Учебный курс R&Mfreenet Теория 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 B-ISDN и Цифровой сервис Аналоговые Радио/ТВ сервисы Волоконно-оптическая передача

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

5 Электрические волны Магнитные волны Длина волны Период Частота = 1 / Электромагнитные волны

6 Длина волны Частота [Hz] km 30km 300m 3m 3cm 0.3mm 3mm 30nm 0.3nm 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 Шкала длин волн используемых в электромагнитной передачи

7 Длина волны [nm] Частота [Hz] x x x x10 15 ИК-СпектрВидимый Спектр УФ-спектр Спектр ВО передачи Длины волн используемых в оптической передаче

8 Скорость света (электромагнитное излучение) это: C 0 = Длина волны x Частота C 0 = kм / сек. Примечание: Рентгеновское излучение ( =0.3nm), a УФ излучение ( =10cm ~3GHz) или ИК излучение ( =840nm) имеют одинаковую скорость распространения в вакууме Скорость электромагнитных волн

9 Скорость света (электромагнитное излучение): всегда меньше чем в вакууме, C n n = C 0 / C n n определяется как Коэффициент преломления (n = 1 в вакууме), n зависит от плотности Материала и Длины волны Примечание: n возд. = , n стекла = n сладкой воды = Коэффициент преломления

Пучок света Стекло с повышенной плотностью Стекло с пониженной плотностью n2n2 n1n1 Примечание: n 1 2 sin 2 / sin 1 = n 1 / n 2 Преломление

11 1 = 90° L Стекло с повышенной плотностью Стекло с пониженной плотностью n2n2 n1n1 Пучок света Примечание: n 1 < n 2 и 2 = L Критический угол sin 1 = 1sin L = n 1 / n 2 Полное преломление, Критический угол

12 пад. Стекло с пониженной плотностью n2n2 n1n1 Пучок света Примечание: n 1 < n 2 и пад = отр отр. Стекло с повышенной плотностью Полное внутреннее отражение

13 n2n2 отр. Стекло с пониженной плотностью пад. Стекло с повышенной плотностью Стекло с пониженной плотностью n1n1 n1n ПреломлениеПолное преломление Отражение Изменение направления света в материале

14 n1n1 n2n2 n1n1 n2n2 n1n1 Оболочка Ядро Профиль показателя преломления (Ступенчатый индекс) Волоконно-оптический световод

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

17 Моды выглядят как разные пути (продольный срез)

18 n1n1 n2n2 Численная Апертура NA = sin = (n n 1 2 ) 0.5 Профиль показателя преломления (Ступенчатый индекс) Примечание: NA = 0.3 типичный показатель для ступенчатого индекса волокна n1n1 n2n2 Допустимый угол Источник света светодиод (LED) n1n1 2 Численная апертура

19 Большое значение NA означает Большое значение, 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 Численная Апертура и характеристики передачи

20 Причины затуханий в волокне Макроизгибы Микроизгибы

21 Ступенчатый индекс Сглаженный индекс Размер ядра ~9 мкмРазмер ядра 50мкм Размер ядра 50 или 62.5мкм Для многомодовой передачи Для одномодовой передачи Для многомодовой передачи Типы профилей коэффициента преломления

22 Ступенчатый индексСглаженный индекс Для многомодовой передачи Ступенчатый индекс Для одномодовой передачи 50 MHz km500 MHz km5000 MHz km Для многомодовой передачи Типы профилей коефициента преломления

Затухание [dB/km] Дисперсия Числовая апертура (NA) [-] Числовая апертура (NA) [-] Потери энергии по всей длине линка Потери энергии по всей длине линка Расширение импульса и ослабление сигнала Потери на соединениях LED/Laser fiber fiber fiber fiber e.g. APD* Длина линка Полоса пропускания & длина линка Характеристики соединения Характеристики соединения ОпределениеЭффектОграничение * Лавинный фотодиод Обзор основных характеристик

24 n1n1 n2n2 n1n1 n1n1 n2n2 Профиль показателя преломления (Ступенчатый индекс) Примечание: ~ 680 Moд при NA = 0.2, d = 50 m и = 850nm ~ 292 Moд при NA = 0.2, d = 50 m и = 1300nm Число Мод M = 0.5 x ( x d x NA/ ) 2 Многомодовое волокно (Ступенчатый индекс)

25 Тип импульса на Источнике Тип импульса на Приемнике Меандры Деформированные Импульсы Модовая дисперсия (ступенчатный индекс)

26 n1n1 n2n2 n1n1 n1n1 n2n2 Профиль показателя преломления (Сглаженный индекс) Примечание: ~150 Moд при NA = 0.2, d = 50 m и = 1300 nm Число Мод M = 0.25 x ( x d x NA/ ) 2 Многомодовое волокно (Сглаженный индекс)

27 Форма импульса на передающей стороне Меандры Форма импульса на приемной стороне Деформированные Импульсы Модовая дисперсия в многомодовом волокне

28 Дисперсия Результатом дисперсии является расширение узкого входного импульса, который распространяется вдоль оптического волокна. L1L1 L2L2 Входной импульс Импульс после L 1 Импульс после L 2

29 n1n1 n2n2 n1n1 n1n1 n2n2 Профиль показателя преломления (Ступенчатый индекс) Пример: n 1 = и n 2 = Одномодовое волокно

30 Волоконно-оптическая теория Вносимый сингал Выходной сигнал Многомод ступенчатый Многомод градиентный Одномод n1n1 n2n2 r n1n1 n2n2 r n1n1 n2n2 r

31 Модовая дисперсия Хроматическая дисперсия [ps/km * nm] Поляризационная Модовая дисперсия PMD [ps/ (km)] Многомодовое волокно Одномодовое волокно Виды дисперсии

32 PMD для одномодового оптического волокна медленная ось n y быстрая ось n x < n y y x Задержка (PMD)

33 Затухание многомодовых волокон Длина волны [nm] Затухание [dB/km] 1. Окно 2. Окно 3. Окно SiOH-поглощение Релеевское рассеяние (~ 1/ Окно 4. Окно

34 Затухание одномодовых волокон Зависимость коэффициента затухания от длины волны одномодового оптического волокна

35 Спектральная чувствительность детекторов

36 Спектральная плотность от -15 до -25дБмВт LED (светодиод) +5 до -10дБмВт LASER 1-5нм60-100нм λλ Спектр излучения лазера и LED

37 Метод модифицированного химического осаждения путем выпаривания (MCVD-Process) SiCl 4 GeCl 4 BCl 3 O2O2 O2O2 H2H2 Кварцевая трубка Горелка Производство ММ волокон

38 Профиль показателя преломления (сглаженный индекс) n1n1 n2n2 n1n1 n1n1 n2n2 n2n2 Процесс производства Первый шаг: Выпаривание SiCl 4 + GeCl 4 + O 2 Cl 2 O2O2 SiO ° MCVD-процесс

39 Профиль показателя преломления (сглаженный индекс) n1n1 n2n2 2000° Образование трубки Процесс производства Второй шаг: Сворачивание в трубку SiO 2 + GeO 2 «Схлопка»

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

41 И вот, что выходит в результате

42 Режимы передачи 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 Цветовое кодирование волокон nature/ Все оптические волокна окрашиваются по определенной цветовой схеме:

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

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

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

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 Допустимое отклонение Наконечник Втулка Материалы Наконечник Втулка железо, карбид вольфрама Наконечник Волокно Втулка Технология совмещения – Цилиндрическая гильза

51 Наконечник Гильза Допустимое отклонение Наконечник Гильза мм Gauge Retention Force N Mатериалы Наконечник Гильза Керамика (Circonia) Карбид Вольфрама Керамика (Circonia) Берилливоя бронза Волокно Гильза Наконечник Технология совмещения - Эластичная гильза

52 Материалы V- обр. желоб Центровщик Силиконовая подложка Карбид вольфрама Центровщик ВолокноV - обр. желоб Новые технологии совмещения – V-образный канал

53 Разницей в: Диаметра ядер Численных Апертура Профилей показателя преломления Вносимые потери - внутренние

54 Относительное позиционирование: Горизонтальное несовпадение волокон Осевой наклон Вносимые потери - Внешние

55 Неплотное прилегание Подготовка поверхности волокна: Шероховатость поверхности Угол 4% отражение на каждом конце = 0.36 dB потерь /4 0.2° Вносимые потери - внешние

56 4% Отражение на каждой стороне приводит к потерям в 0.36 dB Параметры передачи Вносимые потери Обратные потери < 1.0 dB ~ 15 dB Зазор между сердцевинами – нет физического контакта

57 Параметры передачи Вносимые потери Обратные потери < 0.5 dB > 35 dB радиус мм Торцы наконечников – Сферический контакт

58 Угловой сферический физический контакт Радиус 5 – 12мм Угол ° Передаточные характеристики Вносимое затухание Возвртные потери < 0.3 dB > 60 dB

59 SC-RJ коннектор SFF коннектор с размерами как у RJ45 Керамический наконечник -> Хорошо известный на рынке Высокая плотность портов, примерно в 2 раза с Duplex SC Многомодовые и одномодовые Обратная совместимость с SC Один тип коннектора + адаптер Соответствие спецификациям ISO/IEC и TIA/EIA 568A SCcompact (or SC-RJ) основан на SC коннекторе (согласно с CECC xxx, IEC ) Возможно соединение с SC Simplex Типичное вносимое затухание : < 0.2dB.

60 Затухание и мощность A = 10 x log (Pin / Pout) Расстояние [km] Затухание 1/2 3 dB 6 dB 0 dB 100% 50% 25% [dB]

61 ATT = x L + A S x N S + A C x N C L : A S : N S : A C : N C : Предполагаемое затухание ВО канала связи Затухание кабеля [dB/km] Длина кабеля km] Затухание на соединении [dB] Число соединений Вносимые потери коннектора [dB] К-во конекторов Затухание канала связи

62 Измерение затухания / принципы OTDR Измерение обратных отражений (OTDR) Приемник Передатчик Приемник Разъем Передатчик Разъем OTDR Разъем

63 Какой метод использовать? Измерение затухания: всегда при оконечивании кабелей для измерения затухания линка Измерение обратных отражений: когда на линке есть ВО муфты для кабелей длиной более 200 м для сложных линков для обнаружения повреждений

64 Принцип измерения затухания мощности a a Значение = 100% Затухание = 0 ПриемникПередатчик Калибровка Значение = x% Затухание = y Измерение Приемник Передатчик

65 Принцип измерения затухания мощности a a

66 Принцип измерения затухания мощности a a

67 Принцип измерения затухания мощности a a

68 Принцип измерения мощности передатчика a a

69 Принцип измерения принимаемой мощности a a

70 Optical Time Domain Reflectometer (OTDR) t Измерение задержки Приемник Рефлектограмма Генератор импульсов Источник света Расщепляющее зеркало оптический сигнал электрический сигнал FO

71 OTDR измерительная процедура OTDR Отраженный импульс принимается OTDR. Импульс света частично отражается на неоднородностях. OTDR Импульс света распространяется по оптическому волноводу. OTDR

Пример OTDR рефлектограммы

73 Типичные и стандартизованные значения затуханий Сварное соединение Типичное: MM: approx dB SM: approx dB В соответствии со стандартом (ISO 11801): MM: 0.3 dB SM: 0.3 dB Разъемное соединение (IL / RL) Типичное : MM: RL: 30 dBIL: approx. 0.3 dB SM RL: 45 dBIL: approx dB В соответствии со стандартом (ISO 11801): MM:RL: 20 dBIL: 0.75 dB SM: RL: 35 dBIL: также как для MM

Приведения и OTDR???

Вторичные отражения (приведения) OTDR Первичное отражение Вторичное отражение 2L L LL

76 Вопросы?