Szybkość transmisji

Nośnikiem informacji jest światło - fala elektromagnetyczna o częstotliwości 3x1014Hz. Pojemność kanału transmisji można zwielokrotnić przesyłając jednym światłowodem fale o różnych „kolorach”.

• Zasięg transmisji

Bardzo małe tłumienie szkła krzemionkowego i całkowite wewnętrzne odbicie na granicy rdzenia umożliwiają transmisję bez regeneracji na znaczne odległości.

• Mody światłowodu.

Wiele właściwości światłowodu, w tym pojęcie modu, można wyjaśnić tylko uwzględniając fakt, Ŝe światło to fala elektromagnetyczna rozchodząca się w falowodzie o małych wymiarach poprzecznych.

Mod - w falowodzie lub rezonatorze modem nazywamy jedną z dopuszczalnych struktur pola elektromagnetycznego. Dopuszczalne struktury pola możemy obliczyć korzystając z równań Maxwella i odpowiednich warunków brzegowych.

Ze względu na strukturę, charakterystyki modowe, stosowane materiały i sposób prowadzenia światła światłowody możemy dzielić na następujące grupy:

• struktura: włókniste i planarne,

• charakterystyka modowa: jednomodowe i wielomodowe,

• rozkład współczynnika załamania w rdzeniu: skokowe i

gradnientowe,

• materiał: szklane, plastikowe, półprzewodnikowe, ...

• zastosowania: pasywne, aktywne, specjalne

• sposób prowadzenie światła: standardowe, fotoniczne

Włókna światłowodowe

• SiO2 (domieszkowane)

• inne szkła, np. ZBLAN (Zr, Ba, La, Al, Na)

• materiały krystaliczne - szafir

• Światłowody plastikowe (PMMA)

Światłowody planarne

• Wielowarstwy epitaksjalne (np. GaAs/AlGaAs)

• Warstwy dielektryczne (Ta2O5, ZnO, Si3N3/SiO2)

• Warstwy polimerowe (PMMA, PS)

Światłowody aktywne (erbowe, prazeodymowe)

• Światłowody polaryzacyjne (podtrzymujące polaryzacje,

polaryzujące

• Światłowody cieczowe

1. Ogromna pojemność informacyjna pojedynczego włókna

2. Małe straty = przesyłanie sygnałów na znaczne odległości

3. Całkowita niewrażliwość na zakłócenia i przesłuchy e-m

4. Mała waga

5. Małe wymiary

6. Bezpieczeństwo pracy (brak iskrzenia)

7. Utrudniony (prawie niemożliwy) podsłuch przesyłanych danych.

8. Względnie niski koszt (i ciągle spada)

9. Duża niezawodność (poprawnie zainstalowanych łączy światłowodowych)

10. Prostota obsługi.

Parametry włókien światłowodowych:

1. Optyczne

tłumienie, dyspersja, długość fali odcięcia, współczynniki załamania, apertura numeryczna, właściwości modowe, stabilność temperaturowa parametrów

2. Geometryczne

wymiary poprzeczne, geometria

3. Mechaniczne

wytrzymałość na zerwanie, promień gięcia

4. Dodatkowe (dla włókien specjalnych)

rodzaj domieszki aktywnej, droga zdudnień

Tłumienie [dB/km]

włókna jednomodowe

1310nm 0,33-0,42

1550nm 0,18-0,25

włókna wielomodowe (gradientowe)

850nm 2,4-2,7 (50/125) 2,7-3,2

(62,5/125)

1300nm 0,5-0,8 0,6-0,9

Gdzie:

n1, n2 - współczynniki załamania rdzenia i płaszcza

r - promień rdzenia

l0 - długość fali światła

Kąt graniczny, to kąt rozgraniczający występowania dwóch zjawisk: załamania i całkowitego wewnętrznego odbicia.

• Przy wzroście kąta padania wiązki i przekroczeniu wartości kąta równej kątowi granicznemu zanika zjawisko załamania i pojawia się efekt całkowitego wewnętrznego odbicia.

• Wartość kąta granicznego można obliczyć ze wzoru Snelliusa, podstawiając za kąt ugięcia 90°

Apertura numeryczna

Definicja dyspersji

Definicja:

Dowolne zjawisko, w którym prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej zależy od długości fali. W telekomunikacji terminu dyspersja używa się opisując procesy, w których sygnał niesiony przez falę elektromagnetyczną rozchodzącą się w ośrodku ulega degradacji. Degradacja ta występuje, ponieważ różne składowe fali (różniące się częstotliwościami lub wektorami falowymi) rozchodzą się z różnymi szybkościami. W komunikacji światłowodowej termin dyspersja odnosi się do kilku, ściśle zdefiniowanych parametrów światłowodu: dyspersji modowej, materiałowej, własnej i polaryzacyjnej.

1. Dyspersja międzymodowa [200-800 MHz/km]

2. Dyspersja chromatyczna (materiałowa + własna) [0-20

ps/km-nm]

3. Dyspersja polaryzacyjna [£ 0,2 ps/km1/2]

Równania Maxwella to układ wektorowych równań rożniczkowych wiążących ze sobą wektory pola

elektromagnetycznego E i H oraz parametry charakteryzujące materiał ε i μ

Równania falowe to równania różniczkowe opisujące zachowanie się fali elektromagnetycznej

w próżni lub w ośrodku materialnym. Rozwiązania równania falowego dla światłowodu opisują rozchodzenie się fali świetlnej oraz rozkłady pola w strukturach.

Mod TE,

Niezerowe składowe pola: Ey, Hx, Hz

Mod TM,

Niezerowe składowe pola: Hy, Ex, Ez

Czynnikiem wyznaczającym minimalną wartość tłumienia światłowodów ze szkieł krzemionkowych jest rozpraszanie Rayleigha.

Rozpraszanie Rayleigha to rozpraszanie na centrach rozpraszających o wymiarach mniejszych o długości rozpraszanej fali.

Centrami rozpraszającymi mogą być wtrącenia, defekty lub fluktuacje gęstości i współczynnika załamania.

Intensywność rozpraszania Rayleigha rośnie proporcjonalnie do 1/l4

Rozpraszanie Rayleigha jest przyczyną błękitnego koloru nieba.

Kombinacja różnych efektów rozpraszania i absorpcji koloruje zachody słońca.

Metody wytwarzania światłowodów włóknistych

1. Metoda podwójnego tygla

2. Metoda zewnętrznego osadzania szkła (OVD, "soot")

3. Metoda wewnętrznego osadzania szkła (MCVD, PCVD)

4. Metoda pionowego osadzania szkła (VAD - vapour phase axial deposition)

Lista elementow traktu światłowodowego

Pasywne

1. Światłowody

2. Kable światłowodowe

3. Złącza

4. Rozgałęziacze

5. Soczewki (mikrosoczewki, GRIN)

Aktywne

1. Źródła i detektory światła

2. Wzmacniacze światłowodowe i konwertery długości fali

3. Modulatory i przełączniki światłowodowe

4. Tłumiki, filtry, multipleksery

Straty w elementach toru światłowodowego

• straty absorpcyjne - pochłanianie w obszarze materiału lub struktury

• straty odbiciowe - wywołane odbiciami na powierzchniach granicznych światłowodów i struktur

Straty całkowite w elementach toru światłowodowego:

Współczynnik odbicia na granicy dielektryków o współczynnikach załamania n1 i n2

Tłumienność odbiciowa dB (optical return loss) - określa jaka część sygnału wraca w kierunku źródła:

Tłumienność wywołana odbiciami w dB - określa jaka część sygnału pozostaje w linii po odbiciu (np. tłumienność złączki):

Rodzaje światłowodow

1. Światłowody jednomodowe, standardowe np. G.652, SMF-28, DS. przesuniętą dyspersją (DSF - G.653)

2. Światłowody wielomodowe, 62.5/125, 50/125 - G.651

3. Światłowody plastikowe (średnica rdzenia ~1mm)

4. Światłowody specjalne (światłowody polaryzacyjne i podtrzymujące polaryzację aktywne, szafirowe)

Podstawowe zastosowania światłowodów podtrzymujących polaryzację (PM) to:

• współpracy z laserami i modulatorami w systemach DWDM o bardzo duŜej szybkości transmisji (> 10 Gb/s)

• lasery światłowodowe i światłowodowe wzmacniacze Ramanowskie

• urządzenia wrażliwe na polaryzację światła, takie jak modulatory, rozgałęziacze czy multipleksery światłowodowe

• czujniki światłowodowe (zwłaszcza czujniki interferometryczne)

Wg. ilości włókien

1. Simplex

2. Duplex

3. ...

Wg. obszaru zastosowań

1. Kable stacyjne

2. Kable trakcyjne

3. OPGW, ADSS,

4. ...

Wg. technologii wykonania

1. Ścisła tuba

2. Luźna tuba

Kable zewnętrzne

- kanałowe

- wzmacniane

- przeciwgryzoniowe

- samonośne, ósemkowe

- ziemne

- podwodne

- konstrukcyjnie: luźna tuba lub rozetowe

Kable wewnątrzobiektowe

- wzmacniane i niewzmacniane

- przeciwgryzoniowe

Kable stacyjne

- jednowłóknowe

- dwuwłóknowe, wielowłóknowe rozdzielcze (dzielone)

Kable samonośne dla linii energetycznych i telekomunikacyjnych

Podstawowe parametry użytkowe kabla

• Zewnętrzna powłoka kabli - parametry materiału, niepalność, emisją związków trujących, odporność na: ścieranie, promieniowanie UV, korozję naprężeniową

• nadruk: oznakowanie, metraż (można specyfikować w zamówieniu)

• promień zginania (jednokrotnego, wielokrotnego)

• Dopuszczalna siła rozciągania podczas instalacji

• Zakres temperatur: instalacji, transportu i przechowywania, pracy

• Identyfikacja tub i światłowodów (np.. tuba licznikowa czerwona, kierunkowa niebieska, następne białe)

• Barwy światłowodów w tubie

Złączka światłowodowa łączy dwa włókna tak, że światło może przechodzić z jednego do drugiego. Jest ona jednym z najważniejszych elementów systemu światłowodowego.

Podstawowe wymagania konstrukcji:

• minimalizacja strat i odbić.

• realizacja połączenia stabilnego mechanicznie i optycznie.

Straty typowych złączek zawierają się w granicach od

0.25 do 1.5dB.

Czynniki wewnętrzne - niedoskonałości włókna, nie można korygować;

• niedopasowanie średnicy kształtu i powierzchni rdzenia,

• niedopasowanie apertury numerycznej

• niecentryczność rdzenia

Czynniki zewnętrzne - jakość i staranność wykonania połączenia

• przemieszczenie wzdłużne

• niedopasowanie kątowe

• przemieszczenie poprzeczne

• gładkość, płaskość i prostopadłość powierzchni włókna

Wybierając złączkę projektant systemu powinien uwzględnić:

• typ włókna,

• wymaganą jakość optyczną,

• środowisko pracy,

• sposób instalacji i utrzymania systemu,

• oraz koszty.

• Przy rozbudowie lub modyfikacji systemu należy wziąć pod uwagę zagadnienia kompatybilności wstecznej.

Czynniki klasyfikacji złączek światłowodowych:

1. Typ kontaktu włókien (NC, PC, SPC, APC)

2. Rodzaj złączki (np., SMA, Biconic, ST, FC, SC, DIN, itd.)

3. Technologię wykonania (np., żywica termoutwardzalna/polerowanie, techn. bezklejowa, itd.)

4. Rodzaj materiału (np. materiał ferruli i obudowy)

Technologie wytwarzania złączek światłowodowych

1. Złączki klejone przy pomocy żywic epoksydowych, utwardzane na gorąco

2. Złączki klejone technologią HotMelt (3M)

3. Złączki wstępnie zarabiane - bez kleju, bez polerowania

(UniCam®, LithtCrimp+ - AMP)

4. Złączki zaciskane - technika bez kleju (LightCrimp - AMP)

Nowe technologie i rozwiązania konstrukcyjne złączek pojawiają się jako wynik zapotrzebowania na połączenia o większej gęstości upakowania (mniejszy wymiar poprzeczny) i niższej cenie.

Zwraca się również uwagę na zwiększenie szybkości wytwarzania złączek. Pożądana jest również zgodność z istniejącymi technologiami światłowodowymi i sieciowymi. Wyraźnie można zauważyć tendencję do opierania się na standardzie złącza RJ-45

Wykonanie połączenia spawanego

1. Identyfikację światłowodów w kablu i wybór łączonych par

2. Zdjęcie pokryć ochronnych z kabla i światłowodów

3. Przygotowanie powierzchni czołowych światłowodów

4. Justowanie i połączenie światłowodów (np. w łuku elektrycznym)

5. Zabezpieczenie wykonanego złącza

Sprzęgacze światłowodowe - klasyfikacja

Wg. konstrukcji

1. Sprzęgacze boczne

2. Sprzęgacze czołowe

Wg. technologii

1. Sprzęgacze polerowane/klejone

2. Sprzęgacze przewężane/stapiane

3. Sprzęgacze wykonane w technologii optoelektroniki zintegrowanej

Fotodetektor

Przetwornik światło - prąd. W detektorze sygnał optyczny z linii światłowodowej przetwarzany jest na prąd. Odpowiedź detektorów w systemach światłowodowych jest liniowa.

Odpowiedź detektora światłowodowego. Nachylenie (czułość) ~0.9 mA/mW

Detektory możemy klasyfikować ze względu na:

• Fizyczne zasady działania (termiczne, kwantowe)

• Konstrukcję (elementy pojedyncze, ..., linijki detektorów CCD)

Jeżeli jako konstruktorzy przystąpimy do projektowania zamówionego system, może okazać się przydatny inny system klasyfikacji, np. według parametrów:

• spektrum czułości (zakres widmowy)

• czułość (liczniki fotonów, ..., detektory mocy)

• używane materiały (metal, półprzewodnik, dielektryk)

• cena (fotoprzewodnik _ fotodioda _ fotopowielacz)

• Zastosowanie (telekomunikacja, ..., astronomia)

Klasyfikacja detektorów za względu na zasadę działania

1. Detektory kwantowe (oddziaływanie kwantowe między światłem i elektronami):

· fotoemisja (zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne),

· fotoprzewodnictwo (zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne),

· efekt fotowoltaiczny.

2. Detektory termiczne:

· efekt termoelektryczny,

· termorezystancja,

· efekt piroelektryczny,

· detektory pneumatyczne.

Czułość

Fotopowielacz to lampa elektronowa o szklanej, metalowej lub ceramicznej obudowie, zawierająca fotokatodę, która oświetlona emituje elektrony.

Dynody emitują elektrony wtórne zbierane ostatecznie przez anodę

Komórka Golay'a. Połączenie elementów: pneumatycznego, optycznego, dodatkowego źródła światła, detektora półprzewodnikowego.

Zasada działania linijki detektorów CCD. Światło pochłonięte w podłożu w obszarze kondensatora MOS, tworzy układ ładunków pułapkowanych pod bramką. Trójfazowy rejestr tworzy poruszającą się studnie potencjału, która przesuwa ładunek do obszaru, gdzie jest szeregowo czytany.

Źródła światła - klasyfikacja

Klasyfikacja „zwyczajowa” wg. parametrów fali elektromagnetycznej

• źródła światła białego (słońce, żarówka)

• źródła monochromatyczne (LED, żarówka z filtrem)

• źródła światła spójnego (lasery)

Klasyfikacja wg zakresu spektralnego

• również: źródła UV, VIS, IR, FIR

Klasyfikacja wg. mechanizmu generacji

• jądrowe (słońce)

• żarowe (żarówka)

• fluorescencyjne („jarzeniówka”)

• jarzeniowe (neony)

• łukowe (Hg, Xe, Na)

• laserowe

Ze względu na liniową zależność P(I) diody laserowe są chętniej stosowane niż diody luminescencyjne. Wśród laserów najlepsze parametry uzyskują konstrukcje DFB i DBF

Laser pracuje w liniowym zakresie modulacji prąd-moc. Efektywność modulacji określa nachylenie prostej (typowo 0,2 mW/mA).

LASER - skrót od Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

Przyrząd wytwarzający wiązkę światła poprzez wzbudzanie atomów, jonów lub elektronów na wyższe poziomy energetyczne, tak Ŝe kiedy powracają do stanu podstawowego emitują monochromatyczną, spójną i skolimowaną wiązkę światła.

Światło - fala elektromagnetyczna od promieni X i ultrafioletu do promieniowania cieplnego

Powrót wzbudzonych cząsteczek do poziomu podstawowego odbywa się za pośrednictwem zjawiska emisji wymuszonej.

Laser to źródło światła: monochromatycznego, skolimowanego i spójnego

Warunki uzyskania akcji laserowej

1. Obecność stanów metastabilnych w materiale

2. Pompowanie atomów do stanów metastabilnych

3. Inwersja obsadzeń

4. Emisja wymuszona

5. Optyczne sprzężenie zwrotne

Stan metastabilny: w fizyce, chemii, technice laserowej.

Wzbudzony stan atomu, cząsteczki lub innej struktury o czasie życia większym niż zwykły stan wzbudzony. Stan metastabilny można uważać za przejściowy magazyn energii.

Czasy życia stanów wzbudzonych (zwykłych i metastabilnych) są zawsze mniejsze niż czasy życia stanu podstawowego.

W mechanice kwantowej, przez stan metastabilny rozumie się stan "zabroniony", czyli znacznie mniej prawdopodobny niż stany "dozwolone".

W technice laserowej pompowanie to dostarczanie energii, która później zostanie zamieniona w światło laserowe:

Energię można dostarczać w różny sposób:

-Pompowanie optyczne,

-Pompowanie elektryczne

-Pompowanie elektronowe

-Pompowanie chemiczne

-Wybuchowe pompowanie jądrowe (lasery promieni X)

-I inne.

Klasyfikacja laserow

1. Lasery na ciele stałym: czynnik laserujący umieszczony jest w matrycy ciała stałego. Przykłady: lasery neodymowy-YAG <Yttrium

Aluminum Garnet> 1,064 um, rubinowy

2. Lasery gazowe

· Atomowy He-Ne, 632,8 nm

· Cząsteczkowy (molekularny) CO2 , 10,6 um

· Jonowy Ar+, podstawowe długości fali 488, 514 nm

· Ekscymerowe (Ekscymery - zjonizowane fluorki gazów szlachetnych) ultrafiolet

3. Lasery barwnikowe zawierają barwnik organiczny w ciekłym roztworze. Lasery te umożliwiają strojenie długości fali; zakres widzialny i bliska podczerwień. Zakres strojenia zależy od użytego barwnika - Rodamina 6G umożliwia strojenie 0.570-0.650 nm.

4. Lasery półprzewodnikowe (diody laserowe)

5. Lasery światłowodowe

6. Lasery na swobodnych elektronach (FEL)

Różne typy laserów półprzewodnikowych - klasyfikacja wg typu złącza

1. Homostruktura, gęstość prądu progowego (300K) 30000-50000 A/cm2

2. Pojedyncza heterostruktura. (300K) 6000-8000 A/cm2

3. Podwójna heterostruktura (300K) 500 A/cm2.

4. GRINSCH, prąd progowy ~30mA

5. VCSEL, prąd progowy ~1mA

Światłowodowe źródła światła - klasyfikacja na podstawie rodzaju zwierciadła i rezonatora. Lasery (LD)

• FP - Lasery Fabry-Perota

• Lasery DFB (distributed feedback) i DBR (distributed Bragg reflector)

• Lasery VCSEL (vertical cavity surface emitting)

• Lasery światłowodowe ze światłowodowymi siatkami Bragga

Diody luminescencyjne (LED)

• diody powierzchniowe

• diody krawędziowe

• diody RCE LED (resonance cavity enhanced)

Laser DFB

Laser z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym (DFB): laser z odbiciową siatką Bragga za całym obszarze aktywnym, dzięki czemu efektywnie może się rozchodzić i być wzmacnianym tylko jeden podłużny

mod lasera.

Zastosowania laserów półprzewodnikowych

•komunikacja

•drukowanie, poligrafia

•obróbka materiałów

•układy pomiarowe, badania naukowe

•gromadzenie, przechowywanie danych (CD-ROM)

•pompowanie optyczne

•medycyna

•wskaźniki, czytniki kodów paskowych, poziomowanie, geodezja

•prototypy nowych urządzeń

Sieci światłowodowe

1. Sieci telekomunikacyjne (SDH, SONET)

2. Sieci komputerowe LAN, MAN, WAN (Ethernet, FDDI, ...)

3. Sieci „telewizji kablowej” (dystrybucyjne, analogowe lub cyfrowe)

4. Sieci SAN (Fibre Channel)

5. Magistrale optyczne (MOST)

6. Światłowodowe systemy oświetlenia

7. Lokalne i rozległe sieci całkowicie optyczne (technologia WDM)

8. Łączność optyczna w swobodnej przestrzeni (np. IRDA)

Zasada działania i podstawowe pojęcia

Podstawowymi pojęciami koniecznymi do opisu komunikacji w sieciach i między sieciami jest protokół (protocol) i warstwa (layer). Inne pojęcia: ramka, metoda dostępu, kodowanie.

Protokół to zbiór reguł określających jak należy przygotować dane do przesłania, jak nawiązać komunikację, kontrolować przesyłanie wiadomości itd. Protokoły podlegają standaryzacji.

.

---