Šviesolaidinio ryšio sistemos 2 paskaita

ŠVIESOLAIDŢIAI IR JŲ CHARAKTERISTIKOS

Doc. Paulius Tervydis

1

Optinės skaidulos - šviesolaidžiai

2

Dėl visiško šviesos atspindžio efekto

matomas vėžlio atspindys nuo vandens

paviršiaus

Θ2

Θ1< Θkr

Aplinka 1 (n1)

Aplinka 2 (n2<n1, v2>v1)

Θkr

Θ1> Θkr Θ1

Θ2= π/2

Visiškasis

šviesos

atspindys

Visiškasis atspindys yra galimas tik jei

n1>n2, kur n1 – lūžio rodiklis aplinkos iš

kurios šviesa krenta, o n2 – lūžio rodiklis

aplinkos į kurią šviesa krenta.

Kritinis kampas apskaičiuojamas pagal .arcsin,sin1

2kr

1

2kr

n

nΘ

n

nΘ

Jei šviesos kritimo kampas Θ1 > Θkr, tai gaunamas visiškasis šviesos atspindys.

3

Stiklo

šerdis (n1)

Stiklo

apvalkalas

(n2)

Apsauginis sluoksnis

Optinės skaidulos šerdies absoliutinis lūžio rodiklis (n1) yra didesnis už apvalkalo (n2).

Tokia skaidulos konstrukcija leidžia išnaudoti šviesos visiško atspindžio reiškinį, kuris

gaunamas tarp skaidulos šerdies ir apvalkalo.

n

r

n2 n1

Θm

Θkr

αm

14

0 µ

m

10

0 µ

m

šerdis (n1)

apvalkalas (n2)

1 2

2

apvalkalas (n2)

Skaitinė

apertūra

Skaidulos skaitinė apertūra

;sin 2

2

2

1 nnnNA ma

Dažniausiai optinių skaidulų

0,14<NA<0,5, todėl 8°<αm<30°.

čia na – skaidulos aplinkos (oro)

lūžio rodiklis, o αm – šviesos

kritimo kampas.

4

Nuo NA vertės ir skaidulos šerdies diametro priklauso: kokia dalis šviesos srauto

pateks į skaidulą ir skaidula perduodamų modų (šviesos intensyvumo perdavimo

kelių) skaičius. Tam, kad susidarytų perduodamos šviesos intensyvumo moda turi

būti išpildytos dvi sąlygos:

1) šviesa turi kristi į šerdies ir apvalkalo ribą kampu ≥ Θkr,

2) pakartotinai atsispindėjusių spindulių fazės turi sutapti.

A

B

C

n2

n2

n1 Θkr λ

d

Nagrinėjant elektromagnetinių bangų sklidimą cilindriniais šviesolaidžiais

naudojamas pagalbinis parametras – norminis dažnis

.NAd

V

5

Jei skaidula gali sklisti tik viena moda, tai ji vadinama vienmode (SMF), o jei daugiau

modų – daugiamode skaidula (MMF). Modų, kuriomis sklisdama šviesa yra nevienodai

vėlinama, skaičius įtakoja šviesos dispersiją. Šviesos sklidimo optine skaidula

charakteristikų skaičiavimai, kurie buvo atlikti naudojant Maksvelio lygtis ir Beselio

funkciją, parodė, kad optine skaidula gali sklisti tik viena moda, jei V<2,405.

Pažymėtina, kad V vertė priklauso nuo bangos ilgio λ. Jei V<2,405 tam tikram

bangos ilgiui λ, tai tokio bangos ilgio šviesa sklis viena moda, jei V>2,405, tai šviesa

sklis daugiau nei viena moda. Bangos ilgis, kuriam V=2,405, yra ribinis (λcf) arba

atkirtimo (angl. cutoff wavelength).

Teoriškai, jei λ > λcf, tai λ ilgio banga sklis viena moda, jei λ < λcf – daugiau nei viena

moda. Pavyzdžiui, iš žemiau pateiktų SMF parametrų matome, kad tokia skaidula

1550nm banga sklis viena moda, o 1310nm ir 850nm bangų ilgiais – daugiau nei viena

moda (joms V>2,405).

Optinė skaidula Norminis dažnis V

Pavadinimas

ir diametras Δn (%) n1 NA λ=1550nm λ=1310nm λ=850nm

Pakopinė

MMF 100/140 - - 0,29 58,77 69,54 107,18

Gradientinė MMF

62,5/125 2,1 1,47 0,28 35,46 41,96 64,67

Gradientinė MMF

50/125 1,25 1,46 0,20 20,26 23,98 36,95

Pakopinė

SMF 8,3/125 0,39 1,468 0,13 2,187 2,558 3,99

6

140 µm

100 µm

125 µm

62,5µm 50µm

125 µm

125 µm 125 µm 125 µm

10µm 10µm 10µm

n n n

n n n

a) b) c)

d) e) f)

Optinių skaidulų šerdies/apvalkalo diametrai ir lūžio rodiklių profiliai:

a) MMF 100/140µm – pakopinis , b) MMF 62,5/125µm – gradientinis,

c) MMF 50/125µm – gradientinis, d) SMF(SF) 10/125µm – pakopinis,

e) SMF(DSF)10/125µm – laiptuotas, f) SMF(NZDSF)10/125µm – trikampis

7

Daugiamodėje skaiduloje šviesa skaidulos galą pasiekia per nevienodo ilgio

kelius – modas. Dėl šios priežasties šviesos impulsas, pasiųstas skaidulos

pradžioje, jos galą pasieks nevienodai suvėlintas. Tokiu būdu pasireiškia modinė

dispersija.

Vėlinimo trukmės išsibarstymą, kuris atsiranda daugiamodėje pakopinio lūžių

rodiklių profilio skaiduloje, galima nusakyti dydžiu

Lc

n

n

nL

c

nn

n

nt

2

121

2

1 )(

o gradientinio lūžių rodiklių profilio daugiamodėje skaiduloje

.)(

8

2

211 Lc

nnnt

Modinė dispersija

n

r

n2 n1

Θm

Θkr

αm

14

0 µ

m

10

0 µ

m

šerdis (n1)

apvalkalas (n2)

1

2

apvalkalas (n2)

8

Chromatinė dispersija Vienmodėse skaidulose modinės dispersijos nėra, nes jomis sklinda tik viena

šviesos moda. Tačiau šviesos impulsas, sklisdamas vienmode skaidula, taip pat

išplinta dėl chromatinės dispersijos. Ji pasireiškia nes šviesos šaltinis spinduliuoja

bangas tam tikrame bangų ruože Δλ, o skaidulos medžiagos lūžio rodiklis priklauso

nuo bangos ilgio (n(λ)).

Kadangi skirtingų bangos ilgių šviesa sklinda skirtingu greičiu, tai šviesos vėlinimo

trukmės dispersija yra tiesiogiai proporcinga Δλ ir skaidulos ilgiui L:

; DLtčia D – chromatinės dispersijos parametras, matuojamas ps/(km·nm).

1,445

1,45

1,455

1,46

1,465

1,47

1,475

1,48

0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2λ,μm

n(λ)

Skaidulos šerdies, pagamintos iš silicio oksido (SiO2) su 7,9% germanio

oksido (GeO2) priemaišomis, lūžio rodiklio priklausomybė nuo bangos ilgio

9

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7

D(λ), ps/(km·nm)

λ, μm

SF; D(λ)

SF; Dw(λ)

DSF; D(λ)

NZDSF–; D(λ)

NZDSF+; D(λ)

SF; Dm(λ)

λ0

Chromatinės dispersijos koeficientų priklausomybės nuo bangos ilgio

10

Poliarizacijos modinė dispersija

Jei pagrindinę sklindančios šviesos modą sudaro vertikaliai ir horizontaliai poliarizuotos

bangos, tai dėl skaidulos šerdies geometrinių parametrų netolygumų (pvz., dėl šerdies

pjūvio elipsiškumo ir jo kitimo), jos gali pasiekti skaidulos galą nevienodai suvėlintos.

Taip atsiranda poliarizacijos modinė dispersija (PMD).

Jei optinės skaidulos ilgis – L, tai šviesos impulso išsiplėtimas dėl PMD –

LDt p

čia Dp – PMD parametras, kuris išreiškiamas ps/√km vienetais.

PMD pasireiškimas dėl skaidulos šerdies netolygumų

11

Skaitmeninio signalo sklidimo optine skaidula vėlinimo trukmių išsibarstymas Δt yra

tiesiogiai proporcingas skaidulos ilgiui L. Jei dėl dispersijos gretimi skaitmeninio

signalo impulsai, kurie atitinka loginius vienetus ir nulius, persidengia laike, tai gali

pasireikšti tarpsimbolinė interferencija.

Δt = 0

Δt = 0,5τb

Δt = τb

τb

t

t

Δt = 1,5τb

t

t

Loginis 1 Loginis 0 Loginis 1

Loginis 1? L

Tarpsimbolinė interferencija

Jei bitų perdavimo sparta R,

o bito trukmė τb=1/R, tai norint

išvengti bitų klaidų, kurios

atsirastų dėl dispersijos, reikia

apriboti perdavimo skaidula

atstumą taip, kad Δt < τb.

Dėl dispersijos pasireiškianti tarpsimbolinė interferencija

12

α,

dB/km

λ, μm

2

1,5

1

0,5

0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7

IR spindulių

sugertis

Reilio sklaida

Sugertis dėl OH−

rezonansų

UV spindulių

sugertis Sugertis dėl kitų

priemaišų

O E S C L U Bangų ilgių juostos:

Slopinimas optinėje skaiduloje

Mikroįlinkis

Makroįlinkis

Dalis šviesos

išspinduliuojama į

skaidulos išorę

Mikro ir makroįlinkiai optinėje

skaiduloje

Vidinio slopinimo koeficientų priklausomybė

nuo bangos ilgio

13

O2 H2

O2 O2

O2

Slankiojantis

degiklis

Dujų srautų

reguliatoriai Sukamas kvarcinio stiklo

vamzdelis

POCl3 SiCl4 GeCl4

BCl3, SiF4, SF6,

Cl2, CCl3F

O2

Cl2

Nuosėdos

Gaminamos optinės skaidulos ruošinio paruošimas

Optinių skaidulų gamyba

14

n

mol, % 0 5 10 1,44

1,45

1,46

1,47

1,48

1,49

1,50

15

F

B2O3

P2O5

GeO2

Al2O3

TiO2 ZrO2

Lūžio rodiklio priklausomybė kvarciniame

stikle nuo legiruotų priemaišų dalies

15

Ruošinio laikiklis ir nuleidimo

mechanizmas

Ruošinys

Krosnelė

Diametro matuoklis

Padengimo laku

mechanizmas

Skaidulos

suvyniojimo ritė

Valdymo

blokas

Gaminamos optinės skaidulos ištempimas iš ruošinio

16

Optinių skaidulų standartai

ITU-T G.651. Daugiamodė optinė skaidula su 50 µm šerdimi. Ši rekomendacija

apbrėžia gradientinio šerdies lūžio rodiklio daugiamodes skaidulas su 50 µm

diametro šerdimi ir 125µm nominaliu apvalkalo diametru. Slopinimas G.651

rekomendacijos optinei skaidulai yra 0,8 dB/km prie 1310 nm bangos ilgio.

Daugiausiai šią rekomendaciją atitinkantys kabeliai naudojami nedidelio atstumo

optinio ryšio sistemose. Tokie kabeliai gali būti panaudojami sistemose, kurios

veikia 850 nm arba 1310 nm bangos ilgių diapazonuose.

ITU-T G.652. Vienmodė optinė skaidula su pakopiniu šerdies lūžio rodikliu ir

nepaslinktąja dispersija. Ši rekomendacija standartizuoja vienmodes skaidulas,

kurios šiuo metu yra daugiausiai naudojamos optinio ryšio tinkluose. Šio standarto

skaidulos šerdies diametras yra 10 µm, o apvalkalo diametras – 125 µm. Šiose

skaidulose nepaslinktoji (nulinė) chromatinė dispersija yra 1310 nm bangos ilgio

ruože. Tipinė chromatinė dispersija 1550 nm bangos ilgio diapazone yra apie 17

ps/km-nm. Tai turi būti įvertinama didelės spartos optinio ryšio sistemose.

Slopinimas tokio tipo skaidulose yra apie 0,2 dB/km 1550 nm bangos ilgio

diapazone, o poliarizacinė modinė dispersija yra mažesnė negu 0,1 ps/km.

17

ITU-T G.652.C. Vienmodė optinė skaidula su sumažinta OH jonu

koncentracija ir nepaslinktąja dispersija. ITU-T G.652 rekomendacijos optinėse

skaidulose dėl priemaišinių OH- jonų rezonansinių virpesių, kurie pasireiškia

1,4 µm bangos ilgių ruože, išauga slopinimas. Jis ITU-T G.562.C

rekomendacijos optinėse skaidulose yra ženkliai sumažintas. Todėl šio

standarto vienmodės optinės skaidulos yra skirtos naudoti tinkluose, kuriuose

įranga naudoja bangos ilgius nuo 1285 nm iki 1625 nm. Slopinimas tokio tipo

skaidulose yra apie 0,2 dB/km 1550 nm bangos ilgio ruože, o poliarizacijos

modų dispersija yra mažesnė negu 0,1 ps/√km.

ITU-T G.654. Vienmodė optinė skaidula su sumažintu slopinimu ties 1550nm

bangos ilgiu. Ši rekomendacija aprašo optines skaidulas, kurios yra pritaikytos

darbui 1500 ÷ 1600 nm bangos ilgių diapazone. Šios skaidulos turi ypatingai

mažą (0,15 dB/km) slopinimą 1550 bangos ilgio ruože. Mažas slopinimas yra

gaunamas panaudojant gryno silicio šerdį. Šią rekomendaciją atitinkančios

optinės skaidulos leidžia panaudoti stipresnį lazerio šaltinį ir padidinti signalo

perdavimo atstumą. Tokios optinės skaidulos turi didesnę chromatinę

dispersiją (20 ps/km·nm) ir yra specialiai sukurtos didelio nuotolio ryšių

sistemoms, pavyzdžiui, tarpkontinentinėms povandeninėms perdavimo

sistemoms.

18

ITU-T G.653. Vienmodė optinė skaidula su laiptuotu šerdies lūžio rodikliu ir paslinktąja

dispersija. Standartinės vienmodės skaidulos nuline dispersija yra yra 1310 nm

bangos ilgio ruože, bet 1500 ÷ 1600 nm bangos ilgių ruože chromatinė dispersija yra

nenulinė. Todėl, naudojant ne pakopinį, o specialųjų (laiptuotą) šerdies lūžio rodiklį,

gaminamos ITU-T G.653 paslinktosios dispersijos skaidulos (DSF), kuriose nulinė

chromatinė dispersija yra 1550 nm bangų ilgių ruože. Jos optimizuotos veikti bangos

ilgio diapazone tarp 1550 nm ir 1600 nm. DWDM optinio ryšio sistemų kanalai, kurie

yra netoli 1550 nm bangos ilgio ruožo, yra stipriai įtakojami netiesinių efektų sukeliamų

triukšmų. Tai paskatino standartizuoti ir nenulinės paslinktosios dispersijos (NZDSF)

tipo skaidulas.

ITU-T G.655. Vienmodė optinė skaidula su laiptuotu šerdies lūžio rodikliu ir paslinktąja

nenuline dispersija. Naudojant optines skaidulas su laiptuotu šerdies lūžio rodikliu ir

paslinktąja nenuline dispersija (NZDSF) galima sušvelninti atsirandančius netiesinius

efektus. Šio tipo optinės skaidulos leidžia išvengti netiesinių efektų, kuriuos turi

paslinktosios nulinės dispersijos (DSF) optinės skaidulos 1550 nm bangos ilgio ruože.

Praktiškai tokio tipo skaidulos turi mažą, tačiau baigtinę chromatinę dispersiją 1550 nm

bangos ilgio ruože (apie 4,5ps/km·nm), kuri sumažina netiesinius efektus, kurie

atsiranda DWDM sistemose. Pagal dispersijos kreivės polinkį ties 1550nm bangos ilgiu

šio tipo optinės skaidulus yra dviejų variantų: teigiamo polinkio NZDSF+ (dispersijos

koeficientas didėja didėjant bangos ilgiui) ir neigiamo NZDSF- (dispersijos koeficientas

mažėja didėjant bangos ilgiui). Slopinimas G.655 tipo skaidulose yra 0,2 dB/km.

19

Jungtis Parametrai

ST Poliravimo būdas PC APC

Tipinis slopinimas, dB -0,25 -0,3

Didţiausias slopinimas, dB -0,45 -0,45

Atspindţio slopinimas, dB -50 -60

FC Poliravimo būdas PC UPC APC

Tipinis slopinimas, dB -0,2 -0,2 -0,2

Didţiausias slopinimas, dB -0,4 -0,4 -0,3

Atspindţio slopinimas, dB -50 -55 -65

LC Poliravimo būdas PC UPC APC

Tipinis slopinimas, dB -0,2 -0,2 -0,2

Didţiausias slopinimas, dB -0,4 -0,4 -0,3

Atspindţio slopinimas, dB -50 -55 -65

SC Poliravimo būdas PC UPC APC

Tipinis slopinimas, dB -0,2 -0,2 -0,2

Didţiausias slopinimas, dB -0,4 -0,4 -0,3

Atspindţio slopinimas, dB -50 -55 -65

E2000 Poliravimo būdas PC UPC APC

Tipinis slopinimas, dB -0,2 -0,2 -0,2

Didţiausias slopinimas, dB -0,4 -0,4 -0,3

Atspindţio slopinimas, dB -50 -55 -65

* Bendri parametrai:

- slopinimo padidėjimas po 500 sujungimo sudarymų/išardymų: ≤-0,2dB;

- darbo temperatūrų diapazonas: nuo -40°C iki 80°C;

- slopinimo pokytis darbo temperatūrų diapazone: ≤-0,3dB.

Optinės jungtys

20

P1 P2

P3

d1>d2, NA1=NA2 a) nevienodi diametrai

d1=d2, NA1>NA2 b) nevienodos skaitinės

apertūros

c) šerdies koncentrišku-

mas arba elipsiškumas

d) optinių ašių šoninis

nesuvedimas

e) optinių ašių kampinis

nesuvedimas

f) Frenelio atspindžiai

oro tarpelyje

8°

g) Fizinio kontakto (PC)

jungtis

h) Fizinio kampu

poliruoto kontakto (APC)

jungtis

d1=d2,

NA1=NA2

Signalo slopinimo optinių skaidulos jungtyse priežastys