Kromatikus diszperzió mérése Összeállította: Mészáros István tanszéki mérnök 1
Diszperziós jelenségek Diszperzió fogalma alatt a jel szóródását értjük. A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy a bemeneti keskeny impulzusból a vevő detektorába már egy a bemeneti jelhez képest szélesebb és laposabb impulzus fog érkezni. A jel kiszélesedése könnyen átlapolódást okozhat az egyes impulzusok között nagy adatátviteli sebességeknél, ezért hatása nem hagyható figyelmen kívül a távoli és nagysebességű összeköttetéseknél. A diszperzió okozta jelek közötti átlapolódást szimbólumközi áthallásnak nevezzük és ISI-nek (Inter- Symbol Interference) rövidítjük. A nagymértékű ISI megakadályozza a vevőt a helyes bitminta detektálásában, ami hibákat okoz az adatátvitelben. Az optikai átvitelben háromféle diszperziót különböztetünk meg: módusdiszperziót, kromatikus diszperziót és polarizációs módusdiszperziót. A módusdiszperzió (MD) a multimódusú szálakra jellemző, ahol a hullámhosszhoz képest nagy átmérőjű (50 µm, 62,5 µm) magban a kialakult módusok különböző útvonalon terjednek, így az egyes módusok között a szál végén futási-idő különbség lesz. Ez a jel kiszélesedését okozza. SM szálaknál, ahol a mag átmérője a hullámhossz kb 6-7-szerese, csak egy módus alakul ki, így ott a módusdiszperzióval nem kell számolni. A kromatikus diszperzió (CD) abból ered, hogy egy SM üvegszálon, a különböző hullámhosszúságú fények más-más sebességgel terjednek. Az eltérő terjedés miatt a vevőhöz egy kiszélesedett fényimpulzus fog megérkezni. A kromatikus diszperzió két összetevőre bontható az anyagi diszperzióra, és a hullámvezető diszperzióra. Anyagi diszperzió Az anyagi diszperzió a kvarcüveg tulajdonságaiból adódik. Az üveg törésmutatója más-más hullámhosszon eltérő. Az eltérő törésmutató miatt, pedig a különböző hullámhosszak eltérő sebességgel fognak terjedni az üvegszálban. Az eltérő sebességű terjedés az alábbi képlettel írható le, ami megadja, hogy a fény milyen sebességgel terjed egy adott 2
közegben: v=c/n. c a fény sebessége vákuumban, n a közeg törésmutatója. Mivel az optikai adók nem egy hullámhosszú, hanem véges sávszélességű jelet adnak ki, ezért a futásiidő különbség jeltorzulást okoz. Az adók spektrumszélességének jellemzésére a félérték szélességet használják. Lézerek esetén ennek értéke 2-5 nm. Az üvegszál nem teljesen homogén, vagyis a gyártás folyamán szennyeződések kerülnek az üvegbe, aminek következtében kristályosodási helyek alakulhatnak ki. Ezeken a fény megtörik, így az egyes hullámhosszak között futási idő különbség jön létre, vagyis növeli a diszperziót. Hullámvezető diszperzió Az SM üvegszálak esetén a fény átmérője nagyobb a mag átmérőjénél, aminek következtében a fény egy kis része a héj maghoz közeli részébe esik, és ott terjed. Azt a határt, ameddig a fény behatol a héjba, mode field diameter -nek (MFD) nevezik. Az MFD függ a fény hullámhosszától, hosszabb hullámhosszúságú fényhez nagyobb MFD tartozik, azaz nagyobb hullámhossz esetén a fény nagyobb része halad az üvegszál magján kívül. A héj kisebb törésmutatója miatt, az ott terjedő fény sebessége nagyobb lesz, mint a magban terjedő fényé. A hullámvezető diszperziót az MFD és az üvegszál törésmutató kialakítása együtt határozza meg. A hullámvezető diszperziót az alábbiak határozzák meg: - törésmutató különbség a mag és a héj között - az üvegszál törésmutató profil kialakítása - magátmérő - gyártási paraméterek (mag és héj alakja) A kromatikus diszperzió az anyagi diszperzió és a hullámvezető diszperzió együttese, mely a hullámhossz függvényében ellentétes irányú. A gyakorlatban, a CD értékének megadása mellett használni szokták kromatikus diszperzió meredekséget (CD slope) is. A meredekség megadja a CD változásának nagyságát a hullámhossz függvényében. Az ITU-T több eltolt diszperziójú szálat is szabványosított az eltérő követelményekhez és alkalmazásokhoz. 3
Az 1550nm-en működő optikai rendszerekhez kifejlesztették a G.653-as szálat, melynek a diszperziója ezen a hullámhosszon nulla. Ez előnyös mivel a csillapítás 1550nm-en minimális és ehhez most már nulla diszperziós érték tartozik, szemben a hagyományos üvegszál nagy 17-18-as értékéhez képest. A WDM rendszerek számára a G.655 (vagy újabb G.656) típusú szálat fejlesztették ki, melynek a nulla diszperzióját 1500 nm környékére tolták el így a WDM rendszer hullámhossz tartományában azonos előjelű, de különböző nagyságú kromatikus diszperziót kell kompenzálni egyes hullámhosszokon, ami jóval egyszerűbb, mintha néhány hullámhosszon a diszperzió előjele ellentétes lenne, ezért ennél a szálnál már kisebb jelentősége van a nemlineáris effektusnak. Az anyagi diszperziót nem lehet megváltoztatni, ezért a hullámvezető diszperziót a különböző szál törésmutató profil kialakításával érik el (a mag törésmutatójának sugár irányú változása). 1 NDSF (Non Dispersion Shifted Fiber) normál SM szál G.652 2 DSF (Dispersion Shifted Fiber) G.653 eltolt diszperziós szál 3 NZ-DSF (Non Zero Dispersion Shifted Fiber) nem nullába eltolt diszperziójú szál, DWDM rendszerekhez optimalizált 4 Elnyújtott diszperziójú NZ-DSF szál G.655 5 NDF (Negativ Dispersion Fiber) diszperzió kompenzáló szál A változó törésmutatójú szálprofilok kialakítása rendkívül bonyolult, ezért ezek a speciális szálak drágák. Polarizációs módus diszperzió A polarizációs módus diszperzió (PMD) a különböző polarizációs síkok egymáshoz viszonyított futásidőkülönbségéből származó jelszóródás. A PMD a gyorsabb ( 10Gbit/s) átviteli rendszerek terjedésével került előtérbe, mivel hatása a nagysebességű összeköttetéseknél jelentős jeltorzulást okoz. 4
A nagyobb sebességű összeköttetéseknél az optikai szakasz hosszát nem a csillapítás, hanem a diszperzió határozza meg, ezért itt előtérbe került a diszperzió kompenzálás. A diszperzió kompenzálás azt jelenti, hogy a normál SM szálból felépített összeköttetésbe adott távolságonként negatív diszperziójú szakaszt (diszperzió kompenzáló egységet) iktatunk be, így a teljes átviteli szakasz diszperzióját az 1550 nm-es tartomány környékén viszonylag alacsony értéken tudjuk tartani. A diszperzió kompenzálás megvalósításának lehetséges módjai 5
A mérés menete 1., Nyissa meg a programot. 2., A Set_parameters ablakban értelem szerűen állítsa be a mérési paramétereket 3., Töltse ki a fejlécet, kapcsolja a mérendő szálakat a CD mérőre (optikai rendezőn az A 21, A 22 -es csatlakozó) és indítsa a mérést 4., Készítsen jegyzőkönyvet a mérésekről (File Report) Mérési feladatok 1., Mérje meg a rendelkezésre álló optikai szálak kromatikus diszperzióját. Figyelje meg az egyes szálszakaszoknál melyik hullámhosszon van a 0 diszperziós érték. 2., Kössön össze különböző hosszúságú szálakat és figyelje meg a diszperzió változását 3., Kössön össze közel azonos hosszúságú SM és DSF szálat. Hogyan változik a diszperzió? 4., Kösse össze a DSF és az NDF szálat. Hogyan változik a diszperzió? 5., Kössön össze kb. 20 km SM szálat és az NDF szálat. Kis mértékben változtass az SM szál hosszát. Hogyan változik a diszperzió? 6., Készítsen jegyzőkönyvet az egyes mérésekről. A rendelkezésre álló szálszakaszok: B 1 B 2 2.769 m B 3 B 4 1.109 m B 5 B 6 349 m B 7 B 8 1.050 m B 9 B 10 2.630 m B 11 B 12 1.885 m B 13 B 14 1.114 m B 15 B 16 557 m B 17 B 18 1.107 m B 19 B 22 1.660 m H 13 H 14 2.836 m (20 km)ndf (DCF) H 15 H 16 1.752 m H 17 H 18 4.612 m H 19 H 20 5.101 m H 21 H 22 8.482 m DSF H 23 H 24 10.408 m C x C y 2.005 m 6