Optikai kábelek. Brunner Kristóf

Átírás

1 Optikai kábelek Brunner Kristóf

2 Távközlés A modern társadalomban elképzelhetetlen lenne, hogy ha egy levelet írunk a világ egyik oldaláról a másikra az ne érkezzen meg legrosszabb esetben egy percen belül a címzettnek A két nagy csoport amit külön kell választani, a vezeték nélküli, és a vezetékes távközlés

3 Előnyök, hátrányok Vezetékes Elég jól szűrhetőek a zajok (pl. csavart érpár) Relatív nehezen lehallgatható A vezetékes távközlés kiépítése relatív nagy munka, mivel például minden házhoz ki kell húzni A vezeték meghibásodhat, ezt meg kell javítani helyben Vezeték nélküli Mobilitás Az adóállomást/ állomásrendszert kell kiépíteni, ezután a vevőkészülékeket javítani, felújítani nem olyan nagy munka Hátránya, hogy a jel/zaj arányt nehéz növelni Könnyű lehallgatni

4 Miért pont optikai kábel? Nagyon magas sebesség (10-40 Gbit/s probléma nélkül) Nincs áthallás Az optikai szálak nagyon alacsony veszteséggel képesek továbbítani fényjeleket Szinte teljesen zajmentes Az anyagi minőség, és az előállítási pontosság javításával akár 0,2 db/km -re csökkenthető a csillapítás (csak adott frekvenciás fényre) A kábel anyaga, és előállítása relatív olcsó, így nagy távolságú STABIL kapcsolat kiépítésére ideális választás (lopásbiztos) Nagyon vékony kábel, ezért könnyen kötegelhető Nehezebben lehallgatható mint egy hagyományos (koax) kábel

5 Hol használnak optikai szálakat? Adatátvitel Díszek, lakberendezési tárgyak Orvosi alkalmazás: Optikai kötegek belső világításhoz Endoszkópos vizsgálat, képtovábbítás Internet Telefon Televízió

6 Működési elv Egy digitális jelet először valamilyen technikával fényjellé kell alakítani Ezt egy LED (lézer) dióda belelövi az optikai szálba, amelynek falán teljes visszaverődést szenved el, így eljut a kábel végéhez Ezután egy félvezető fototranzisztor érzékeli, erősíti, majd rekonstruálja a bemeneti jelet (később visszatérek, hogy tényleg ugyan az e a két jel)

7 Fizikai alapok

8 Fizikai alapok

9 Fizikai alapok Az elektrodinamika óráról ismert: A hullámvezetők leírására szolgáló egyenlet (Helmholtzegyenlet) megoldása téglalap keresztmetszetű egyenes cső esetére Henger vezető esetén a megoldások a Besselfüggvények Hullámvezetőkben a keresztmetszet függvényében van egy levágási frekvencia, aminél magasabb frekvenciájú hullám nem tud hagyományosan terjedni a vezetőben (téglalap keresztmetszet esetén ω min =c π/a ) Végtelen hengerben, ha a mag maximális törésmutatója n1,a héjé n2, a levágási frekvencia a Bessel-függvény legalacsonyabb zérushelye (nagyjából 2,405) V = 2 π a n2 n2 norm λ0 1 2

10 Optikai kábel osztályozása Módusok száma Törésmutató Szerkezet Anyaga Kvarcüveg Műanyag Speciális tulajdonságok

11 Módusok száma Egy-, és többmódusú optikai szál Ha kellően vékony a szál magja (hullámvezető) akkor elérhető, hogy bizonyos frekvencián csak egyetlen módus tudjon terjedni (levágási frekvencia) Egymódusú szálban a csillapítás kisebb (mert nincs szóródás a falon)

12 Speciális célú optikai kábelek Polarizáció tartó -e (nyomás alatti kettős törés) Gömbhullámok? (Wispering-gallery waves)

13 Törésmutató A törésmutató változása lehet folytonos, vagy lépcsőfüggvény szerű A folytonosan változó törésmutató eredményeképp a nagy szögben érkező sugarak (hosszabb út) alacsonyabb törésmutatójú közegben haladnak sokat Ez az átmeneti jel simulásához vezet Az ideális törésmutató függvény közel parabolikus

14 Törésmutató és magátmérő együtt

15 Speciális célú optikai kábelek Polarizáció tartó -e (nyomás alatti kettős törés) Gömbhullámok? (Wispering-gallery waves)

16 Szerkezet Hengeres, kettőstörő, sík, szalag

17 Optikai szál sérülése Nagy hangsúlyt fektetnek a szál mechanikai védelmére Ha nagy teljesítmény halad egy szálban (kb. 1 W és afölött), és mechanikailag sérül, akkor a sérülésen elnyelődő fény elégeti a szálat, és 1-3 m/s -os sebességgel ez az égés elterjed az adó felé Két módon lehet védekezni ez ellen: Mechanikai védelem (pl. kevlár burok) Reaktív védelem (nyitottszál-vezérlő rendszer)

18 Mechanikai védelem

19 Fényforrás Az optikai szál végén monokróm koherens fényforrást használnak, amely három fő ablakban sugározhat 850 nm 1300 nm 1550 nm

20 Fényforrás Mi határozza meg a csillapítást? Rayleigh szórás sűrűségfluktuációkon UV elnyelődés (a Rayleigh szórás mellett elhanyagolható) IR tartomány elnyelődik rotációs ill. vibrációs módusként

21 Csillapítás Továbbá csillapodik a jel a fényvezető szennyeződésein való szóródás miatt És a rétegek közti átmenet érdességén való szóródás miatt

22 Előállítása Leggyakrabban szilícium-dioxidból készül (ritkábban fluórüvegből) A műanyag optikai szálak csillapítása magas (akár 1 db/m) Az előállítás az elmúlt 10 évben hatalmas fejlődésen ment keresztül Tisztább vezetőt, és rétegek közti simább átmeneteket tudunk létrehozni How it is made Működés videóban

23 Sebesség Minden szálon több csatorna hordozhat információt különböző hullámhosszokon (WDM) Egy hagyományos, jól felépített rendszer egy csatornán Gb/s -es sebességet ér el 80 körüli az általános csatornaszám egy többmódusú kábelen A hálózati adatfolyam könnyen kiszámítható a csatornaszám, a csatornánkénti sebesség, és a FEC (forward error correction) arány szorzataként

24 Történelem és rekordok Daniel Colladon és Jacques Babinet ben bemutatta, hogyan lehet irányítani a fényt ban Alexander Graham Bell feltalálta a Photopfon -t (papíron) A jelenség első gyakorlati alkalmazása a 20. század elején a fogorvoslásban volt Harold Hopkins és társai ben egy 75 cm hosszú alacsony veszteségű fényvezetőt alkotott ben kimutatták, hogy a depigmentált hajszálak is használhatók optikai szálként (gondolom azóta is növesztik a hajukat a kutatók...)

25 Történelem és rekordok 2006 Nippon Telegraph and Telephone Corporation 14 Tbit/s km 2009 Bell Labs in Villarceaux, France 100 Gbit/s km 2010 Bell Labs in Villarceaux, France 100 Pbit/s kis távolság (?) 2010 Nippon Telegraph and Telephone Corporation 69.1 Tbit/s km (432 csatorna, 171 Gbit/s/cs) 2012 Nippon Telegraph and Telephone Corporation 1 Pbit/sec 50 km Mindezt egy szálon

26 Köszönöm a figyelmet Brunner Kristóf