Optotelekomunikacjacygnus.et.put.poznan.pl/~pstepcz/Optotel-wyk1.pdf · 2007. 3. 18. ·...
Transcript of Optotelekomunikacjacygnus.et.put.poznan.pl/~pstepcz/Optotel-wyk1.pdf · 2007. 3. 18. ·...
1
dr inż. Piotr Stępczak 1
Optotelekomunikacja
2
dr inż. Piotr Stępczak 2
Informacje
• Kontakt:
– pok. 023
– www.et.put.poznan.pl/~pstepcz
3
dr inż. Piotr Stępczak 3
System transmisyjny
Źródło informacji
Nadajnik(modulator)
Medium transmisyjne
Odbiorca informacji
Odbiornik(demodulator)
4
dr inż. Piotr Stępczak 4
Optyczny System transmisyjny
Źródło informacji
Nadajnik elektryczny (modulator)
Kabel światłowodowy
Odbiorca informacji
Odbiornik elektryczny
(demodulator)
Źródłooptyczne
Odbiornik optyczny
5
dr inż. Piotr Stępczak 5
Rys historyczny• 1854 - demonstracja efektu światłowodowego w dielektrykach, John Tyndal• 1876 - Aleksander Graham Bell wynalazł (1880 opatentował) fototelefon.
Urządzenie pozwalało komunikować się na odległość 200 m.
• 1910 - badania i prace teoretyczne nad światłowodami, Lord Rayleigh(Hondros,Debye 1910)
• 1958 - Propozycja budowy lasera (Schawlow, Townes)• 1960 - Pierwszy laser (rubinowy, Theodor Maiman)• 1962 - Impulsowy laser GaAs (Hall i in., Nathan i in. 1962)• 1965 - propozycja stosowania światłowodów gradientowych w telekomunikacji
(Miller)• 1966 - Wskazanie, że szkła kwarcowe mogą być stosowane w telekomunikacji
do wytwarzania światłowodów o małych stratach (Kao, Hockman 1966)• 1968 - Publikacja nt małych strat w bryłach topionego kwarcu (Kao, Davis 1968)• 1968 - Produkcja pierwszego światłowodu telekomunikacyjnego
(Uchida i in. 1969)• 1970 - Produkcja włókna o stratach < 20 dB/km, Corning Glass Company
6
dr inż. Piotr Stępczak 6
Rys historyczny
• 1972 - Włókno o stratach 4 dB/km
• 1982 - Pierwsze włókna jednomodowe
• 1985 - Opracowanie wzmacniacza światłowodowego.
• 1991 - Opracowanie standardu transmisji SONET
• 1995 - Pierwsze instalacje systemów DWDM
• 1998 - Transmisja > 1Tb/s w jednym włóknie
• 2000 - Wprowadzenie pasma L (1560-1610nm).
- Transmisja 40 GB/s w jednym kanale (opracowanie laboratoryjne)
7
dr inż. Piotr Stępczak 7
Korzyści optycznego systemu transmisyjnego
• Pasmo - zasięg– nośnikiem informacji jest fala o częstotliwości z zakresu
1013 – 1016 Hz, która oferuje znacznie większe pasmo transmisyjne (~100THz/km) w porównaniu z elektrycznymi systemami transmisyjnymi (na kablach współosiowych do1GHz/100m),
– wielokrotnie mniejsze straty mocy, co daje duży zasięg transmisji (~100km bez regeneracji),
– możliwość jednoczesnej transmisji różnych sygnałów w tym
samym medium przy zachowaniu maksymalnie szerokiego
pasma.
8
dr inż. Piotr Stępczak 8
• Rozmiar i waga medium– średnica włókna telekomunikacyjnego nie przekracza 300µm, a
kabla światłowodowego w zależności od przeznaczenia od 5mm do 25mm
– kabel światłowodowy jest kilkakrotnie lżejszy od kabli współosiowych i kilkadzięsiątkrotnie lżejszy od wieloparowych kabli telekomunikacyjnych
• Bezpieczeństwo– jako izolator nie stwarza zagrożenia pożarowego i
wybuchowego,– utrudniony (prawie niemożliwy) podsłuch przesyłanej informacji
Korzyści optycznego systemu transmisyjnego
9
dr inż. Piotr Stępczak 9
• Niewrażliwość na zakłócenia– medium optyczne jest dielektrykiem i dlatego wykazuje dużą
odporność na oddziaływanie pola elektromagnetycznego, fal radiowych, impulsów elektromagnetycznych,
– ograniczony ścisłymi kryteriami proces propagacji optycznej uniemożliwia przesłuch pomiędzy włóknami
• Ekonomiczność– duża niezawodność prawidłowo wykonanej instalacji
– malejące koszty komponentów i montażu
Korzyści optycznego systemu transmisyjnego
10
dr inż. Piotr Stępczak 10
MateriałKoncentracja domieszek:
Cu, Fe, Cr 10-9
jon OH- 10-6
11
dr inż. Piotr Stępczak 11
Budowa włókna
12
dr inż. Piotr Stępczak 12
Światło na granicy ośrodków
90sinsin
sinsin
21
21
nnnn
gr
zp
op
=Θ
Θ=Θ
Θ=Θ prawo Snella
całkowite wewnętrzne odbicie
1
2sinnn
gr =Θ
Θp Θo
Θzn2
n1
n1 > n2
Θgr
13
dr inż. Piotr Stępczak 13
Światło uwięzione w ośrodku
ΘgrΘa
n1 > n2
n2
n1
n2
Θo= 90o
111
21
cossin90sinsinΘ=Θ
=Θ
nnnn
gr
gr
n0
Θ1z wzorów redukcyjnych
22
21
11
212
1
1sin
sin1
nnn
nn
−=Θ
=Θ−
22
21
0
011
1sin
sinsin
nnn
nn
a
a
−=Θ
Θ=Θ
NAnna =−=Θ 22
21sin
z prawa Snella dla granicy powietrze-włókno
Przykład:n1=1,49; n2=1,46
NA = 0,297
Θa = 17,3o
stożek akceptacji
2Θa = 34,6o
14
dr inż. Piotr Stępczak 14
Warunek propagacjiwarunek zgodności faz
πλ
πϕλ
π 222211
⋅+=∆+ mCBAB
...4,3,2,1=mgdzie:
11
1
2cossin
2sin
2
ΘΘ
=
Θ=
aCB
aABponieważ:
am4
sin
0
11
λϕ
=Θ
=∆to przy:
kąt akceptowanych promieni we włóknie ->
kąt akceptowanych promieni na wejściu do włókna ->a
mnn
a 4sin 1
0
1 λ=Θ
15
dr inż. Piotr Stępczak 15
Mod -definicja
• Modem w falowodzie lub rezonatorze nazywamy jedną z dopuszczalnych struktur pola elektromagnetycznego. Dopuszczalne struktury pola otrzymamy korzystając z równań Maxwella i odpowiednich warunków brzegowych.
Przykłady modu– Mody falowodu – mody włókna światłowodowego– Mod rezonatora – mody lasera półprzewodnikowego
16
dr inż. Piotr Stępczak 16
Falowa natura światła
( ) ( )
( ) ( )ztjjmzz
ztjjmzz
eerHHeerEE
βω
βω
−Θ±
−Θ±
⋅⋅=
⋅⋅=
10
20
22
2
101
1
22zatem
22
220
nn
n
n
gr
λπβ
λπ
λπ
λπβ
λπ
λπβ
<<
==⇒Θ≈Θ
==⇒≈Θ
0
17
dr inż. Piotr Stępczak 17
Graficzne rozwiązanierównań Maxwella
( )( )
,2
2
:gdzie
112
2
20
2
2
10
2
2
22
202
221
−=
−
=
+
=++
nw
nu
wuamKnJnKJ mmmm
λπβ
βλπ
πβλ
( )
22
21
0
2222
2 nnaV
awuV
−=
⋅+=
λπ
zakres jednomodowy
częstotliwość znormalizowana
V
18
dr inż. Piotr Stępczak 18
Rozkład pola modu
)879,2619,165,0(2 65,1 −− ⋅+⋅+⋅⋅= VVawo
19
dr inż. Piotr Stępczak 19
Rozkład pola modu
)879,2619,165,0(2 65,1 −− ⋅+⋅+⋅⋅= VVawo
20
dr inż. Piotr Stępczak 20
Ciężar wielomodowości
czas propagacji fali1
1
1 coscos Θ=
Θ=
cLn
vLτ
różnica między modem centralnym a skrajnym
( )2
12
1
110 2
1
1
11cos
1 NAcn
L
nNAc
Lnc
Ln
grgr ≅
−
−
=
−
Θ=−=∆ τττ
21
dr inż. Piotr Stępczak 21
Ciężar wielomodowości
t
tL
T∆τmT
22
dr inż. Piotr Stępczak 22
Ciężar wielomodowości
t
T AL
∆τmT
½ A
Przykład:n1=1,49; NA=0,297; dla L=1km
∆τm = 98,67ns
Częstotliwość powtarzania impulsów nie powinna być większa niż
B = 0,441/∆τm = 0,441/98,67ns = 4,47 MHz
23
dr inż. Piotr Stępczak 23
Włókno gradientowe
r
współczynnik załamania ośrodka
0 aa
n1
n2
( )2
1
1 21
∆−=
∞
arnrn( )
21
2
1 21
∆−=
arnrn
gdzie:
21
22
21
2nnn −
=∆ względny współczynnik załamania włókna
24
dr inż. Piotr Stępczak 24
Włókno gradientowe
( ) ( ) ( ) ( )rrnrnrnn Θ==Θ=Θ=Θ cos.....coscoscos 332211
( )2
1
21
coscos
∆−
Θ=Θ
ar
r
25
dr inż. Piotr Stępczak 25
Włókno gradientowe
Tor fali jest sinusoidalny o amplitudzie :∆
Θ
2sin 1a
maksymalna amplituda jest równe a gdy : ∆=Θ 2sin 1
i okresie : 122cos2 2
11 −
=
∆
ΘNAnaa
ππ
zatem apertura numeryczna : ∆=Θ= 2sin 10 nNA
26
dr inż. Piotr Stępczak 26
Włókno gradientoweDyspersja modowa to suma elementarnych czasów
( )c
rndldt ⋅=
która ostatecznie prowadzi do zależności :
( ) Lcn
NA31
4
8=∆τ
27
dr inż. Piotr Stępczak 27
Przykład:
n1=1,49; NA=0,297; L=1km
światł. gradientowy ∆τ = 990,02 ps
światł. skokowy ∆τ = 98,67 nsCzęstotliwość powtarzania impulsów nie powinna być większa niż
B = 0,441/ ∆τ = 444,3 MHz
Przykład:
n1=1,49; NA=0,297; a=25µm; ∆=2%
okres fali = 770,3µm
dł. soczewki = 192,6µm
28
dr inż. Piotr Stępczak 28
Typy włókien
• planarne – płaskie o 2 ścianach odbijających (lasery, optyka zintegrowana)
• cylindryczne – okrągły rdzeń otoczony okrągłym płaszczem powleczony powłokami elastycznymi (telekomunikacja, sieci komputerowe, HiFi)
• eliptyczne – rdzeń eliptyczny lub profilowany z okrągłym płaszczem
(przenoszenie jednego kierunku polaryzacji, czujniki wielkości nieelektrycznych)
29
dr inż. Piotr Stępczak 29
Klasyfikacja włókien
• charakterystyka modowa: jednomodowe, wielomodowe
• rozkład wsp. załamania w rdzeniu: skokowe, gradientowe
• materiał: szklane, plastikowe, półprzewodnikowe
• zastosowania: pasywne, aktywne, specjalne
30
dr inż. Piotr Stępczak 30
Wytwarzanie włókien
Etapy
– Formowanie preformy
– Wyciąganie włókna z preformy
– Ochrona i uelastycznianie
31
dr inż. Piotr Stępczak 31
Wytwarzanie włókien1200oCSi CL4 + O2 → Si O2 + 2 CL2G2CL4 + O2 → G2 O2 + 2 CL2
1900oC kolaps
Metoda MCVD
32
dr inż. Piotr Stępczak 32
Wytwarzanie włókien