Elementi in pojavi v optičnih zvezah

Šola Optike I
Ljubljana, november 2014
Elementi in pojavi v optičnih zvezah
doc. dr. Boštjan Batagelj
Laboratorij za sevanje in optiko, Katedra za telekomunikacije
Fakulteta za elektrotehniko, Univerza v Ljubljani
Tržaška 25, 1000 Ljubljana
E-pošta:[email protected]
Povzetek. Predavanje seznani z osnovnimi gradniki optičnih zvez in obravnava osnovne optične pojave v
telekomunikacijskih zvezah izgrajenih iz optičnih vlaken. Pregled optičnih elementov vsebuje različne tipe
optičnega vlakna, raznolike laserske vire, zunanje modulatorje, optične sprejemnike, optične ojačevalnike ter
pasivne in valovnodolžinske optične razcepnike. Obenem obravnava pojav popolnega odboja, slabljenje optičnega
signala, mnogorodovno, barvno in polarizacijsko disperzijo in se dotakne nelinearnih pojavov. Slušatelj pridobi
teoretična sistematična znanja o gradnikih optičnega omrežja in skozi merilno opremo spozna optične pojave, ki jih
je potrebno upoštevati pri načrtovanju, izgradnji in vzdrževanju telekomunikacijskih povezav.
Ključne besede: optično vlakno, optične tehnologije, optični elementi, optične zveze
Boštjan Batagelj je doktoriral leta 2003 na Univerzi v
Ljubljani s področja optičnih tehnologij. Od leta 1997 je
zaposlen na Fakulteti za elektrotehniko, Katedra za
telekomunikacije v Laboratoriju za sevanje in optiko. Kot
predavatelj in asistent predava ter vodi avditorne in
laboratorijske vaje pri nekaterih telekomunikacijskih
predmetih. Je avtor skoraj sto objavljenih člankov in sodeluje
v domačih in mednarodnih raziskovalnih projektih s področja
optičnih in radijskih komunikacij. Njegovo raziskovalno delo
je povezano z optičnim dostopovnim omrežjem, optičnim
transportnim omrežjem in nelinearnimi optičnimi pojavi.
Stekleno optično vlakno
Primerjava optičnih vlaken z električnimi vodi
Slide 3/27
Slide 4/27
■ Zelo veliko razmerje med dolžino
in širino geometrijskega telesa
obloga
125 µm
lv
10 km
=
≈ 106
d o 125 µm
lv=10 km
50 µm (62,5 µm) ±3 µm
jedro
ITU-T
standardi
ENORODOVNO
ENORODOVNO VLAKNO
VLAKNO
9 µm
G.652, G.653, G.654, G.655,
G.656, G.657
G.651
OM1 (62,5/125),
OM2 (50 ali 62,5/125),
OM3 (50/125), OM4
ISO
razredi
optično vlakno
velike
majhne
izgube
d jedro
MNOGORODOVNO
MNOGORODOVNO VLAKNO
VLAKNO
bakrena parica,
koaksialni vodnik
ISO razred OS1, OS2 (9/125)
“Optical Singlemode”
frekvenčni pas
majhen
občutljivost na EM
motnje
velika
galvanska ločitev
v posebnih primerih
komunikacijska
oprema
cena
zahtevnejša
enostavna
cenejša
ni več dražja
potratna
ekonomična
poraba električne
energije za TK prenos
velik
neobčutljivost
vedno
“Optical Multimode”
Slabljenje optičnega vlakna
Merjenje slabljenja optičnega vlakna
Slide 5/27
Slide 6/27
■ Potrebujemo merilnik moči in optične vire na različnih valovnih dolžinah.
Pvh
λ1, λ2,...
Pizh
Pvh
oddajnik
vlakno ‐ merjenec
optična
konektorja
sprejemnik
Pizh
absorpcija
Slabljenje(λ)[dB]=Pvh(λ)[dBm]‐Pizh(λ)[dBm]
■ ISO razredi za dovoljeno
maksimalno slabljenje v
enorodovnem optičnem
vlaknu G.652.
■ ISO OS2 za vlakno brez OH
absorpcije G.652C in G.652D.
Princip delovanja reflektometrske meritve
v časovnem prostoru
λ1, λ2,..
konektor
zvar
odboj 1
odboj 2
razcepnik
sprejemnik
hitrost svetlobe v vakuumu
čas preleta
lomni količnik
ISO OS2
1,0
0,4
1383
ni določeno
0,4
1550
1,0
0,4
konec
vlakna
Slide 8/27
Vodenje svetlobe v
vodnem curku
svetloba se
odbija od meje
voda‐zrak
odboj konec
Colladon in Babinet, 1842
Vodenje svetlobe po dielektriku
optična moč v dB
c0
T
n
c0 T
⋅
n 2
ISO OS1
1310
Optični svetlovod
Povezava med časom
preleta in dolžino
L=
dovoljeno slabljenje [dB/km]
Slide 7/27
OTDR
oddajnik
valovna
dolžina [nm]
vir
θk
strmina prikazuje
slabljenje vlakna
na razdaljo
■ Meritve na različnih valovnih dolžinah dajo različne rezultate.
čas, dolžina
125 µm
n2
n1
■ Optični signal potuje po jedru optičnega vlakna.
■ Obloga služi kot meja od katere se svetloba s pomočjo popolnega odboja
ponovno odbije proti središču optičnega vlakna.
1
Spajanje optičnih vlaken z vlakenskim
zvarom in konektorji s ferulami (tulkami)
Ukrivljanje optičnega vlakna
Slide 9/27
θ<θk
Slide 10/27
θ>θk
θ<θk
θk
obloga
jedro
R
krivinsko slabljenje pri 1550 nm [dB/ovoj]
■ vlakno G.657.A je
kompatibilno z G.652
■ vlakno G.657.B ni
kompatibilno z G.652
Krivinski radij [mmj]
Sklopni izkoristek med različnima
vlaknoma
ni slabljenja
a1
NA1
Napaka v sprejemu zaradi disperzije
L1
Različni mnogorodovni
vlakni
a2
NA2
Slide 11/27
2
 NA   a 
adB = 10 log10  2   2 
 NA1   a1 
2
L2
odločitveni nivo
t
t
Različni enorodovni vlakni
NA1
a1
NA2
a1
NA2
Disperzija (razširitev impulza) nastane zaradi:
■ mnogorodovnosti
■ barvne razpršitve
■ polarizacijske razpršitve
enorodovno in
mnogorodovno vlakno
a2
t
a2
ni slabljenja
NA1
Slide 12/27
20 dB
Mnogorodovna disperzija
Slide 13/27
vir
1
3
2
n2
n1
l
1
∆t
impulz
2
3
l1 l
=
c1 c0
n1
l
n
=l⋅ 1
3. Žarek (θ= θk), ki najbolj vijuga naredi pot l2 =
sin θk
n2
profil lomnega
količnika
t2-t1 ≈ 5 µs
direkten žarek je naredil pot l1=l v času t1=
2
v času t2 =
l2 l n1
=
c1 c0 n2
zmogljivost zveze < 200 kbit/s
3. žarek potuje s hitrostjo
vlakno dolžine
100 km
c(x)
n(x)
1. žarek
3. žarek
2. žarek
=
direkten žarek (θ =π/2) je naredil pot l1=l v času t1=
vlakno dolžine
100 km
Slide 14/27
x
x
n2
n1
θk
Sinusna trajektorija žarkov v valovodu z
gradientnim lomnim likom
c≈
c1
hitrost
svetlobe
l1 l1 100 km⋅1,46
= =
= 0,49⋅10−3 s = 490µs
c1 c0
3⋅108 m/s
n1
2
 x
1− ∆ 
a
t2-t1 ≈ t1⋅∆2 ≈ 50 ns
zmogljivost zveze < 20 Mbit/s
2
Kromatska oziroma barvna disperzija
Kompenzacija disperzije z DCF
Slide 15/27
Slide 16/27
• Signali različnih valovnih dolžin potujejo z različnimi hitrostmi.
• Lomni količnik stekla je frekvenčno odvisen.
• Enota ps/(nm·km) pomeni, da pri disperziji 1 ps/(nm·km)
dva sočasna impulza z
valovnodolžinskim razmikom 1 nm,
ki potujeta preko razdalje 1 km,
prideta časovno zamaknjena za 1 ps.
predkompenzacija
prenosno vlakno
DCF
1 nm
valovnodolžinski
razmik
1 ps
časovni
razmik
DCF
Skupna disperzija: Dsk=Dpr+DDCF
Skupen naklon:
Ssk=Spr+SDCF
D [ps/(nm·km)]
8
G.652
1 km
pokompenzacija
prenosno vlakno
Da dosežemo popolno kompenzacijo (Dsk=0) znotraj širšega pasa, mora
veljati tudi Ssk=0.
4
0
G.655
-4
λ [nm]
-8
1200
1300
1400
1500
Polarizacijska rodovna disperzija
(angl. Polarization Mode Dispersion – PMD )
1600
κ prenosnega vlakna in vlakna za kompenzacijo disperzije se
morata ujemati znotraj celotnega ciljnega pasu valovnih dolžin
(v nasproten primeru je možna popolna kompenzacija le pri
določeni valovni dolžini).
Viri v optičnih komunikacijah
Slide 17/27
Slide 18/27
Notranje napake v optičnem vlaknu:
• zaradi krožno nesimetričnega valovoda
(eliptično jedro, ekscentrično jedro)
∆λ≈100 nm
LED
• zaradi tujkov v vlaknu
(prisotnost zračnih mehurčkov, nečistoča primesi)
• zaradi notranjih napetosti v vlaknu
Zunanje napake na optičnem vlaknu:
• prečna sila na vlakno
• torzijsko zvijanje vlakna
• upogibanje vlakna
• zunanja močna električna ali magnetna polja
∆λ≈10 nm
FP laser
Nesimetrije
Nesimetrije in
in napetosti
napetosti povzročajo
povzročajo od
od polarizacije
polarizacije odvisen
odvisen lomni
lomni količnik
količnik ‐‐ dvolomnost.
dvolomnost.
ƒ Zaradi dvolomnost se po t.i.
enorodovnih optičnih vlaknih v
resnici širita dva ortogonalno
polarizirana rodova z rezličnimi
hitrostmi.
počasna os
DFB laser
∆λ≈1 nm
hitra os
polarizacijska rodovna razpršitev
Direktna modulacija
Zunanja svetlobna modulacija
Slide 19/27
Psvetlobe
[mW]
Slide 20/27
T=0°C
T=25°C
modulacijski
signal
T=50°C
I
laser
izolator
modulator
I [mA]
ID
■ direktna modulacija laserskega vira je mogoča do 5 Gbit/s
■ karakteristika laserja je temperaturno odvisna
■ zunanja modulacija laserskega
žarka z Mach-Zehnderjevim
LiNbO3 modulatorjem do 40 Gbit/s
3
Zveza po optičnem vlaknu
Svetlobni razcepnik
Slide 21/27
Slide 22/27
■ Svetlobni razcepnik je linearen in recipročen element (načelo recipročnosti)
2
fotodioda
LASER
Nf
4
3
4
3
Ne=ηNf
Popt.
η=50% .. 90%
Detektorji v optičnih komunikacijah:
■ PIN fotodioda
■ APD fotodioda
■ Ker je razcepnik pasiven recipročni element, ga je mogoče uporabiti kot
delilnik ali kot smerni sklopnik.
■ Optični razcepnik je vlakenski element, ki spaja eno optično vlakno na
mnogo ločenih vlaken.
■ Optični signal, ki prihaja na vhod razcepnika se pojavi na vseh izhodih.
■ Moč signala se razdeli med vse izhode.
■ V primeru enakomernega deljenje moči je izhodna moč zmanjšana za faktor
delilnega razmerja – število izhodov (N).
1
2
Pvh
1:4 3
4
WDM tehnologija
P/4
P/4
P/4
P/4
Pizh =
Pvh
N
1
delilno razmerje[dB] = −10 log 
N
WDM zveza z optičnimi ojačevalniki
( Wavelength Division Multiplexing )
Slide 23/27
enorodovno optično vlakno
multiplekser
1
2
1
a [dB/km]
Slide 24/27
laser λ1
modulator
laser λ2
modulator
laser λ3
modulator
laser λN
modulator
multiplekser
P≈100 mW
λ≈1550 nm
G.655
NZ-DS enorodovno vlakno 8/125 µm
sprejemnik
demultiplekser
WDM sklopnik
sprejemnik
WDM delilnik
sprejemnik
demultiplekser
Valovno razvrščanje omogoča dodatna povečanja
prenosne kapacitete posameznega vlakna čez meje
časovnega multipleksiranja.
sprejemnik
■ domet ≈ 80 km med optičnimi ojačevalniki
■ zmogljivost = N*2,5 Gbit/s ÷ N*10 Gbit/s ⇒ Tbit/s
Namesto uporabe večjega števila optičnih vlaken, se v eno optično vlakno
uvede več valovnih dolžin (kanalov).
EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier)
vlakenski ojačevalnik s primesjo erbija
Nelinearni pojavi
Slide 25/27
Sestavni deli tipičnega EDFA
■ dopirano optično vlakno
■ črpalni laser(-ji)
■ sklopniki odvisni od valovne dolžine
■ izolatorji
Dopirano
vlakno
■ filter
Izolator
Črpalna
laserska
dioda
WDM
sklopnik
črpalka1
LASTNOSTI:
LASTNOSTI:
Širinaspektra:
spektra:40
40nm
nm
Širina
Ojačenje>>20
20dB
dB
Ojačenje
Slide 26/27
Medsebojno vplivanje signalov na dveh ali več valovnih
dolžinah vodi v generiranje novih valovnih dolžin.
nastanek intermodulacijskih produktov ‐ štirivalovno mešanje (FWM)
ω1
WDM
sklopnik
črpalka2
Izolator
Črpalna
laserska
dioda
ω1 ω2
Filter
ω112
ω123
ω213
ω221
ω113 ω112
ω2 ω3
ω132
ω312
ω223
ω231
ω321
ω332ω221 ω331
ω
ω
dva vhodna signala
trije vhodni signali
Število mešalnih produktov narašča s številom WDM kanalov.
4
Literatura:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
knjiga “Pasivno optično dostopovno omrežje s časovnim razvrščanjem”, Boštjan Batagelj, Založba FE in FRI, 2011
Boštjan Batagelj, Matjaž Vidmar, “ Optične komunikacije-laboratorijske vaje“, FE, Ljubljana 2003
Jožko Budin, “Optične komunikacije“, založba FE, Ljubljana 1993
zbornik “10. strokovni seminar optične komunikacije“, Ljubljana, 29.-31. januar 2003, FE, LOK
zbornik “11. seminar optične komunikacije“, Ljubljana, 28.-30. januar 2004, FE, LOK
zbornik “12. seminar optične komunikacije“, Ljubljana, 9.-11. februar 2005, FE, LSO
zbornik “13. seminar optične komunikacije“, Ljubljana, 1.-3. februar 2006, FE, LSO
zbornik “14. seminar optične komunikacije“, Ljubljana, 31.januar - 2. februar 2007, FE, LSO
zbornik “VITEL – 20. delavnica o telekomunikacijah: Optična dostopovna omrežja“, Brdo pri Kranju,
5.november - 6. november 2007, EZS
zbornik “15. seminar optične komunikacije“, Ljubljana, 30.januar - 1. februar 2008, FE, LSO
zbornik “16. seminar optične komunikacije“, Ljubljana, 28. – 30. januar 2009, FE, LSO
zbornik “17. seminar optične komunikacije“, Ljubljana, 27. – 29. januar 2009, FE, LSO
zbornik “18. seminar optične komunikacije“, Ljubljana, 2. – 4. februar 2011, FE, LSO
zbornik “19. seminar optične komunikacije“, Ljubljana, 1. – 2. februar 2012, FE, LSO
zbornik “20. seminar optične komunikacije“, Ljubljana, 30. januar – 1. februar 2013, FE, LSO
zbornik “21. seminar optične komunikacije“, Ljubljana, 5. – 7. februar 2014, FE, LSO
zbornik “22. seminar optične komunikacije“, Ljubljana, 4. – 6. februar 2015, FE, LSO
lso.fe.uni-lj.si