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. 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