Optotelekomunikacjacygnus.et.put.poznan.pl/~pstepcz/Optotel-wyk1.pdf · 2007. 3. 18. ·...

1

dr inż. Piotr Stępczak 1

Optotelekomunikacja

2


Informacje

• Kontakt:

– pok. 023

– [email protected]

– www.et.put.poznan.pl/~pstepcz

3


System transmisyjny

Źródło informacji

Nadajnik(modulator)

Medium transmisyjne

Odbiorca informacji

Odbiornik(demodulator)

4


Optyczny System transmisyjny

Źródło informacji

Nadajnik elektryczny (modulator)

Kabel światłowodowy

Odbiorca informacji

Odbiornik elektryczny

(demodulator)

Źródłooptyczne

Odbiornik optyczny

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


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


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


• 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


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


10


MateriałKoncentracja domieszek:

Cu, Fe, Cr 10-9

jon OH- 10-6

11


Budowa włókna

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


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


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


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


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


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


Rozkład pola modu

)879,2619,165,0(2 65,1 −− ⋅+⋅+⋅⋅= VVawo

19


Rozkład pola modu

)879,2619,165,0(2 65,1 −− ⋅+⋅+⋅⋅= VVawo

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



t

tL

T∆τmT

22



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


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



( ) ( ) ( ) ( )rrnrnrnn Θ==Θ=Θ=Θ cos.....coscoscos 332211

( )2

1

21

coscos

∆−

Θ=Θ

ar

r

25



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


Włókno gradientoweDyspersja modowa to suma elementarnych czasów

( )c

rndldt ⋅=

która ostatecznie prowadzi do zależności :

( ) Lcn

NA31

4

8=∆τ

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


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


Klasyfikacja włókien

• charakterystyka modowa: jednomodowe, wielomodowe

• rozkład wsp. załamania w rdzeniu: skokowe, gradientowe

• materiał: szklane, plastikowe, półprzewodnikowe

• zastosowania: pasywne, aktywne, specjalne

30


Wytwarzanie włókien

Etapy

– Formowanie preformy

– Wyciąganie włókna z preformy

– Ochrona i uelastycznianie

31


Wytwarzanie włókien1200oCSi CL4 + O2 → Si O2 + 2 CL2G2CL4 + O2 → G2 O2 + 2 CL2

1900oC kolaps

Metoda MCVD

32


Wytwarzanie włókien

Optotelekomunikacjacygnus.et.put.poznan.pl/~pstepcz/Optotel-wyk1.pdf · 2007. 3. 18. ·...

Documents

Transcript of Optotelekomunikacjacygnus.et.put.poznan.pl/~pstepcz/Optotel-wyk1.pdf · 2007. 3. 18. ·...