Учебный курс R&Mfreenet Теория передачи сигналов по волоконно-оптическим каналам связи

1. Учебный курс R&MfreenetТеория передачи сигналов по волоконно-оптическим каналам связи Москва, 2007 г

2. Введение • Оптический способ передачи имеет такой же возраст, как и человечество. С незапамятных времен люди обменивались оптическими сообщениями в форме: • языка жестов; • сигналов, подаваемых с помощью дыма; • оптическим телеграфом; • Опыты Тендаля (18 век). • Той волоконно-оптической технологии, о которой мы знаем сегодня, предшествовали два важных научных открытия: • Передача света через оптически прозрачную среду (1870 первые попытки Mister Tyndall, 1970 первое оптическое волокно Corning) • Изобретение лазера в 1960

3. Волоконно-оптическая передача B-ISDN и Цифровой сервис Аналоговые Радио/ТВ сервисы

4. ВО канал O E Источник Приемник E O Принцип волоконно-оптической передачи

5. Электромагнитные волны Период t Частота = 1 / t Электрические волны Магнитные волны Длина волны l

6. Шкала длин волн используемых в электромагнитной передачи Длина волны 3000km 30km 300m 3m 3cm 0.3mm 3mm 30nm 0.3nm 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 Частота [Hz] НЧ Спектр ВЧ Спектр Микроволновый диапазон Оптический диапазон Спектр Рентген. излучений Аналоговый телефон AM Радио TВ и FM Радио Мобильный телефон MВ Печь Рентгеновский снимок

7. Длины волн используемых в оптической передаче Спектр ВО передачи Длина волны [nm] 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 2x1014 3x1014 5x1014 1x1015 Частота [Hz] ИК-Спектр Видимый Спектр УФ-спектр

8. Скорость электромагнитных волн Скорость света (электромагнитное излучение) это: C0 = Длина волны x Частота C0 = 299793 kм / сек. Примечание: Рентгеновское излучение (=0.3nm), a УФ излучение ( =10cm ~3GHz) или ИК излучение ( =840nm) имеют одинаковую скорость распространения ввакууме

9. Коэффициент преломления Скорость света (электромагнитное излучение): всегда меньше чем в вакууме, Cn n = C0 / Cn n определяется как Коэффициент преломления (n = 1 в вакууме), n зависит от плотности Материала и Длины волны Примечание: nвозд.= 1.0003, nстекла= 1.5000 nсладкой воды= 1.8300

10. Преломление a2 n2 Стекло с повышенной плотностью Стекло с пониженной плотностью a1 n1 Пучок света Примечание: n1 < n2 и a1 > a2 sin a2 / sin a1 = n1 / n2

11. Полное преломление, Критический угол n2 aL Критический угол Пучок света Стекло с повышенной плотностью a1= 90° Стекло с пониженной плотностью n1 sin a1 = 1 sin aL = n1 / n2 Примечание: n1 < n2 и a2 = aL

12. Полное внутреннее отражение Пучок света n2 aпад. aотр. Стекло с повышенной плотностью Стекло с пониженной плотностью n1 Примечание: n1 < n2 и aпад = aотр

13. Изменение направления света вматериале n1 Стекло с пониженной плотностью a1 90° Стекло с повышенной плотностью a2 aпад. a отр. a2 n2 Стекло с пониженной плотностью Преломление Полное преломление Отражение n1

14. Волоконно-оптический световод Оболочка n1 n2 n1 n1 n2 Профиль показателя преломления (Ступенчатый индекс) Ядро

15. Где все начиналось Три ученых лаборатории Corning (слева направо) Дональд Кек, Роберт Мауэр и Питер Шульц в 1970 году впервые в мире создали оптическое волокно, которое было возможно использовать в коммерческих целях.

16. Свет в волокне распространяется только дискретными путями • Эти дискретные пути называются модами.

17. Моды выглядят как разные пути (продольный срез)

18. Численная апертура Допустимый угол n1 Источник света светодиод (LED) n2 2Q n1 n1 n2 Численная Апертура NA = sin Q = (n22 - n12)0.5 Профиль показателя преломления (Ступенчатый индекс) Примечание: NA = 0.3 типичный показатель для ступенчатого индекса волокна Q ~ 17.5 °

19. Численная Апертура и характеристикипередачи • Большое значение NA означает Большое значение Q, при этом больше Световой энергии будет сконцентрировано в волокне • Большое значение NA означает сохранение большего к-ва Мод в волокне (большая модовая дисперсия) • Чем больше значение NA, тем меньше затухание вызываемое изгибом волокна • Чем больше Мод, тем уже полоса пропускания Примечание: Два волокна с NA = 0.2 и 0.4 Волокно с NA = 0.2 в 8 раз большее затухание при изгибе чем NA = 0.4 Fibre

20. Причины затуханий в волокне • Макроизгибы Микроизгибы

21. Типы профилей коэффициентапреломления Ступенчатый индекс Ступенчатый индекс Сглаженный индекс Для многомодовой передачи Для многомодовой передачи Для одномодовой передачи Размер ядра ~9 мкм Размер ядра 50мкм Размер ядра 50 или 62.5мкм

22. Типы профилей коефициента преломления 50 MHz km 500 MHz km 5000 MHz km Ступенчатый индекс Сглаженный индекс Ступенчатый индекс Для многомодовой передачи Для многомодовой передачи Для одномодовой передачи

23. Обзор основных характеристик Определение Эффект Ограничение Затухание[dB/km] Потери энергии по всей длине линка Длина линка 1 Дисперсия Расширение импульсаи ослабление сигнала Полоса пропускания &длина линка 2 Числовая апертура (NA)[-] Потери на соединенияхLED/Laser  fiberfiber  fiberfiber  e.g. APD* Характеристики соединения 3 * Лавинный фотодиод

24. Многомодовое волокно (Ступенчатыйиндекс) n1 n2 n1 n1 n2 Профиль показателя преломления (Ступенчатый индекс) Число Мод M = 0.5x(pxdxNA/l)2 Примечание: ~ 680 Moд при NA = 0.2, d = 50 mm и l = 850nm ~ 292 Moд при NA = 0.2, d = 50 mm и l = 1300nm

25. Модовая дисперсия (ступенчатныйиндекс) Меандры Деформированные Импульсы Тип импульса на Приемнике Тип импульса на Источнике

26. Многомодовое волокно (Сглаженныйиндекс) n1 n2 n1 n1 n2 Профиль показателя преломления (Сглаженный индекс) Число Мод M = 0.25x(pxdxNA/l)2 Примечание: ~150 Moд при NA = 0.2, d = 50 mm и l = 1300 nm

27. Модовая дисперсия в многомодовомволокне Меандры Деформированные Импульсы Форма импульса на приемной стороне Форма импульса на передающей стороне

28. L2 L1 Входной импульс Импульс после L1 Импульс после L2 Дисперсия • Результатом дисперсии является расширение узкого входного импульса, который распространяется вдоль оптического волокна.

29. Одномодовое волокно n1 n2 n1 n1 n2 Пример: n1 =1.4570 и n2 = 1.4625 Профиль показателя преломления (Ступенчатый индекс)

30. Выходной сигнал Вносимый сингал n1 n1 Многомод ступенчатый n2 n2 r r Многомод градиентный n1 n2 Одномод r Волоконно-оптическая теория

31. Виды дисперсии Многомодовое волокно Одномодовое волокно Модоваядисперсия Хроматическая дисперсия[ps/km * nm] Поляризационная Модовая дисперсияPMD[ps/(km)]

32. PMD для одномодового оптического волокна Задержка (PMD) „медленная ось “ ny y x „быстрая ось“ nx< n y

33. Затухание многомодовых волокон 3. Окно 2. Окно 1.Окно 5. Окно 4. Окно 3.5 Релеевское рассеяние (~ 1/l4) 2.5 SiOH-поглощение Затухание [dB/km] 1.5 800 1000 1200 1400 1600 1440 1240 950 Длина волны [nm]

34. Затуханиеодномодовых волокон Зависимость коэффициента затухания от длины волны одномодового оптического волокна

35. Спектральная чувствительность детекторов

36. Спектр излучения лазера и LED LED (светодиод) LASER +5 до -10дБмВт от -15 до -25дБмВт Спектральная плотность 60-100нм 1-5нм λ λ

37. Производство ММ волокон Метод модифицированного химического осаждения путем выпаривания (MCVD-Process) Кварцевая трубка SiCl4 GeCl4 Горелка BCl3 O2 H2 O2

38. Процесс производства Первый шаг: Выпаривание 1600° n1 SiO2 n2 SiCl4 + GeCl4 Cl2 n2 + O2 O2 n1 n1 n2 SiO2 Профиль показателя преломления (сглаженный индекс) 1600° MCVD-процесс

39. «Схлопка» Процесс производства Второй шаг: Сворачивание в трубку 2000° SiO2 SiO2 + GeO2 SiO2 Образование трубки 2000° n1 n2 Профиль показателя преломления (сглаженный индекс)

40. Протяжка Процесс производства Сушильная печь Установка для вытягивания волокна Лазерный детектор размера Устройство первичного покрытия Сушильная печь Детектор натяжения ВО барабан

41. И вот, что выходит в результате

42. Режимыпередачи • Существует два способа ввести свет в ММ волокно. Их называют режимами передачи. • Полный режим • Сердцевина волокна полностью освещена (=> все теоретически возможные моды возбуждены). • Обычно при использовании LED. • Ширина полосы пропускания для волокна измеряется обычно при условии полного режима передачи. • Ограниченный режим (напр. Gigabit Ethernet) • Сердцевина волокна освещена не полностью (=> не все теоретически возможные моды возбуждены). • Обычно при использовании лазерных источников. • Обычно полоса пропускания шире при использовании ограниченного режима по сравнению с полным режимом передачи.

43. nature/ Цветовое кодирование волокон • Все оптические волокна окрашиваются по определенной цветовой схеме:

44. Плотный буферПлотно прилегает; из термопластика. Оптическое волокно Плотный буфер Гелеподобный компаунд или другой материал Полу-плотный буферВоздушная прослойка в несколько сотых долей миллиметра. - легче снимается вторичное покрытие- минимальные потери из-за микроизгибов Оптическое волокно Буфер Пустотелый буфер Воздушная прослойка в несколько десятых долей миллиметра.Прослойка обычно заполнена водоотталкивающим гелем. Гелеподобный компаунд Оптическое волокно Пустотелый буфер Обзор различных покрытий для волокна

45. Соединения волокон • Существуют три 3 способа соединения оптических волокон: • Разъемное соединение напр. разъем • Квази-разъемное соединение напр. mechanical splice • Не разъемное соединение напр. сварное соединение • Какой способ использовать зависит от: • надежности или требований к соединению • требуемой или необходимой гибкости • стоимости

46. Неразъемное соединение • Принцип работы • Очищенные и сколотые волокна совмещаются друг с другом торцами как можно плотнее в сварочном аппарате (по возможности без горизонтальных или вертикальных смещений). Свариваются. Затем, сварное соединение защищается так называемой гильзой защиты сварного соединения. Direction

47. Гель Волокно Волокно Квази-разъемное соединение • Принцип работы • Два качественно сколотых волокна совмещаются торцами. • Для улучшения характеристик место соединения между двумя волокнами заполняется гелем. • Рисунок

48. Разъемное соединение • Принцип работы • Коннектор / адаптер / коннектор • Существует несколько типов соединений, отличающихся способом полировки наконечника и своими параметрами (RL, IL). Это: • Плоский контакт • Physical Contact (PC) • Angled Physical Contact (APC)

49. Обзор

50. Технология совмещения – Цилиндрическаягильза Допустимое отклонение Наконечник Втулка 2.4990 - 2.4995 2.4995 - 2.5000 Материалы Наконечник Втулка железо, карбид вольфрама железо, карбид вольфрама Волокно Наконечник Наконечник Втулка