since 1782

Budapest University of Technology and EconomicsDepartment of Broadband Infocommunication Systems

http://www.mht.bme.hu/omt

Optikai HOptikai Háállóózatok Alapjai (BMEVIzatok Alapjai (BMEVIHVJV71HVJV71) )

Optikai Optikai áátviteli ktviteli köözegzeg

2014.02.13.2014.02.13.

Gerhátné Dr. Udvary Eszter

udvary@mht.bme.hu

2Optikai Optikai öösszeksszekööttetttetéés blokkvs blokkváázlatazlata

Fényforrás

Optikai vevő Optikai szál

Optikai jel (intenzitásmoduláció)

Elektromos bemenet

Elektromos kimenet

3FFéényvezetnyvezetőő szszáál tulajdonsl tulajdonsáágai gai

• Nagy mennyiség áll rendelkezésre, olcsó• Nincs elektromágneses zavar, biztonság• Fölfüggetlen, szigetelt átvitel

(nincs földhurok, földpotenciál, drift probléma)

• Könnyű kezelhetőség• Nagy távolság• Nagy kapacitás

•SiO2

•Kis átmérő•Kis súly•Kis csillapítás•Nagy sávszélesség

mag héj védőburkolat

Fényvezetés:Teljes reflexió a mag és héj határán

4ÁÁtviteli ktviteli köözegek zegek öösszehasonlsszehasonlííttáásasa

Optikai szál Koax (RG-19/U)

Csillapítás 0.3dB/km (kb. 7%/km) 22.6dB/km@100MHz (kb.99.5%/km)

súly 6kg/km (2.5mm kábelátmérő) 1110kg/km (d=28.4mm)

5Átviteli közegek összehasonlítása

6A hordozA hordozóó –– fféényny(fizika)(fizika)

SugarakHullámokRészecskék

AbszorcióEmisszió

Interferencia FénytörésFény visszaverődés

Tiltott sáv

Vezetési sáv

Vegyérték sáv

n0

n1

n0

7FFéényterjednyterjedéés les leíírráásasa

• 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

nnnnL

NA ∆≈−== ..222

21

sin 1α

Numerikus apertúra:

αL határszögnél, kisebb szögben érkező sugarak (α < αL) a mag és a héj határfelületén teljes visszaverődnek, ez biztosítja a fényvezetést

8FFéényvezetnyvezetőő szszááll

egymódusú• mag < 10λ• mag átmérője=9 (8.3-10) µm• héj átmérője=125µm• SI

Többmódusú (rövid távolságra)• mag = 50, 62.5, 100µm• héj átmérője=125µm• SI és GI

9TerjedTerjedőő mmóódusok szdusok száámama

Levágási hullámhossz: Az a hullámhossz, mely fölött egymódusúként viselkedik a szál (pl. G.652 szálnál 1280nm)

A normalizált levágási frekvencia (V) > 2.405 multimódusú

a: mag sugara, k = 2π/λ a hullámszám λ: fény hullámhosszan1 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)

( ) 405,222

21 >−= nnkaV

10Többmódusú terjedés

Alap másodrend ű harmadrend ű

Multimodusú terjedés

(akár 100 módus)

11Fontosabb hatFontosabb hatáások sok

t

Csillapítás(veszteség)

Diszperzió(torzítás)

A két hatás együtt jelentkezik

+ nemlinearitás+ stb.

t

Bemenet Kimenet

12CsillapCsillapííttááss

Pbe Pki

⋅=

be

ki

P

Plog10a

Okai:• Abszorpció (fényelnyelés)• Szóródás (inhomogenitásokon)• Reflexió (határátmeneten)• Sugárzásos veszteség (hullámvezető deformáció)

Függ:•Hullámhossz•Hőmérséklet•stb.

13CsillapCsillapííttáás s -- AbszorpciAbszorpcióó

• 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

14CsillapCsillapííttáás s –– Rayleigh szRayleigh szóórrááss

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.

a hullámhossznál jóval kisebb (<λ/4 ) inhomogenitásokon való szóródásmikro-repedések, buborékokaz adalékanyagok szabálytalan eloszlásamechanikai feszültségekalakváltozások, szálgörbület

15AbszorpciAbszorpcióó + Rayleigh sz+ Rayleigh szóórrááss

OH ionok miatt csillapítás csúcsok

3 optikai ablak• 850nm• 1310nm• 1550nm

3dB/km

f=c/λ (∆f≠c/∆ λ !!!! ), c=3·108 m/sλ1=800nm => f1=375 THzλ2=1700nm =>f2=176 THz

Hangcsatorna (4kHz) 5·1010 csatornaTV csatorna (6MHz) 6·105 csatorna

Optikai csillapítás:<3dB/km (800nm-1700nm)

(Látható fény: 360-760nm)

Optikai sávszélesség ≈ 200THz

16Technológiai fejlődés

17SzabvSzabváányos onyos optikai sptikai sáávokvok

Original 1260-1360nmExtended 1360-1460nmShort 1460-1530nmConventional 1530-1565nmLong 1565-1625nmUltra-long 1625-1675nm

DWDM: C sáv (elsősorban EDFA működési tartománya miatt)CWDM: S, C, L sávSzabványos hullámhossz kiosztás:

ITU-T G.694.1: DWDM az S,C és L sávbanITU-T G.694.2: CWDM az O, E, S, C és L sávban.

18CsillapCsillapííttáás s –– Fresnel reflexiFresnel reflexióó

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

19CsillapCsillapííttáás s –– diffdiffúúz visszaverz visszaverőőddééss

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

20CsillapCsillapííttáás s –– SugSugáárzrzáási vesztessi vesztesééggmikroszkmikroszkóópikus gpikus göörbrbüületlet

• A szál tengelyvonalának kismértékű, véletlenszerű elmozdulása, hullámzása. • A szálak kábelezésekor fellépő feszültségek hatására keletkeznek, és jelentős veszteségeket okozhatnak

21CsillapCsillapííttáás s –– SugSugáárzrzáási vesztessi veszteséégg

makroszkmakroszkóópikus gpikus göörbrbüületlet

22CsillapCsillapííttáás s -- hhőőmméérsrséékletfkletfüüggggééss

• 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.

T (oC)-20 +70

k

1

2

23DiszperziDiszperzióó

A jel egyes összetevői eltérő sebességgel terjednek.

• Módus diszperzió (többmódusú terjedés esetén a módusok eltérősebességgel 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 keresztmetszetűmagban a fény két polarizációs síkja eltérő

sebességgel terjed, nagy sebességű átvitelnél jelentős (>10Gbps)

24MMóódusdiszperzidusdiszperzióó

SI

GI

SI 100/140 µm Silica Fiber: ~ 20 Mb/s • kmSI 0.8/1.0 mm Plastic Optical Fiber: ~ 5 Mb/s • kmGI 62.5/125 or 50/125 µm, NA ~ 0.2 : ~ 1 Gb/s • km

25Kromatikus diszperziKromatikus diszperzióó

• 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

26Kromatikus diszperziKromatikus diszperzióó leleíírráásasa

•∆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 lassabbanD pozitív => a hosszabb hullámhossz terjed lassabban(mindkét esetben elkenődik az impulzus, de diszperzió kompenzálás szempontjából fontos az előjel.

lD ⋅∆⋅=∆ λτ

C (fénysebesség), n(törésmutató) frekvencia/hullámhossz függő

Ennek hatására az impulzus kiszélesedik, elnyúlik, „elkenődik”

27PolarizPolarizáácicióós ms móód diszperzid diszperzióó (PMD) okai(PMD) okai

kmpsMértékegysége:

Oka: A két merőleges polarizációs mód eltérő sebességgel terjedTipikus nagyságrend: ps/(nm·km) CD-vel ellentétben értékét nem lehet előre kiszámolni, ezért hatását nem tudjuk kompenzálni

28FFéényvezetnyvezetőő szszáál l -- szabvszabváányoknyok

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 csillapítássalAlkalmazás: egycsatornás átvitel és TDM (1310nm)

DWDM (1550nm, diszperzió kompenzálással)

29FFéényvezetnyvezetőő szszáál l -- szabvszabváányoknyok

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 eltoljukNegative dispersion fiber (NDF)

30

Fajlagos csillapítás[db/km]

300

200

100

800700600500 λ λ λ λ [nm]

250 µµµµm

500 µµµµm

1000 µµµµm

szálátmér ő

MMűűanyag szanyag sz ááll

• Előny: – a nagyobb magátmérő megkönnyíti az illesztést, olcsóbbá válik a szerelés– Olcsóbb anyag

• Hátrány: – nagy csillapítás– nagy diszperzió– korlátos sávszélesség

amin= 140 dB/km @ 650 nm=> hullámhossz-konverzióLED: 50 Mbit/slézer: 155 Mbit/s.

31

Szál - kábel

32Pigtail

• Egyik végén csatlakozó, másik végén szabad szálvég

• Eszközökhöz (pl. adó, vevő) illesztés

• Kábelvéghez hegesztés

33PatchcordPatchcord

• 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

34Optikai kOptikai káábelekbelek

• Mechanikai szempontok: – Beltéri, kültéri, tengeralatti– Helyi, nemzeti előírások

• 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

Optical fibers

Tube

Strain relief(e.g., Kevlar)

Innerjacket

Sheath

Outerjacket

35

Beltéri Kültéri

KKáábelekbelek

Késleltetett égésűkis füstkibocsátású és halogénmentesFeszes vagy laza szerkezetHajlékony

rágcsáló védelemvízállórobosztus => alépítményi csövekbe való befújás

36

Illesztés

37Fényvezető 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

38SzSzáálhegesztlhegesztééss

Elektromos ív olvasztja össze a két szálvéget

• Gyors, megbízható, jó minőségű

• Drága berendezés

• Szálvégek előkészítése

• Pozicionálás

• Tisztítás

• Összeolvasztás

• Védőelem

39Mechanikus illesztMechanikus illesztééss

• 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

40Csatlakozó

• Ferrule: szál mechanikai tartása• A szálak végei polírozottak• Csap – adapter – csap• Nagy pontosság, tökéletes felületi megmunkálás,

tisztaság

Ferrule

FiberKey Sleeve

Ferrule

41Csatlakozó

• 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…

42Csatlakozási 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!

43Csatlakozó szerelés

Üveg és gumi alátétGumi polírozó padÜveg munkafelület

Polírozó tárcsaPolírozó fóliákLeírásTisztítószerCrimp fogóKézi mikroszkóp

TörlőkendőFecskendő és tűSzálpattintóSzáltisztitóEPO-TEK Epoxy ragasztó

Kb. 500EUR (+csatlakozók:7-10EUR, szál:4-5EUR/m)

44Csatlakozó szerelés – gépesítés

• Védelem eltávolítás

• Ragasztó adagolás

• Kemence

• Polírozás

• Mérés

45TisztasTisztasáág!g!

MM szálvég, folyadék

Diamond

46Optikai csatlakozOptikai csatlakozóók tisztk tisztííttáásasa

47Optikai csatlakozOptikai csatlakozóók ellenk ellenőőrzrzéésese

48Szálvég automatizált ellenőrzése

Mikroszkóp

Interferométer

49HatHatááridridőőkk

• 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