Šola Optike Ljubljana, november2017

Elementi in pojavi v optičnih zvezah

doc. dr. Boštjan Batagelj Laboratorij za sevanje in optiko, Katedra za informacijske in komunikacijske tehnologije Fakulteta za elektrotehniko, Univerza v Ljubljani Tržaška 25, 1000 Ljubljana E-pošta:bostjan.batagelj@fe.uni-lj.si

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, Katedri za informacijsko in komunikacijsko tehnologije v Laboratoriju za sevanje in optiko (http://lso.fe.uni-lj.si). Kot predavatelj in asistent predava ter vodi avditorne in laboratorijske vaje pri nekaterih telekomunikacijskih predmetih. Je avtor več kot 300 objavljenih člankov, osmih patentnih prijav 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.

1

Slide 2/27Kazalo vsebine

Elementi optičnih zvez:▪ optično vlakno (MM, SM, plastično)▪ viri svetlobe (LED, laser)▪ optični modulatorji▪ optični detektorji▪ razcepniki (pasivni, WDM)

Pojavi v optičnih zvezah:▪ popolni odboj▪ slabljenje optičnega signala▪ disperzija (mnogorodovna, barvna, polarizacijska)▪ nelinearni pojavi

Slide 3/27

Stekleno optično vlakno

d jedro

obloga125 µm

lv=10 km

6

o

v 10µm 125km 10

≈=dl

■ Zelo veliko razmerje med dolžino in širino geometrijskega telesa

ITU-Tstandardi

G.652, G.653, G.654, G.655, G.656, G.657

OM1 (62,5/125), OM2 (50 ali 62,5/125),OM3 (50/125), OM4

ISO razred OS1, OS2 (9/125)

“Optical Singlemode”

“Optical Multimode”

G.651

jedro 50 µm (62,5 µm) ±3 µm 9 µm

ENORODOVNO VLAKNOENORODOVNO VLAKNOMNOGORODOVNO VLAKNOMNOGORODOVNO VLAKNO

ISOrazredi

2

Slide 4/27

Primerjava optičnih vlaken z električnimi vodi

bakrena parica,koaksialni vodnik

optično vlakno

izgube

frekvenčni pas

občutljivost na EM motnje

komunikacijska oprema

velike

majhen

velika

enostavna

majhne

velik

neobčutljivost

zahtevnejša

galvanska ločitev vednov posebnih primerih

cena ni več dražjacenejša

poraba električne energije za TK prenos ekonomičnapotratna

Slide 5/27

Slabljenje optičnega vlakna

Pvh Pizh

absorpcija

3

Slide 6/27

Merjenje slabljenja optičnega vlakna■ Potrebujemo merilnik moči in optične vire na različnih valovnih dolžinah.

oddajnik

sprejemnik

vlakno ‐ merjenec

optična

konektorja

λ1, λ2,... Pvh

Pizh

Slabljenje(λ)[dB]=Pvh(λ)[dBm]‐Pizh(λ)[dBm]

0,4ni določeno13830,41,01550

0,41,01310ISO OS2ISO OS1

dovoljeno slabljenje [dB/km]valovna dolžina [nm]

■ ISO razredi za dovoljeno maksimalno slabljenje v enorodovnem optičnem vlaknu G.652.

■ ISO OS2 za vlakno brez OH absorpcije G.652C in G.652D.

Slide 7/27

Princip delovanja reflektometrske meritve v časovnem prostoru

λ1, λ2,..

oddajnik

sprejemnik

razcepnik

konec vlaknazvarkonektor

odboj 1 odboj 2 odboj konec

OTDR

20 T

ncL ⋅=

Povezava med časom preleta in dolžino

c0 hitrost svetlobe v vakuumuT čas preletan lomni količnik

čas, dolžina

optič

na m

očv

dB

strmina prikazuje slabljenje vlakna na razdaljo

■ Meritve na različnih valovnih dolžinah dajo različne rezultate.

4

Slide 8/27

Vodenje svetlobe v vodnem curku

Colladon in Babinet, 1842

svetloba se odbija od meje voda‐zrak

Optični svetlovod

Vodenje svetlobe po dielektriku

n1

virn2

θk

125 µm

■ 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.

Slide 9/27

Ukrivljanje optičnega vlakna

R

θk

θ<θk

θ<θk θ>θk

jedroobloga

krivinsko slabljenje pri 1550 nm [dB/ovoj]

Krivinski radij [mmj]

■ vlakno G.657.A je kompatibilno z G.652

■ vlakno G.657.B ni kompatibilno z G.652

5

Slide 10/27

Spajanje optičnih vlaken z vlakenskimzvarom in konektorji s ferulami (tulkami)

Slide 11/27

Sklopni izkoristek med različnima vlaknoma

a1NA1

a2NA2

a1NA1a2NA2

2

1

2

2

1

210dB log10

=

aa

NANAa

ni slabljenja

a1NA1a2

NA2

ni slabljenja

20 dB

Različni mnogorodovnivlakni

Različni enorodovni vlakni

enorodovno in mnogorodovno vlakno

6

Slide 12/27

Napaka v sprejemu zaradi disperzije

L1 L2

t tt

odločitveni nivo

Disperzija (razširitev impulza) nastane zaradi:■ mnogorodovnosti■ barvne razpršitve■ polarizacijske razpršitve

Slide 13/27

n1

1

vir

3 2

l

1. žarek2. žarek

3. žarek

∆t

impulz

direkten žarek (θ =π/2) je naredil pot l1=l v času t1=

3. Žarek (θ= θk), ki najbolj vijuga naredi pot l2 v času t2

1

01

1

ncl

cl==

n2

2

21

01

2

nn

cl

cl==

2

1

k sin nnll⋅=

θ=

θk

Mnogorodovna disperzija

vlakno dolžine 100 km t2-t1 ≈ 5 µs zmogljivost zveze < 200 kbit/s

7

Slide 14/27

vlakno dolžine 100 km

t2-t1 ≈ t1⋅∆2 ≈ 50 ns zmogljivost zveze < 20 Mbit/s

direkten žarek je naredil pot l1=l v času t1=

3. žarek potuje s hitrostjo

s 490s 1049,0m/s 1031,46km 100 3

8

1

0

1

1

1 µ=⋅=⋅

⋅=== −

ncl

cl

21

1

∆−

≈

ax

cc

12

3n1

n2

profil lomnegakoličnika

n(x)

x

hitrost svetlobe

c(x)

x

Sinusna trajektorija žarkov v valovodu z gradientnim lomnim likom

Slide 15/27

• 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.

1 nm valovnodolžinskirazmik

1 km

1 psčasovni razmik

Kromatska oziroma barvna disperzija

λ [nm]

8

4

0

D [ps/(nm·km)]

-8

-4

1200 1300 1400 1500 1600

G.652

G.655

8

Slide 16/27

Kompenzacija disperzije z DCF

DCF

pokompenzacija

DCF

prenosno vlakno

predkompenzacijaprenosno vlakno

Skupna disperzija: Dsk=Dpr+DDCF

Skupen naklon: Ssk=Spr+SDCF

Da dosežemo popolno kompenzacijo (Dsk=0) znotraj širšega pasa, mora veljati tudi Ssk=0.

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).

Slide 17/27

Notranje napake v optičnem vlaknu:• zaradi krožno nesimetričnega valovoda

(eliptično jedro, ekscentrično jedro)

• 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

Nesimetrije in napetosti povzročajo od polarizacije odvisen lomni količnik ‐ dvolomnost.Nesimetrije in napetosti povzročajo od polarizacije odvisen lomni količnik ‐ dvolomnost.

Polarizacijska rodovna disperzija(angl. Polarization Mode Dispersion – PMD )

Zaradi dvolomnost se po t.i. enorodovnih optičnih vlaknih v resnici širita dva ortogonalno polarizirana rodova z rezličnimihitrostmi. hitra os

počasna os

polarizacijska rodovna razpršitev

9

Slide 18/27

Viri v optičnih komunikacijah

∆λ≈100 nm

∆λ≈10 nm

∆λ≈1 nm

FP laser

DFB laser

LED

Slide 19/27

Direktna modulacija

■ direktna modulacija laserskega vira je mogoča do 5 Gbit/s■ karakteristika laserja je temperaturno odvisna

I [mA]

Psvetlobe[mW]

10

Slide 20/27

Zunanja svetlobna modulacija

■ zunanja modulacija laserskegažarka z Mach-ZehnderjevimLiNbO3 modulatorjem do 40 Gbit/s

laser modulatorI

modulacijski signal

izolator

Slide 21/27

Zveza po optičnem vlaknu

a [dB/km]LASER fotodioda

Nf

Popt.

Ne=ηNf

η=50% .. 90%

Detektorji v optičnih komunikacijah:■ PIN fotodioda■ APD fotodioda

11

Slide 22/27

Svetlobni razcepnik■ Svetlobni razcepnik je linearen in recipročen element (načelo recipročnosti)

1

4

2

3

1

4

2

3

■ Ker je razcepnik pasiven recipročni element, ga je mogoče uporabiti kot delilnik ali kot smerni sklopnik.

−=

N1log10B]razmerje[d delilno

1 : 4

1

2

Pvh 3

4

P/4P/4P/4P/4

■ 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).

NPP vh

izh =

Slide 23/27

WDM tehnologija( Wavelength Division Multiplexing )

Valovno razvrščanje omogoča dodatna povečanja prenosne kapacitete posameznega vlakna čez meje časovnega multipleksiranja.

enorodovno optično vlakno

multiplekser demultiplekser

WDM delilnik WDM sklopnik

12

Slide 24/27

■ domet ≈ 80 km med optičnimi ojačevalniki■ zmogljivost = N*2,5 Gbit/s ÷ N*10 Gbit/s ⇒ Tbit/s

laser λ1

laser λ2

laser λ3

laser λN

modulatormodulatormodulator

modulator

multiplekser

sprejemniksprejemniksprejemnik

sprejemnikdemultiplekser

λ≈1550 nmP≈100 mW

G.655NZ-DS enorodovno vlakno 8/125 µm

Namesto uporabe večjega števila optičnih vlaken, se v eno optično vlakno uvede več valovnih dolžin (kanalov).

WDM zveza z optičnimi ojačevalniki

Slide 25/27

Sestavni deli tipičnega EDFA■ dopirano optično vlakno■ črpalni laser(-ji)■ sklopniki odvisni od valovne dolžine■ izolatorji■ filter

Izolator

Črpalnalaserska

dioda

IzolatorWDM sklopnik

WDM sklopnik

Dopiranovlakno

Črpalnalaserska

dioda

črpalka1 črpalka2

Filter

LASTNOSTI:Širina spektra: 40 nmOjačenje > 20 dB

LASTNOSTI:Širina spektra: 40 nmOjačenje > 20 dB

EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) vlakenski ojačevalnik s primesjo erbija

13

Slide 26/27

Nelinearni pojavi

ω1 ω2

ω221ω112

ω ω

ω1 ω2 ω3

ω112ω113

ω123ω213

ω331ω332ω221ω223

ω132ω312

ω231ω321

dva vhodna signala trije vhodni signali

Medsebojno vplivanje signalov na dveh ali več valovnih dolžinah vodi v generiranje novih valovnih dolžin.

nastanek intermodulacijskih produktov ‐ štirivalovno mešanje (FWM)

Število mešalnih produktov narašča s številom WDM kanalov.

Slide 27/27Hvala za pozornost !

bostjan.batagelj@fe.uni-lj.si

http://lso.fe.uni-lj.siLaboratorij Laboratorij za sevanje in optikoza sevanje in optiko

omogočenprenos

prenizko razmerje signal proti šum

previsokenelinearnosti

priporočljiva(dovoljena)

optična močna kanal

prenosna razdalja ali hitrost prenosa

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