Światłowody telekomunikacyjne · 2016. 10. 11. · Definicja: Płaszcz – najbardziej...

Światłowody telekomunikacyjne

Parametry i charakteryzacja światłowodów

Kolejny wykład będzie poświęcony metodom pomiarowym

Prezentacja zawiera kopie folii omawianych na wykładzie. Niniejsze opracowanie chronione jest prawem autorskim. Wykorzystanie niekomercyjne dozwolone pod warunkiem podania źródła.

© Sergiusz Patela 2002-2004

(c) Sergiusz Patela 2002-2004 Światłowody telekomunikacyjne 2

Charakteryzacja światłowodowych kabli telekomunikacyjnych (standardy ITU)

G.650 Definicje i metody testowania parametrów światłowodów jednomodowych

G.651 Charakterystyki wielomodowych gradientowych kabli światłowodowych typu 50/125 µm

G.652 Charakterystyki jednomodowych kabli światłowodowychG.653 Charakterystyki jednomodowych kabli światłowodowych z

przesuniętą dyspersjąG.654 Charakterystyki światłowodowych kabli jednomodowych z

minimum tłumienia (optymalizowanych) dla 1550 nmG.655 Charakterystyki jednomodowych kabli światłowodowych z

niezerową dyspersją


Różnice między światłowodami G.652 i G.654

Światłowody G.652 były optymalizowane do pracy przy 1310nm

Światłowody G.654 zostały zoptymalizowane dla długości fali 1550 nm.

• Rdzeń światłowodu wykonany jest z czystej krzemionki. • Średnica pola modu i dopuszczalne poziomy mocy są

większe niż w G.652. • G.654 przeznaczone są do pracy w łączach b.dalekiego

zasięgu, np. transoceanicznych.


Metody pomiarowe

Parametry i ich definicje oraz metody pomiarowe są ze sobą ściśle związane.

Parametry światłowodu można zwykle mierzyć kilkoma metodami.

• Jedna z nich wybierana jest jako metoda główna (inaczej -metoda referencyjna). Pomiary należy przeprowadzać ściśle według zaleceń normy lub standardu.

• Pozostałe to metody alternatywne.


Parametry światłowodu jednomodowego

1. Tłumienność

2. Dyspersja chromatyczna

3. Średnica pola modu

4. Apertura numeryczna

5. Długość fali odcięcia

6. Dyspersja polaryzacyjna (Polarisation mode dispersion)

7. Średnica płaszcza, błąd koncentryczności pola modu i eliptyczność płaszcza.

8. Wytrzymałość mechaniczna


V

LP02

LP21

LP01

LP11

1

654321

b

Światłowód włóknisty - mody liniowo spolaryzowane

Mody liniowo spolaryzowane światłowodu włóknistego


Pole modu

Błąd koncentrycznośc Średnica

Środek

Zdjęcie pola modu światłowodu jednomodowego w bliskim polu


Średnica pola modu

• Pole modu to rozkład pola jednego modu (LP01), który daje przestrzenny rozkład natężenia w światłowodzie.

• Średnica pola modu (MFD) 2w jest miarą rozciągłości natężenia pola elektromagnetycznego w poprzecznym przekroju światłowodu.

• MFD jest definiowana przez kątowy rozkład natężenia dalekim polu F2(θ)

( )

( )

21

2

0

32

2

0

2

cossin

cossin22

=

∫

∫π

π

θθθθ

θθθθ

πλ

dF

dFw


Inne parametry pola modu• Środek pola modu: pozycja środka masy rozkładu natężenia

we włóknie.

• Środek masy zlokalizowany jest w rc i określony jest przez całkę iloczynu znormalizowanego pola natężenia i wektora położenia.

( )( )∫∫

∫∫=Area

Areac dArI

dArrIr

• Błąd koncentryczności pola modu. Odległość pomiędzy środkiem pola modu i środkiem płaszcza.


Średnica płaszcza, odchyłka średnicy i eliptyczność płaszcza (1)

Definicja: Płaszcz – najbardziej zewnętrzny obszar o stałym współczynniku załamania w przekroju poprzecznym włókna.

• Środek płaszcza. W przekroju poprzecznym włókna - środek okręgu, który jest najlepiej dopasowany do zewnętrznej granicy płaszcza.

• Średnica płaszcza. Średnica okręgu który definiuje środek płaszcza.

• Odchyłka średnicy płaszcza. Różnica pomiędzy rzeczywistą i nominalną średnicą płaszcza.


Średnica płaszcza, błąd koncentryczności pola modu i eliptyczność płaszcza (2)

• Pole tolerancji płaszcza. W przekroju poprzecznym włókna, obszar pomiędzy koncentrycznymi okręgami opisanym i wpisanym w zewnętrzny obrys płaszcza.

• Eliptyczność (non-circularity) płaszcza.Różnica średnic okręgów definiujących pole tolerancji płaszcza podzielona przez nominalną średnicę płaszcza.


Długość fali odcięcia - definicja teoretyczna

Teoretycznie, długość fali odcięcia to najmniejsza długość fali przy której w światłowodzie rozchodzi się tylko jeden mod.

Przy długościach poniżej długości odcięcia w światłowodzie rozchodzi się kilka modów i światłowodu nie można uważać za jednomodowy.


Długość fali odcięcia - wartość rzeczywista

We włóknach światłowodowych przejście od zachowania wielo do jednomodowego nie występuje gwałtownie, tylko dla pewnego zakresu długości fal.

Długość fali odcięcia jest definiowana jako długość dla której stosunek mocy całkowitej (wszystkie mody) do mocy modu podstawowego maleje do 0,1 dB.Zgodnie z tą definicją mod LP11 jest tłumiony o 19,3 dB silniej niż mod LP01, w sytuacji gdy oba mody są wzbudzane jednakowo.


Trzy rodzaje długości fali odcięcia

Długość fali odcięcia zależy od długości, naprężeń i zagięć włókna. W konsekwencji otrzymujemy trzy definicje długości fali odcięcia (DFO):

• DFO kabla (mierzona przed instalacją),

• DFO włókna (mierzona na nie-kablowanym włóknie z pokryciem pierwotnym)

• DFO kabla przyłączeniowego.


DFO kabla światłowodowego - referencyjna metoda pomiarowa

DFO kabla światłowodowego λcc (cable cut-off) mierzy się przed instalacją na 22 m. odcinku prostego kabla. Na obu końcach odsłaniamy 1 m. włókna z pokryciem pierwotnym, na każdym wykonujemy pętlę o promieniu 40 mm.

1 m1 m22 m

R 40mm


DFO kabla światłowodowego - 1. metoda alternatywna

1. Alternatywnie, możemy przeprowadzić pomiar na 22 m. pierwotnie pokrytego (nie-kablowanego) włókna ułożonego luźno w pętle o promieniu > 140 mm. na każdym wykonujemy pętlę o promieniu 40 mm.

22 m

R 40mmR 140mm


DFO kabla światłowodowego - 2. metoda alternatywna

Alternatywnie - można zastosować inne konfiguracje pomiarowe, jeżeli

• wyniki pokrywają się w granicach 10 nm z konfiguracją podstawową,

• lub jeśli otrzymana DFO jest większa.

Np. dla niektórych włókien wystarcza następująca konfiguracja: 2 m. włókna z pokryciem pierwotnym z dwoma pętlami o promieniu 40 mm.


DFO włókna światłowodowego

DFO włókna światłowodowego λc mierzymy na nie-kablowanym włóknie z pokryciem pierwotnym w następującej konfiguracji:

• 2 metry włókna

• jedna luźno ułożona pętla o promieniu 140 mm, reszta włókna ułożona prosto.

2 m

R 140mm


DFO kabla przyłączeniowego

Długość fali odcięcia kabla przyłączeniowego λcj (jumper cable) mierzymy w następujące konfiguracji:

2 metry, z jedną pętlą o promieniu x (lub odpowiednikiem takiej pętli). Reszta włókna utrzymywana prosto.

Często x jest ustalane na 76 mm.

2 m

x = 76mm


Tłumienność

Tłumienność A(λ) dla fali o długości λ pomiędzy dwoma przekrojami poprzecznymi włókna odległymi o L definiowana jest jako:

( ) ( )( ) ( )dBlog10

2

1

λλλ

PPA =

gdzie P1(λ) to moc optyczna w przekroju poprzecznym 1, a P2(λ) moc optyczny w przekroju 2 dla fali o długości λ.

Dla światłowodu jednorodnego można zdefiniować tłumienność jednostkową (współczynnik niezależny od długości światłowodu):

( ) ( ) )(dB/ dłługościjednostkaL

Aa λ=λ


Dyspersja chromatyczna

Definicja dyspersji chromatycznej. Poszerzenie impulsu optycznego we włóknie, powstające w wyniku różnic prędkości grupowych różnych fal składających się na spektrum źródła.

Dyspersja chromatyczna może być wywołana następującymi czynnikami: • dyspersja materiałowa, • dyspersja falowodowa, • dyspersja profilu.


Współczynnik dyspersji chromatycznej

Zmiana opóźnienia impulsu światła na jednostkową długość światłowodu wywołana przez jednostkową zmianę długości fali światła. Zwykle wielkość dyspersji podaje się w ps/(nm · km).Miarą dyspersji będzie czas trwania impulsu światła, przypadający na jednostkę widma, po przejściu jednostkowej długości światłowodu. Poprawny wynik otrzymamy jeżeli:

1. źródło ma szerokie spektrum,2. czas trwania impulsu wejściowego jest znacznie krótszy niż

wyjściowego,3. pomiar przeprowadzamy poza obszarem zerowej dyspersji

D

t lub L


Inne parametry charakteryzujące dyspersję

• Nachylenie zera dyspersji. Nachylenie charakterystyki dyspersji chromatycznej w funkcji długości fali w punkcie gdzie dyspersja przyjmuje wartość zero.

• Długość fali zerowej dyspersji. Długość fali przy której dyspersja chromatyczna zanika.

• Przesunięcie dyspersji. Tylko dla światłowodów DSF G.653.


Dyspersja polaryzacyjna Dyspersja polaryzacyjna (PMD = Polarisation Mode Dispersion) przejawia się jako różnicowe opóźnienie grupowe (DGD = Differential Group Delay) pomiędzy dwoma modami spolaryzowanymi ortogonalnie. DGD wywołuje poszerzenie impulsu w systemach cyfrowych i dystorsję sygnału w systemach analogowych.

Uwaga 1 – Rzeczywiste światłowody nie mogą być idealnie cylindryczne orazpodlegają lokalnym naprężeniom, w wyniku czego światło jest dzielone na dwie ortogonalne polaryzacje rozchodzące się z różnymi prędkościami. Występująca anizotropia ma charakter statystyczny.

Uwaga 2 – W światłowodzie zawsze występują dwa podstawowe stany polaryzacji (PSP = Principal States of Polarization) takie że PMD zanika jeżeli tylko jeden z nich jest wzbudzany. PMD ma wartość maksymalną jeżeli oba PSP są wzbudzane równomiernie.


Podstawowe stany polaryzacji (PSP) - definicja

Przy pracy światłowodu powyżej długości fali odcięcia, w reżimie quasi-monochromatycznym, wyjściowe PSP to dwa stany polaryzacji, dla których polaryzacja nie zmienia się przy niewielkich zmianach częstości optycznej. Odpowiadające im polaryzacje wejściowe definiują wejściowe PSP.

Uwagi

• Ponieważ lokalne naprężenia zmieniają się wzdłuż włókna, PSP zależą od całkowitej długości światłowodu (inaczej niż we włóknach PMF)

• Jeżeli sygnał ma widmo szersze niż widmo PSP, wystąpią efekty dyspersyjne wyższych rzędów, depolaryzacja sygnału i dodatkowa dyspersja chromatyczna.


Podstawowe stany polaryzacji (PSP) - ilustracja 1.

We

Wy

W ogólnym przypadku polaryzacja wyjściowa zależy od długości fali.

Dla PSP stan polaryzacji nie zmienia się z długością fali (w niewielkim oknie ∆λ)

λ

λ +∆λ

∆λ


Różnicowe opóźnienie grupowe

Różnicowe opóźnienie grupowe (the Differential Group Delay DGD) to różnica czasów propagacji dwóch podstawowych stanów polaryzacji (PSP).

Uwaga – DGD zależy od długości fali i może zmieniać się w czasie przy zmianach warunków zewnętrznych. Typowe są zmiany o rząd wielkości.

Rozkład statystyczny DGD jest określony przez średnią drogę sprzęgania modów h, średnią dwójłomność modową i stopień koherencji źródła. Dla typowych łączy długość całkowita L >> h, w związku z tym obserwuje się silne sprzęganie modów. W takim przypadku rozkład prawdopodobieństwa DGD jest rozkładem Maxwella.


Trzy definicje PMD (1)

Drugi moment statystyczny PMD (wariancja) Ps jest definiowany jako podwójne odchylenie średniokwadratowe (2σ) zależnego od czasu rozkładu natężenia światła I(t) na wyjściu światłowodu po wprowadzeniu na wejście krótkiego impulsu światła. Zakłada się że usunięto wpływ dyspersji chromatycznej:

( ) ( )( )

( )( )

21

21

22

22 22

−=><−><=

∫∫

∫∫

dttI

tdttI

dttI

dtttIttPs

t reprezentuje czas dotarcia impulsu do wyjścia światłowodu.



Średnie różnicowe opóźnienie grupowe Pm definiujemy jako różnicowe opóźnienie grupowe δτ(ν) pomiędzy odstawowymi stanami polaryzacji, uśrednione w przedziale częstotliwości optycznych (ν1, ν2):

( )

12

2

1

vv

cdvvp

v

vm −

=∫δτ

Uwaga: Dopuszcza się uśrednianie po temperaturze lub czasie zamiast uśredniania po częstotliwości.



Średniokwadratowe różnicowe opóźnienie grupowe Prdefiniujemy jako:

( )2

12

1

12

2

−=

∫vv

dvvP

v

vr

δτ


Współczynnik PMDWyróżniamy dwa przypadki:

Słabe sprzęganie modów (krótkie włókna):

[ ] LPLPLPkmpsPMD rmsc /lub,/,// =

Silne sprzęganie modów (długie włókna):

[ ] L/, or PL/, PL/Pkmps/PMD rmsc =

Silnie sprzęganie modów występuje w zainstalowanych kablach światłowodowych dłuższych 2 km. W normalnych warunkach sprzęganie jest statystyczną funkcją długości fali, czasu, typu i serii wybranego włókna.

W większości przypadków należy stosować drugi z przedstawionych wzorów.


Pytania kontrolne

1. Wymienić standardy (wg. ITU) charakteryzujące podstawowe światłowody telekomunikacyjne. Krótko scharakteryzować każdy ze standardów.

2. Czego dotyczą standardy G.652 i G.654? Czym różnią się światłowody opisane w tych standardach?

3. Wymienić podstawowe parametry światłowodów telekomunikacyjnych. Parametry podzielić na grupy, na początku każdej listy umieścić parametry najważniejsze.

4. Podać definicję „średnicy pola modu” światłowodu. Czym różni sięśrednica pola modu od średnicy rdzenia światłowodu?

Światłowody telekomunikacyjne · 2016. 10. 11. · Definicja: Płaszcz – najbardziej...

Documents

Transcript of Światłowody telekomunikacyjne · 2016. 10. 11. · Definicja: Płaszcz – najbardziej...