Távközlés Optikai függelék

Távközlés Optikai függelék Távközlés Optikai függelék Dia száma: 1

6. Optikai átviteli rendszerek A hosszú-, közép-, rövid-, ultrarövid hullámú és mikrohullámú frekvenciák felhasználása és gyakorlati célokra való felosztása a 20. század első évtizedeiben megtörtént. Az optikai frekvencia-tartomány felhasználása kommunikációs célokra egy olyan elvi lehetőség volt, amelyet sokáig nem sikerült kiaknázni. A felhasznált vivő nagy frekvenciája (10 14 Hz) következtében az optikai szál ugyanis hatalmas mennyiségű információ átvitelére alkalmas. Az optikai átviteli rendszerek megvalósítása azonban csak a lézer feltalálása után vált lehetővé. Az optikai átviteli rendszer három fő eleme: Az átviteli közeg Az optikai források és modulációs eljárások Az optikai vevő és detektor Távközlés Optikai függelék Dia száma: 2

Optikai átviteli közeg: fényvezető szál szabad tér (FSO) 6.1 A fényvezető szál: - kísérletek a hatvanas években, - gyakorlati rendszerek a hetvenes években. Kezdetben d>10µm mag-átmérőjű optikai szálakon un. többmódusú (multimódusú) fényvezető rendszereket alakítottak ki. A korai többmódusú rendszerek 8 Mbit/s és 34 Mbit/s bitsebességű átvitelt tettek lehetővé. Ma az egymódusú rendszerek - egy fényvezető szálon 2,5 Gbit/s, - hullámhossz multiplexelésű (WDM, DWDM) rendszerek n x száz Gbit/s sebességet érnek el, és közelítenek az 1Tbit/s sebességhez. Távközlés Optikai függelék Dia száma: 3

a n o n 1 Törésmutató ATHÉNÉ Idegenforgalmi, Informatikai és Üzletemberképző Szakközépiskola A többmódusú fényvezető tulajdonképpen dielektromos hullámvezető, amelyben többféle terjedési módus létezhet. A módusok periodikus tér-eloszlások, amelyek felhasználhatók bármilyen megengedett téreloszlás felépítésére az optikai szálban. 2 1 3 1 2 1 3 2 3 1: az üvegszál magja, 2: a héja, 3: a bevonat (köpeny) 1/a ábra: Lépcsős indexű 1/b ábra: Folytonos törésmutatójú 1/c ábra: Egymódusú Gyakorlati kivitel Mag Héj Külső réteg Védő köpeny Mag Héj Külső réteg Védő köpeny Mag Héj Külső réteg Védő köpeny Tipikus paraméterek n 2 n 1 n 3 n 2 n 1 n 3 Távközlés Optikai függelék Dia száma: 4 n 2 d 1 d 2 d 3 d 1 d 2 d 3 d 1 d 2 d 3 n 1 n3 n 1 =1,47 n 2 =1,45 n 3 =1,458 d 1 =60µm d 2 =80µm d 3 =125µm n 1 =1,47 n 2 =1,45 n 3 =1,458 d 1 =60µm d 2 =80µm d 3 =125µm n 1 =1,46 n 2 =1,454 n 3 =1,458 d 1 =3µm d 2 =40µm d 3 =100µm A héj üveg-anyagának törésmutatója (a dielektromos állandóval kapcsolatos paraméter) valamivel kisebb a mag anyagának törésmutatójánál.

A törésmutató változása a mag és a héj között: ugrásszerű (1/a ábra), folytonos (1/b ábra). A törésmutató változásának gradiens-indexe a két esetben egyetlen közös formulával közelíthető az r sugárirányú koordináta-rendszerben: n( r) n ( r / a) g 1 1 ahol a a mag sugara, g a törésmutató profil alaki paramétere, és ( n1 n0) ) / n1, továbbá n 1 = n(0) és n 0 = n(a); ahol g=2 parabolikus, és g lépcsős profilnál. Az üvegszálba belépő fénysugarak közül bizonyos beesési szögön belül minden sugár visszaverődik a maghéj határon, míg a kritikus szögnél nagyobb szög alatt érkező sugarak részben visszaverődnek, részben pedig kilépnek a magból és elenyésznek. A cél a fénysugarak üvegszálon belül tartása, hiszen az elvesző energiamennyiség csillapítást jelent, ami csökkenti az áthidalható távolságot. Távközlés Optikai függelék Dia száma: 5

2 2 A szál elméleti numerikus apertúrája: N. A. ( n1 n0 ) n1 2 A numerikus apertúra a mag homlokfelületére a lézeradóból érkező azon fénysugár beesési szögének a szinusza, amely a szálban a mag-héj határfelületén még teljes reflexióval visszaverődik. A vezetett módusok száma megközelítően: / ( 2) ( 1 ) / 2( 2) N g g n ka g g V 2 2 2 2 k 2 / V ka( n n ) ahol a szabadtéri hullámhossz és 1 0 a normalizált frekvencia, vagy V szám, amely meghatározza a szál által továbbítható módusok számát. Távközlés Optikai függelék Dia száma: 6

6.2 Az egymódusú fényvezető A mag sugarának és/vagy csökkentésével V a következő érték alá csökkenthető: V0 2, 405 ( 1 2 / g) Ebben az esetben csak az alapmódus (HE 11 ) fog terjedni, amelynek nincs levágási hullámhossza, és a szál egymódusú lesz (1/c ábra). A gyakorlatban a fényvezetés akkor tekinthető egymódusúnak, ha a V szám értéke kisebb, mint 2,405. Ebben az esetben eltekinthetünk a módus-diszperzió hatásától. Egymódusú szálaknál viszont a kromatikus diszperzió hatásával kell számolnunk. Távközlés Optikai függelék Dia száma: 7

6.1.1 Diszperziós fogalmak A kromatikus diszperziós együttható (D) alapvetően három, különböző hullámhossz-függő diszperziós jelenség szuperpozíciójaként adódik: Anyagi diszperzió, amely a nem teljesen monokromatikus fénysugár esetén a törésmutató (és ezzel együtt a terjedési sebesség) hullámhosszfüggéséből adódik. Profil diszperzió, amely a csoportsebességnek a szál (és ezen belül elsősorban a mag) profiljától, struktúrájától függ. Hullámvezető diszperzió, amely a szál hullámvezető tulajdonságainak frekvenciafüggéséből ered. Távközlés Optikai függelék Dia száma: 8

Az 1300nm-es tartományban az egymódusú szálnak nemcsak a csillapítása kicsi (0,4dB/km), hanem a kromatikus diszperziója is elhanyagolható, így ebben a tartományban számottevő jelalakromlás nélkül, nagy sebességű és nagy távolságú összeköttetések megvalósítására nyílik lehetőség. A veszteségek az 1550nm-es ablakban még ennél is kisebbek (0,2dB/km), azonban itt a nagyobb (~20 ps km) kromatikus diszperzió ellensúlyozására keskenyebb spektrumtartományban működő adót kell alkalmazni, máskülönben a kromatikus diszperzió korlátozná az elérhető sávszélességet. Egy másik lehetőség a szál törésmutató-profiljának módosítása: a kis diszperziójú tartományt eltolják az 1550nm-es sáv felé, vagy kiszélesítik az egész 1300 és 1500nm közötti tartományra. Az egymódusú szálak bitsebessége (λ-multiplexálás nélkül) jelenleg 2,5 Gbit/s. Távközlés Optikai függelék Dia száma: 9

Csillapítás [db / km ] ATHÉNÉ Idegenforgalmi, Informatikai és Üzletemberképző Szakközépiskola 6.2 A fényvezető szál csillapítása A szálban terjedő optikai jel a veszteségek miatt csillapodik. Az adónál becsatolt z P T teljesítményű jel szintje z távolságban: ahol α a csillapítási tényező. Ez e képlet az egymódusú szálakra érvényes. A csillapítás fő okai: Abszorpció Szóródási veszteségek Hullámvezetési veszteségek 100 10 6.2 ábra: Egymódusú fényvezető szál csillapítása a hullámhossz függvényében 1 P( z) P e T 0,1 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 Hullámhossz [ µm] Távközlés Optikai függelék Dia száma: 10

6.3 A veszteségek okai A szóródási veszteségek zömét a Rayleigh szórás okozza. A csillapítás további csökkentése már a Rayleigh szórás és az infravörös abszorpció szabta elvi határokba ütközik. Az egymódusú szál diszperziója minimális, és ezért a legnagyobb az átviteli bitsebessége. A többmódusú szálaknak viszont az egymódusú szálakkal szemben két előnyös tulajdonságuk van, ha a kisebb sebesség nem akadály, ezek: Nem-koherens fényforrások is használhatók (pl. LED) Kisebb tűrési követelmény a szálak csatlakozóinak méretére (vastagabb szál) Távközlés Optikai függelék Dia száma: 11

6.3 Erbiummal kezelt fényvezető (EDFA) A monomódusú fényvezető szálas összeköttetések hosszát a bemeneti lézerdióda optikai teljesítménye (0dBm) korlátozza, ha ezt optikai teljesítményerősítővel növelni tudjuk, akkor közbenső elektronikus eszközök (komplex regenerátorok) nélkül megnövelhető az összeköttetés hossza. További korlátot jelent a vételi oldalon elhelyezett fotódetektor érzékenysége. Egy optikai előerősítő tovább növelheti az összeköttetések hosszát. Adási végpont Megnövelt összeköttetés Vételi végpont Optikai teljesítm. erősítő Optikai előerősítő 6.3 ábra: A hatótávolság megnövelése adóoldali és vevőoldali optikai erősítéssel Távközlés Optikai függelék Dia száma: 12

6.4 A fényvezető szálas erősítő lelke egy erbiummal kezelt fényvezető szakasz, amely folyamatos lézerfénnyel állandóan gerjesztett állapotban tartható. Az aktív szál magjában található erbium ionok elnyelik a lézer-szivattyúból érkező nagy energiájú fotonokat, így az ionok egy magasabb energiaszintre kerülnek, amelyről gyorsan visszaesnek egy közbenső, metastabil szintre, ahol viszonylag hosszabb ideig megmaradnak, és így az alapállapothoz képest inverz populáció jön létre. Ha egy olyan jel fotonja érkezik be, amelynek hullámhossza azonos az alapszint és a metastabil állapot közötti energiakülönbséggel, akkor ez bizonyos számú metastabil ion visszaesését indítja el, melyek energiája fotonok formájában szabadul fel. A szivattyú (pumpa) energiája Gerjesztett állapot Rendszertelen átmenet, az energia nem hasznosul metastabil állapot E = h n A bejövő lavinaátmenet jel fotonja Gerjesztett fotonok 6.4 ábra: Háromszintű energia-diagram az EDFA magyarázatához Alapállapot Távközlés Optikai függelék Dia száma: 13

6.5 A fényvezető szálas erősítő / 2 A bejövő jel erősítése meghaladhatja a 30dB (1000-szeres) értéket, a 0dBm lézerteljesítmény pedig +15dBm (30mW) értékre is nőhet, a rendelkezésre álló lézerpumpa teljesítményétől függően. Az erősítő működéséhez (a visszasugárzás elkerülésére) optikai szigetelők használata szükséges. Adási végpont Csatoló Aktív fényvezető szál Vételi végpont Optikai szigetelő Optikai szigetelő kötések Lézer pumpa 6.5 ábra: Elrendezés az optikai erősítő bemutatására Távközlés Optikai függelék Dia száma: 14

6.6 A polarizáció-fenntartó szál (PMF) A HE 11 alapmódus két kör-szimmetrikusan vezetett komponens szuperpozíciója, amelyek azonos terjedési állandóval és kölcsönösen független transzverzális villamos térerő vektorokkal rendelkeznek. Az egymódusú fényvezető szálakban akkor keletkezik polarizáció, amikor egymástól különböző β x és β y terjedési állandó szerepel. Minél nagyobb a terjedési állandók különbsége, annál nagyobb a birefrakció, illetve az eltérés az alapmódus két komponense között. A birefrakció a szál húzása közben keletkezik (fotoelasztikus jelenség) vagy geometriai jellegű (ellipticitás). A létrejövő polarizáció kézben tartva nem káros, sőt fel lehet használni, mint pl. a Mach-Zender féle modulátor esetében. A polarizáció-fenntartó szál (PMF) kimondottan erre a célra készül. A PMF szálakkal elért birefrakció értéke 10-3, az elért áthallási szint pedig 30 db/km. 6.6 ábra: Polarizációfenntartó szál (PMF) típusok Panda Csokornyakkendő Elliptikus héj felvitel Távközlés Optikai függelék Dia száma: 15

7. A fénytávközlés szerkezeti elemei Fényforrások Fényvezető csatolók Modulátorok és kapcsolók Detektorok 7.1 Fényforrások Rövid távolságú összeköttetéseknél a többmódusú fényvezetők jól használhatók világítódiódákkal (LED-ekkel). A LED nem-koherens fényforrás, a kibocsátott fotonok energiája a Boltzmann statisztikát követi. A LED előnye, hogy a meghajtó áram változtatásával egyszerűen modulálható. A LED megbízható eszköz és technológiailag könnyen összeilleszthető optikai lencsével. A LED lehetővé teszi a fénysugár több száz MHz-es jellel való modulálását, tehát kielégíti a többmódusú fényvezetők meghajtási igényeit. A félvezető lézer monokromatikus és koherens fényt ad, így az egymódusú rendszerek igényeit elégíti ki. A modern lézerek egymódusúak és rendkívül keskeny spektrumúak (1nm-nél kisebb az eltérés a névleges hullámhossztól). Távközlés Optikai függelék Dia száma: 16

7.2 Fényvezető csatolók A fényvezetős távközlés célja az optikai-rézvezetős elektronikai átmenetek számának csökkentése. Erre szolgálnak az optikai modulátorok, optikai kapcsolók, egymódusú iránycsatolók. Egy N x M típusú optikai csatoló N darab bemeneti és M darab kimeneti kapuval rendelkezik, amelyben az N bemeneti kapura becsatolt teljesítmény az M kimeneti kapun meghatározott (vezérelt) módon oszlik meg, előre meghatározott és méretezett beiktatási csillapítással. Ma még azonban az integrált optikai csatolók fényvezető szálak közötti nagy (2dB) beiktatási csillapítása helyett a 0,1dB csillapítású direkt csatolást választják. Ezt úgy állítják elő, hogy a két megtisztított üvegszálat összecsavarják és felhevítik a héjak olvadáspontjáig, majd a magok érintkezéséig nyújtják. Távközlés Optikai függelék Dia száma: 17

7.3 Fényvezető csatolók / 2 A csatolásnak egy másik módja az un. D-típusú szál gyártása, amelynek során a félkész fényvezető szálnak egy szegmensét még a húzás előtt lemetszik, így egy aszimmetrikus szálat kapnak, amelynek magja közel van a héj széléhez. Ha két ilyen szálat megfelelő módon, a lapos oldalaikkal egymás felé fordítva rögzítenek, akkor közöttük hullámhossz-függő szelektív csatolás jön létre. Ugyanez elérhető a letisztított szálak csiszolásával is, ami utólag megfelelő eszközökkel elvégezhető. Az integrált optika olyan eszközöket tud előállítani, amelyeknek nincs azonos sebesség-kategóriájú elektronikus megfelelőjük. Ilyenek a hullámvezető kapcsolók és szűrők. Így egyre inkább megvalósul az integrált optikai elemekből álló komplex fotonikai hálózat. A félkész szál lemetszett, ill. a tisztított szál lecsiszolt szegmense 7.3 ábra: Szálak direkt csatolása Távközlés Optikai függelék Dia száma: 18

7.4 Modulátorok és kapcsolók Egy elektrooptikai modulátor egy megfelelő alapanyagú (pl. Lithium Niobate =LiNbO 3 kristály vagy GaAs) optikai hullámvezetőből és egy ehhez társított vezérlőelektróda szerkezetből áll. Az elektródokra adott feszültség hatására az alapanyag dielektromos tulajdonságait meghatározó tenzor megváltozik és az optikai hullámvezető által vezetett fényhullámoknál fázisváltozást vagy módus-csatolási effektusokat hoz létre (7.4/a ábra). Amplitúdó-modulációt ezen az elven a Mach-Zehnder féle interferométer segítségével lehet megvalósítani (7.4/b ábra). Hullámvezető Elektródok Fázismodulált fény kimenet Jelfeszültség U Intenzitás modulált fény kimenet Fény bemenet Hordozó 7.4/a ábra: A fény fázismodulálása Fény bemenet 6 mm 7.4/b ábra: A Mach-Zehnder interferométer Távközlés Optikai függelék Dia száma: 19

7.5 Detektorok A λ hullámhosszúságú fény detektálásához olyan anyagok szükségesek, amelyeknél a tiltott sáv energialépcsője kisebb a fotonok energiájánál: E hn hc / Ezek belső erősítés nélküli p-n vagy p-i-n szerkezetű diódák vagy lavinadiódák lehetnek. A korszerű vevőmodulok építésénél a fotodetektorokat egybeépítik más elemekkel. Ilyen például egy PIN fotodióda kombinációja egy kis zajú GaAs FET tranzisztorral (PIN-FET). 7.6 Hullámhossz multiplexelés (WDM, DWDM) A hullámhossz multiplexelés a potenciálisan elérhető sávszélesség további kihasználását teszi lehetővé. A hullámhossz multiplexelés (WDM) ugyanazon a gerjesztési elven működik, mint az erbiummal kezelt fényvezető esetében: a lézer szivattyú szakaszba pumpált energiája gerjesztett állapotba hozza a kvarcüveg ionjait, és a kialakuló új energiaszintek különálló csatornák gyanánt továbbítják az oda bejuttatott fényhullámokat. A kialakítható gerjesztett energiaszintek száma a fényvezető szál anyagától és a pumpált energia mennyiségétől függ. Távközlés Optikai függelék Dia száma: 20

Hullámhossz multiplexelés / 2 Az egyes energiaszintek a λ 1, λ 2, λ 3, stb. hullámhosszú fényhullámokat továbbítják, amelyeket diffrakciós rács választ szét a vételi oldalon. A fényvezető szál átviteli kapacitása így több nagyságrenddel megnövelhető, elvileg egyetlen optikai szálon elérhető az 1 Tbit/s (=10 12 bit/s) bitsebesség. Erre a kapacitásra a jövőbeli információtechnológiai alkalmazásokhoz van szükség. f 1, f 2, f 3 Dem odulátor Diffrakciós rács f 1 f 2 f 3 Gradiens Indexű rúd Modulátor Modulátor Modulátor 2 3 1 1, 2, 3 7.6 ábra: A hullámhossz multiplexelés vázlata Távközlés Optikai függelék Dia száma: 21

7.7 A sebesség növelésének fizikai határai az optikai kábelben A jelsebesség növelésével a jeltovábbítás folyamatát egyre inkább kvantummechanikai módon kell szemlélnünk. 10 Gbit/s jelsebesség esetén kb. 100 foton hordoz 1 bit információt, míg 160 Gbit/s jelsebességnél egy bitnyi információt már 6-8 foton reprezentál. Ebben a szemléletben a beérkező fotonok száma a Gausseloszlás függvényében értékelhető ki. Meg kell határozni, hogy hány foton beérkezése elengedhetetlen a bitek egyértelmű felismeréséhez. Távközlés Optikai függelék Dia száma: 22

Optikai átviteli közeg: fényvezető szál szabad tér (FSO) 8. A szabadtéri optika (FSO technológia) kialakulása Az optikai jelek levegőn keresztüli kommunikációs célú továbbításának elve nem új. 1880-ban Alexander Graham Bell továbbított vezeték nélkül üzenetet az újonnan feltalált photophone -nal, amely a napfényt egy akusztikai rendszer által mozgatott tükör segítségével modulálta, ezáltal beszédet tudott átvinni. A photophone nem tudott kereskedelmi sikert aratni, mert érzékeny volt a külső zajokra, és a rézhuzalon keresztüli átvitel sokkal megbízhatóbbnak bizonyult. A szabadtéri optika technológiának a katonai alkalmazások körében a negyvenes évekbe visszanyúló mély gyökerei vannak, amikor a hajók közötti infravörös kommunikációs rendszerekkel kísérleteztek. Távközlés Optikai függelék Dia száma: 23

A szabadtéri optika (FSO technológia) kialakulása /folyt./ Az 1960-as években történtek az első jelentős lépések egy olyan technológia kifejlesztésére, amely nem érzékeny a rádiófrekvenciás kommunikációs rendszerek zavaró jeleire. Az 1970-es években az USA Légierő és a NASA keresett megoldást a biztonságos repülőgép-föld és a szatellittengeralattjáró kommunikációra. Ezek a korai FSO rendszerek a levegőn át másodpercenként csak néhány kilobit információ átvitelére voltak képesek. A kereskedelemben is kapható FSO rendszerek az 1990-es években jelentek meg, elsősorban az egyetemi campus-ok LAN hálózataiban és olyan speciális alkalmazásokban, mint például a TV jelek átvitele a kamera és a közvetítő kocsi között. Távközlés Optikai függelék Dia száma: 24

A. G. Bell feltalálja a Photophone -t 1940-1944: US Navy IR komm. hajók között 1880 1940 1960 1970 1990 2000 8.1 ábra: Az FSO története 1967-1969: modulálható lézerek 1970-74: USAF NASA kutatás 1997-99: Campus LAN, TV kamera Beltéri & kültéri Carrier-grade minőség Bitsebesség 10Gbps -ig Definiált megbízhatóság 2001 Kereskedelmi termékként kapható Rálátás 8.2 ábra: Az FSO elv 1-2 km Infravörös lézersugarak Távközlés Optikai függelék Dia száma: 25

8.1 Az FSO technológia főbb jellemzői Az FSO egy optikai rálátást igénylő technológia, amely a digitális jeleket fény-nyalábok mentén továbbítja a légkörön át. Az FSO nem igényel frekvenciaspektrum engedélyezést, és a hozzáférési alternatívákhoz képest nagyobb skálázhatóságot ígér a 10 Mbps 2,5 Gbps sebességtartományban. Az FSO rendszerek legfeljebb 4 km-re lévő helyek között képesek adatokat átvinni, a sávszélességtől és az időjárási viszonyoktól függően, azonban a legtöbb FSO berendezést 200 m és 1000 m között telepítik. A fényvezetős és az FSO rendszerek között sok hasonlóság van. A fényvezetők és az FSO ugyanazokat az átviteli hullámhosszakat (785 / 850nm - 1550nm) használják. Az optikai kábeleknél és az FSO-nál ugyanazokat a rendszerkomponenseket (lézereket, erősítőket és vevőáramköröket) lehet alkalmazni. Az optikai kábel és az FSO is ugyanazon protokollokat használó digitális információk átvitelére alkalmas A hullámhossz-osztásos (WDM) multiplexelést mindkét rendszerben használják. Távközlés Optikai függelék Dia száma: 26

8.3 ábra: A fény látható és nem látható tartományai Fény hullámhossz/frekvencia tartományok Tartomány Hullámhossz Frekvencia Lézer frekvencia Ultraibolya 180-400nm 1660THz-750THz Látható tartomány 400-700nm 750THz-428THz Közeli infravörös 700-1400nm 42 8THz-214THz 785(850) nm Közép-infravörös 1400nm-3µm 21 4THz-100THz 1550nm Távoli infravörös 3µm-1mm 100THz-300GHz Az FSO-val szemben a legnagyobb kihívás a köd. Léteznek olyan elrendezések, amelyekkel elérhető szolgáltatói osztályú (Carrier Class) rendelkezésre állás, ami 99,9%, vagy annál jobb értéket jelent, de a legjobb egy milliméteres hullámsávban működő tartalék linket működtetni. Szerencsére van ilyen - szintén frekvenciadíj nélkül használható - frekvenciasáv, amely biztosítja a szükséges sávszélességet és hatótávolságot, így gazdasági alternatívának tekinthető. 8.2 Áteresztőképesség A terjedésre jellemző a légkör áteresztőképessége a hullámhossz függvényében. Minél magasabb ez az érték, annál jobb a légkör áteresztőképessége. Az alacsony légköri szabadtéri lézer átvitel hatótávolságát és bithiba arányát a légköri energiaveszteségek korlátozzák. A legkedvezőbb hullámhossz megválasztásánál a félvezető technológiai feltételek mellett figyelembe veszik az abszorpció nagyságát is. Távközlés Optikai függelék Dia száma: 27

Áteresztőképesség (%) ATHÉNÉ Idegenforgalmi, Informatikai és Üzletemberképző Szakközépiskola O 2 H 2 O O 2 CO 2 H 2 O CO 2 H 2 O CO 2 O 2 H 2 O CO 2 CO 2 100 80 60 40 20 0 850nm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1550nm Hullámhossz (mikron) Forrás: LightPointe A szabadtéri lézerátviteli hullámhosszakat (pl. 850 vagy 1550nm) többnyire a rendkívül alacsony abszorpciós veszteség alapján választják meg. A fenti, 8.4 ábra tipikus légköri viszonyok között mutatja be a légköri áteresztőképességet a hullámhossz függvényében, a látható fény, közel-, közép-, és távoli infravörös tartományban. Távközlés Optikai függelék Dia száma: 28

8.3 A szabadtéri lézeroptika (FSO) alrendszerei Adat be Adat ki Modulátor Demodulátor Fő mikroprocesszor Meghajtó Előerősítő Előerősítő Lézer Adási optika Detektor Vevőoptika Térérzékelő Követő optika AZ/EI szervórendszer AZ/EI Vezérlőrendszer Az ábrán az adási, vételi és nyomkövető teleszkópokat, mint különálló optikai nyílásokat mutatjuk be, azonban számos más elrendezés is rendelkezésre áll, olyan is, amelyben a három funkciót egyetlen optika végzi, ezzel költséget, súlyt és méretet lehet csökkenteni. Hő-, nedvesség-, leolvasztásvezérlés 8.5 ábra: Az FSO alrendszerei Forrás: AirFiber Inc. Távközlés Optikai függelék Dia száma: 29

Az FSO rendszer robusztus és rugalmas technológia, amely alkalmazható pont-pont, többpont-pont, gyűrű és szövevényes architektúrában is. Fizikailag tető-tető, ablak-tető és ablak-ablak közötti FSO link is kiépíthető. A pont-pont elrendezés esetében a jövedelmet hozó épületek nagyon gyorsan és gazdaságosan bekapcsolhatók a hálózatba. A többpont-pont elrendezést akkor használjuk, ha az optikai kábel fő nyomvonala mentén több jövedelemtermelő épület helyezkedik el, ezek FSO linkekkel szintén a hálózathoz kapcsolhatók. A pont-rákövetkező pont, vagy gyűrű elrendezést egyszeres hibahely esetében összeköttetési redundancia biztosítására használjuk. A pont-rákövetkező pont elvnek megfelelően több épület gyűrű konfigurációba kapcsolható. Ha az épületek elhelyezkedése, helye és távolsága megfelelő, további FSO linkek használatával részleges vagy teljes szövevényes hálózat alakítható ki. Ez több redundáns összeköttetés biztosít és egyidejűleg több pontban fellépő meghibásodás ellen is képes védelmet nyújtani. Az FSO berendezések előnyei a többi technológiához viszonyítva: - kis méretű vevőberendezés - nincs szükség rádióengedélyre - nincs szükség optikai kábel telepítésére Távközlés Optikai függelék Dia száma: 30

Fénynyaláb átmérő, m ATHÉNÉ Idegenforgalmi, Informatikai és Üzletemberképző Szakközépiskola 8.4 Miért kell optikai rálátás? Az FSO adóvevők látótávolságon belüli elhelyezésének követelménye bizonyos fizikai korlátokból származik. Az első ilyen korlát a fénynyaláb divergenciája. A széttartás a mai FSO rendszerekben 2-6 milliradián között mozog, amely 1 km távolságban 2-6 m átmérőjű korongon való szóródást eredményez. A nyaláb alacsony energiaszintje miatt a vevőnek az adó által kibocsátott minden optikai energiát be kellene fognia ahhoz, hogy elfogadható jel/zaj viszonyt kapjunk. Ezért a fénynyalábnak keskenynek és párhuzamosnak kell lennie. 8.7 ábra: A lézerfény széttartása 8.6 ábra: Az FSO topológiái Többféle FSO Topológia Pont-pont Többpont-pont Gyűrű architektúra Szövevényes rendszerek Adó A szokásos FSO rendszer tipikus fénynyaláb széttartása 7 6 5 4 3 Az FSO irányulhat 1 2 3 Távolság, m Tetőről tetőre Ablakból tetőre Ablakból ablakba 1 3 Vevő 2 Fénynyaláb széttartás: 2-6 milliradián Fénynyaláb átmérő: 1 km távolságra 2-6m Forrás: AOptix Technologies Inc. 2 1 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Forrás: LightPointe Távközlés Optikai függelék Dia száma: 31

CPU Deformálható tükör meghajtójelek ATHÉNÉ Idegenforgalmi, Informatikai és Üzletemberképző Szakközépiskola 8.5 Az adaptív optika 2. korlát: a fény torzulása Párhuzamosított adónyalábokat számos okból nem használtak az FSO előző generációjában. A légkör torzításai a fénynyaláb kivándorlását okozzák a vételi ablakból, ami jelvesztést okoz. A fénynyaláb vándorlását az adó és vevő között kavargó levegő egyenlőtlen fénytörési indexe okozza, melynek oka a szél, és a levegő hőmérséklet- és nyomásváltozása. Fénytorzulás (mászás, vibrálás, turbulens fénytörés) KI BE Adó Torzult hullámfront Kétirányú száloptikai adatport Nyalábmegosztó Távcsőobjektív lencse Korrigált hullámfront Hullámfront érzékelő Hullámfront érzékelő mérési adatai Deformálható tükör 8.8 ábra: az adaptív optika elve A sűrűségüket gyorsan változtató légcsomagok lencseként működnek Távközlés Optikai függelék Dia száma: 32 Vevő A torzult hullámfrontot a deformálható tükör a torzulások kiejtésére valós időben, dinamikusan korrigálja Forrás: AOptix Technologies Inc. A hadiipar a 70-es és 80-as években csillagháborús célokra fejlesztette ki az adaptív optikát, amely a lézerágyúk energianyalábjának koncentrálására és célra irányítására szolgált volna. A fegyvert nem rendszeresítették, de az adaptív optika a csillagászati távcsövek teljesítményének javulásában minőségi áttörést okozott.

Az adaptív optika /Folyt./ A földi távcsöveknél a légköri hatások optikai torzulási jelenségek, melyek hatása az un. deformálható tükrökkel kompenzálható. A légköri torzulások frekvenciája 1kHz alatt van, a kompenzálásra szolgáló deformálható tükör mozgatását kisfrekvenciás szabályozó áramkör végzi, mikroprocesszoros vezérléssel. Az adaptív optika elve az FSO esetében is alkalmazható Az adaptív optika használatával a fénynyaláb nem mutat divergenciát, teljesen párhuzamos. A fénynyalábban egyenletes fényintenzitást feltételezve az összegyűjthető energia az adaptív optika használatával 6000-50000 szer nagyobb, mint anélkül (az elérhető nyereség +38 db és +48 db között van). Távközlés Optikai függelék Dia száma: 33

Csillapítás [db] Jelszint (db) ATHÉNÉ Idegenforgalmi, Informatikai és Üzletemberképző Szakközépiskola 8.6 A légköri O 2 abszorpciója 60 GHz-en O 2 abszorpciója 60 GHz-en (λ~5mm), tengerszinten kb. 16 db/km 60 GHz-es sáv rádióengedély nélkül használható (általános bejelentési kötelezettséggel). 8.9 ábra: Az O 2 gáz abszorpciója 60 GHz-en 8.10 ábra: Az O 2 elnyelés hatása szabadtéri jelterjedésnél FCC sávkiosztás Alapzaj Frekvencia [GHz] Távolság (km) Távközlés Optikai függelék Dia száma: 34

8.11 ábra: Frekvencia-licencdíj nélkül használható sávok és alkalmazások (lásd: nemzeti frekvencia-felosztási tervek, pl. FNFT!) 2,4 GHz Ethernet Bridge (~10 Mbps) 5,8 GHz Fast Ethernet Bridge (~100 Mbps) OC-3 SONET Bridge (155 Mbps) 24 GHz Ethernet Bridge (~10 Mbps) OC-3 SONET Bridge (155 Mbps) Biztonságos Fast Ethernet Bridge (100 Mbps) OC-12 SONET Bridge (622 Mbps) Gigabit Ethernet Bridge (1,25 Gbps) 2 x Gigabit Ethernet Bridge (2,5 Gbps) 60 GHz 0 1 2 3 4 5 6 7 Kiosztott sávszélesség (GHz) Távközlés Optikai függelék Dia száma: 35

8.7 A 60 GHz-es rádiós rendszer, mint az FSO kiegészítő technológiája Az eső a 60 GHz-es rendszerek teljesítőképességét erősen befolyásolja, különösen az erősen zivataros régiókban. Az FSO technológiánál az esőcseppek fénytorzító hatása kiejthető (adaptív optikával), a 60 GHz-es rádiós rendszer viszont gond nélkül átlát a sűrű ködön is. Mindkét rendszer körülbelül ugyanazt a távolságot képes áthidalni a kritikus időjárási viszonyok között, mindkettő mentes a frekvenciadíjtól, azonos árkategóriába esnek, és könnyen telepíthetők egymás mellé, ugyanarra az épületre. Ezért a 60 GHz-es rádió és az FSO egymást jól kiegészítő technológiák. Távközlés Optikai függelék Dia száma: 36

A félvezető (pl. szennyezett gallium-arzenid) pn-átmenetén átfolyó áram teszi lehetővé a lézerműködést. Az eszköz két párhuzamos tükör között, azokra merőlegesen elhelyezett félvezető-átmenetből áll. Távközlés Optikai függelék Dia száma: 37

Távközlés Optikai függelék Dia száma: 38

Távközlés Optikai függelék Dia száma: 39

Szálhúzás ATHÉNÉ Idegenforgalmi, Informatikai és Üzletemberképző Szakközépiskola A fényvezető szál gyártása Kettős tégelyes módszer A mag és a héj üveg-anyagát kettős tégelyben megolvasztják, és a szálat ebből az olvadékból húzzák. Az előformából húzzák a szálat. Az előformát a húzótorony tetején levő kályhába helyezik, ahol azt 2000ºC-ra felmelegítik. A húzás során a környezetnek rendkívül nagy tisztaságúnak kell lenni azért, hogy a szál felszínére ne kerülhessen szennyeződés. A frissen húzott szálra az átmérő ellenőrzés után azonnal felviszik az elsődleges védelmet biztosító két műanyag réteget. A húzási sebességet az átmérő ellenőrzés vezérli. Miután a szál elsődleges védelme kikeményedett, húzópróbának vetik alá oly módon, hogy a szálat kerekeken húzzák keresztül, amelyeket pontosan beállított feszültséggel feszítenek meg. E próba után a kész és levizsgált fényvezető szálat dobra tekercselik. Távközlés Optikai függelék Dia száma: 40

Az optikai szál átviteli karakterisztikája a (db/km) 10 UV abszorpció IR abszorpció 1 OH gyök 0.1 I. II. III. Rayleigh szórás 850 1300 1550 Jelölés: a (db/km) Csillapítás O sáv Távközlés Optikai függelék S-C-L sáv (nm) Dia száma: 41

10000 1000 100 4 * 2,5G 16 * 2,5G 32 * 2,5G 64 * 2,5G, 16 * 10G Átviteli kapacitás, Gbit/s Az optikai hálózatok fejlődése 40 * 10G 80 * 10G 128 * 40G TDM+WDM TDM?? 10 40G 10G 1 0,1 565M 2,5G Évek 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 Távközlés Optikai függelék Dia száma: 42