Optikai hálózatok 3.ea

Optikai hálózatok 3.ea Dr.Varga Péter János

Adók, vevők, erősítők 2

Adók Az adók legfontosabb eleme a fényforrás. Attól függően, hogy milyen szálhoz és milyen fényforrást alkalmazunk, változhat a fény szálba juttatásának hatékonysága, azaz, hogy mennyi fény jut be a szálba az adóból. Kétféleképp csatlakoztatható a forrás és a szál. Direkt módnál a szál a forrás közvetlen közelében van rögzítve, lencsés módszernél pedig egy lencse segítségével gyűjtik össze a fényt, és így kerül a szálba. A lézerek igen érzékenyek a visszajutó fényre, könnyen elvesztik tőle a stabilitásukat, ezért a visszaverődő fény ellen leválasztó réteget kell alkalmazni. Az adókban a meghajtó áramkör adja az áramot a forrás számára, és modulálja a kimeneti fényt a biteknek megfelelően, ha közvetlen modulációnk van. Magasabb adatsebességeknél optikai modulátor végzi a fény biteknek való megfeleltetését. 3

Az adókkal szemben támasztott követelmények - Hullámhossz illeszkedjen az átviteli ablakokhoz - Nagy kimeneti teljesítmény - Jó hatásfokú becsatolhatóság a szálba - Keskeny emissziós spektrum - Nagy sebesség - Folyamatos működés - Nagy tömegben gyártható - Olcsó 4

LED-ek Különbség közte és a lézer között, hogy a LED esetében a fény kibocsátása spontán módon történik. Széles spektrumban bocsátják ki a fényt, így csak kis távolságokra és alacsony adatátviteli sebességek mellett alkalmazhatóak. Alapelve, hogy amikor az elektronok és a lyukak összeállnak akaratlanul fotont bocsátanak ki. Több irányba sugározza a fényt, amit aztán össze kell gyűjteni, hogy forrásként használhassuk, és mivel nehéz az összes irányban kibocsátott fényt begyűjteni, ezért kisebb a teljesítménye, mint a lézereknek. Alacsony áruk van, és nincs szükség hűtésre, mert nem hőmérséklet függők. potenciál fal p-típus szabad elektronok n-típus W g szabad lyukak 5

LED-ek Mivel az optikai adók esetében nagyon fontos a hullámhossz illesztése, így a 850 nm-es ablakhoz a félvezető anyaga GaAs (gallium-arzenid), vagy ha pontosabb értéket kívánnak beállítani, az AlGaAs (alumínium-gallium-arzenid). 1300 nm-re már egy bonyolultabb négykomponensű anyagot (InGaAsP) kell alkalmazni. Fontos még a LED-ek kapcsolási sebessége, mely meghatározza, milyen átviteli sebesség valósítható meg az optikai szakaszon. A diódák felfutási ideje 100 ps -10 ns-ig terjed, mely nem jó nagy sebességek átviteléhez. 6

Felületsugárzó LED LED felszínét kimarják egy akkora részen, amekkora a szál. Ezen a kimart részen keresztül bocsátja ki a fényt. Marásra azért van szükség, mert így a szál közelebb kerül a fénykibocsátó réteghez. Hogy mekkora teljesítmény kerül a szálba, az függ a szál tulajdonságától és attól is, hogy milyen messzire van a fénykibocsátó rétegtől. A fényt összegyűjtéssel segítik a szálba például azzal, hogy gömbölyű lencsét raknak a kimart részhez. 7

Élsugárzó LED Tulajdonképpen egy félvezető lézer átalakítva, egy nem reflektáló réteggel a felszínén, hogy lefojtsa a stimulált fénykibocsátást. Szélesebb sávszélességgel rendelkezik, mint a felület kibocsátású párja. Viszonylag alacsony teljesítményűek. Alacsony sebességű, és kis távolságú rendszereknél alkalmazhatóak. 8

Lézerek Legnagyobb különbség a LED-ekhez képest, hogy a lézereknél a fény kibocsátás stimulált. Nagy teljesítményűek és viszonylag szűk spektrumban sugározzák a fényt, emiatt alkalmasak magas sebességű adatátvitel megvalósítására. A legtöbb rendszerben félvezető lézereket alkalmaznak jobb teljesítményük miatt. Fém SiO 2 p + -GaAs p -Ga x Al 1-x As p -GaAs (aktív tartomány) n -Ga x Al 1-x As hasított végtükör n -GaAs Fém 9

LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Lézer: erős, párhuzamos fénysugarat adó fényforrás. Lézerek felhasználása: optika orvosi technika haditechnika informatika anyagmegmunkálás alkalmazások a kémiában: spektroszkópia fotokémia 10

A lézerek működési elvei Stimulált emisszió inverz populáció optikai rezonátor 11

Optikai rezonátor A lézer közeget két tükör közé helyezik. A fénysugár ide-oda verődik, így a fotonok átlagos úthossza megnő, s vele együtt a stimulált emisszió valószínűsége. 12

Lézersugár spektruma Max. erősítés Erősítés Erősítési görbe Lehetséges rezonátormódusok Veszteségek Módus sávszélesség Az átmenet félérték-szélessége 0 13

Fabry-Perot lézer Két visszaverő felület között egy optikai erősítő rés, üreg található ebben a típusban. A rés mérete fogja meghatározni azt, hogy melyik hullámhosszon üzemel a lézer. Az üreg nem csak egy, hanem több hullámhosszon is erősít, a kibocsátott fénynek több hullámhosszon is van csúcsértéke. Ezért ez a típus MLM lézer, mert több hullámhosszat hosszanti oldalirányban bocsát ki. Van hűtött és hűtetlen változata is, a hűtetlen verzió olcsóbb, ám változnak a fénykibocsátási jellemzői a hőmérséklettel és így kevésbé megbízható. 14

Elosztott visszacsatolású lézer (DFB) Ugyanúgy, mint a Fabry-Perot változat ez is a középső rétegben erősíti a fényt. Ebben a változatban egy beépített Bragg rács található a középső részen, ami visszaverő felületként viselkedik. A visszacsatolás az üregben levő ráccsal történik, két hullám keveredik, az előre haladó és a visszacsatolt. SLM lézerek típusába tartozik, egy hullámhosszat hosszanti oldalirányban bocsát ki. Hőmérsékletfüggő. 15

Elosztott Bragg reflektoros lézer (DBR) Az osztott Bragg reflektáló lézernél a visszacsatolás ugyanúgy Bragg ráccsal történik, mint a DFB-nél, ám ennek a típusnak a végein van egy-egy reflektáló felület, nem pedig az aktív réteg felett. Hőmérsékletfüggő, SLM lézer. 16

Összekapcsolt üregű félvezető lézer A fény egy külső visszaverő felülettel határolt üregbe érkezik. A visszaverődő fény egy része visszajut a lézerben levő belső üregbe. A külső visszaverő felület miatt fázistolás jön létre, így a lézer csak bizonyos hullámhosszon fog erősíteni, ezzel adva az SLM tulajdonságot. Egy egyszerű megvalósításában a lézerből kijövő fényt egy bordázott rács segítségével gyűjtik össze. Egyik előnye a hangolhatósága, azaz kiválasztható melyik is legyen az az egy hullámhossz, amelyet a külső üreg erősíteni fog, egyszerűen a visszaverő felület elfordításával. 17

Hasított összekapcsolt üregű félvezető lézer Egy hagyományos lézer ketté hasítva. A két középső felület elég fényt ver vissza, ahhoz, hogy összegyűjthessük azt, feltéve hogy elég közel van a két szétválasztott rész, vagyis elég kicsi az elválasztó légtér. A beadott áram határozza meg a működési hullámhosszat. 18

Hangolható félvezető lézer Egy aktív, egy fázisvezérlő és egy Bragg részre osztható. A visszacsatolással és a fázissal hangolható be, hogy a lézer melyik hullámhosszon működjön. Van olyan típusa is, amelyikben nem egyetlen Bragg visszaverő felület van, hanem egy egész sor rács, egymástól állandó távolságra biztosítják a visszaverődéseket, amit aztán visszacsatolnak erősítés végett. A több rácsos változat több hullámhosszat erősít a rácsok miatt. Amilyen távol a rácsok vannak, olyan távol lesznek azok a hullámhosszak, amiket erősíteni fog. 19

Függőleges üregű felületsugárzó lézer (VCSL) A fényt egy nagyon kicsi függőleges üregen keresztül erősíti, így a fény függőleges irányban távozik. Több rétegű a felépítése, az aktív, emittáló réteg körül visszaverő Bragg felületek vannak, alulról is és felülről is. A kis üreg szűrőként működik, így csak egyetlen hullámhossz erősített. Mivel viszonylag alacsony árammal működnek, ezért túl nagy teljesítményt nem tudnak kifejteni. SLM lézer, habár nagyobb üreget alkalmazva a több hullámhossz miatt szélesebb spektruma lesz, mint a Fabry-Perot lézereknek. Mivel előállításuk olcsóbb, mint a vízszintes irányba sugárzó változatnak, ezért alacsonyabb áron beszerezhetőek. Vékony erősítő rétegük miatt tükrökkel teszik hatékonyabbá. 20

Függőleges üregű felületsugárzó lézer (VCSL) 21

Vevők A vevőknél a jel egy fotódiódába érkezik, amit azután előerősíteni kell. A fotódióda alakítja át a fényt elektromos értékké, amit aztán a további felhasználás végett kel erősíteni. Az előerősítőt egy nagy teljesítményű erősítő követi és egy aluláteresztő szűrő. Az aluláteresztő az impulzus alakját formálja. Az utolsó részen egy döntő áramkör összehasonlítja a szűrőből jövő jelet egy küszöb értékkel, azokban a mintavételi időkben, amit az órajel határoz meg, és megadja, hogy a bejövő bit milyen értékű. 22

Vevők 23

p-n fotódióda Középen a p és az n réteg közt található egy terület, a kiürítési terület, egy nagy belső elektromos mező, ami megakadályozza az elektronok és a lyukak egyik mezőből a másikba vándorlását. Ha fény éri a közbülső réteget, a fotonok miatt elektron-lyuk párok alakulnak ki (ugye ha elektron és lyuk találkozik foton kibocsátás történik, amit a LED-ek használnak ki, itt pont a folyamat fordítottja zajlik). Az elektromos mezőben létrejövő elektronok és lyukak a p és n oldalhoz csoportosulnak a mezőben. Azt, hogy mekkora sávszélességet képes fogadni, korlátozza egy szóródási jelenség, ami abból adódik, hogy elnyelődés van a középső rétegen kívüli rétegekben. 24

p-n fotódióda 25

p-i-n fotódióda A középső réteget növelve és a két szélsőt csökkentve, a p-n fotódiódánál említett szóródási hatás csökkenthető. A középső réteget egy félvezető réteggel bővítik ki. A középső résznek nagy az ellenállása, így kapunk egy nagy elektromos mezőt. A kioltási réteg tovább ér, mint maga az elektromos mező, belelóg a két szélső rétegbe is. Ezzel a kialakítással leküzdhető a szóródási jelenség, mert a teljesítmény nagy része az közép rétegben nyelődik el. 26

p-i-n fotódióda 27

Lavina fotódióda Minden vevőnek kell valamennyi áram a működéshez. Ez a típus egy belső áramerősítéssel rendelkezik. Az erősítés az ionizációs hatás miatt jön létre: egy gyorsuló elektron akkora energiát szerez, amivel létrehoz egy új elektron-lyuk párat. A p-i-n fotódiódához képest itt van még egy plusz réteg, ami az erősítést szolgálja, azaz ahol az ionizáció miatt létrejövő elektronok és lyukak lesznek. 28

MSM (Metal-Semiconductor- Metal) Ebben a kialakításban két fém közé teszik az elnyelő félvezető réteget. A két réteg találkozásánál akadály lép fel, ami meggátolja az elektronok fémrétegbe vándorlását. Az elnyelő réteg határa ennél a típusnál is átlóg a fém részekre. Magas adatsebességű rendszerekhez alkalmazzák. 29

Erősítők 30

Raman Az erősítő a Raman szórást használja ki úgy, hogy egy alacsony hullámhosszúságú fényt magas teljesítménnyel adnak be, és a Raman szóródás miatt a molekulák hatására az alacsony hullámhosszról a fény energiájának egy része a magasabbikra kerül. A beadott másik magasabb, átvitelhez használt jel hullámhosszát az alacsonyabb hullámhosszal így erősítik. Mivel a szálakban nem túl nagy ez a hatás, nagy energiájú alacsony hullámhosszú jel kell. Az erősítés a pumpáló hullámhosszhoz képest 100 nanométerre lesz a legnagyobb, a szóródás tulajdonságaiból adódóan, így lehet szabályozni, hogy melyik hullámhosszat erősítse. Az erősítés így magában a szálban történik meg. Ha több hullámhosszal pumpáljuk a szálat, akkor egy egész sávot tudunk erősíteni, ami a WDM rendszereknél lesz hasznos a számunkra. Különbség az EDFA és a Raman erősítő közt, hogy ennél a típusnál több hullámhossz erősítésével képzik egy sáv erősítését, míg az EDFA esetén közvetlenül egy egész sáv erősített 31

EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) Az ilyen erősítők alapeleme az erbiummal adalékolt szál. Az erbiumnak azt a tulajdonságát használják ki, hogy ha megfelelő hullámhosszal gerjesztett állapotba hozzuk az erbiumot, az vissza fog térni alapállapotba, kibocsátva fényt az 1525-1565 nanométeres sávban. Ha az átviteli jel ugyanebbe a sávba esik, akkor a jel a fénykibocsátási folyamatot segíteni fogja, így létrehozva magát az erősítést. Az erbiumos szálon kívül tehát található benne egy lézer, ami az erbiumot gerjesztett állapotba hozza, és egy olyan szakasz, ahol a jelhez adják a pumpáló hullámhosszat, mielőtt a kettő együtt bekerül az erbiumos szálba. Attól függően, hogy a középső erbiumos szálat az elejénél, a végénél, vagy mindkét oldalon gerjesztjük, beszélünk egyirányú, kétirányú, ellentétes irányú pumpálásos erősítőről. Régebben a WDM csatornákat egyedileg kellett szétválasztani majd erősíteni és végül újra összerakni őket, EDFA erősítő viszont az egész sávot erősíti, így nem szükséges szétszedni és egyesével 24 erősíteni a csatornákat. Ezt a típusú erősítőt szokták a Raman típusúval együtt alkalmazni, mert Raman erősítővel kompenzálják ennek a típusnak a rossz jel-zaj viszonyát. 32

SOA (Semiconductor Optical Amplifier) Hasonlatosak a félvezető lézerekhez, csak itt nincs visszacsatolás, de ugyanúgy félvezetőt használunk és a stimulált fénykibocsátást használják fel az erősítés megvalósításához. A szálból a fényt bele kell gyűjteni az erősítőbe, mert annak felülete kisebb, mint a szálé. A működésükhöz, és így az erősítéshez áramot kell kapniuk. Olcsóak és kicsik, viszont az alacsony kimenő teljesítmény és a zaj szempontjából is előnytelenek, ezért nem alkalmazhatóak WDM rendszerekhez. 33

Optikai erősítők alkalmazása - Az adóoldalon erősítőként. Mivel a lézer kimenőszintje nem növelhető tetszőleges mértékben, erősítő alkalmazásával a kimeneti optikai jel szintje akár tízszeresére növelhető. Ezáltal az áthidalható távolság 20 km-rel növelhető. - A vevőoldalon előerősítőként. Ha a jel szintje a vevő érzékenység szintje alá megy, ezzel az eszközzel detektálhatóvá lehet tenni a jelet. Jelentősége azért nagy, mert a különböző hálózatbővítéseknél (jelosztásoknál, szűrők alkalmazásánál,...) csillapítást víve a rendszerbe előfordulhat a jelszintromlás olyan mértéke, hogy előerősítőt kell alkalmazni. - Erősítő állomásként a szakaszon. Célja a szakasz megnövelése. Egy hibája van, hogy külső lézerről illetve tápfeszültségről külön gondoskodni kell! 34

Optikai erősítők alkalmazása EDFA OLT OLT EDFA OLT OLT EDFA OLT OLT 35

Passzív optikai elemek 36

Passzív optikai elemek felosztása Optikai szálak Optikai kötések Optikai rendezők, rögzítők, pozícionálók Optikai csillapítók Lencsék, szűrők Jelosztók, optocsatolók Optikai kapcsolók Optikai modulátorok 37

Optikai lencsék A legrégebb óta használatos optikai eszközök egyike a lencsék. Ezeket görbe határfelületük és eltérő törésmutatójuk teszi alkalmassá a fénysugarak fókuszálására. Mikrolencséket diffúziós módszerrel lehet könnyen előállítani, egy maszk segítségével csak egy kis területen engedjük át a reagens anyagokat, melyek megnövelik a törésmutatót. A cilinderlencse egy száldarabhoz hasonlít. Tulajdonsága, hogy a tér különböző irányaiban az eltérítés szöge nem azonos. Olyan helyen alkalmazzák, ahol a numerikus apertúra a két síkban különböző. Negyedik példánk egy gömblencse. Használata azért elterjedt, mert nagyon kis méretekben is előállítható csiszolásos technológiával. 38

Optikai lencsék n 2 n n n 1 1 1 n 2 indirekt lencse diffúziós mikrolencse gömblencse cilinder lencse 39

GRIN lencse Ha veszünk egy gradiens indexű szálat, abba bevilágítva a fény hullámvonalban terjed, a különböző módusoknak megfelelően más-más utat futva be. Keletkeznek csomópontok és olyan helyek a szálban, ahol a fény összes módusa párhuzamosan fut egymással. Egy ilyen pontnál elmetszve a szálat a kilépő fény is párhuzamosan terjed, de jóval nagyobb átmérőben, mint ahogyan a belépés történt. Fordított irányban a nagy területen belépő fényt fókuszálja egy csomópontba, azaz úgy működik mint egy domború lencse. Az így kialakított lencséket GRIN (gradiens indexű) lencséknek nevezik. Ennek feltétele, hogy a gradiens szál hossza: L = n l/2 + l/4, ahol n = 0, 1, 2,... Az átmérő nem kell hogy 50 mm legyen, lehet nagyobb is. A lencse anyagától és törésmutató eloszlásától függ a hossz és a fényfolt átmérője 40

GRIN lencse 41

Optikai osztó GRIN lencsét használva a megszakított fénnyaláb között, hogy a fényt szétnyissák, egy félig áteresztő tükör segítségével meg lehet osztani a jelet. Ugyanazt az információt mindkét irányba továbbítani lehet. A kettéosztott fényt egy-egy GRIN lencsével újból fókuszálják és illesztik egy monomódusú szálhoz. Ezzel az eljárással egy úgynevezett optikai osztót (splitter) lehet kialakítani. Mivel ez az eszköz az adott jelfolyamot párhuzamosítja, alkalmassá teszi a rendszert például menet közben történő mérésre. TDMA multiplexelésnél is alkalmazható ez a módszer, vagy éppen jelek szétválogatására, ha szűrőkkel még megtoldjuk. Ennek az eszköznek a hibája, hogy csak két irányba osztja a jelet. Ha több félig áteresztő tükröt alkalmaznának, nagyon megnőne az eszköz csillapítása. Másik hátrány, hogy fordított irányban optocsatolóként nem jó hatásfokkal alkalmazható. 42

Optikai osztó 43

Hegesztett szál csatolók osztási arány a geometriával befolyásolható, a csatolási hosszal a hullámhossz függés befolyásolható 44

Optocsatoló (polimerizációs) Hogy optocsatolót (couplers) illetve optikai osztót (splitters) jó hatásfokkal lehessen előállítani, integrált optikai módszert, fotopolimerizációs eljárást alkalmaznak. Ennek lényege, hogy a kívánt alakot egy maszk segítségével előállítják és egy hordozó üveglapra helyezik. Szennyező anyagokkal reagáltatva, azok alkotó elemei bediffundálnak az üvegbe azon a helyen, ahol a maszk megengedi. Itt megnő a törésmutató. A végponthoz illesztve a szálakat a belépő fény a formának megfelelően fut végig az anyagban, a fénytörés törvényeinek megfelelően. Ezzel a módszerrel mind osztó, mind pedig csatoló létrehozható. Előnye, hogy nem csak 1:2 hanem akár 8:8 struktúra is létrehozható. Egy dologra kell ügyelni, hogy a jelosztásnál a teljesítményt is azonos arányban megosztjuk, sőt ezen felül az eszköznek sajátcsillapítása és beiktatási csillapítása is van. A mai legjobb osztók sajátcsillapítása 0,5 db körül van 45

Optocsatoló (polimerizációs) 46

Optikai csatolók 47

Optikai csillapítók Eddig az volt a cél, hogy a csillapítást minimalizáljuk. Mégis van két terület, ahol csillapító használata szükséges. Az egyik eset, mikor a nagy bemenő jelszint túlvezérelné a vevőt, ilyenkor csillapítót iktatnak a vonalba. A másik eset a mérések területe. Például vevőérzékenység mérésénél az átviteli jelet addig kell csökkenteni, míg az átviteli jel hibaaránya a szabványos érték nem lesz. Felosztásánál egyik csoport az aktív csillapítóké. Ezek az eszközök erősítést is tartalmaznak, ezért nagy pontossággal kalibrálhatók, a beiktatási csillapítás kompenzálható. Méréseknél alkalmazzák őket. A passzív optikai csilapítókat nagyon egyszerűen létre lehet hozni, a szál meghajlításával, a csatlakozó kihúzásával. Ezeket azonban nem lehet kontrollálni. Fix csillapítókat gyárilag a jel útjában elhelyezett valamilyen eszközzel lehet megvalósítani. 5 db-es osztásonként lehet kapni, csak be kell iktatni a csatlakozó pontnál. A változtatható csillapítók egy részét szintén jelcsökkentésre használják úgy, hogy beiktatják a vonalba. Mivel itt nem kell a nagy pontosság, ezért nem kalibrálhatók. Például egy hollandi csavar, mely bizonyos távolságot iktat be két csatlakozó közé, ezzel csillapítást vive a rendszerbe. A mérésekhez kalibrált, folyamatosan változtatható csillapítót használnak. 48

Optikai csillapítók fajtái Felosztása: - aktív (erősítést tartalmaz) - passzív - fix (állandó értékű) - változtatható - kalibrált - nem kalibrált Használata: - jelszintcsökkentés - mérés 49

Változtatható optikai csillapító Első lépésként a megszakított fénnyalábot lencsék segítségével (lehet GRIN lencse is) szétnyitják, majd a jelútba egy forgatható tárcsát helyeznek el, mely a kerülete mentén fokozatosan szennyezett, azaz folyamatosan változik a beiktatott csillapítás. A reflexió elkerülésére 7-8 -ban helyezik el a tárcsát. Ezek a csillapítók sajátcsillapítással rendelkeznek, mely azt jelenti, hogy a beállított 0 db-es beiktatásnál is van a rendszernek kb. 2-3 db csillapítása. A beiktatható csillapítás értéke 0-végtelenig tetszőleges lehet. 50

Változtatható optikai csillapító 51

Különböző kivitelű csillapítók 52

Optikai kapcsolók A fényvezető szálak kétirányú átviteli közegként is alkalmazhatók. A fényvezetős átvitel terjedésével a hálózatban a hálózati csomópontoknál a jelek keveredése jöhet létre a szálak minden irányú átlátszósága miatt. Az optikai kapcsolók feladata: - a hálózat nem kívánt irányú áteresztésének megszüntetése - a jelek átkapcsolása => optikai központ - multiplexelés megvalósítása => jelszétosztás - optikai utak tartalékolása => szakasztartalékolás fizikai közegen való megvalósíthatósága - mérések, tesztek, hurkolások, leágazások megvalósítása. A kapcsolók megvalósítása történhet elektromechanikus úton, azaz elektromos vezérlés hatására a szálkimenetek és bemenetek egymáshoz képest elmozdulnak. A másik mód az integrált optikai megoldás, amikor az elektródára adott feszültség hatására másik kimeneten jelenik meg az adott fény. 53

Optikai kapcsolók fajtái 1:1, amely az optikai utat tudja megszakítani, ezek védelmi feladatokat láthatnak el a rendszerben. 1:2 (1:n), több útvonal közül választhat ki egyet, midkét irányban üzemel. 2:2 (n:n), mindkét útvonalat mindkét kimenetre rákapcsolja, azaz keresztcsatolást valósít meg. Itt vigyázni kell a jelek szétválasztására, ha kell. 2:2 Bypass, hurkolást tud megvalósítani, mérésre alkalmas. 1xN, egy útvonal jeleit N irányba továbbíthatja, magasabbrendű multiplexálást valósítva meg ezzel. Maximális kimenet 180. Mindegyik fent említett verzió létezik dual kivitelben is, mely tartalékolt, vagy párhuzamos átvitelnél, többirányú kihasználás esetén pedig duplex összeköttetéseknél a két irány kezelésére alkalmazhatók. 54

Optikai kapcsolók fajtái 55

Optikai kapcsolók tulajdonságai Az optikai kapcsolók alaptulajdonsága a beiktatott csillapítás. Ez az érték egy csatlakozó csillapításának nagyságrendjében van, ez igen kicsinek számít. Figyelni kell azonban, hogy a jelosztással a teljesítményt is osztjuk. Fontos követelmény, hogy a sokszori átkapcsolásnál (1000-nél több) se növekedjen meg a csillapítás 0,01 db-nél jobban. A kapcsolás sebessége kisebb, mint 15 ms. Egy hibamentes átkapcsoláshoz ez nagyon hosszú idő, erre az átkapcsoláskor figyelni kell. Fontos paraméter még a reflexiós csillapítás, amely megadja, hogy a reflektált jel (visszirányú) maximum hány db lehet. Ez a kisszintű jel már nem zavarja az átvitelt és az adót. Ezek a kapcsolók egyaránt alkalmazhatók 1300 és 1550 nm-es tartományban is. 56

Elektro-optikai kapcsolók 57

Mikro-elektromechanikus kapcsolók Mozgatott elemek: miniatűr prizmák, tükrök Mozgató elemek: szolenoidok, piezók Előnyök: alacsony polarizáció és hullámhossz függés, érzéketlen a környezeti hatásokkal szemben, alacsony szintű jelekkel vezérelhető, olcsó előállítás Hátrányok: egyszerűen csak 1x2 vagy 2x2 konfig. val. meg, nagyobb kapcsolómezők felépítése bonyolult, ms nagyságrendű kapcsolási idők 58

OXC kapcsolócella 59

Hullámhossz demultiplexerek Felhasználva a prizmának és az optikai rácsnak azt a tulajdonságát, hogy a különböző hullámhosszú fény-jeleket különböző szögben térítik el, hullámhossz szétválasztást lehet velük megvalósítani. A szálból érkező két hullámhosszt tartalmazó jelet egy lencse (lencserendszer) segítségével párhuzamosítjuk a jobb feldolgozás végett, majd demultiplexeljük. Újabb lencserendszer segítségével a kimeneti szálhoz pozícionáljuk. A rácsok alkalmazása azért célszerűbb, mert sokkal nagyobb és lineárisabb szögeltérítést lehet velük elérni, bár hátrányuk a többszörös diffrakciós maximumok jelenléte. A példa csak két hullámhosszra mutatja be a demultiplexelést. Bonyolultabb az eset a többszörös jelátvitelek esetén, de az elv akkor is marad. 60

Hullámhossz demultiplexerek 61

Optikai szűrők A szűrők feladata, hogy az adott hullámhosszú fényt átengedje, de a nemkívánatosakat kiszűrje. Erre azért van szükség, mert az optikai vevő széles hullámhossz tartományban képes detektálni, így a más hullámhosszú fények a rendszerhez zajként adódnak hozzá. Alkalmaznak kristályszűrőket, melyek az adott hullámhosszakon működnek, de ezeknek nem túl keskeny a spektrumuk, így nem minden körülmények között használhatók. Az igazán jó szűrők az interferencia-szűrők, melyeket vékonyréteg szűrőknek (DTF= Dielektricum Thinlayer Filter) neveznek. Felépítésükből kapták nevüket, mivel felváltva különböző törésmutatójú rétegeket helyeznek el egymás mellett. Ezen áthaladva a több hullámhosszt tartalmazó fény minden egyes réteg határfelületén - a Fresnel reflexió miatt - reflektálódik. A visszaverődött fény is újból reflektálódik. A haladó és a reflektálódott fényhullámok interferálódnak, azaz az azonos fázisban érkezők erősítik, az ellentett fázisban érkezők viszont csillapítják egymást. Ennek eredményeképpen lesznek olyan hullámhosszok, melyek áthaladnak a szűrőn és lesznek olyan hullámhosszok, melyek - más fázisban érkezve a határfelületekre - nem tudnak áthaladni az eszközön 64

Optikai szűrők 65

Optikai mérések alapjai 66

Teljesítménymérő (Power meter) A szálba beadott és a vett teljesítményt optikai teljesítménymérővel mérhetjük, feladata, hogy kiírja a műszerben található fotódióda által mért értéket. Amikor a beadott teljesítményt akarjuk megmérni, akkor a mérőkészüléket az adó kimenetére közvetlenül tesszük, nincs semmilyen összekötő kábel, ha pedig vételi teljesítményre vagyunk kíváncsiak a készüléket a szál rendszerre kötjük, a vevő helyére. Anyagától függően három fajta fotódióda használatos szilícium, germánium, indium-gallium-arzén ötvözet. A szilícium az egyetlen, amit nem használnak egymódusú szál mérésére. Az indium-gallium-arzén ötvözet jobban használható az 1625-ös nanométeren, mint a germánium, mert ebben az 1600-as ablakban kisebb teljesítményt mutat. Jobb eszközök már arra is képesek, hogy valamilyen referencia bemeneti értékhez képest kijelezzenek egy relatív értéket, és több hullámhosszra is kalibrálhatók. 67

Referencia mérési módszer Azokban az estekben használható módszer, ahol a mérőeszközt nem lehet közvetlenül a mérendő szálhoz kapcsolni, például eltérő csatlakozók miatt. Első lépésben kell egy referencia mérési eredmény. Ez annyiból áll, hogy a fényforráshoz tartozó összekötőkábelt, és a teljesítménymérőhöz tartozó kábelt közvetlen kell összekötni. Majd ha így már mértünk teljesítmény szintet, akkor kell mérni úgy is hogy a két kábel közé betesszük azt a kábelrészt, amit majd a rendszerben fogunk használni. Így is mérünk teljesítmény szintet, és az első mérési eredményből kivonva a második mérés eredményét, megkapjuk a felhasznált szál csillapítását. Ezzel szűrik ki a különféle patch kábelek által a mérésbe bevitt csillapításokat. Kaphatók olyan teljesítménymérők, amelyek képesek mérni akár 16 CWDM lézeradót, és kijelezni a hullámhosszak teljesítményét. Ez a módszer persze nem csak teljesítménymérésnél használatos, hanem bármelyik olyan mérésnél, aminél összekötő kábeleket használunk. 68

Referencia mérési módszer 69

Optikai Spektrum Elemző (Optical Spectrum Analyzer) A fény tulajdonságainak mérésére használt műszer, amely az optikai teljesítmény eloszlását ábrázolja a hullámhossz függvényében. A források nem egyetlen hullámhosszt adnak, egy szűk spektrumban sugároznak. Spektrumelemző segítségével például megnézhetjük, hogy a forrásunk mennyire tiszta, mennyi plusz zavaró hullámhosszon, milyen teljesítmény értékek vannak, illetve, hogy mennyire pontosan biztosítja a forrás valójában azt a hullámhosszat, amivel az átvitelt megvalósítani akarjuk. A kromatikus diszperzió hatása miatt, hiszen impulzus kiszélesedést okoz. Minél szűkebb az analizátorral mért spektrum, azaz minél pontosabban adja a forrás a kívánt hullámhosszat, annál kevésbé hat rá a kromatikus diszperzió, vagyis annál kevésbé szélesedik ki a küldött impulzus. Ezért is van, hogy a szűk spektrumú források jobbak a nagyobb adatátviteli sebességekhez. Gondoljunk csak bele, ha kisebb a spektrum kevésbé szélesedik ki és így kisebb hely is elegendő az egymás után küldött impulzusok között, azaz gyorsabban küldhetők az impulzusok. Egy spektrum analizátor alapműködése: a bejövő fény áthalad egy hangolható hullámhossz szűrőn, ami szűri az egyes összetevőket, majd a fotodetektor átalakítja a fényimpulzust, arányosan az impulzus teljesítményéhez elektromos árammá. Kivételt képez ez alól a később ismertetett Michelson interferenciamérő. 71

Optikai Spektrum Elemző (Optical Spectrum Analyzer) 72

OLTS (Optical Loss Test Set) Ez is olyan műszer, ami teljesítménymérőt és fényforrást tartalmaz, így méri a szálban a veszteséget. A beadott fényimpulzus teljesítményét megmérjük a másik oldalon. Mérhetünk teljes szálon optikai veszteséget, csillapítás arányt hosszegységre, csatlakozók, összekötések, csatolóelemek csillapításhoz való hozzájárulását, szál hosszat vagy távolságot valamilyen eseményig és még sok mást. Általában mindkét irányban lemérik a veszteséget, mivel annak értéke változó lehet a két különböző irányból pl. anyaghibák miatt, amik nem állandóak, hanem véletlenszerűen változnak, jelennek meg a szálban. A két mért értéket aztán átlagolják, ezzel biztosítva egy pontosabb veszteségi adatot a szálra nézve. Egyirányú mérések különösen terepen érdekesek, mert ott sokáig tart a kábel rendszer egyik pontjától eljutni a másikig. A lenti képen egy kétirányú mérési mód látható. 73

OLTS (Optical Loss Test Set) 74

OTDR (Optical Time Domain Reflectometer) A visszaverődő fényt használja az optikai összeköttetés jellemzésére. Lehetővé teszi a szál csillapításának, a csatlakozók veszteségének becslését a szál hosszának függvényében. Csak ezzel a mérőműszerrel tudunk illesztési (mechanikus és forrasztási), és csatlakozási veszteségek nagyságát megmérni egy adott szakaszon, illetve meghatározni azoknak a távolságát. Egy lézerforrás impulzust küld a mért szálba, valamelyik hullámhosszon, amelyet az átviteli rendszerek használnak, majd az OTDR-be a szálhibákról visszaverődő, visszaszóródó fényt méri. Használhatunk 1625 nanométeres hullámhosszat is, ez ugyanis nem zavarja az átvitelt, ha például aktív, forgalommal ellátott szálat figyelünk. A visszaverődött jelet el kell választani a beadottól egy kapcsoló segítségével, és a kinyert, visszavert fényt átalakítani elektromos értékké. 76

OTDR (Optical Time Domain Reflectometer) 77

Szálfelügyeleti rendszerek Sötét szálfelügyelet Gyakran a kitelepített kábelekben vannak olyan szálak, amelyekben nincsen forgalom, amelyek későbbi használatra vannak a szálban, vagy tartaléknak használnak valamilyen sérülés esetén, hogy ne kelljen újabb kábelt telepíteni csak áttenni az átvitelt a sérülésmentes szálra. Ennél a módszernél a szálfelügyelet úgy történik, hogy egy vagy akár több olyan szálban figyelik a szálak minőségét, amelyikben nincs forgalom, ugyanazon kábelen belül. Ezzel a módszerrel leginkább a nagy hibákat tudják mérni, mint például kábel szakadást vagy kábel törést, de nem ad információt arról, hogy milyen veszteségek lépnek fel abban a szálban, amiben az átvitel halad. Több szál felügyeletekor kapcsoló elemre is szükség van. A sötét szálfelügyelet olcsóbb, hiszen itt például nincsen szükség szűrőkre, mert nem a hasznos jellel együtt kerül a szálba a felügyeleti jel. 78

Szálfelügyeleti rendszerek Sötét szálfelügyelet 79

Szálfelügyeleti rendszerek Aktív szálfelügyelet Aktív szálfelügyeletnél a legfontosabb dolog, hogy olyan hullámhosszra van szükség, amelyik különbözik az átvitelhez használt hullámhossztól, így elkülönítve a felügyeleti jelet az adatjelektől. Ezért használják például az 1625 nanométeres hullámhosszat monitorozásra, ha 1550 nanométeres hullámhosszúságú az adatátvitel. Ez a hullámhossz érzékenyebb is olyan veszteségekre, amiket hajlítások okoznak. A szálak mindkét oldala egy-egy kapcsolóhoz csatlakoztatott, ha több szálat akarnak megfigyelni, majd egy összegző végzi az figyelő és az adatjel közös szálra ültetését. Vételi oldalon pedig ki kell szűrni a beadott vizsgáló jelet. A sötét szálfelügyelet, lehet, hogy olcsóbb, ám az aktív monitorozás nagyobb védelmet, biztonságot nyújt. Lehetnek akár olyan esetek is, hogy a kábelben már nincs szál, amin ne haladna át valamilyen forgalom, ekkor is nyilvánvalóan csak ez a módszer használható. Fontos különbség még a sötét felügyelettel szemben, hogy ha ilyen esetben valamilyen behatolást érzékel a rendszer, akkor annak az adatnak az útja, amiről érkezett a riasztás, megszüntethető. 80

Szálfelügyeleti rendszerek Aktív szálfelügyelet 81

Optikai szálfelügyelet 82

Forrás Antók Péter: Fényvezető hálózat Fényvezető hálózati kábelek Antók Péter: Szélessávú optikai hálózatok tervezése Antók Péter: Fényvezető hálózat Fényvezető hálózati szerelvények Antók Péter: Fényvezető hálózat Fényvezető hálózati anyagok Nagy Szilvia: Vevők, erősítők, passzív eszközök Nagy Szilvia: Lézerek 83