MÉRÉSI SEGÉDLET OPTIKAI ÖSSZEKÖTTETÉSEK VIZSGÁLATA (OP-1) V2 épület VI.emelet 620. Fénytávközlés Labor A mérési utasítást átdolgozta: Gerhátné Udvary Eszter 2008 január 30. BUDAPESTI MŰSZAKI és GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM VILLAMOSMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszék H-1111 Budapest, Goldmann György tér 3. V2 épület VI. emelet tel.: (+36 1) 463 15 59, fax : (+36 1) 463 32 89
1. Optikai összeköttetések Az üveg vagy műanyag szálas fénytávközlő összeköttetések elvi felépítését mutatja az 1.ábra. Az adó foglalja magába a fényteljesítményt előállító eszközt (ami tipikusan lézerdióda vagy LED) és ennek a működtetéséhez szükséges elektronikát. Az optikai átviteli út biztosítja az információ továbbítását a vevőhöz. A vevő a fényteljesítményt elektromos jellé alakító detektort, és a kiszolgáló áramköröket tartalmazza. adó LD optikai szál aktív vagy passzív optikai alkatrész optikai szál vevô PD optikai átviteli út 1.ábra Optikai összeköttetések elvi felépítése Az optikai átviteli út aktív és passzív optikai eszközöket tartalmaz. A mérés során az optikai átviteli út tulajdonságainak vizsgálatával foglalkozunk. Először ennek legfontosabb részét, az optikai szálat mérjük. Az optikai szál alapanyaga nagyon erősen tisztított üveg. A szál optikai veszteségei két csoportra oszthatjuk. Egyrészt a szál anyagának tulajdonságaiból következő, a száltól elválaszthatatlan veszteségek, másrészt azok a veszteségek, amelyek abból erednek, hogy a fénysugár eltérül az ideális terjedési iránytól. A szálban haladó fény csillapodásának három oka van: Abszorpció: a szál anyaga a fény egy részét elnyeli és hővé alakítja. a szál sugárzási vesztesége, ha a szál geometriai paraméterei hirtelen megváltoznak (pl. erős hajlítás), illetve a szál anyagába feszültség keletkezik gyártási hiba, vagy mechanikai behatás hatására Rayleigh szórás (scattering). Az üvegszál törésmutatójának mikroszkopikus egyenetlenségei diffrakciót okoznak, vagyis a fényenergia bizonyos része minden irányba szétsugárzódig. A 2. ábra az optikai szál kilométerenkénti csillapítását mutatja a hullámhossz függvényében. A gyakorlatban a 850nm-es, 1300nm-es illetve az 1550nm-es hullámhosszak körüli tartományokat ( optikai ablakokat ) alkalmazzák, az ott található csillapítási minimumok miatt. 2
Csillapítás [db/km ] OH ionok hatása Abszorpció Rayleigh szórás Hullámhossz [µm] 2.ábra Az optikai szál csillapításának hullámhosszfüggése A szóródási jelenségek miatt homogén törésmutatójú üvegszál nem lenne alkalmas fényvezetőnek, ezért magból és ettől kis mértékben eltérő törésmutatójú héjból álló szerkezetet alakítanak ki. A különböző száltípusok eltérő törésmutató profillal jellemezhetőek. A legelterjedtebben használt száltípus a lépcsős törésmutatójú (SI, step index) üvegszál. Ekkor ugrásszerű törésmutató változás van a keresztmetszetben, a nagyobb (n 1 ) törésmutatójú magot körbeveszi a kisebb (n 2 ) törésmutatójú héj. A magátmérőtől függően lehet mono vagy multimódusú a szál. Multimódusú terjedés esetén hasznos lehet a fokozatosan változó indexű (GI, graded index) üvegszál. Ebben a különböző módusok terjedési idejének kiegyenlítését biztosítja a magon belül változó törésmutató. n(r) 1 n(r) 1 héj GI SI mag n2<n1 θ>θhatár=arcsin(n2/n1) n1 n2 3.ábra optikai szál felépítése, a különböző törésmutató profilok Az optikai szál dielektromos hullámvezető, vagyis tulajdonságai a Maxwell egyenletek megfelelő peremfeltételek esetén történő megoldásával kaphatók meg. A klasszikus csőtápvonalak hullámterjedési módjaihoz hasonlóan a fénykábelekben is különböző erővonal eloszlással jellemezhető módusok biztosítják az energia haladását. A multimódusú üvegszálak (Multi Mode) nagy hátránya, hogy bennük a fény, mint elektromágneses hullám több módusban (tér elrendezésben) is tud terjedni. Ezeknek a módusoknak eltérő a terjedési sebességük, ezért az impulzusok szétkenődve érkeznek a vevőbe, ami nagyban korlátozza az alkalmazható kábelszakasz hosszát. 3
Ezt a korlátot oldották fel a monomódusú szálakkal (Single Mode), ahol már csak egyetlen módus, az alapmódus tud terjedni. Az egymódusú terjedés feltétele a kis magátmérő, amely 1300 nm feletti hullámhossznál 10 µm alatti érték. Kisebb hullámhosszokon (nagyobb frekvencián) ezek a szálak is multimódusúnak tekinthetők. Általában jó becslés, hogy ha a szál magátmérője (d m ) és a fény hullámhossza (λ) között fennáll a 2λ < d m < 10λ összefüggés, akkor egyetlen módus, míg ha d m > 10λ akkor több módus terjed. Az optikai szálakat egymáshoz, illetve az egyéb eszközökhöz csatlakoztatni kell. Ez történhet csatlakozóval, bontható kötéssel, vagy szálhegesztéssel. Ezek csillapítással rendelkeznek, ezért a lehető legkevesebb csatlakozást kell használni az optikai átvitelnél. Számos optikai csatlakozó ismert. Ezek egyrészt a csatlakozó külső felépítésében (FC, Euro2000, ST, SC, DIN, stb.), másrészt a szálvég kialakításában térnek el egymástól. A szálvég kialakítása kétféle lehet: PC (Physical Contact): A két szálvég fizikailag érintkezik egymással. A szálak végei polírozottak, a terjedés irányára merőlegesek. A tipikus csillapítás 0.25dB, a return loss 40dB. APC (Angled Physical Contact): A PC csatlakozóhoz hasonló felépítésű csatlakoztatás, de a szálvégeket nem merőlegesre polírozzák, hanem ferde határfelületet alakítanak ki. Ezzel a megoldással jelentősen csökkenthető a csatlakoztatás reflexiója (return loss 60dB), tehát olyan rendszerekben van rá szükség, amely érzékeny a reflexió szintjére. 8 4.ábra PC és APC szálvég A hallgatói mérések során FC/PC csatlakozókat használunk. Az optikai hullámvezető kis méretének következtében a szálak pontos illesztésére van szükség csatlakoztatáskor. Csatlakoztatás során a következő tipikus hibák léphetnek fel: Tengelyhiba. A két hullámvezető tengelye párhuzamos, de nem esnek egybe, sugár irányban eltolódnak. csillapítás 4dB D: magátmérő, δ: elmozdulás 0.5 D/δ 5.ábra Sugár irányú eltolódás 4
Szögeltérés. A két hullámvezető tengelye szöget zár be egymással. csillapítás 1.5 db ϕ: szögeltérés NA=0.1 5 ϕ 6.ábra Szögeltérés Légrés. A két hullámvezető párhuzamos és sugár irányú eltolódás sincs, de légrés van köztük. csillapítás 4 db D: magátmérő d: légrés 0.5 d/d 7.ábra Légrés hatása Eltérő szálak. A két szál felépítése különbözik, tipikusan más a magátmérő. A nagyobb átmérőjű szálból kisebb átmérőjű szálba csatolás jelentős optikai teljesítményveszteséggel jár csillapítás D1: 1. szál magátmérő D2: 2. szál magátmérő 0.9 1 1.1 D2/D1 8.ábra Eltérő típusú szálak csatlakoztatása a szálak kilépő-belépő felületei nem egyformák (pl. PC-APC csatlakozók összetoldása szennyeződés kerül a szálvégekre Éppen ezért különösen fontos, hogy a mérés során ügyeljen az optikai csatlakozók tisztaságára. Piszkos, vagy sérült csatlakozók nagy járulékos csillapítást okoznak, ezért a mérési eredményeket akár egy nagyságrenddel is meghamisíthatják! Az átviteli út többi eleme az átvitel jellemzőinek megváltoztatására illetve az optikai jelek ki-, becsatolására, vagy átkapcsolására való. Ezek közül legfontosabbak: optikai erősítők, csillapítók, 5
hullámhossz közösítők, szétosztók, polarizátorok, iránycsatolók, szűrők, fázistolók, ill. egyéb optikai áramkörök kapcsolók. 2. Csillapítás mérése A mérés során különböző eszközök beiktatási csillapítását vizsgálhatjuk meg. Az optikai csillapítás (a opt ) az eszköz kimenetén (P out ) és bemenetén (P in ) levő optikai teljesítmények hányadosa. Tehát db-ben kifejezve : P in a opt[db] = 10 log = Pin[dBm] Pout[dBm] P (1) out A felhasznált eszközök 125/60 µm-es multimódusú vagy 125/9 µm-es monomódusú optikai szálban végződnek (héjátmérő/magátmérő). Az ilyen szálon történő csillapítás mérésére két módszer használatos: visszavágásos módszer: először a szál végén mérnek teljesítményt majd a szálat 1m-re visszavágva mérik a teljesítményt. beiktatási módszer: két, azonos becsatolást biztosító csatlakozókkal ellátott, azonos anyagú, de különböző hosszúságú szál végén mérik a teljesítményt A hallgatói mérés során a beiktatásos módszerrel mérhetünk csillapítást. A különböző optikai eszközök beiktatási csillapítás mérésének elve megegyezik a mikrohullámú áramkörök beiktatási csillapítás mérésének elvével. A mérést kalibráció előzi meg, amikor a fényforrást közvetlenül az optikai teljesítménymérőhöz csatlakoztatjuk (8.ábra). Ekkor az A ponton mért teljesítményt feljegyezzük (dbm-ben, vagy mw-ban). A mért érték a legtöbb műszerben referenciaként is eltárolható. Ezután a fényforrás és a fényteljesítmény mérő közé iktatjuk a mérendő elemet. fényforrás üvegszál A A közvetlen összekötés a.) mérendõ aktív vagy passzív optikai elem b.) A B fényteljesítmény mérõ 9.ábra Optikai csillapítás mérése beiktatási csillapítás méréssel A mérendő elem keresett csillapítása db-ben adódik, ha a kalibráció során dbmben mért teljesítményből levonjuk a mérendő elem beiktatása után dbm-ben mért teljesítményt. Abban az esetben, ha a kalibráció során referenciaként 6
eltároltuk a mért teljesítményt, akkor a teljesítménymérő műszer a csillapítás értékét közvetlenül db-ben jelzi ki. A mérés egyik előnye, hogy az ismétlődő mérési hibák a kivonás miatt kiesnek a végeredmény meghatározásakor. Csatlakozóval szerelt eszközök esetén a mérés pontossága a csatlakoztatások megismétlési hibájának nagyságrendjébe esik (0,1dB). Egy FC/PC toldó csillapítása 0,3 db nagyságrendjébe esik. 0,5dB-nél nagyobb érték mérésekor vagy a mérés tekinthető hibásnak, vagy a csatlakozó sérült. 3. Optikai iránycsatoló mérése A mikrohullámú áramkörök már ismert passzív, lineáris építőelemei szinte mind megtalálhatók az optikában is (rövidzár=>tükör, illesztett lezáró=>törésmutatóindex illesztő olaj, csillapító=>optikai csillapító, osztó=>optikai teljesítményosztó). A gyakorlatban az egyik legfontosabb passzív eszköz az optikai iránycsatoló, amely felépítését tekintve lehet üvegszálas, vagy integrált optikai kivitelű. Az eszközön belül a két hullámvezető olyan közel kerül egymáshoz, hogy a szivárgó tér hatására csatolásba kerülnek. A csatolás mértéke függ a csatolási hossztól, a hullámvezetők elhelyezkedésének geometriai paramétereitől, az optikai jel hullámhosszától, stb. 1-κ P 0 κ P t P i P c 10.ábra Optikai iránycsatoló A 9. ábra az iránycsatoló jellemzését mutatja. A bemenetre érkező P 0 optikai teljesítményt a csatoló a κ csatolási tényezőjének megfelelően osztja szét. (A csatolást szokásosan db-ben adják meg, így pl. a felezőt 3 db-es csatolónak hívjuk.) A csatoló legfontosabb paraméterei: Pt csillapítás: At = 10 log (2) P0 Pc csatolás: Ac = 10 log (3) P0 Pi izoláció: Ai = 10 log (4) P0 Pt + Pi + Pc veszteség: Al = 10 log (5) P0 Érdemes megjegyezni, hogy az optikai csatoló paramétereinek pontos mérésekor a mérésben éppen nem használt kapukat ugyanúgy le kell zárni, mint ahogyan ez a mikrohullámú méréseknél szokásos. A le nem zárt kapukról reflektálódó fény ugyanis a mérést meghamisítja. A lezárás itt természetesen nem egy 50 Ω-os 7
lezáró csatlakoztatását jelenti, hanem a törésmutató illesztését, hiszen a reflexiót az üvegszál és a levegő eltérő törésmutatója okozza (Fresnel reflexió). A mérés során egy FC/PC csatlakozókkal ellátott, λ=850nm-es multimódusú és egy λ=1300nm-es monomódusú optikai iránycsatoló paramétereit vizsgáljuk meg. 4. Adó és vevő mérése Az adóegység az optikai átviteli út szempontjából a P opt teljesítményével, illetve a η cs csatolási hatásfokkal jellemezhető. η cs megadja, hogy a lézerből kilépő optikai teljesítményből mennyi jut az üvegszálba. Ebben a mérésben a HP műszerek lézerforrásait használjuk adóegységként. Az optikai vevőben általában fotodiódát alkalmazunk detektorként. Ez lehet PIN dióda, vagy a belső sokszorozással rendelkező lavina fotodióda (APD). A fotodiódát az η kvantumhatásfok (APD esetén ezen kívül a sokszorozási tényező) jellemzi. A kvantumhatásfok megadja, hogy átlagosan 1 beeső fotonra hány töltéshordozó pár keletkezik az eszközben. A dióda felületére időegység alatt érkező fotonok számát úgy kapjunk meg, hogy a diódára jutó fényteljesítményt (P be ) osztjuk egyetlen foton energiájával (hν). A beeső fotonok elektron-lyuk párokat generálnak, a keletkezett töltéshordozók száma a fotonszám és a kvantumhatásfok szorzata. A fotodióda hasznos kimenő jele a fotoáram (I D ), amely a generált töltéshordozók számának és az elektron töltésének (q) a szorzata. Pbeλe Id = ηpin (6) hc A fotoáramot egy áramvezérelt feszültség generátorral (ún. transzimpedancia erősítővel) feszültséggé alakítjuk át. Amint azt a 10.ábra szerinti kapcsolás mutatja, a műveleti erősítő visszacsatolt ágában az ellenállás értéke változtatható (10 kω illetve 100 kω). Az ellenállás értékének növelése azonos fotoáramnál növeli a kimeneti feszültséget. R 2 P opt,be I D R 1 - + +U táp -U táp R - + R U det (0...U táp ) (0..12V) 11.ábra A mérésben használt fotodetektor áramkör elvi kapcsolási rajza transzimpedancia erősítővel 8
A mért értékek alapján felvehető a detektor U det / P opt be, karakterisztikája (illetve a kapcsolás ismeretében az I det / P opt be karakterisztikája), megállapítható a detektor érzékenységi küszöbe és a telítődéshez tartozó beeső optikai teljesítmény. A detektor kimenetén megjelenő áram és a bemenetére érkező optikai teljesítmény között lineáris kapcsolat áll fent amennyiben a beeső fényteljesítmény az érzékelési küszöb és a telítési határ közé esik. A fotodióda kvantumhatásfoka függ a beeső fény hullámhosszától, azaz a hullámhossz változásának hatására a kimeneti feszültség változik. A mérési eredmények alapján a PIN dióda kvantumhatásfoka mindkét hullámhosszon számolható FIGYELEM! A nem látható fényű lézerforrások is maradandóan károsíthatják az emberi szemet! Ezért TILOS a bekapcsolt lézerforrások optikai csatlakozójába, illetve az ahhoz csatlakoztatott üvegszál végződésébe belenézni! 5. Ellenőrző kérdések: 1. Adja meg az optika távközlésben használt három optikai ablak hullámhosszát! 2. Ismertesse az optikai szál felépítését! 3. Adja meg az optikai szálak típusait, mi határozza meg a terjedő módusok számát? 4. Adja meg a gyakorlatban (a mérés során) használt szálak geometriai paramétereit. 5. Adja meg a szálcsillapítás definícióját! 6. Ismertesse a szálcsillapítás mérésének módszereit! 7. Adja meg a szálak csatlakoztatásának módszereit! 8. Adja meg az optikai iránycsatoló legfontosabb paramétereit! 9. Adja meg a fotodióda típusokat, jellemző paramétereiket! 10. Rajzolja fel a PIN diódás detektor P opt - I d karakterisztikájának jellegét! Kötelezően elvégzendő mérési feladatok: 1. Ismerkedjen meg a műszerek és a mérésben előforduló optikai szálak, csatlakozók kezelésével! 2. Mérje meg a lézer adómodulok kimeneti teljesítményét a rendelkezésére álló optikai mérőkábelek végén! Vizsgálja meg a lézer adómodulokba beépített optikai csillapítók pontosságát! Ügyeljen rá, hogy a detektorban megfelelő legyen az optikai hullámhossz beállítása! 3. Határozza meg az FC-PC csatlakozó csillapítását két egyforma mérőkábelen mért csillapítás mérés segítségével mindkét hullámhosszon! A mérést végezze el az optikai csatlakozók megtisztítása előtt és után is, hasonlítsa össze a mért értékeket. 9
4. Határozza meg az 1 km hosszú multimódusú optikai szál csillapítását mindkét hullámhosszon! Majd egy FC-PC csatlakozóval toldja össze a két 1km hosszú üvegszálat és mérje meg a 2 kilométeres szakasz csillapítását is 850nm-es hullámhosszon! 5. Határozza meg az FC-PC csatlakozós optikai iránycsatoló átvitelét (csillapítását), csatolását, és izolációját mindkét hullámhosszon! 6. Vegye fel a PIN diódás detektor P opt be - I D karakterisztikáját mindkét hullámhosszon a rendelkezésére álló dinamika-tartományban! 7. Mérje meg a PIN diódás detektor η PIN kvantumhatásfokát mindkét hullámhosszon! Szorgalmi feladatok: 1. Mérje meg a BME V2 épület - BME R épület - Kertészeti egyetem - BME R épület - BME V2 épület közötti optikai hurok csillapítását λ = 1300 nm-es hullámhosszon. 2. Mérje meg egy másik rendelkezésre álló optikai hurok csillapítását is! Az ebben és az előző pontban mért eredmények alapján becsülje meg a csillapítás kilométerenkénti értékét, valamint a csatlakozók átlagos csillapítását! 10