Теория волокно-оптической передачи данных
advertisement
Учебный курс R&Mfreenet Теория передачи сигналов по волоконно-оптическим каналам связи Москва, 2007 г Введение Оптический способ передачи имеет такой же возраст, как и человечество. С незапамятных времен люди обменивались оптическими сообщениями в форме: языка жестов; сигналов, подаваемых с помощью дыма; оптическим телеграфом; Опыты Тендаля (18 век). Той волоконно-оптической технологии, о которой мы знаем сегодня, предшествовали два важных научных открытия: Передача света через оптически прозрачную среду (1870 первые попытки Mister Tyndall, 1970 первое оптическое волокно Corning) Изобретение лазера в 1960 2 Волоконно-оптическая передача B-ISDN и Цифровой сервис Аналоговые Радио/ТВ сервисы R&M 3 Принцип волоконно-оптической передачи Источник E O ВО канал O E Приемник 4 Электромагнитные волны Период t Частота = 1 / t Электрические волны Магнитные волны Длина волны l 5 Шкала длин волн используемых в электромагнитной передачи Длина волны 3000km 102 30km 103 104 НЧ Спектр Аналоговый телефон 300m 105 106 3m 107 ВЧ Спектр AM Радио 108 3cm 109 1010 0.3mm 3mm 1011 1012 1013 Микроволновый диапазон TВ и Мобильный MВ FM телефон Печь Радио 30nm 1014 1015 Оптический диапазон 0.3nm 1016 1017 1018 Частота [Hz] Спектр Рентген. излучений Рентгеновский снимок 6 Длины волн используемых в оптической передаче Спектр ВО передачи Длина волны [nm] 1800 1600 1400 1200 2x1014 1000 3x1014 ИК-Спектр 800 600 400 5x1014 Видимый Спектр 200 1x1015 Частота [Hz] УФ-спектр 7 Скорость электромагнитных волн Скорость света (электромагнитное излучение) это: C0 = Длина волны x Частота C0 = 299793 kм / сек. Примечание: Рентгеновское излучение (l=0.3nm), a УФ излучение (l =10cm ~3GHz) или ИК излучение (l =840nm) имеют одинаковую скорость распространения в вакууме 8 Коэффициент преломления Скорость света (электромагнитное излучение): всегда меньше чем в вакууме, Cn n = C0 / Cn n определяется как Коэффициент преломления (n = 1 в вакууме), n зависит от плотности Материала и Длины волны Примечание: nвозд.= 1.0003, nстекла= 1.5000 nсладкой воды= 1.8300 9 Преломление a2 n2 Стекло с повышенной плотностью n1 Примечание: n1 < n2 и a1 > a2 a1 Стекло с пониженной плотностью Пучок света sin a2 / sin a1 = n1 / n2 10 Полное преломление, Критический угол aL Критический угол Стекло с повышенной плотностью Пучок света a1 = 90° Стекло с пониженной плотностью n1 Примечание: n1 < n2 и a2 = aL n2 sin a1 = 1 sin aL = n1 / n2 11 Полное внутреннее отражение Пучок света aпад. Стекло с повышенной плотностью n1 aотр. n2 Стекло с пониженной плотностью Примечание: n1 < n2 и aпад = aотр 12 Изменение направления света в материале n1 n2 a1 a2 Преломление n1 Стекло с пониженной плотностью 90 a2 Полное преломление aпад. a отр. Стекло с повышенной плотностью Отражение Стекло с пониженной плотностью 13 Волоконно-оптический световод Оболочка n1 n2 n1 n1 Ядро n2 Профиль показателя преломления (Ступенчатый индекс) 14 Где все начиналось Три ученых лаборатории Corning (слева направо) Дональд Кек, Роберт Мауэр и Питер Шульц в 1970 году впервые в мире создали оптическое волокно, которое было возможно использовать в коммерческих целях. 15 Свет в волокне распространяется только дискретными путями Эти дискретные пути называются модами. 16 Моды выглядят как разные пути (продольный срез) 17 Численная апертура Допустимый угол n1 n2 Источник света светодиод (LED) 2Q n1 n1 n2 Численная Апертура NA = sin Q = (n22 - n12)0.5 Примечание: NA = 0.3 типичный показатель для ступенчатого индекса волокна Q ~ 17.5 Профиль показателя преломления (Ступенчатый индекс) 18 Численная Апертура и характеристики передачи Большое значение NA означает Большое значение Q, при этом больше Световой энергии будет сконцентрировано в волокне Большое значение NA означает сохранение большего к-ва Мод в волокне (большая модовая дисперсия) Чем больше значение NA, тем меньше затухание вызываемое изгибом волокна Чем больше Мод, тем уже полоса пропускания Примечание: Два волокна с NA = 0.2 и 0.4 Волокно с NA = 0.2 в 8 раз большее затухание при изгибе чем NA = 0.4 Fibre 19 Причины затуханий в волокне Макроизгибы Микроизгибы 20 Типы профилей коэффициента преломления Ступенчатый индекс Ступенчатый индекс Сглаженный индекс Для одномодовой передачи Для многомодовой передачи Для многомодовой передачи Размер ядра ~9 мкм Размер ядра 50мкм Размер ядра 50 или 62.5мкм 21 Типы профилей коефициента преломления 50 MHz km 500 MHz km Ступенчатый индекс Сглаженный индекс Для многомодовой передачи Для многомодовой передачи 5000 MHz km Ступенчатый индекс Для одномодовой передачи 22 Обзор основных характеристик Определение Эффект Затухание [dB/km] Потери энергии по всей длине линка 2 Дисперсия Расширение импульса и ослабление сигнала 3 Числовая апертура (NA) [-] 1 Потери на соединениях LED/Laser fiber fiber fiber fiber e.g. APD* Ограничение Длина линка Полоса пропускания & длина линка Характеристики соединения * Лавинный фотодиод 23 Многомодовое волокно (Ступенчатый индекс) n1 n2 n1 n1 n2 Число Мод M = 0.5x(pxdxNA/l)2 Профиль показателя преломления (Ступенчатый индекс) Примечание: ~ 680 Moд при NA = 0.2, d = 50 mm и l = 850nm ~ 292 Moд при NA = 0.2, d = 50 mm и l = 1300nm 24 Модовая дисперсия (ступенчатный индекс) Меандры Деформированные Импульсы Тип импульса на Источнике Тип импульса на Приемнике 25 Многомодовое волокно (Сглаженный индекс) n1 n2 n1 n1 n2 Число Мод M = 0.25x(pxdxNA/l)2 Профиль показателя преломления (Сглаженный индекс) Примечание: ~150 Moд при NA = 0.2, d = 50 mm и l = 1300 nm 26 Модовая дисперсия в многомодовом волокне Меандры Форма импульса на передающей стороне Деформированные Импульсы Форма импульса на приемной стороне 27 Дисперсия Результатом дисперсии является расширение узкого входного импульса, который распространяется вдоль оптического волокна. L2 L1 Входной импульс Импульс после L1 Импульс после L2 28 Одномодовое волокно n1 n2 n1 n1 Пример: n1 =1.4570 и n2 = 1.4625 n2 Профиль показателя преломления (Ступенчатый индекс) 29 Волоконно-оптическая теория Выходной сигнал Вносимый сингал n1 n2 Многомод ступенчатый r n1 n2 Многомод r градиентный n1 n2 r Одномод 30 Виды дисперсии Многомодовое волокно Модовая дисперсия Одномодовое волокно Хроматическая дисперсия [ps/km * nm] Поляризационная Модовая дисперсия PMD [ps/(km)] 31 PMD для одномодового оптического волокна Задержка (PMD) „медленная ось “ ny y x „быстрая ось“ nx< n y 32 Затухание многомодовых волокон Затухание [dB/km] 3.5 3. Окно 2. Окно 1. Окно Релеевское рассеяние (~ 1/l4) 2.5 5. Окно 4. Окно SiOH-поглощение 1.5 800 1000 950 1200 1240 1400 1440 1600 Длина волны [nm] 33 Затухание одномодовых волокон Зависимость коэффициента затухания от длины волны одномодового оптического волокна 34 Спектральная чувствительность детекторов 35 Спектр излучения лазера и LED LED (светодиод) LASER +5 до -10дБмВт от -15 до -25дБмВт Спектральная плотность 60-100нм λ 1-5нм λ 36 Производство ММ волокон Метод модифицированного химического осаждения путем выпаривания (MCVD-Process) Кварцевая трубка SiCl4 GeCl4 Горелка BCl3 O2 H2 O2 37 MCVD-процесс 1600° Процесс производства Первый шаг: Выпаривание n1 SiO2 n2 SiCl4 + GeCl4 + O2 n2 SiO2 1600° n1 Cl2 O2 n1 n2 Профиль показателя преломления (сглаженный индекс) 38 «Схлопка» 2000° SiO2 Процесс производства Второй шаг: Сворачивание в трубку SiO2 + GeO2 SiO2 Образование трубки 2000° n1 n2 Профиль показателя преломления (сглаженный индекс) 39 Протяжка Процесс производства Сушильная печь Установка для вытягивания волокна Лазерный детектор размера Устройство первичного покрытия Сушильная печь Детектор натяжения ВО барабан 40 И вот, что выходит в результате 41 Режимы передачи Существует два способа ввести свет в ММ волокно. Их называют режимами передачи. Полный режим Сердцевина волокна полностью освещена (=> все теоретически возможные моды возбуждены). Обычно при использовании LED. Ширина полосы пропускания для волокна измеряется обычно при условии полного режима передачи. Ограниченный режим (напр. Gigabit Ethernet) Сердцевина волокна освещена не полностью (=> не все теоретически возможные моды возбуждены). Обычно при использовании лазерных источников. Обычно полоса пропускания шире при использовании ограниченного режима по сравнению с полным режимом передачи. 42 Цветовое кодирование волокон Все оптические волокна окрашиваются по определенной цветовой схеме: nature/ 43 Обзор различных покрытий для волокна Плотный буфер Плотно прилегает; из термопластика. Полу-плотный буфер Воздушная прослойка в несколько сотых долей миллиметра. - легче снимается вторичное покрытие - минимальные потери из-за микроизгибов Пустотелый буфер Воздушная прослойка в несколько десятых долей миллиметра. Прослойка обычно заполнена водоотталкивающим гелем. Оптическое волокно Плотный буфер Гелеподобный компаунд или другой материал Оптическое волокно Буфер Гелеподобный компаунд Оптическое волокно Пустотелый буфер 44 Соединения волокон Существуют три 3 способа соединения оптических волокон: Разъемное соединение напр. разъем Квази-разъемное соединение напр. mechanical splice Не разъемное соединение напр. сварное соединение Какой способ использовать зависит от: надежности или требований к соединению требуемой или необходимой гибкости стоимости 45 Неразъемное соединение Принцип работы Очищенные и сколотые волокна совмещаются друг с другом торцами как можно плотнее в сварочном аппарате (по возможности без горизонтальных или вертикальных смещений). Свариваются. Затем, сварное соединение защищается так называемой гильзой защиты сварного соединения. Direction 46 Квази-разъемное соединение Принцип работы Два качественно сколотых волокна совмещаются торцами. Для улучшения характеристик место соединения между двумя волокнами заполняется гелем. Рисунок Волокно Гель Волокно 47 Разъемное соединение Принцип работы Коннектор / адаптер / коннектор Существует несколько типов соединений, отличающихся способом полировки наконечника и своими параметрами (RL, IL). Это: Плоский контакт Physical Contact (PC) Angled Physical Contact (APC) 48 Обзор Criteria's Detachable2 Quasi – Detachable Not – Detachable Insertion loss as in [dB] 0,05 < as < 0,75 0,1 < as < 0,5 0,05 < as < 0,2 Return loss aR in [dB] 15 < aR < 80 aR < 40 aR < 80 Mounting on field Appropriate Appropriate Appropriate Repeated disconnect and connect Reliability / Lifespan Very simple, without equipment Simple, simple equipment and and without the need of qualified qualified personnel needed. personnel ca. 500 - 2000 Pcs. Cycles Not Costs Equipment Initial Installation Repeated disconnect and connect Alignment principe medium high very low Pins / sleeve (mech.) Fiber contact As usually a Physical Contact expensive, high-quality equipment and need of very high qualified personnel. Very high low high low high low high V – groove (mech.) Substance conclusive Immersion between separation-surfaces Substance conclusive 2 Dependent on the Connector Type and polishing (PC, SPC, UPC, APV = HRL) PC SPC UPC APC (HRL) Physical Contact, Return loss of approximately 30 dB, can be reached by manual polishing Super Physical Contact, Return loss of approximately 40dB, can be reached by machine polishing Ultra Physical Contact, Return loss of approximately 50 dB, can be reached by machine polishing and optical testing of the fiber positioning Angle Physical Contact (High Return Loss), Return loss of approximately 60 dB, can be reached by machine polishing (usualyl R. 8° Angle Polished) 49 Технология совмещения – Цилиндрическая гильза Допустимое отклонение Материалы Наконечник 2.4990 - 2.4995 2.4995 - 2.5000 Втулка Наконечник Втулка железо, карбид вольфрама железо, карбид вольфрама Волокно Наконечник Втулка Наконечник 50 Технология совмещения - Эластичная гильза Допустимое отклонение Mатериалы Наконечник 2.4985 - 2.4995 мм Гильза Gauge Retention Force 2.9 - 5.9 N Наконечник Гильза Керамика (Circonia) Карбид Вольфрама Керамика (Circonia) Берилливоя бронза Гильза Волокно Наконечник Гильза Наконечник 51 Новые технологии совмещения – V-образный канал Материалы V- обр. желоб Силиконовая подложка Центровщик Карбид вольфрама Центровщик Волокно V - обр. желоб 52 Вносимые потери - внутренние Разницей в: Диаметра ядер Численных Апертура Q Q Профилей показателя преломления 53 Вносимые потери - Внешние Относительное позиционирование: Горизонтальное несовпадение волокон Осевой наклон 54 Вносимые потери - внешние Неплотное прилегание 4% отражение на каждом конце = 0.36 dB потерь Подготовка поверхности волокна: Шероховатость поверхности Угол l /4 0.2° 55 Зазор между сердцевинами – нет физического контакта Параметры передачи Вносимые потери Обратные потери < 1.0 dB ~ 15 dB 4% Отражение на каждой стороне приводит к потерям в 0.36 dB 56 Торцы наконечников – Сферический контакт Параметры передачи радиус 5 - 12 мм Вносимые потери Обратные потери < 0.5 dB > 35 dB 57 Угловой сферический физический контакт Передаточные характеристики Радиус 5 – 12мм Вносимое затухание < 0.3 dB Возвртные потери > 60 dB Угол 8 - 12° 58 SC-RJ коннектор SFF коннектор с размерами как у RJ45 Керамический наконечник -> Хорошо известный на рынке Высокая плотность портов, примерно в 2 раза с Duplex SC Многомодовые и одномодовые Обратная совместимость с SC Один тип коннектора + адаптер Соответствие спецификациям ISO/IEC 11801 и TIA/EIA 568A SCcompact (or SC-RJ) основан на SC коннекторе (согласно с CECC 86265-xxx, IEC 60874-14) Возможно соединение с SC Simplex Типичное вносимое затухание : < 0.2dB. 59 Затухание и мощность 0 dB 100% 3 dB 1/2 6 dB 1/2 50% 25% Затухание A = 10 x log (Pin / Pout) [dB] Расстояние [km] 60 Затухание канала связи Предполагаемое затухание ВО канала связи ATT = axL + ASxNS + ACxNC a : L : AS: NS: AC: NC: Затухание кабеля [dB/km] Длина кабеля km] Затухание на соединении [dB] Число соединений Вносимые потери коннектора [dB] К-во конекторов 61 Измерение затухания / принципы Передатчик Приемник Приемник Передатчик Разъем Разъем Измерение обратных отражений (OTDR) OTDR OTDR Разъем Разъем 62 Какой метод использовать? Измерение затухания: всегда при оконечивании кабелей для измерения затухания линка Измерение обратных отражений: когда на линке есть ВО муфты для кабелей длиной более 200 м для сложных линков для обнаружения повреждений 63 Принцип измерения затухания мощности Калибровка Передатчик Измерение Передатчик Значение = 100% Затухание = 0 Приемник Значение = x% Затухание = y Приемник 64 Принцип измерения затухания мощности 65 Принцип измерения затухания мощности 66 Принцип измерения затухания мощности 67 Принцип измерения мощности передатчика 68 Принцип измерения принимаемой мощности 69 Optical Time Domain Reflectometer (OTDR) Генератор импульсов Источник света Расщепляющее зеркало FO t Измерение задержки Приемник Рефлектограмма оптический сигнал электрический сигнал 70 OTDR измерительная процедура Импульс света распространяется по оптическому волноводу. OTDR Импульс света частично отражается на неоднородностях. OTDR Отраженный импульс принимается OTDR. OTDR 71 Пример OTDR рефлектограммы Типичные и стандартизованные значения затуханий Сварное соединение Типичное: MM: approx. 0.05 dB SM: approx. 0.10 dB В соответствии со стандартом (ISO 11801): MM: 0.3 dB SM: 0.3 dB Разъемное соединение (IL / RL) Типичное : MM: RL: 30 dB IL: approx. 0.3 dB SM RL: 45 dB IL: approx. 0.1 - 0.2 dB В соответствии со стандартом (ISO 11801): MM: RL: 20 dB IL: 0.75 dB SM: RL: 35 dB IL: также как для MM 73 Приведения и OTDR??? Вторичные отражения (приведения) OTDR Первичное отражение L Вторичное отражение 2L L L Вопросы? 76
