INTERAKTÍV KÁBELTELEVÍZIÓS HÁLÓZATOK II.

1. INTERAKTÍV KÁBELTELEVÍZIÓS HÁLÓZATOKII. ELŐADÁS TÉMAVÁZLATOK HFC HÁLÓZATOK; OPTIKAI SZAKASZ Optikai távközlési alapismeretek SZIE. MTK. TÁVKÖZLÉSI TANSZÉK 2004. Győr

2. A fény jellemzői • Tárgyalási mód: • Geometriai optika módszere, • Hullámoptika módszere, • Kvantummechanika módszere,

3. KOZMIKUS RÖNTGEN FÉNY KOMMUNIKÁCIÓ 1020 1018 1016 1014 1012 1010 108 106 frekvencia 250 THz 1 THz 1 GHz 1 MHz 10-12 10-9 10-6 10-3 100 102 hullámhossz 1 pm 1 nm 1 µm 1 mm 1 m 100m II. III. I. c=2,99792458 *108 m/s 1625/1650 850 1550 1310 670 780 0,4 0,5 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 µm I 1270 - 1650 nm A fény, mint elektromágneses hullám: • Az EM hullámok áttekintése hullámhossz, ill. frekvencia szerint: UV LÁTHATÓ IR

4. A fény, mint elektromágneses hullám: • A terjedés közege leírható az elektromos és mágneses anyagjellemzőkkel: : • A terjedés jellemzői:

5. Fénytörés • A fénytörés oka, hogy a fény a különböző közegekben más- más sebességgel halad. • Vákuumban, vagy levegőben másodpercenként mintegy c=300 ezer kilométer sebességgel terjed. • Ha valamilyen átlátszó közegbe jut, abban kisebb, c1 sebességgel tud csak haladni. • Azt szoktuk mondani, hogy a közeg optikailag sűrűbb, mint a vákuum. • Az n=c/c1 hányadost az illető közeg vákuumra vonatkoztatott törésmutatójának nevezzük. • A víz törésmutatója pl. nvíz=1,33, vagyis a fény a vízben 225 000 km/s sebességgel halad. • Néhány anyag törésmutatója az alábbi: • Vákuum: 1,000 SiO2: 1,40 Gyémánt: 2,400 TiO2: 2,600 • Levegő: 1,003 Üveg: 1,500 • SiO: 2,000 Sb2S3: 3,200 • Víz: 1,330 Al2O3: 1,660 • ZnS: 2,300 GaAs: 3,500 • MgF2: 1,384 ZnSiO4: 1,900 (zirkónium) • Példák: • 1./ • Mekkora a fény terjedési sebessége pl. üvegben, ha az üveg törésmutatója n=1,5? • 2./ • Mekkora a fény terjedési sebessége a galliumarzenidben, a lézerdióda alapanyagában? • A GaAs törésmutatója nGaAs=3,5

6. A fény törése és visszaverődése • A fény visszaverődése: • A fény törése: • Snellius-Descartes törvény: • Határszög: az a beesési szög amelyhez tartozó törési szög éppen 900:

7. Fénytani fogalmak • Optikai úthossz: • A fénynek a közegben megtett d útja megszorozva a közeg törésmutatójával: • Megadja, hogy a fény mekkora utat tenne meg vakuumban ugyanannyi idő alatt, mint amennyi alatt a „d” távolságot befutja a kérdéses közegben. • Határszög: • Érkezzen a fény egy optikailag sűrűbb közegből egy optikailag ritkább közeg határfelületéhez. Azt a beesési szöget amikor a kilépő fénysugár súrolja a közegek határfelületét határszögnek nevezzük. Ennél nagyobb beesési szögnél a fény már nem tud kilépni a közegből, hanem a határfelületen teljes visszaverődést szenved. (Lásd az előző diát)

8. A fényhullám teljesítménysűrűsége • A fény EM hullám, energiát szállít: • teljesítménysűrűsége: • C1 a fény közegbeli sebessége, • α a beesés szöge, • E0 az elektromos térerősség amplitúdója, • A fénytörés oka: a fény a közegben lassabban halad, mint a vákuumban, mert az elektromos térerőssége rezgésbe hozza a közeg atomjainak elektronburkát. A rezgő töltések sugárzást bocsátanak ki (a kényszerrezgéssel megegyező frekvencián). A beérkező és a közeg rezgő atomjai által kibocsátott sugárzás eredője a közeg utáni térben ugyanolyan rezgés, mint a beérkező, de a közeg vastagságával arányos fáziskésést szenved. Ezt a fáziskésést észleljük úgy, mintha a fény a közegben lassabban haladt volna.

9. Optikai szálak • Akceptanciaszög:az a legnagyobb szög, amelyen belül a belépő fénysugár a szálban még kilépés nélkül továbbhalad. Numerikus Apertúra Ha akkor a numerikus apertúra is kicsi. A távközlésben kis numerikus apertúrával gyártott szálakat, ún. gyengén vezető szálakat alkalmaznak.

10. Az üvegszálak átviteli tulajdonságai • Csillapítás (veszteség) függ: • - az anyag hőmérsékletétől, • - a tisztaságától és • - a fény hullámhosszától. • Abszorpció: • Uv abszorpció, • IR abszorpció • Rayleigh szórás • Levágási hullámhossz • Egyéb jellemzők

11. Optikai szálak típusai • A fényvezető szálakat csoportosíthatjuka: • fényterjedés típusa : • többmódusú (multimode), • egymódusú (single-mode), • a mag és héj anyaga, • a mag és a héj mérete, • az átviteli jellemzőkszerint. Step Index MultiMode Gradiaded Index MultiMode MonoMode

12. Veszteségek • A vákuumtól eltérő anyagban haladó fény veszteségeket szenved. • Az átviteli veszteségek fő okai. • Elnyelődés (abszorpció): az atom, vagy molekula a beérkező fotont elnyeli s hatására magasabb energiájú állapba kerül. • Diszperzió: a közegben haladó fény sebessége függ a hullámhosszától. Miután a fény több különböző hullámhosszúságú rezgés keveréke, összetevőire bomlik és szinek szerint változó sebességgel halad. • Szóródás: az anyagban lévő inhomogenitásokon a fény energiája szóródik. • Tükröződés: a fény valamely közeg határára érve arról részben visszaverődik, a teljes energia visszavert hányada az anyag törésmutatójától függ (Fresnel reflexió). Tükröződésről beszélünk, ha a visszaverődés tökéletesen sík felületről történik. • Szórt visszaverődés: az optikailag durva felületről való visszaverődés (a visszaverő felület nem tökéletesen sima, sík felület).

13. A diszperzió a szálból kilépő optikai jel elváltozása (szétkenődése) a belépő optikai jelhez képest. A diszperziót (jelszóródás) az optikai jel komponenseinek, módusainak, vagy különböző frekvenciájú spektrum-összetevőinek eltérő futásideje okozza. A gyakorlatban ez a jel kiszélesedéséhez, ellaposodásához vezet. . Négyfajta diszperziót különböztetünk meg: Módus diszperziót, anyag és geometria következtében fellépő diszperziót, valamint a hullámvezető diszperziót, együttesen a kromatikus diszperziót, a polarizációs módus diszperzióját. A diszperzió megengedett értékét általában a bitidő 10%-ában határozzák meg. Diszperzió

14. Módusdiszperzió • A módus diszperziót a különböző módusok egymástól eltérő futásidejének különbsége okozza. Lépcsős törésmutató Gradiens törésmutató Egymódusú szál

15. Kromatikus diszperzió • A különböző hosszúságú fényhullámoknak ugyanazon az átviteli úton különböző futási idejük van. • Két összetevőből áll: • Anyag diszpezió: a hullámvezető anyag szennyezettsége nem egyenletes, • Hullámvezető diszperzió: a hullámvezető profiljától függ (a törésmutató profil változtatásával eltolható a nulla diszperziós pont. Adók spektruma

16. Kromatikus diszperzió A kromatikus diszperzió (D) mértékegysége a ps/nm*km: Diszperziós idő tH[ps], A lézer fényforrás sávszélessége δλ[nm] A távolság L [km]. Ha D>0→a nagyobb hullámhosszak terjednek gyorsabban, Ha D<0→a kisebb hullámhosszak terjednek gyorsabban. Hatása: impulzus kiszélesedés, átlapolódás dl forrás spektrális szélessége L szakaszhossz D diszperziós együttható Szakasztávolság csökken!

17. Kromatikus diszperzió • A szál anyagából, a törésmutató-profil geometriai kialakításából fakadó diszperziót, illetve az ún. hullámvezető diszperziót együttesen kromatikus diszperziónak nevezik. 1. görbe egy normál monomódusú (egymódusú) kvarcüveg szál diszperziója 2. és a 3. görbe eltolt diszperziójú szálak

18. CCITT G. 653 ajánlása

19. Polarizációs módus diszperzió

20. Polarizációs módusdiszperzió • A polarizációs módus diszperzió (PMD = Polarization Mode Dispersion) a különböző polarizációs síkok egymáshoz viszonyított futásidő-különbségéből származó jelszóródás. Ez az átvitt impulzusok időbeli szóródását eredményezi a digitális rendszereknél és torzítást okoz az analóg átvitelnél. • Az. ábrán látható a fény, mint elektromágneses hullám terjedése. A fény polarizációja azt jelenti, hogy a terjedése közben a terjedés irányára merőlegesen különböző irányokban rezeg. A két alapvető polarizációs síknál a rezgés iránya megegyezik az elektromos (E), illetve a mágneses (H) térerősség vektorának irányával.

21. Polarizációs módusdiszperzió • Egy ideális körszimmetrikus optikai szálban a két polarizációs módus azonos sebességgel terjed. A valóságban azonban a szálak nem teljesen körkörösek, a két polarizációs módus sebessége különböző lesz. Ez az aszimmetrikus karakterisztika véletlenszerűen változik a szál hosszán, ezért az eltérése a két diszperziós módusnak statisztikusan számítható ki. • BIREFRIGERANCIA • A fényvezető szál anyagának egyenetlenségei miatt a szálban kialakul egy „gyors” és egy „lassú” polarizációs terjedési sík (irány). Ebben a két síkban a fényvezető törésmutatója különbözik egymástól. • Birefrigeranciának nevezzük a két polarizációs terjedési sík törésmutatójának a különbségét. • A polarizált fény komponensei a két polarizációs terjedési síkban különböző sebességgel terjednek és így a szál végére időkülönbséggel érkeznek. • A fény polarizációs állapotának változását előidézheti a fénytörés, a fényvisszaverődés és a fényszóródás.

22. t PMD késleltetés • Okok: • geometriai hibák, • szennyezések, • fizikai hatások Előre nehezen (nem) számítható statisztikus érték! Polarizációs módus diszperzió Eltérő törésmutató értékek a különböző polarizációs síkokra. fényvezetőszál

23. Levágási hullámhossz • Az egymódusú szálak előállításánál arra törekedtek, hogy a legjobb átviteli paraméterekkel rendelkező szálkonstrukciót alakítsák ki. A magátmérőt úgy lecsökkentették, hogy összemérhetővé váljék a rajta keresztül áthaladó fény hullámhosszával, mert ekkor csak egyetlen módus, az alapmódus tud rajta terjedni. • Minél kisebbre választjuk tehát az alkalmazott hullámhosszt, annál kisebb magátmérőjű optikai szálra van szükségünk. Megfordítva ezt a folyamatot az is kitűnik, hogy egy adott magátmérőjű szál csak egy bizonyos hullámhossztól lesz egymódusú, ahonnan összemérhetővé válik a hullámhossz a keresztmetszettel. Egy 10 m magátmérőjű optikai szál levágási hullámhossza 1280 nm körül van. Ez azt jelenti, hogy a II. és a III. ablak hullámhosszaira nézve egymódusú a szál, míg 850 nm hullámhossz esetén többmódusú.

24. Egyéb jellemzők • A szál meghajlítása miatti veszteségek: • Makrohajlat • Mikrohajlat, • A szál öregedése, • Gyártási hibák: • Magátmérő különbség, • Koncentricitási hiba, • Köralak hiba, • Egyenetlen törésmutató eloszlási hiba. • Illesztési hibák