Optikai Hálózatok H Alapjai (BMEVIHVJV71 HVJV71) Optikai átviteli közegk 2014.02.13. Gerhátné Dr. Udvary Eszter udvary@mht.bme.hu Budapest University of Technology and Economics Department of Broadband Infocommunication Systems http://www.mht.bme.hu/omt since 1782 Optikai összeköttetés s blokkvázlata 2 Fényforrás Optikai szál Optikai vevő Elektromos bemenet Optikai jel (intenzitásmoduláció) Elektromos kimenet
Fényvezető szál l tulajdonságai 3 SiO 2 Kis átmérő Kis súly Kis csillapítás Nagy sávszélesség Nagy mennyiség áll rendelkezésre, olcsó Nincs elektromágneses zavar, biztonság Fölfüggetlen, szigetelt átvitel (nincs földhurok, földpotenciál, drift probléma) Könnyű kezelhetőség Nagy távolság Nagy kapacitás mag héj védőburkolat Fényvezetés: Teljes reflexió a mag és héj határán Átviteli közegek k összehasonlításasa 4 Optikai szál Koax (RG-19/U) Csillapítás 0.3dB/km (kb. 7%/km) 22.6dB/km@100MHz (kb.99.5%/km) súly 6kg/km (2.5mm kábelátmérő) 1110kg/km (d=28.4mm)
Átviteli közegek összehasonlítása 5 A hordozó fény (fizika) 6 Részecskék Hullámok Sugarak Vezetési sáv Tiltott sáv Vegyérték sáv n 0 n 1 n 0 Abszorció Emisszió Interferencia Fénytörés Fény visszaverődés
Fényterjedés s leírása 7 tisztán geometriai leírás (sugároptika) Akkor ad pontos leírást, ha a szál méretei nagyobbak a fény hullámhossznál (MM szálak esete) elektromágneses megközelítés: a fényt elektromágneses hullámnak tekinti, és a Maxwell egyenleteket alkalmazza a vezetés feltételeinek meghatározására A kvantummechanikai megközelítés Numerikus apertúra: NA = sinα = n 2 n 2 2. n1. n L 1 2 α L határszögnél, kisebb szögben érkező sugarak (α < α L ) a mag és a héj határfelületén teljes visszaverődnek, ez biztosítja a fényvezetést Fényvezető szál 8 egymódusú mag < 10λ mag átmérője=9 (8.3-10) µm héj átmérője=125µm SI Többmódusú (rövid távolságra) mag = 50, 62.5, 100µm héj átmérője=125µm SI és GI
Terjedő módusok száma 9 Levágási hullámhossz: Az a hullámhossz, mely fölött egymódusúként viselkedik a szál (pl. G.652 szálnál 1280nm) A normalizált levágási frekvencia (V) > 2.405 multimódusú V = ka n 2 2 ( n ) 2, 405 1 2 > a: mag sugara, k = 2π/λ a hullámszám λ: fény hullámhossza n 1 és n 2 : mag és héj törésmutatója, 2.405, a nulladrendű Bessel függvény első zérus helye SI szál módusainak száma: N=V 2 /2 A GI szál módusainak száma: N=V 2 /4 (A törésmutató folyamatos változása miatt a fény állandóan változtatja irányát és a tengelyhez igyekszik visszatérni. A különböző módusok különböző útvonalat járnak be a szálban => diszperzió hatásának csökkentése) Többmódusú terjedés 10 Alap másodrendű harmadrendű Multimodusú terjedés (akár 100 módus)
Fontosabb hatások 11 Csillapítás (veszteség) Bemenet Kimenet t Diszperzió (torzítás) t A két hatás együtt jelentkezik + nemlinearitás + stb. Csillapítás 12 P be P ki P a = 10 log P Okai: Abszorpció (fényelnyelés) Szóródás (inhomogenitásokon) Reflexió (határátmeneten) Sugárzásos veszteség (hullámvezető deformáció) ki be Függ: Hullámhossz Hőmérséklet stb.
Csillapítás - Abszorpció 13 Az atom vagy molekula a beérkező fotont elnyeli, s hatására magasabb energiájú állapotba kerül Függ a közeg anyagától és a hullámhossztól Üvegben: Az elektronátmenetekhez tartozó rezonanciák az ultraibolya tartományba esnek A molekularezgésekhez tartozó rezonanciák az infravörös tartományba esnek Csillapítás Rayleigh szórás 14 a hullámhossznál jóval kisebb (< λ/4 ) inhomogenitásokon való szóródás mikro-repedések, buborékok az adalékanyagok szabálytalan eloszlása mechanikai feszültségek alakváltozások, szálgörbület iránykarakterisztikája a haladási iránykörül forgásszimmetrikus. Az előre és hátraszórás megegyező, a haladási irányra merőlegesen a legkisebb. Felhasználás: OTDR (Optical Time Domain Reflectometer) mérés Ha a szóró inhomogenitások mérete a hullámhossz felét meghaladja, akkor az aszimmetrikus eloszlású ún. Mie szórás lép fel.
Abszorpció + Rayleigh szórás 15 OH ionok miatt csillapítás csúcsok 3dB/km f=c/λ ( f c/ λ!!!!), c=3 10 8 m/s λ 1 =800nm => f 1 =375 THz λ 2 =1700nm =>f 2 =176 THz 3 optikai ablak 850nm 1310nm 1550nm Optikai csillapítás: <3dB/km (800nm-1700nm) (Látható fény: 360-760nm) Optikai sávszélesség 200THz Hangcsatorna (4kHz) TV csatorna (6MHz) 5 10 10 csatorna 6 10 5 csatorna Technológiai fejlődés 16
Szabványos optikai o sávoks 17 Original 1260-1360nm Extended 1360-1460nm Short 1460-1530nm Conventional 1530-1565nm Long 1565-1625nm Ultra-long 1625-1675nm DWDM: C sáv (elsősorban EDFA működési tartománya miatt) CWDM: S, C, L sáv Szabványos hullámhossz kiosztás: ITU-T G.694.1: DWDM az S,C és L sávban ITU-T G.694.2: CWDM az O, E, S, C és L sávban. Csillapítás Fresnel reflexió 18 a közeg felületéről történő, a törésmutatók különbségétől függő visszaverődés (szálvég: üveg-levegő átmenet) Negatív előjel => visszavert hullámra: 180 fokos fázisugrást a hullám energiája az amplitúdójának négyzetével arányos => R reflexióképesség (visszavert energiahányad)=ρ 2
Csillapítás diffúz z visszaverődés 19 optikailag durva felületen való szóródás A száloptikában megkívánjuk, hogy a lencsék, prizmák, szálvégek optikailag sík felületek legyenek, ami azt jelenti, hogy a tökéletlenségek (gödrök és kiemelkedések) nem haladhatják meg az alkalmazott fény hullámhosszát. A beeső fénysugár több irányba szóródik szét Csillapítás Sugárz rzási veszteség mikroszkópikus görbg rbület 20 A szál tengelyvonalának kismértékű, véletlenszerű elmozdulása, hullámzása. A szálak kábelezésekor fellépő feszültségek hatására keletkeznek, és jelentős veszteségeket okozhatnak
Csillapítás Sugárz rzási veszteség makroszkópikus görbg rbület 21 Csillapítás - hőmérsékletfüggés 22 Hőmérséklet függvényében az optikai szál fajlagos csillapítása (egységnyi a normál szobahőmérsékleten felvett csillapítás értéke Alakja miatt kádgörbének is nevezik. Pl. légvezetékek esetén a téli nagy hidegek hatására megnő a csillapítás, ezért a tervezésnél nagyobb maximális csillapítás értékkel kell számolni. k 2 1-20 +70 T ( o C)
Diszperzió A jel egyes összetevői eltérő sebességgel terjednek. Módus diszperzió (többmódusú terjedés esetén a módusok eltérő sebességgel haladnak) Kromatikus diszperzió (a különböző frekvenciájú összetevők eltérő sebességgel terjednek) Anyagi (az anyag tulajdonsága miatt) Hullámvezető (a hullámvezető az eltérő frekvenciájú jeleket eltérően koncentrálja a magba, ezért az átlagos törésmutató, tehát az átlagos sebesség eltérő) 23 Polarizációs mód diszperzió: a nem tökéletesen kör keresztmetszetű magban a fény két polarizációs síkja eltérő sebességgel terjed, nagy sebességű átvitelnél jelentős (>10Gbps) Módusdiszperzió 24 SI GI SI 100/140 µm Silica Fiber: ~ 20 Mb/s km SI 0.8/1.0 mm Plastic Optical Fiber: ~ 5 Mb/s km GI 62.5/125 or 50/125 µm, NA ~ 0.2 : ~ 1 Gb/s km
Kromatikus diszperzió 25 SM szálakban (9/125 µm vagy 10/125 µm, NA ~ 0.1) Bitrate x Távolság < 1000 Gb/s km (CD & PMD korlátoz) Az adó jele nem monokromatikus (forrás vonalszélessége, chirp, modulációs sávszélesség) Különböző hullámhosszú fény komponensek kis mértékben eltérő sebességgel terjednek Az impulzus kiszélesedését okozza (nagy bitsebesség és nagy távolság esetén probléma) Kb. 1000-szer kisebb, mint módusdiszperzió Kromatikus diszperzió leírása 26 C (fénysebesség), n(törésmutató) frekvencia/hullámhossz függő Ennek hatására az impulzus kiszélesedik, elnyúlik, elkenődik τ = D λ l τ : Impulzusszélesség növekedése (időben) [ps] D : Diszperziós állandó (anyagfüggő) [ ps/(nm km) ] λ: Impulzus hullámhossz sávszélessége, azaz a fényforrás spektrális szélessége (a használt fényforrás fizikai paramétere) [nm] l :szál hossz [km] D negatív => a rövidebb hullámhossz terjed lassabban D pozitív => a hosszabb hullámhossz terjed lassabban (mindkét esetben elkenődik az impulzus, de diszperzió kompenzálás szempontjából fontos az előjel.
Polarizáci ciós s mód m d diszperzió (PMD) okai Oka: A két merőleges polarizációs mód eltérő sebességgel terjed Tipikus nagyságrend: ps/(nm km) CD-vel ellentétben értékét nem lehet előre kiszámolni, ezért hatását nem tudjuk kompenzálni Mértékegysége: ps km 27 Fényvezető szál - szabványok 28 ITU-T G.652: standard Single Mode Fiber (SMF) Non Dispersion Shifted Fiber (NDSF) Dispersion Unshifted Fibre (USF) A leggyakrabban alkalmazott száltípus (a világon telepített szálak 95%-a). 1550nm: Csillapítási minimum, diszperzió: D kromatikus < 20 (tip.17) ps/(nm km) 1310nm: nulla diszperzió Water Peak Region : 1383nm körül, kb. 80nm széles tartomány, nagy csillapítással Alkalmazás: egycsatornás átvitel és TDM (1310nm) DWDM (1550nm, diszperzió kompenzálással)
Fényvezető szál - szabványok 29 ITU-T G.652c: Low Water Peak Non Dispersion Shifted Fiber (LWPF) ITU-T G.653: Dispersion Shifted Fiber (DSF) ITU-T G.655: Non-Zero Dispersion Shifted Fibre (NZDF/NDF/NZDSF) ITU-T G.657: hajlításra érzéketlen szál (Tipikus hajlítási sugár: 7-10mm (G652: >30mm), R=10mm => a<0.1db, R=15mm => a<0.003db) Long wavelength: fluor adalék => IR abszorpciót eltoljuk Negative dispersion fiber (NDF) Műanyag szál 30 Fajlagos csillapítás [db/km] 300 200 100 szálátmérő 250 µm 500 µm 1000 µm a min = 140 db/km @ 650 nm => hullámhossz-konverzió LED: 50 Mbit/s lézer: 155 Mbit/s. 500 600 700 800 λ [nm] Előny: a nagyobb magátmérő megkönnyíti az illesztést, olcsóbbá válik a szerelés Olcsóbb anyag Hátrány: nagy csillapítás nagy diszperzió korlátos sávszélesség
31 Szál - kábel Pigtail 32 Egyik végén csatlakozó, másik végén szabad szálvég Eszközökhöz (pl. adó, vevő) illesztés Kábelvéghez hegesztés
Patchcord 33 Mindkét végén csatlakozó Összekötő kábel: eszközök és berendezések közti kapcsolat Adapter kábel : különböző típusú csatlakozók közti kapcsolat A beiktatási csillapítás elsősorban a csatlakozók csillapításából adódik (1-2m szál => elhanyagolható csillapítás) Általában sárga: egymódusú, narancs: többmódusú Optikai kábelekk Mechanikai szempontok: Beltéri, kültéri, tengeralatti Helyi, nemzeti előírások Elektromos szempontok: Ne legyen fém és elektromos kábel Tápellátás (erősítők vagy regenerátorok számára) Felépítés Elemi fényvezető szál Elsődleges védelem (245 µm lakkréteg) Másodlagos védelem (900 µm műanyag) Kevlár (feszültség/feszítés könnyítése) Köpeny (1.5-3mm): belső héj, burkolat, külső héj Optical fibers Tube Strain relief (e.g., Kevlar) Inner jacket Sheath Outer jacket 34
Beltéri Kábelek Kültéri 35 Késleltetett égésű kis füstkibocsátású és halogénmentes Feszes vagy laza szerkezet Hajlékony rágcsáló védelem vízálló robosztus => alépítményi csövekbe való befújás 36 Illesztés
Fényvezető szálak illesztése 37 Illesztés oka Hosszabb szálszakasz Törött kábel Szál végződtetés Illesztési lehetőségek Hegesztés (bonthatatlan/fix) Mechanikai illesztés (bonthatatlan/fix) Csatlakozók (bontható) Paraméterek Beiktatási csillapítás reflexió Szálhegeszt lhegesztés 38 Elektromos ív olvasztja össze a két szálvéget Gyors, megbízható, jó minőségű Drága berendezés Szálvégek előkészítése Pozicionálás Tisztítás Összeolvasztás Védőelem
Mechanikus illesztés 39 Pattintott szálvég (fontos a jó minőség) A két szálat mechanikusan rögzítik (több módszer, pl. V) A szálvégek között törésmutató illesztő olaj Szálhegesztéshez képest olcsóbb berendezés, de egy illesztésre eső ár nagyobb A csillapítás változó, de kisebb, mint csatlakozóknál Csatlakozó 40 Ferrule: szál mechanikai tartása A szálak végei polírozottak Csap adapter csap Nagy pontosság, tökéletes felületi megmunkálás, tisztaság Key Fiber Ferrule Sleeve Ferrule
Csatlakozó 41 Csatlakozó végének kialakítása PC (Physical Contact) APC (Angled Physical Contact) Mechanikai felépítés 2.5mm ferrule => ST, FC, SC, Euro2000 1.25mm ferrule => LC Simplex, Duplex Csatlakozási hibák 42 Nem kiküszöbölhető Szálhiba (elipszicitás, excentricitás) Optimalizálható Tengelyhiba Szögeltérés Légrés Kiküszöbölhető Eltérő szálak (MM-SM, 50/125-62.5/125, SI-GI) Egy kábelszakaszon a két irányban mért csillapítás érték nem feltétlenül egyezik meg!
Üveg és gumi alátét Gumi polírozó pad Üveg munkafelület Polírozó tárcsa Polírozó fóliák Leírás Tisztítószer Crimp fogó Kézi mikroszkóp Csatlakozó szerelés 43 Törlőkendő Fecskendő és tű Szálpattintó Száltisztitó EPO-TEK Epoxy ragasztó Kb. 500EUR (+csatlakozók:7-10eur, szál:4-5eur/m) Csatlakozó szerelés gépesítés Védelem eltávolítás Ragasztó adagolás Kemence Polírozás Mérés 44
Tisztaság! Diamond 45 MM szálvég, folyadék Optikai csatlakozók k tisztítása sa 46
Optikai csatlakozók k ellenőrz rzése 47 Szálvég automatizált ellenőrzése 48 Mikroszkóp Interferométer
Határid ridők 49 ZH 2014.04.17. (10. hét, csütörtök) 13:30-14:00 PótZH 2014.05.13. (14. hét kedd) 13:30-14:00 Témák kiválasztásának határideje 2014.03.09. Írásbeli feladat beadási határidő 2014.05.09, 24:00 Szóbeli beszámoló 2014.05.15. (14. hét csütörtök) 12:15-14:00