fén

U

t ene m be 6m

7.4/a ábra: A fény fázismodulálása

m

7.4/b ábra: A Mach-Zehnder interferométer


Dia száma:

19


7.5 Detektorok A λ hullámhosszúságú fény detektálásához olyan anyagok szükségesek, amelyeknél a tiltott sáv energialépcsője kisebb a fotonok energiájánál: E  hn  hc /  Ezek belső erősítés nélküli p-n vagy p-i-n szerkezetű diódák vagy lavinadiódák lehetnek. A korszerű vevőmodulok építésénél a fotodetektorokat egybeépítik más elemekkel. Ilyen például egy PIN fotodióda kombinációja egy kis zajú GaAs FET tranzisztorral (PIN-FET).

7.6 Hullámhossz multiplexelés (WDM, DWDM) A hullámhossz multiplexelés a potenciálisan elérhető sávszélesség további kihasználását teszi lehetővé. A hullámhossz multiplexelés (WDM) ugyanazon a gerjesztési elven működik, mint az erbiummal kezelt fényvezető esetében: a lézer szivattyú szakaszba pumpált energiája gerjesztett állapotba hozza a kvarcüveg ionjait, és a kialakuló új energiaszintek különálló csatornák gyanánt továbbítják az oda bejuttatott fényhullámokat. A kialakítható gerjesztett energiaszintek száma a fényvezető szál anyagától és a pumpált energia mennyiségétől függ. Távközlés Optikai függelék

Dia száma:

20


Hullámhossz multiplexelés / 2 Az egyes energiaszintek a λ1, λ2, λ3, stb. hullámhosszú fényhullámokat továbbítják, amelyeket diffrakciós rács választ szét a vételi oldalon. A fényvezető szál átviteli kapacitása így több nagyságrenddel megnövelhető, elvileg egyetlen optikai szálon elérhető az 1 Tbit/s (=1012 bit/s) bitsebesség. Erre a kapacitásra a jövőbeli információtechnológiai alkalmazásokhoz van szükség. Dem odulátor

f 1, f 2, f 3

f1

Modulátor

f2

Diffrakciós rács

G radiens Indexű rúd

f3

Modulátor

Modulátor

1 2 3

 1,  2,  3

7.6 ábra: A hullámhossz multiplexelés vázlata Távközlés Optikai függelék

Dia száma:

21


7.7 A sebesség növelésének fizikai határai az optikai kábelben

A jelsebesség növelésével a jeltovábbítás folyamatát egyre inkább kvantummechanikai módon kell szemlélnünk. 10 Gbit/s jelsebesség esetén kb. 100 foton hordoz 1 bit információt, míg 160 Gbit/s jelsebességnél egy bitnyi információt már 6-8 foton reprezentál. Ebben a szemléletben a beérkező fotonok száma a Gausseloszlás függvényében értékelhető ki. Meg kell határozni, hogy hány foton beérkezése elengedhetetlen a bitek egyértelmű felismeréséhez.


Dia száma:

22


Optikai átviteli közeg:

fényvezető szál szabad tér (FSO)

8. A szabadtéri optika (FSO technológia) kialakulása Az optikai jelek levegőn keresztüli kommunikációs célú továbbításának elve nem új. 1880-ban Alexander Graham Bell továbbított vezeték nélkül üzenetet az újonnan feltalált „photophone”-nal, amely a napfényt egy akusztikai rendszer által mozgatott tükör segítségével modulálta, ezáltal beszédet tudott átvinni. A „photophone” nem tudott kereskedelmi sikert aratni, mert érzékeny volt a külső zajokra, és a rézhuzalon keresztüli átvitel sokkal megbízhatóbbnak bizonyult. A szabadtéri optika technológiának a katonai alkalmazások körében a negyvenes évekbe visszanyúló mély gyökerei vannak, amikor a hajók közötti infravörös kommunikációs rendszerekkel kísérleteztek. Távközlés Optikai függelék

Dia száma:

23


A szabadtéri optika (FSO technológia) kialakulása /folyt./

Az 1960-as években történtek az első jelentős lépések egy olyan technológia kifejlesztésére, amely nem érzékeny a rádiófrekvenciás kommunikációs rendszerek zavaró jeleire. Az 1970-es években az USA Légierő és a NASA keresett megoldást a biztonságos repülőgép-föld és a szatellittengeralattjáró kommunikációra. Ezek a korai FSO rendszerek a levegőn át másodpercenként csak néhány kilobit információ átvitelére voltak képesek. A kereskedelemben is kapható FSO rendszerek az 1990-es években jelentek meg, elsősorban az egyetemi campus-ok LAN hálózataiban és olyan speciális alkalmazásokban, mint például a TV jelek átvitele a kamera és a közvetítő kocsi között.


Dia száma:

24


A. G. Bell feltalálja a Photophone -t

1940-1944: 1967-1969: 1970-74: US Navy USAF modulálható NASA IR komm . lézerek kutatás hajók között

1880

1940

1960

1970

1997-99: Campus LAN, TV kamera

1990 2000

• Beltéri & kültéri • Carrier-grade minőség • Bitsebesség 10Gbps -ig • Definiált megbízhatóság

Kereskedelmi termékként kapható

2001

8.1 ábra: Az FSO története

Rálátá s 1-2 km

8.2 ábra: Az FSO elv

Infravörös lézersugarak Távközlés Optikai függelék

Dia száma:

25


8.1 Az FSO technológia főbb jellemzői Az FSO egy optikai rálátást igénylő technológia, amely a digitális jeleket fény-nyalábok mentén továbbítja a légkörön át. Az FSO nem igényel frekvenciaspektrum engedélyezést, és a hozzáférési alternatívákhoz képest nagyobb skálázhatóságot ígér a 10 Mbps – 2,5 Gbps sebességtartományban. Az FSO rendszerek legfeljebb 4 km-re lévő helyek között képesek adatokat átvinni, a sávszélességtől és az időjárási viszonyoktól függően, azonban a legtöbb FSO berendezést 200 m és 1000 m között telepítik. A fényvezetős és az FSO rendszerek között sok hasonlóság van. • A fényvezetők és az FSO ugyanazokat az átviteli hullámhosszakat (785 / 850nm - 1550nm) használják. • Az optikai kábeleknél és az FSO-nál ugyanazokat a rendszerkomponenseket (lézereket, erősítőket és vevőáramköröket) lehet alkalmazni. • Az optikai kábel és az FSO is ugyanazon protokollokat használó digitális információk átvitelére alkalmas A hullámhossz-osztásos (WDM) multiplexelést mindkét rendszerben használják. Távközlés Optikai függelék

Dia száma:

26


8.3 ábra: A fény látható és nem látható tartományai Fény hullámhossz/frekvencia tartományok Tartomány Hullámhossz Frekvencia Ultraibolya 180-400nm 1660THz-750THz Látható tartomány 400-700nm 750THz-428THz Közeli infravörös 700-1400nm 42 8THz-214THz Közép-infravörös 1400nm-3µm 21 4THz-100THz Távoli infravörös 3µm-1mm 100THz-300GHz

Lézer frekvencia

785(850) nm 1550nm

Az FSO-val szemben a legnagyobb kihívás a köd. Léteznek olyan elrendezések, amelyekkel elérhető szolgáltatói osztályú (Carrier Class) rendelkezésre állás, ami 99,9%, vagy annál jobb értéket jelent, de a legjobb egy milliméteres hullámsávban működő tartalék linket működtetni. Szerencsére van ilyen - szintén frekvenciadíj nélkül használható - frekvenciasáv, amely biztosítja a szükséges sávszélességet és hatótávolságot, így gazdasági alternatívának tekinthető.

8.2 Áteresztőképesség A terjedésre jellemző a légkör áteresztőképessége a hullámhossz függvényében. Minél magasabb ez az érték, annál jobb a légkör áteresztőképessége. Az alacsony légköri szabadtéri lézer átvitel hatótávolságát és bithiba arányát a légköri energiaveszteségek korlátozzák. A legkedvezőbb hullámhossz megválasztásánál a félvezető technológiai feltételek mellett figyelembe veszik az abszorpció nagyságát is. Távközlés Optikai függelék

Dia száma:

27

ATHÉNÉ Idegenforgalmi, Informatikai és Üzletemberképző Szakközépiskola O2

H2O

CO2 H2 O

CO2 O2

H2 O

CO2

O2

H2 O

CO2

CO2

Áteresztőképesség (%)

100 80 60 40 20 0 0 850nm

1

2

3 1550nm

4

5

6

7

8

9

Hullámhossz (mikron)

10

11

12

13

14

15

Forrás: LightPointe

A szabadtéri lézerátviteli hullámhosszakat (pl. 850 vagy 1550nm) többnyire a rendkívül alacsony abszorpciós veszteség alapján választják meg. A fenti, 8.4 ábra tipikus légköri viszonyok között mutatja be a légköri áteresztőképességet a hullámhossz függvényében, a látható fény, közel-, közép-, és távoli infravörös tartományban. Távközlés Optikai függelék

Dia száma:

28


8.3 A szabadtéri lézeroptika (FSO) alrendszerei Adat be

Modulátor

Adat ki Demodulátor

Fő mikroprocesszor

Meghajtó

Lézer

Előerősítő

Detektor

Előerősítő

Térérzékelő

Adási optika

Vevőoptika

Követő optika

AZ/EI szervórendszer AZ/EI Vezérlőrendszer

Hő-, nedvesség-, leolvasztásvezérlés

Az ábrán az adási, vételi és nyomkövető teleszkópokat, mint különálló optikai nyílásokat mutatjuk be, azonban számos más elrendezés is rendelkezésre áll, olyan is, amelyben a három funkciót egyetlen optika végzi, ezzel költséget, súlyt és méretet lehet csökkenteni.

8.5 ábra: Az FSO alrendszerei

Forrás: AirFiber Inc. Távközlés Optikai függelék

Dia száma:

29


Az FSO rendszer robusztus és rugalmas technológia, amely alkalmazható pont-pont, többpont-pont, gyűrű és szövevényes architektúrában is. Fizikailag tető-tető, ablak-tető és ablak-ablak közötti FSO link is kiépíthető. • A pont-pont elrendezés esetében a jövedelmet hozó épületek nagyon gyorsan és gazdaságosan bekapcsolhatók a hálózatba. • A többpont-pont elrendezést akkor használjuk, ha az optikai kábel fő nyomvonala mentén több jövedelemtermelő épület helyezkedik el, ezek FSO linkekkel szintén a hálózathoz kapcsolhatók. • A pont-rákövetkező pont, vagy gyűrű elrendezést egyszeres hibahely esetében összeköttetési redundancia biztosítására használjuk. A pont-rákövetkező pont elvnek megfelelően több épület gyűrű konfigurációba kapcsolható. • Ha az épületek elhelyezkedése, helye és távolsága megfelelő, további FSO linkek használatával részleges vagy teljes szövevényes hálózat alakítható ki. Ez több redundáns összeköttetés biztosít és egyidejűleg több pontban fellépő meghibásodás ellen is képes védelmet nyújtani. Az FSO berendezések előnyei a többi technológiához viszonyítva: - kis méretű vevőberendezés - nincs szükség rádióengedélyre - nincs szükség optikai kábel telepítésére Távközlés Optikai függelék

Dia száma:

30


8.6 ábra: Az FSO topológiái Többféle FSO Topológia • Pont-pont

Az FSO irányulhat 1 Tetőről tetőre 2 Ablakból tetőre

• Többpont-pont

3 Ablakból ablakba 1

• Gyűrű architektúra

2 3

• Szövevényes rendszerek

Fénynyaláb széttartás: 2- 6 milliradián Adó

Vevő

Fénynyaláb átmérő: 1 km távolságra 2- 6m

A szokásos FSO rendszer tipikus fénynyaláb széttartása

Forrás: AOptix Technologies Inc. Fénynyaláb átmérő, m

8.4 Miért kell optikai rálátás? Az FSO adóvevők látótávolságon belüli elhelyezésének követelménye bizonyos fizikai korlátokból származik. Az első ilyen korlát a fénynyaláb divergenciája. A széttartás a mai FSO rendszerekben 2-6 milliradián között mozog, amely 1 km távolságban 2-6 m átmérőjű korongon való szóródást eredményez. A nyaláb alacsony energiaszintje miatt a vevőnek az adó által kibocsátott minden optikai energiát be kellene fognia ahhoz, hogy elfogadható jel/zaj viszonyt kapjunk. Ezért a fénynyalábnak keskenynek és párhuzamosnak kell lennie.

8.7 ábra: A lézerfény széttartása Távközlés Optikai függelék

7 6 5 4 3 2 1 0 0

200

400

600

800

Távolság, m

Dia száma:

1000

1200

Forrás: LightPointe

31


Párhuzamosított adónyalábokat számos okból nem használtak az FSO előző generációjában. A légkör torzításai a fénynyaláb kivándorlását okozzák a vételi ablakból, ami jelvesztést okoz. A fénynyaláb vándorlását az adó és vevő között kavargó levegő egyenlőtlen fénytörési indexe okozza, melynek oka a szél, és a levegő hőmérséklet- és nyomásváltozása.

(mászás, vibrálás, turbulens fénytörés) Adó

Vevő

Távcsőobjektív lencse

Torzult hullámfront Nyalábmegosztó

KI BE

Kétirányú száloptikai adatport

Deformálható tükör

Korrigált hullámfront Hullámfront érzékelő Hullámfront érzékelő mérési adatai

Deformálható tükör meghajtójelek

2. korlát: a fény torzulása

A sűrűségüket gyorsan változtató légcsomagok lencseként működnek

Fénytorzulás

A torzult hullámfrontot a deformálható tükör a torzulások kiejtésére valós időben, dinamikusan korrigálja

CPU

8.5 Az adaptív optika

Forrás: AOptix Technologies Inc.

8.8 ábra: az adaptív optika elve

A hadiipar a 70-es és 80-as években csillagháborús célokra fejlesztette ki az adaptív optikát, amely a lézerágyúk energianyalábjának koncentrálására és célra irányítására szolgált volna. A fegyvert nem rendszeresítették, de az adaptív optika a csillagászati távcsövek teljesítményének javulásában minőségi áttörést okozott. Távközlés Optikai függelék

Dia száma:

32


Az adaptív optika /Folyt./ A földi távcsöveknél a légköri hatások optikai torzulási jelenségek, melyek hatása az un. deformálható tükrökkel kompenzálható. A légköri torzulások frekvenciája 1kHz alatt van, a kompenzálásra szolgáló deformálható tükör mozgatását kisfrekvenciás szabályozó áramkör végzi, mikroprocesszoros vezérléssel. Az adaptív optika elve az FSO esetében is alkalmazható Az adaptív optika használatával a fénynyaláb nem mutat divergenciát, teljesen párhuzamos. A fénynyalábban egyenletes fényintenzitást feltételezve az összegyűjthető energia az adaptív optika használatával 6000 - 50000–szer nagyobb, mint anélkül (az elérhető nyereség +38 dB és +48 dB között van).


Dia száma:

33


8.6 A légköri O2 abszorpciója 60 GHz-en O2 abszorpciója 60 GHz-en (λ~5mm), tengerszinten kb. 16 dB/km 60 GHz-es sáv rádióengedély nélkül használható (általános bejelentési kötelezettséggel). 8.10 ábra: Az O2 elnyelés hatása szabadtéri jelterjedésnél

FCC sávkiosztás

Frekvencia [GHz] Távközlés Optikai függelék

Jelszint (dB)

Csillapítás [dB]

8.9 ábra: Az O2 gáz abszorpciója 60 GHz-en

Alapzaj

Távolság (km)

Dia száma:

34

ATHÉNÉ Idegenforgalmi, Informatikai és Üzletemberképző Szakközépiskola 8.11 ábra: Frekvencia-licencdíj nélkül használható sávok és alkalmazások (lásd: nemzeti frekvencia-felosztási tervek, pl. FNFT !)

Ethernet Bridge (~10 Mbps)

2,4 GHz

Fast Ethernet Bridge (~100 Mbps) OC-3 SONET Bridge (155 Mbps)

5,8 GHz

Ethernet Bridge (~10 Mbps) OC-3 SONET Bridge (155 Mbps)

24 GHz

Biztonságos Fast Ethernet Bridge (100 Mbps) OC-12 SONET Bridge (622 Mbps) Gigabit Ethernet Bridge (1,25 Gbps) 2 x Gigabit Ethernet Bridge (2,5 Gbps)

60 GHz

0

1

2

3

4

5

6

7

Kiosztott sávszélesség (GHz)


Dia száma:

35


8.7 A 60 GHz-es rádiós rendszer, mint az FSO kiegészítő technológiája Az eső a 60 GHz-es rendszerek teljesítőképességét erősen befolyásolja, különösen az erősen zivataros régiókban. Az FSO technológiánál az esőcseppek fénytorzító hatása kiejthető (adaptív optikával), a 60 GHz-es rádiós rendszer viszont gond nélkül “átlát” a sűrű ködön is. Mindkét rendszer körülbelül ugyanazt a távolságot képes áthidalni a kritikus időjárási viszonyok között, mindkettő mentes a frekvenciadíjtól, azonos árkategóriába esnek, és könnyen telepíthetők egymás mellé, ugyanarra az épületre. Ezért a 60 GHz-es rádió és az FSO egymást jól kiegészítő technológiák.


Dia száma:

36


A félvezető (pl. szennyezett gallium-arzenid) pn-átmenetén átfolyó áram teszi lehetővé a lézerműködést. Az eszköz két párhuzamos tükör között, azokra merőlegesen elhelyezett félvezető-átmenetből áll.


Dia száma:

37



Dia száma:

38



Dia száma:

39


A fényvezető szál gyártása Kettős tégelyes módszer A mag és a héj üveg-anyagát kettős tégelyben megolvasztják, és a szálat ebből az olvadékból húzzák. Szálhúzás Az előformából húzzák a szálat. Az előformát a húzótorony tetején levő kályhába helyezik, ahol azt 2000ºC-ra felmelegítik. A húzás során a környezetnek rendkívül nagy tisztaságúnak kell lenni azért, hogy a szál felszínére ne kerülhessen szennyeződés. A frissen húzott szálra az átmérő ellenőrzés után azonnal felviszik az elsődleges védelmet biztosító két műanyag réteget. A húzási sebességet az átmérő ellenőrzés vezérli. Miután a szál elsődleges védelme kikeményedett, húzópróbának vetik alá oly módon, hogy a szálat kerekeken húzzák keresztül, amelyeket pontosan beállított feszültséggel feszítenek meg. E próba után a kész és levizsgált fényvezető szálat dobra tekercselik. Távközlés Optikai függelék

Dia száma:

40


Az optikai szál átviteli karakterisztikája a (dB/km)

10

UV abszorpció IR abszorpció

1

OH gyök II.

0.1

III. Rayleigh szórás

I. 850

Jelölés: a (dB/km) Csillapítás

1300 1550 O sáv

 (nm)

S-C-L sáv


Dia száma:

41


100

16 * 2,5G

80 * 10G

40 * 10G

1000

4 * 2,5G

Átviteli kapacitás, Gbit/s

10000

32 * 2,5G 64 * 2,5G, 16 * 10G

Az optikai hálózatok fejlődése 128 * 40G

M TD

DM W +

TDM ??

10

40G 10G

1 2,5G 0,1

Évek

565M

1990 1992

1994

1996

1998

2000


2002

2004

2006

2008

Dia száma:

42

Távközlés Optikai függelék

Recommend Documents