Technika światłowodowa
ProwadzÄ…cy:
dr hab. in\
. Marcin Lipiński  tel.: [phone] (AGH)
e-mail: [e-mail]
Literatura uzupełniająca:
1.J.Siuzdak  Wstęp do współczesnej telekomunikacji
1.J.Siuzdak  Wstęp do współczesnej telekomunikacji
światłowodowej  WKA
1999.
2.K Booth, S.Hill  Optoelektronika  WKA
2001.
2.G.Einarsson  Podstawy telekomunikacji
światłowodowej  WKA
1998.
3.J.E.Midwinter  Optoelektronika i technika
światłowodowa  WKA
1995.
1
Technika światłowodowa
Dlaczego światłowód ?
1. Du\
e pasmo modulacyjne  nośna H" 200 THz
2. Małe tłumienie  du\
y zasięg
3. Mały cię\
ar, małe wymiary
4. Izolacja elektryczna
5. Trudności w podsłuchu
6. Niska cena
2
Przedmiot wykładu
a) Światłowody
b) Komponenty światłowodowe
c) y
ródła światła
d) Fotodetektory
d) Fotodetektory
e) Wzmacniacz EDFA
f) A
ącze światłowodowe
g) Multipleksacja WDM
3
Niektóre wa\
ne stałe fizyczne
µ = µ0 Å"µr ; µ0 = 8.85Å"10-12[F / m]
µ = µ0 Å" µr ; µ0 = 4 Å"Ä„ Å"10-7[H / m]
1
c = = 299 792 468[ ]
c = = 299 792 468[m s]
s
µ Å"µ
µ0 Å"µ0
1 1 1 c
½ = = Å" =
n
µ Å"µ µ0 Å"µ0 µr Å"µr
c
n = = µr Å"µr
½
4
Podstawy fizyczne
Prawa Snella - Descartesa
n1
Åšp Åšo
Promień padający Promień odbity
Åšz
Promień załamany
n2
Åšp = Åšo
n1·sin Åšp = n2·sin Åšz
5
Podstawy fizyczne  c.d.
JeÅ›li: n1>n2 , to dla Åšz = 90° istnieje Åšp = Åšgr ,
zwany kÄ…tem Brewstera,
w tej sytuacji: sin Åšgr = n2 / n1
Dla kątów padania Śp e" Śgr występuje tzw.
całkowite wewnętrzne odbicie od granicy
ośrodków
6
Parametry światłowodu
Apertura numeryczna światłowodu
n2
Åš2
Åšp
Åšz
n1
Rdzeń
Ä…
PÅ‚aszcz
NA = sinÄ… = n12 - n22
Zewnętrzny kąt padania ą odpowiada
sytuacji, w której wewnątrz Śp= Śgr
7
Parametry światłowodu
Apertura numeryczna światłowodu
n2
n1
n1
Rdzeń
Rdzeń
Õ
PÅ‚aszcz
Dla zewnÄ™trznych kÄ…tów padania Õ > Ä…
światło będzie  wyciekało z rdzenia,
tworząc tzw. mody płaszczowe.
8
Rodzaje światłowodów - systematyka
" planarne, włókniste
" szklane, plastikowe
" o skokowym, lub gradientowym profilu
" o skokowym, lub gradientowym profilu
współczynnika załamania n
" wielomodowe, jednomodowe
" telekomunikacyjne, specjalne
9
Rodzaje światłowodów - systematyka
rdzeń
płaszcz
podło\
e
Planarny Włóknisty
n
1,5
1,5
1 x
Profil skokowy Profil gradientowy
10
Tory promienia w światłowodzie skokowym
P
P
Promień główny  w jednej płaszczyz
nie
P
P
Promień skośny  w wielu płaszczyznach
11
Podstawy fizyczne
Propagację fali świetlnej w ośrodku
dielektrycznym opisują równania Maxwella:


" H
" H
rot E = - µ Å" ; div µ Å" E = Á
rot E = - µ Å" ; div µ Å" E = Á
"t


" E
rot H = J + µ Å" ; div µ Å" H = 0
"t
12
Operatory
'" '" '"
"Åš "Åš "Åš
grad Åš( x,y,z) = Å" i+ Å" j+ Å" k
"x "y "z

"Fy
"Fx "Fz
div F( x,y,z) = " Å" F = + +
"x "y "z
'" '"
'" '"
"F
"Fy
ëÅ‚ "F öÅ‚ "F "F
ëÅ‚ "Fz öÅ‚ "Fx "Fz
ëÅ‚ öÅ‚
ëÅ‚ öÅ‚
rot F( x, y,z) = " × F = ìÅ‚ - ÷Å‚ Å" i+ - Å" j+
ìÅ‚ ÷Å‚
ìÅ‚ ÷Å‚
"y "z "z "x
íÅ‚ Å‚Å‚
íÅ‚ Å‚Å‚
'"
"Fy
ëÅ‚ "Fx öÅ‚
ìÅ‚ - ÷Å‚ Å" k
ìÅ‚ ÷Å‚
"x "y
íÅ‚ Å‚Å‚
"2Åš "2Åš "2Åš
"2Åš( x,y,z) = + +
Operator Laplace a
13
"x2 "y2 "z2
Podstawy fizyczne
Przekształcając układ równań Maxwella
otrzymujemy równania falowe, które dla
ośrodka jednorodnego przybierają postać:



"2 E
"2 E
"2 E = µ Å"µ Å"
"t2


"2 H
"2 H = µ Å"µ Å"
"t2
14
Fala elektromagnetyczna

E
k B
.
k

B = µ Å" H
B = µ Å" H
Związki prędkości, okresu, długości fali
  Å"É É 2 Å"Ä„
½ = =  Å" f = = ; k =
T 2 Å"Ä„ k 
15
Współrzędne biegunowe
z
Õ
r
Rozwiązanie równania falowego pola E ma postać:
( ) ( ) ( ) ( )
E t,r,Õ, z = F r Å"cos É Å"t - ² Å" z + Å‚ Å"cos Õ
É É Å" n
stała fazowa; przesunięcie fazy
² = =
16
na jednostkę długości
v c
Obraz interferencyjny modów
A
rdzeń
2r
Åš
Åš
Åš
B
fala
fala 
C
Warunek zgodnoÅ›ci faz fal Ò! warunek propagacji modu
Ò!
AB CB
2 Å"Ä„ = 2 Å"Ä„ + m Å" 2 Å"Ä„ ; m = 1,2,3,4....
 
2 Å" r 2 Å" r
AB = ; CB = Å" cos2Åš
sin Åš sin Åš

2 Å" r Å"sin Åš = m Å"
17
2
Propagacja fal w światłowodzie
Światło propaguje w postaci tzw.  modów , czyli
takich fal, które spełniają równanie falowe.
Wektory propagacji tych fal przyjmujÄ… dyskretne
wartości kątów propagacji Ś, dla których
spełniony jest warunek fazowy interferencji.
spełniony jest warunek fazowy interferencji.
Inne fale na skutek interferencji składowych
padających na granicę ośrodków z odbitymi,
wygasają i nie propagują wzdłu\
światłowodu.
18
Właściwości propagacyjne światłowodu
płaszcz
rdzeń
Drogi i czasy propagacji ró\
nych
Drogi i czasy propagacji ró\
nych
 modów ró\
nią się między sobą
Efekt ten nazywa siÄ™ dyspersjÄ… modowÄ… !
Im wy\
szy  rząd modu, tym dłu\
sza droga
i stąd czas propagacji przez światłowód.
19
Ile modów propaguje w światłowodzie ?
Określa się parametr konstrukcyjny zwany
częstotliwością znormalizowaną światłowodu,
w postaci:
2 Å"Ä„ Å" r
V = Å" NA
V = Å" NA


Liczbę modów określa zale\
ność:
2
4 Å"Ä„ Å" r2
2
M = V Å" n12 = Å" NA2 Å" n12
2
20
Oznaczanie i obrazy interferencyjne modów
Mody oznacza siÄ™ jako LPm p , gdzie:
m  liczba fal na obwodzie światłowodu,
p  liczba fal na promieniu
LP LP LP
LP01 LP11 LP21
E
n2 n1 n2 n2 n1 n2 n2 n1 n2
21
Skutki dyspersji modowej
Energia impulsu propaguje w wielu modach
Krótki impuls
Poszerzony impuls
światła na wejściu
światła na wyjściu
Dyspersja modowa ogranicza szybkość
transmisji w światłowodzie !!
MiarÄ… jest poszerzenie impulsu w [ps/km]
22
RozwiÄ…zania problemu dyspersji modowej
a) Światłowód gradientowy
Zasada działania - zmienny współczynnik n
n
23
Mody w światłowodzie gradientowym
Mody wy\
szego rzędu mają dłu\
szÄ… drogÄ™,
ale poniewa\
efektywna wartość
ale poniewa\
efektywna wartość
współczynnika refrakcji n na tej drodze jest
mniejsza ni\
dla modów ni\
szego rzędu, to
czasy propagacji są równe !
24
RozwiÄ…zania problemu dyspersji modowej
b) Światłowód jednomodowy
Warunek propagacji jednego modu
Aby w światłowodzie propagował jeden mod
światła musi być spełniony warunek:
światła musi być spełniony warunek:
V d" 2,405 lub inaczej
2,405  2 Å"Ä„ Å" r Å" NA
r d" Å" ; c =
2 Å"Ä„ NA 2.4
25
Propagacja jednomodowa
Rozkład natę\
enia pola E w
światłowodzie jednomodowym
E(r)
n2 n2
0.5
n1
2r r r 2r
Pole E (E2<"P) fali świetlnej częściowo
26
propaguje w płaszczu !
Światłowody - wytwarzanie
I Etap
Wytwarzanie preformy - uproszczony schemat
Obracanie rury
Rura kwarcowa  Si O2
Wewnętrzne osadzanie szkliwa
1470ºC
L E"1000 mm
H2 O2 ÅšE"20 mm
Dozowanie
chemikaliów
Przesuw wzdłu\

Palnik wodorowy
27
I Etap
Wytwarzanie preformy- reakcja chemiczna
Si Cl4 + O2 Si O2 + 2 Cl2
G2 Cl4 + O2 G2 O2 + 2 Cl2
Czas trwania osadzania szkliwa  ok. 2h.
Czas trwania osadzania szkliwa  ok. 2h.
II Etap
Zasklepienie rury  kolaps  w temp. 1900°C
Powstaje pręt szklany Ś H" kilka mm -
tzw. preforma
28
III Etap - Wyciąganie włókna światłowodowego
Podajnik
Preforma
Piec - 2000°C
Argon
Laserowy
Sterowanie
pomiar Åš
Pierwsze
pokrycie
Szybkość nawijania 
1-60 km/h
Bemben
29
Właściwości u\
ytkowe światłowodów
1/ TÅ‚umienie
Mechanizmy tłumienia w światłowodzie:
a/ Absorpcja  pochłanianie energii
Główną przyczyną są zanieczyszczenia 
domieszki metali Cu, Fe, Cr oraz jony OH
30
Właściwości u\
ytkowe światłowodów
b/ Rozpraszanie  dominuje mechanizm
Rayleigh a
Cząsteczka szkła
Światło
padajace
Światło
Światło
rozproszone
0,75 + 60 Å" "n
Ä…R =
4
Im dłu\
sza fala tym mniejsze rozpraszanie !! 31
TÅ‚umienie w szkle kwarcowym
Charakterystyka chromatyczna tłumienia  postęp technologiczny
Ä… [dB/km]
6
Okna
1975
transmisyjne
5
0.85 1.31
0.85 1.31
4
4
1.55
3
Absorpcja
OH
1982
2
Rozpraszanie
1
Rayleigh a
 [µm]
0.8 1
1.2 1.4 1.6 1.8
32
Rozkład mocy wzdłu\
światłowodu
P(x)
P0
( ) (-Ä… Å" x
P x = P0 Å"exp )
PL
x
L
Gdzie ą jest współczynnikiem tłumienia
33
Tłumienność światłowodu
MiarÄ… Ä… jest [dB/km];
PL
10 Å" log
P0
Ä…[dB / km]= -
L[km]
L[km]
Typowe wartości:
Światłowód wielomodowy ą > 3 dB/km
Światłowód jednomodowy ą > 0.15 dB/km
34
Inne przyczyny strat w światłowodzie
A/ Połączenia  złącza światłowodowe
Przemieszczenie boczne rdzenia
Ä…[dB]
12
12
wielomodowy
wielomodowy
10
8
x
6
2r
jednomodowy
4
2
x/2r
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
35
Straty w złączach
Oddalenie końców światłowodów
Ä…[dB]
5
wielomodowy
wielomodowy
4
4
x
3
2
jednomodowy
1
2r
x/2r
1 2 3 4 5 6
36
Straty w złączach światłowodowych
Odbicie Fresnela na granicy ośrodków
P0 n0 P1
Pr
n1
n1 - n0
( )
R = ; Pr = R2 Å" P0 ; P1 = 1- R2 Å" P0
n1 + n0
37
Straty w złączach
Przemieszczenie kÄ…towe
Ä…[dB]
jednomodowy
5
4
Å‚
Å‚
3
2
wielomodowy
1
2r
Å‚°
1 2 3 4 5 6
Wypadkowe straty - 0.2 dB > Ä… > 1 dB
38
Połączenia spawane
I Etap  cięcie światłowodu
II Etap  naprowadzanie światłowodów
III Etap  spawanie w Å‚uku elektrycznym
39
Połączenia spawane
IV Etap  odprÄ™\
anie spawu na gorÄ…co
F F
F F
Obszar
niejednorodny
Straty w spawie 0.01 dB > Ä… > 0.1 dB
40
Inne przyczyny strat w światłowodzie
B/ Zgięcia i mikropęknięcia
Promień  wyciekający
do płaszcza
Mechanizm strat na zgięciach
41
Właściwości u\
ytkowe światłowodów
2/ Apertura numeryczna  NA
Wyznacza maksymalny kÄ…t akceptacji
na wejściu oraz kąt świecenia z wyjścia
światłowodu.
NA  decyduje o jakości sprzę\
enia ze
z
ródłem światła i z fotodetektorem
42
Właściwości u\
ytkowe światłowodów
2/ Dyspersja "Ä
Całkowita dyspersja w światłowodzie jest wypadkową:
A/ dyspersji miÄ™dzymodowej "ÄÅš
A/ dyspersji miÄ™dzymodowej "ÄÅš
B/ dyspersji chromatycznej "Ächr
"Ä = "ÄÅš2 + "Ächr2
43
Prędkość fazowa i prędkość grupowa
c
vp =
Prędkość fazowa -
n
c
vgr =
vgr =
Prędkość grupowa -
Prędkość grupowa -
ngr
Prędkość grupową rozwa\
a siÄ™, gdy " `" 0
dvp
dn
vgr = vp -  Å" ngr = n -  Å"
d d
44
Dyspersja chromatyczna
"Ächr = "Äm + "Ä
gdzie
f
"Äm  dyspersja materiaÅ‚owa,
wynika z faktu, \
e ró\
ne długości fali
wynika z faktu, \
e ró\
ne długości fali
propagują z ró\
nymi prędkościami  tzn.
istnieje zale\
ność:
( )
n = f 
45
Dyspersja materiałowa
n
n = f ()
1.48
1.47
"Äm = Dm Å" L Å" "
m m
1.46
1.46
[µm]
1 1.5 2
Dm  współczynnik dyspersji
materiaÅ‚owej [ps/nmÅ"km]
46
Dyspersja falowodowa - "Äf
Mechanizm powstawania "Äf
E(r)
n2 n2
0.5
n1
2r r r 2r
Profil rozkładu E(r) = f (V) i stąd E(r) = f ()
47
Dyspersja falowodowa "Äf  c.d.
Poniewa\
pole E propaguje częściowo w
płaszczu o współczynniku załamania n2,
definiuje siÄ™ tzw neff = f ().
c
c
( )
( )
v = = v 
v = = v 
Stąd prędkość propagacji :
Stąd prędkość propagacji :
neff
48
Dyspersja chromatyczna  zale\
ność od 
D [ps/nsÅ"km]
Dmat
0
Dfal
-20
-40 Światłowód jednomodowy 
2r = 8 µm, "n = 0.2%
-60
-80
 [µm]
0.8 1 1.2 1.32 1.4 1.6
49
Dyspersja falowodowa "Äf  c.d.
Rzeczywisty sygnał świetlny obejmuje
zawsze przedział długości ", stąd ka\
da
 z przedziału propaguje z innym profilem
E(r) i ka\
da  z inną prędkością vph () .
Rzeczywisty impuls świetlny
I
vg  prędkość grupowa
50
t
Skutki dyspersji
Dyspersja Ò! ograniczenie pasma
I
T
Dyspersja
Ò!
Ò!
t t
Relacja dyspersja Ô! pasmo
0.44
"Ä =
51
B3dB
Pomiar dyspersji
Krótki
Äout
impuls
Äin
Światłowód
Ò!
Ò!
"Ä = Äout2 -Äin2
JeÅ›li Äin<< Äout , to "Ä E" Äout
52
Pomiar dyspersji
DyspersjÄ™ mo\
na obliczyć znając
odpowiedz
skokową światłowodu
Krótkie
Krótkie
zbocze
Światłowód
Ò!
Ò!
Är in
Är out
0.35
"Är = Är out2 -Är in2 ; B3dB E"
"Är
53
Dyspersja polaryzacyjna - PMD
z
y
vy
Składowe o ortogonalnych
vx
polaryzacjach propagujÄ… z
ró\
nymi prędkościami
x
Dp E" 0.2 ps km
54
Światłowód o przesuniętej dyspersji
Specjalne profilowanie rdzenia światłowodu pozwala
na modelowanie krzywej dyspersji.
n
SiO2:Ge SiO2:Ge
SiO2 SiO2
SiO2 SiO2
n1
n1
n
n2
n2E"0.998n1
SiO2:B
SMF-28 - Corning
SMDS - Lucent
55
Modyfikacja krzywej dyspesji
D [ps/nsÅ"km]
Światłowód SMF
0
Światłowód DSF
-20
-40
-60
-80
 [µm]
0.8 1 1.2 1.32 1.4 1.55 1.6
56
Podsumowanie właściwości światłowodów
Gradientowy 50/125 lub 62.5/125
A/ TÅ‚umienie  ok. 3 dB/km
B/ Pasmo  max. 500 MHz/km
B/ Pasmo  max. 500 MHz/km
C/ A
atwość sprzę\
enia ze z
ródłem światła
D/ Zastosowania  krótki i średni zasięg,
umiarkowane przepływności,
I okno transmisyjne   E" 0.85 µm
57
Podsumowanie właściwości światłowodów
Jednomodowy 9/125, przy  E" 1.31 µm
A/ TÅ‚umienie  ok. 0.35 dB/km
B/ Pasmo  >> 10 GHz
B/ Pasmo  >> 10 GHz
C/ Zastosowania  zasięg do ok. 50 km,
wielkie przepływności > 10 Gb/s
58
Podsumowanie właściwości światłowodów
Jednomodowy 9/125, przy  E" 1.55 µm
A/ TÅ‚umienie  ok. 0.2 dB/km
B/ Pasmo  >> 1 GHz
B/ Pasmo  >> 1 GHz
C/ Zastosowania  najdłu\
szy zasięg do
ok. 150 km, du\
e przepływności > 1 Gb/s
59
Podsumowanie właściwości światłowodów
Jednomodowy, o przesuniętej dyspersji,
przy  E" 1.55 µm
A/ TÅ‚umienie  ok. 0.2 dB/km
B/ Pasmo  > 10 GHz
C/ Zastosowania  du\
y zasięg > 100 km,
bardzo du\
e przepływności E" 10 Gb/s
60
Fotodetektory  podstawy fizyczne
Fotogeneracja pary elektron-dziura
Warunek :
W
Wc
W = h Å"½ e" Wg
Absorpcja fotonu
Wg
lub
h Å" c
Wv
e" Wg

61
Fotodetektory  materiały
MateriaÅ‚ Wg [eV] c [µm] Przerwa
1. Ge 0.7 1.8 skośna
2. InGaAs 0.75 1.6 prosta
3. Si 1.1 1.1 skośna
3. Si 1.1 1.1 skośna
4. InP 1.35 0.9 skośna
5. GaAs 1.4 0.84 prosta
6. GaP 2.3 0.56 skośna
7. SiC 2.8 0.44 skośna
62
8. GaN 3.5 0.35 Prosta
Fotodetektory  złącze p-n
NatÄ™\
enie
hÅ"½
pola
ip
E
p
U
Warstwa
zubo\
ona
zubo\
ona
n
Mechanizm przewodzenia fotoprÄ…du
63
Fotodetektory  złącze p-n
Para wygenerowana w warstwie zubo\
onej
jest rozdzielana i transportowana w polu
elektrycznym.
Generacja nośników w obszarach
Generacja nośników w obszarach
domieszkowanych jest niepo\
Ä…dana, co
uwzględniają konstrukcje nowoczesnych
fotodetektorów !!
64
Fotodetektory  złącze p-i-n
hÅ"½
ip
E
p
U
w
i
n
Fotogeneracja  głównie w obszarze  i
65
Fotodetekcja  parametry procesu
Efektywność kwantowa procesu 
liczba generowanych elektronów
· =
liczba absorbowanych fotonów
I
I
p
h Å"½
q
· = = Å" Spd
P
q
h Å"½
gdzie Spd  czułość fotodetektora [A/W]
66
Fotodetekcja  parametry procesu
Efektywność kwantowa procesu 
Pabs
· = = 1- exp(-Ä…W )
PIN
Ä…
ą - współczynnik absorbcji
Im większe ą , tym w mo\
e być mniejsze
Typowo 10µm < w< 50µm, Spd do 1 A/W.
67
Fotodioda p-i-n - model zastępczy
P
Cj
Ip=SpdÅ"P
RL
RS
UR=RL Å" Spd Å"P
68
Fotodetekcja  szybkość procesu
w
Czas przelotu - Ätr =
vtr
ÄRC = (RL + Rs)Å"Cj
ÄRC = (RL + Rs)Å"Cj
Stała czasu obwodu -
Stała czasu obwodu -
1
"f =
Pasmo w układzie -
2Ä„ (Ätr +ÄRC )
69
Fotodetektory p-i-n  typowe parametry
Parametr Jednostka Si Ge InGaAs
 µm 0.4-1.1 0.8-1.8 1-1.7
Spd A/W 0.4-0.6 0.5-0.7 0.6-1
· % 75-90 50-55 60-70
Id nA 1-10 50-500 60-70
Tr ns 0.5-2 0.1-0.5 0.05-0.5
"f GHz 0.3-0.6 0.5-3 1-5
Vb V 20-100 6-10 5-6
70
Fotodetektory p-i-n  charakterystyki U/I
I
Id  prÄ…d ciemny
U
P=0
P =P
P=P1
P=2P1
P=3P1
71
Fotodetektory p-i-n  typowa konstrukcja
Anoda Au
p
InP
In Ga As
i
n
n
InP
InP
n+
Katoda Katoda
72
Fotodetektor lawinowy - zasada działania
p+ i Ä„ n+
d
hÅ"½
powielanie
absorbcja
NatÄ™\
enie
pola
x
73
Fotodetektor lawinowy - zasada działania
Powielanie par w warstwie Ä„ ma
charakter zderzeniowy  elektrony
nadlatujÄ… z warstwy i i zderzajÄ… siÄ™
z atomami, jonizujÄ…c je.
Wskazane jest aby ilość powielanych
elektronów >> ilości dziur.
Definiuje się współczynnik wzmocnienia
M E" Ä…e Å" d
74
APD - szybkość działania
M0
M0
M ( f ) =
1+ 2Ä„ Å" f Å"Äe Å" M0
f
Większe wzmocnienie  mniejsze pasmo
75
Wymiana wzmocnienie Ô! pasmo
Fotodetektor lawinowy - właściwości
Symbol Jednostka Si Ge InGaAs
 µm 0.4-1.1 0.8-1.8 1-1.7
Spd A/W 80-130 3-30 5-20
M - 100-500 50-200 10-40
M - 100-500 50-200 10-40
Id nA 0.1-1 50-500 1-5
B GHz 0.2-1 0.4-0.7 1-3
Vb V 150-250 20-40 20-30
76
Fotodetektor lawinowy - charakterystyki
I
Va
U
P=0
P=P1
P=2P1
P=3P1
77
APD  typowa struktura
katoda
SiO2 Au SiN  warstwa antyodblaskowa
Au
n n+
n
p - powielanie
p+
p+
Ä„ - absorbcja
Ä„ - absorbcja
Au anoda
Fotodetektor lawinowy  krzemowy
78
Szumy w fotodetektorach
Szum śrutowy  losowa fotogeneracja par
Relacja Ip=SpdÅ" P
dla Ip  wartość uśredniona
dla Ip  wartość uśredniona
I(t) = I + Id + iS(t)
p
iSsk = is2(t) = 2 Å" q Å"(I + Id )Å" "f
p
79
Szumy w fotodetektorach
Szum termiczny  przepływ prądu w R
P
I(t)= I + Id + is(t)+ iT (t)
p
4 Å" k Å"T Å" "f
4 Å" k Å"T Å" "f
( )
iTsk = iT 2(t) =
RL
RL
przez R płynie prąd fotodetektora
Korzystne du\
e wartości R !!!
80
Szumy w fotodetektorach p-i-n
Zakładając, \
e is oraz iT -  gaussowskie
iNsk = iSsk 2 + iTsk 2
Na ogół dominuje iT > iS
Obydwie składowe iS oraz iT - mają
charakter szumu  białego o stałych
gęstościach mocy SS i ST. 81
Szumy w fotodetektorach
U\
ytkowo najwa\
niejszy jest SNR
ëÅ‚ öÅ‚
średnia moc sygn.
ìÅ‚
SNR [dB]= 10 Å"log10ìÅ‚ ÷Å‚
÷Å‚
moc szumów
moc szumów
íÅ‚ Å‚Å‚
íÅ‚ Å‚Å‚
Dla szumu śrutowego
Spd Å" P
ëÅ‚ öÅ‚
SNR [dB]= 10 Å"log10ìÅ‚ ÷Å‚
ìÅ‚
÷Å‚
2 Å" q Å" "f
íÅ‚ Å‚Å‚
82
Szumy w fotodetektorach
Dla szumu termicznego
2
ëÅ‚ öÅ‚
R Å"(Spd Å" P)
÷Å‚
SNR [dB]= 10Å" log10ìÅ‚
ìÅ‚ ÷Å‚
4 Å" k Å"T Å" "f
íÅ‚ Å‚Å‚
íÅ‚ Å‚Å‚
Dla szumu śrutowego w APD
Spd Å" P
ëÅ‚ öÅ‚
ìÅ‚ ÷Å‚
SNR [dB]= 10 Å"log10ìÅ‚
÷Å‚
2 Å" q Å" FA Å" "f
íÅ‚ Å‚Å‚
83
Szumy w APD
Szum śrutowy APD:
2
iSsk = is2(t) = 2 Å" q Å" M Å" FA Å"(I + Id )Å" "f
p
FA - współczynnik szumu nadmiarowego
FA <" M
Szum wzrasta szybciej ze wzrostem M
ni\
sygnał !!!
84
SNR w APD
Dla szumu śrutowego w APD
Spd Å" P
ëÅ‚ öÅ‚
ìÅ‚ ÷Å‚
SNR [dB]= 10 Å"log10ìÅ‚
÷Å‚
2 Å" q Å" FA Å" "f
2 Å" q Å" FA Å" "f
íÅ‚ Å‚Å‚
íÅ‚ Å‚Å‚
85
Porównanie
właściwość p-i-n APD
konstrukcja prosta skomplikowana
koszt niski wysoki
czułość 0.4  1 A/W 5  100 A/W
czułość 0.4  1 A/W 5  100 A/W
liniowość doskonała silnie nieliniowa
zasilanie 3 -10V 80 - 200V
pasmo do 10 GHz do 3 GHz
SNR wysoki średni
zastosowania typowe nadzwyczajne
86
y
ródła światła  rekombinacja promienista
Działanie LED i lasera półprzewodnikowego opiera się na
przepływie prądu dyfuzyjnego przez złącze p-n
dyfuzja
Ec
F
Eg = Ec - Ev
rekombinacja
g c v
promienista
P
h Å" c
Ev
h Å"½ = E" Eg
p
n

dyfuzja
h Å" c 1,24
 E" = [µm]
Model pasmowy złącza
Eg Eg
przewodzÄ…cego 87
Repetitio est mater studiorum
y
ródła światła  c.d.
Warunkiem koniecznym rekombinacji promienistej
jest prosta przerwa energetyczna w półprzewodniku
Prosta przerwa energetyczna Skośna przerwa energetyczna
Ec
Ec
Eg
Eg

Ev Ev
k k


2Ä„
2Ä„
p p
= =
k =
Wektor falowy k
h h

y
ródła światła - materiały
materiaÅ‚  [µm]
GaN 0.35
AlGaInP 0.65-0.68
Ga0.5In0.5P 0.67
Ga Al As 0.62-0.9
Ga1-xAlxAs 0.62-0.9
GaAs 0.9
In0.73Ga0.27As0.58 P0.42 1.31
In0.58Ga0.42As0.9 P0.1 1.55
Rekombinacja ma charakter spontaniczny- LED
89
Równanie bilansu LED
I
·i Å" I
q Å"V
q Å"V
PrÄ…d
Nth
upływu
Rsp
Rsp
R
Rnr
dN dN N
= Ggen - Rrec lub = Ggen -
dt dt Ä
·i Å" I
Ggen = ; Rrec = Rsp + Rnr
q Å"V
Model pasmowy heterozłącza
łatwa dyfuzja elektronów
p
n
AlGaAs
GaAs
AlGaAs
Obszar aktywny
GaAs
P
brak dyfuzji dziur
Heterozłącze pozwala na lokalizację obszaru
rekombinacji i dyfuzję wyłącznie elektronów
91
LED  konstrukcje światłowodowe
światłowód
katoda
metal metal
n-GaAs
n-AlGaAs
n-GaAs
p-GaAs
Obszar
p-AlGaAs
rekombinacji
p+-GaAs
p+-GaAs
promienistej
promienistej
metal
anoda
SiO2
Heterozłączowa dioda Burrusa
92
Właściwości u\
ytkowe LED
P[mW]
10
8
6
dP A
dP A
îÅ‚ Å‚Å‚
îÅ‚ Å‚Å‚
µ =
µ =
Nachylenie:
Nachylenie:
ïÅ‚ śł
4
dIled ïÅ‚W śł
ðÅ‚ ûÅ‚
2
I[mA]
100 200
Charakterystyka robocza LED
93
Właściwości u\
ytkowe LED  c.d.
P[mW]
TWM E" -1%/°C
10
8
6
4
2
T[°C]
50 100
Właściwości termiczne - P=f(T)ćłI=const
94
Właściwości u\
ytkowe LED  c.d.
P()
"FWHM -
T1< T2< T3
40÷100
nm
[µm]
0.85 0.9
Zale\
ność widma od temperatury
95
Pasmo modulacyjne LED
Odpowiedz
częstotliwościową wyra\
a:
1
H( fm)=
1+ j2 Å"Ä„ Å" fm Å"Äc
Stąd moduł to:
Stąd moduł to:
1
H( fm) =
2
1+ (2 Å"Ä„ Å" fm Å"Äc)
3
Częstotliwość graniczna:
f3dB =
96
2 Å"Ä„ Å"Äc
Charakterystyka modulacyjna LED
|H(fm)|
1
0.5
f3dB f
Jest to charakterystyka dolnoprzepustowa
97
Charakterystyka kierunkowa LED
Imax
I(Ä…)
Ä…
PÅ‚aszczyzna
promieniowania
promieniowania
LED
Przekrój poprzeczny przez przestrzenną
kierunkowÄ… charakterystykÄ™ promieniowania
I(Ä…,Õ)  intensywność w funkcji kÄ…ta
I(Ä…) = Imax cos(k Å"Ä…)
98
Charakterystyka kierunkowa LED
Dla k =1  wykres jest okręgiem
Takie z
ródło nazywane jest Lambertaina
Charakterystyka kierunkowa
Charakterystyka kierunkowa
promieniowania ma kluczowe
znaczenie dla sprawności
sprzÄ™\
enia ze światłowodem !
99
LED  właściwości u\
ytkowe  c.d.
I okno transmisyjne II okno transmisyjne
Zakresy dÅ‚ugoÅ›ci fali  800÷900 nm 1250÷1350 nm
Szerokość widmowa " 40÷50 nm 70÷100 nm
Poziomy mocy P < 300 µW < 100 µW
Pasmo modulacyjne < 100 MHz < 500 MHz
Pasmo modulacyjne < 100 MHz < 500 MHz
Koszt 20÷50 $ 100÷200 $
Zastosowania Połączenia lokalne o niewielkiej lub
średniej przepływności; sprzę\
enie ze
światłowodem wielomodowym
ZÅ‚Ä…cze zdegenerowane  akcja laserowa
Ec
p
Brak
Ev
polaryzacji
F
n
Ec
Fc
ZÅ‚Ä…cze
p
n
przewodzÄ…ce
Ev
Fv
F
Wzmocnienie optyczne - rekombinacja wymuszona !
Akcja laserowa  c.d.
Zjawiska:
a)Rekombinacja promienista spontaniczna
b)Absorpcja promieniowania (generacja par)
c)Rekombinacja wymuszona
Warunek wzmocnienia optycznego:
Warunek wzmocnienia optycznego:
Rekombinacja wymuszona > absorpcji
Kryterium Bernarda-Duraffourga :
Fc - Fv > h Å"½ > Eg
W pierwszych laserach o zdegenerowanych poziomach
domieszkowania + du\
e gęstości prądu złącza.
Równania bilansu lasera
I
·i Å" I
q Å"V
q Å"V
PrÄ…d
Nth
Rst
upływu
R
Rsp
Rnr
Rrec = Rsp + Rnr + Rst
dN ·i Å" I N
= - - vg Å" g Å" N
p
dt q Å"V Ä
Model optyczny
pompowanie
światło
Ośrodek
światło
Np
aktywny
g
Np+" Np
"
"
Oddziaływanie fotonów z nośnikami
z
Efekt laserowy występuje dopiero powy\
ej
pewnej progowej wartości prądu !!!!
Wspomaganie - rezonator Fabry-Perrot
M1
M2
l
l
n n: 1,2,3& ..
Warunek rezonansu:
l = n Å"
n+a 2
2 Å" l
ogólnie:
l = (n + a)Å" , lub:
n+a =
2
(n + a)
2
Odległość między prą\
kami
" E"
105
2 Å" n Å"l
Widmo lasera z rezonatorem Fabry-Perrot
|H() |
Charakterystyka
przejściowa F-P

G()
Wzmocnienie
optyczne

P()
Widmo
emitowane

m+2 m+1 m m-1
Laser półprzewodnikowy
Laser paskowy hetorozłączowy
0.85 µm 1.31µm
anoda
metal
GaAs InGaAsP
GaAs InGaAsP
SiO
SiO2
AlGaAs InP
AlGaAs InP
GaAs InGaAsP
p+
AlGaAs InP
p
p
GaAs InP
n
n+
metal
katoda
107
Laser hetorozłączowy  model pasmowy
GaAs- warstwa aktywna
AlGaAs AlGaAs
GaAs
GaAs
GaAs
GaAs
n p
nGaAs > nAlGaAs
Dodatkowo zachodzi:
108
Laser - zasada działania
Przy du\
ym poziomie wstrzykiwania i
określonym czasie \
ycia Äc du\
a liczba
elektronów po przejściu przez złącze
czeka na rekombinacjÄ™.
czeka na rekombinacjÄ™.
WymuszonÄ… emisjÄ™ powoduje foton o
odpowiedniej długości fali.
Objawia siÄ™ to wzmacnianiem optycznym
109
Laser - zasada działania
Światło generowane w procesie emisji
wymuszonej nosi cechy spójności.
Oznacza to uporzÄ…dkowanie fazowe i
częstotliwościowe fali świetlnej i
częstotliwościowe fali świetlnej i
wynikającą stąd spójność przestrzenną.
EmisjÄ™ wymuszonÄ… charakteryzuje
wysoka sprawność kwantowa.
110
Charakterystyka robocza lasera
P
T1 < T2 < T3
Emisja
wymuszona
Emisja
Emisja
(laser)
(laser)
spontaniczna
(LED)
Nachylenie - · E" 0.2 W/A
I
Ith1 Ith2 Ith3
111
Zale\
ność progu od temperatury
"T
Ith(T ) = Ith0 exp
Tc
Ith0  prÄ…d w temperaturze T0
T  temperatura charakterystyczna
Tc  temperatura charakterystyczna
dla I okna  Tc E" 150 ° K
dla I okna  Tc E" 50 ° K
TWM E" - (5÷10) %/ ° K
112
Konstrukcje specjalne laserów
Wyłącznie pracujące w II oraz III
oknie lasery jednomodowe DFB i
DBR o szerokości spektralnej w
przedziale " - 0.001- 0.1 nm.
Du\
ą sprawność, niski próg i szerokie
pasmo modulacyjne zapewnia
struktura ze studniami kwantowymi.
Lasery precyzyjne z izolatorem i
113
chłodzeniem ogniwami Peltier.
Typowe parametry laserów CW
AlGaAs InGaAsP InGaAsP
P 0÷25dBm -10÷+10dBm -3÷+10dBm
 0.85µm 1.31µm 1.55µm
" 3-6nm 0.1-6nm 0.01-7nm
" 3-6nm 0.1-6nm 0.01-7nm
Ith 40-60mA 5-10mA 3-10mA
TWIth 3-5%/°K 6-10%/°K 8-11%/°K
· E" 0.2 W/A E" 0.5 W/A E" 0.6 W/A
Bmod 1GHz 2-3GHz > 10 GHz114
Zasilanie laserów CW
Z uwagi na du\
Ä… wra\
liwość mocy
emitowanej od temperatury, ka\
demu
laserowi we wspólnej obudowie
towarzyszy detektor monitorujÄ…cy.
Monitor
światłowód Chip lasera
Obudowa
Cu
Soczewka SELFOC
115
Układ stabilizacji mocy lasera CW
Uref
Laser Monitor
P
Rmon
UR
Uref = UR = P Å" Smon Å" Rmon
Uref
P =
Smon Å" Rmon
116
Bezpośrednia modulacja lasera Imod Pmod
P
Układ
stabilizacji
Punkt pracy
mocy
Pmod
P0
I0
I0
Rs
Imod
C
Laser
I
I0
Imod
117
Charakterystyka modulacyjna lasera
I0 < I0  < I0  
|H(fm)|
1
0.5
frel frel  frel   f
frel  relaksacja (rezonans), im większy
118
prąd podkładu tym większa wartość
SprzÄ™\
enie optyczne z
ródło- światłowód
a/ powierzchnia z
ródła << powierzchni rdzenia
¸GR
I(Ä…)=IMAX Å"cos mÅ"Ä…
Rdzeń
y
ródło
y
ródło
NA = sinÅšGR
PÅšW = Py
R Å"(1- cosm+1 ÅšGR)
Dla m=1
PÅšW = Py
R Å"sin2 ÅšGR = Py
R Å" NA2
119
SprzÄ™\
enie z
ródło-światłowód  c.d.
b/ projekcja z
ródła na powierzchnię rdzenia
Soczewka
Rdzeń
y
ródło az
r
y
ródło az
r
a
ar
NA = sinÅšGR
ëÅ‚ öÅ‚
ar
ìÅ‚ ÷Å‚
PÅšW = Py
R Å"ìÅ‚1- cosm+1 ÅšGR Å"
az
r ÷Å‚
íÅ‚ Å‚Å‚
2
ëÅ‚ öÅ‚
ar ar
ìÅ‚ ÷Å‚
Dla m=1 PÅšW = Py
R Å"sin2 ÅšGR Å" = Py
R Å" NA2 Å"ìÅ‚
az
r az
r ÷Å‚ 120
íÅ‚ Å‚Å‚
Inne elementy techniki światłowodowej
Sprzęgacz kierunkowy - budowa
I
L III
II IV
II IV
Je\
eli do wejścia I doprowadzić moc PI , to:
PIII = PI Å" cos2 C Å" L PIV = PI Å"sin2 C Å" L
P2 = 0
121
Sprzęgacz kierunkowy  sprzęganie pola
Profil E
WE I
Przepływ
energii
energii
L
Propagacja
WY IV WY III
122
Sprzęgacz kierunkowy - właściwości
SprzÄ™\
enie 50%/50%
PI
PIV
0.5PI
0.5PI
PIII
L
L0.5 L1
Podział mocy w funkcji drogi sprzę\
enia
123
Sprzęgacz WDM  zasada działania
Współczynnik sprzę\
enia C=f ()
Stąd dla ró\
nych 2=1.31 nm i 3=1.55 nm
mo\
na tak dobrać L w sprzęgaczu, aby
skutecznie rozdzielić fizycznie te
skutecznie rozdzielić fizycznie te
długości fal.
P2
P2+3
Sprzęgacz WDM
P3
124
Sprzęgacz WDM  zale\
ność PWYn= f ()
P2
L
L
L
LWDM
P3
L
125
LWDM
Sprzęgacz WDM  zastosowania
Multipleksacja WDM
2X simpleks
2
2
WDM WDM
WDM WDM
 
3 3
1X dupleks
2
2
WDM WDM
3 3
126
Inne bierne komponenty światłowodowe
Filtry pasmowe
Izolator światłowodowy
Cyrkulator światłowodowy
Cyrkulator światłowodowy
Przełącznik (switch) światłowodowy
Modulatory zewnętrzne
127
Wzmacniacz światłowodowy
Podstawą jest światłowód specjalny
Erbium Doped Fibre, domieszkowany Er3+
oraz GeO2, o Å›rednicy rdzenia 1÷5 µm.
E2
E2
E3
Pompowanie
Emisja
optyczne
wymuszona
E1
Schemat poziomów i przejść
energetycznych w EDF.
128
Wzmacniacz światłowodowy - EDFA
izolator izolator
WE WY
Sprzęgacz Sprzęgacz
WDM WDM
Pompa
Reszta
Reszta
Laser
Laser
EDF
EDF
mocy
980 nm
pompy
lub
1.48µm
Wzmacnia Å›wiatÅ‚o o 15 dB ÷ 30 dB, w
zakresie   E" 1.52 µm÷1.56 µm.
129
Zale\
ność wzmocnienia od  i szumy ASE
Amplified
Kp[dB]
Moc pompujÄ…ca
Spontaneous
40
Pp3 > Pp2 > Pp1
Emission
30
P
Pp2
20
Pp1
10
[µm]
1.52 1.53 1.54 1.55 1.56
130
Kanał światłowodowy  struktura
światłowód
Nadajnik
Odbiornik
P (t) P  (t)
u (t)
u(t)
degradacja !
Sygnał
Sygnał
odtworzony
odtworzony
transmitowany
transmitowany
Modulacja intensywności IM:
u(t) Ò!P (t) P  (t) Ò! u (t)
Podstawowym celem jest, aby:
131
Sygnał odtworzony a" Sygnał transmitowany
Kanał światłowodowy  c.d
Zasadniczy problem to interpretacja
zdegradowanego sygnału na końcu toru.
Mechanizmy degradacji sygnału w torze:
Mechanizmy degradacji sygnału w torze:
" TÅ‚umienie
" Zniekształcenia dyspersyjne 
(ograniczenie pasma modulacyjnego)
Tłumienie sygnału w torze
P(x)
P0
"i P Ò! Di - straty na poÅ‚Ä…czeniach
PL
x
L
Bilans mocy w torze:
PL = P0 exp(- Ä… Å" L)-
"D
i
133
i
Bilans mocy w łączu światłowodowym  c.d.
Je\
eli moc wyjściową nadajnika wyrazić w dBm:
[ ]
P0 mW
P0[dBm]= 10 Å"log10
1[mW]
A tłumienie i straty w dB to bilans mocy w łączu:
PL[dBm]= P0[dBm]-Ä… Å" L[dB]-
"D [dB]
i
i
Czułość odbiornika w łączu - PLmin
Jest minimalnym, dopuszczalnym
poziomem sygnału na wejściu odbiornika.
Mo\
e być wyra\
ona w [µW] lub [dBm].
Warunkiem poprawnej pracy Å‚Ä…cza jest aby
w bilansie mocy zachodziła nierówność:
Przy nierówności pojawia się
PL e" PL min
tzw. margines czułości.
Odbiornik światłowodowy i jego czułość
RT
P P
Ku
Ku
RL
RL
Układ prosty Transimpedancja
Transimpedancja szerokie pasmo,
136
niskie szumy.
Szum addytywny w odbiorniku
RT
PL (t)
kÅ" u(t)
Ku
Ò!
u (t)
uN(t)
u (t)
u (t)
( ) ( ) ( )
u' t E" k Å"u t + uN t
( ) [ ( )]
Szum addytywny uN t = const. `" f u t
Szum addytywny w odbiorniku  c.d.
Przy rosnącym tłumieniu i stratach maleje
stosunek sygnału do szumu SNR:
Psygn
Psygn
SNR =
SNR = 10Å"log10 [dB]
lub
PN
PN
PN
PN
Dla celów analitycznych zakłada się
szum  biały o rozkładzie Gaussa:
ëÅ‚ öÅ‚
1 x2
ìÅ‚
pdf (x)= expìÅ‚- ÷Å‚
2
÷Å‚
2 Å"Ã
à 2 Å"Ä„
íÅ‚ Å‚Å‚
Odbiornik światłowodowy i jego czułość
Co decyduje o czułości odbiornika ?
" Szumy przedwzmacniacza
" Szumy fotodetektora
" Pasmo układu wejściowego (front-end)
139
Szum addytywny w odbiorniku  c.d.
uN (t)
pdf (x)
t
Oscyloskopowy obraz szumu uN(t)
Oscyloskopowy obraz szumu u (t)
Wielkością charakterystyczną jest:
uNsk = Ã
Odbiornik światłowodowy i jego czułość
Transmisja binarna synchroniczna
Zakładając prostą sekwencję  0 1 0
t
T
i alternatywnie komplementarnÄ…  1 0 1
t
141
T
Transmisja binarna synchroniczna  c.d.
Sygnał w odbiorniku w obecności szumu
t
t
T
Decyzja  interpretacja wartości
binarnej reprezentowanej przez sygnał
142
Detekcja  c.d.
pdf1
 1
Uref
 0
 0
pdf0
Przy stałym szumie, dla mniejszego
sygnału, krzywe pdf0 i pdf1 są bli\
ej
siebie (bardziej na siebie zachodzÄ…).
143
Błędy detekcji - BER
pdf1 pdf0
Pe0 Pe1
Uref
 1  0
Próg decyzyjny
 1 rozpoznawana jako  0  błąd I rodz.
 0 rozpoznawane jako  1  błąd II rodz.
144
Błędy detekcji  BER  c.d.
Prawdopodobieństwo wystąpienia
błędu decyzji to prawdopodobieństwo
warunkowe:
Pe = P0 Å" Pe0 + P1 Å" Pe1
Pe = P0 Å" Pe0 + P1 Å" Pe1
Uref
"
Pe0 = pdf0 du Pe1 = pdf1 du
+" +"
-" Uref
1
P0 = P1 =
2
145
Błędy detekcji  BER  c.d.
1 1 SNR
Pe = erfc
2 2 2
Oraz bitową stopę błędu BER jako:
BER
BER
Ne
BER = E" Pe
10-5
N
10-9
SNR [dB]
146
12 15 18
Bariery mo\
liwości transmisyjnych
A/ Bariera tłumienia
L Ä™!Ò! D = (Ä… Å"l)Ä™!Ò! P = (PT - D)
Poniewa\
moc szumu układu odbiorczego
Poniewa\
moc szumu układu odbiorczego
dla ustalonej przepływności (bit rate) K
PN = const.
to
PL PLMIN
SNR = Ò! SNR SNRMIN =
PN PN
147
B/ Bariera przepływności
K Ä™!Ò! PN Ä™!
Zakładając dominację szumu termicznego
przedwzmacniacza o stałej gęstości ST
S(f)
S(f)
ST
fmax
PN =
PN
+"S( f )df = ST Å" fmax
0
f
148
fmax
Bariera przepływności  c.d.
StÄ…d wynika, \
e:
PL
K Ä™!Ò! PN Ä™!Ò! SNR =
PN
Jakie minimalne pasmo fmax jest
wymagane dla przepływności K ?
K
fmax e" - jest to twierdzenie Nyquista
2
149
C/ Bariera pasma modulacyjnego
Idealna, monochromatyczna fala świetlna:
E(t) = Emax cos(2 Å"Ä„ Å"½ Å" t + Õ)
W praktyce ½ `" const. "½ "
W praktyce ½ `" const. "½ "
Dyspersja chromatyczna powoduje
ograniczenie pasma, zgodnie z wzorem:
0.44
B3dB =
" Å" D Å" l
150
Bariera pasma  c.d.
Czynniki decydujÄ…ce o " to:
a/szerokość widmowa lasera
b/modulacja i sposób modulacji
Przy bezpośredniej modulacji lasera 
występuje tzw.  chirp (migotanie) , czyli
paso\
ytnicza modulacja długości fali
prÄ…dem modulacji lasera.
151
 Chirping  c.d.
i(t)
PrÄ…d lasera
t
Koncentracja
N(t)
nośników
t
t
Współczynnik
n(t)
załamania
t
(t)
Długość fali
t
152
Bariera pasma modulacyjnego  c.d.
Przy największych szybkościach
stosuje się modulację zewnętrzną.
Układ
Modulacja
Modulacja
stabilizacji
stabilizacji
u(t)
mocy
P=const. P= P(t)
Laser o Modulator
"E" 10 fm zewnętrzny
153
Multipleksacja CWDM i DWDM
W III oknie transmisyjnym mo\
na w
jednym światłowodzie prowadzić
transmisję na wielu długościach fal .
Coarse Wavelength Division Multiplexing
Coarse Wavelength Division Multiplexing
Norma ITU G.694.2  definiuje 18
kanałów co E"18 nm w zakresie
1.47÷1.61µm.
154
Kanał wielokrotny CWDM - przykład
1
Add/Drop
2
Mux
Mux
3
4
4
2
1
2 De-
mux
3
4
155
Multipleksacja DWDM
Dense Wavelength Division Multiplexing -
40 kanałów w III oknie transmisyjnym, co
0.8 nm (100 GHz), lub 80 kanałów.
Ultra Dense WDM - 80 kanałów w III oknie
Ultra Dense WDM - 80 kanałów w III oknie
transmisyjnym, co 0.4 nm (50 GHz).
Kanały ulokowane są wokół linii kryptonu
=1552.52 nm zgodnie z normÄ… ITU  T w
pasmach  S ,  C i  L .
156
DWDM w III  oknie transmisyjnym
Pasmo Pasmo Pasmo
 S  C  L
1460 1530 1565 1625
1460 1530 1565 1625
 [nm]
 [nm]
1552.52
linia Kr
Transmisja realizowana jest w
torach światłowodowych
zgodnych z normÄ… ITU-T G.656 .
157
DWDM  problemy realizacyjne
Technologie DWDM i UDWDM
wymagajÄ… podejmowania najbardziej
wyszukanych środków technicznych dla
uzyskania i stabilizowania długości fali w
poszczególnych kanałach !
poszczególnych kanałach !
Stosuje się wyłącznie zewnętrzną
modulację poszczególnych długości fal.
Dla demultipleksacji niezbędne sa
precyzyjne i stabilne filtry optyczne.
158
Mo\
liwości aplikacyjne
Transmisja cyfrowa  w pasmie
podstawowym z multipleksacjÄ… TDM.
Synchronous Digital Hierarchy - SDH
Synchronous Transport Module - STM
Synchronous Transport Module - STM
" STM-1  155.52 Mb/s
" STM-4  622.08 Mb/s
" STM-16  2488.32 Mb/s
" STM-64  9953.28 Mb/s
159
" STM-256  39813.12 Mb/s
SDH  struktura
STM-1
STM-1
STM-4
STM-1
STM-1
STM-16
155 Mb/s
622 Mb/s
STM-64
2488 Mb/s
9953 Mb/s
160
SDH  problemy i ograniczenia
Dla poziomów od STM-1 do STM-16 
\
adnych większych problemów
technicznych  bariera zasięgu.
Dla poziomów powy\
ej STM-16 
Dla poziomów powy\
ej STM-16 
powa\
ne ograniczenia modulacyjne i
znaczÄ…co ni\
sza bariera zasięgu.
ZnaczÄ…co wy\
sze koszty !
161
Transmisja sygnałów analogowych -
CATV
Pełne pasmo CATV moduluje laser.
Pasmo Zakres [MHz] Kanały
UKF 87.5 - 108 Radiofonia FM
Dolne pasmo  S 110-174 S01-S08
III pasmo 174-230 K06-K12
Górne pasmo  S 230-302 S09-S17
 Hyperband 302-470 S18-S38
IV pasmo 470-606 K21-K37
V pasmo 606-862 K38-K69 162
Transmisja analogowa - CATV
Główny problem to szumy RIN oraz
nieliniowości nadajnika i odbiornika
prowadzą do efektów intermodulacyjnych
pomiędzy poszczególnymi kanałami TV.
Światłowodowa transmisja CATV
wymaga stosowania szczególnie
liniowych laserów i odbiorników o
najni\
szym poziomie szumów.
163