Слайд 2
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
Слайд 3
B-ISDN и Цифровой сервис
Аналоговые Радио/ТВ сервисы
Волоконно-оптическая передача
Слайд 4
Принцип волоконно-оптической передачи
Слайд 5
Электрические волны
Магнитные волны
Длина волны λ
Период τ
Частота = 1
/ τ
Электромагнитные волны
Слайд 6
Длина волны
Частота [Hz]
102 103
104 105 106 107
108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018
3000km 30km 300m 3m 3cm 0.3mm 3mm 30nm 0.3nm
НЧ
Спектр
ВЧ
Спектр
Микроволновый
диапазон
Оптический
диапазон
Спектр Рентген.
излучений
Аналоговый
телефон
AM
Радио
TВ и
FM
Радио
Мобильный
телефон
MВ
Печь
Рентгеновский
снимок
Шкала длин волн используемых в электромагнитной передачи
Слайд 7
Длина волны
[nm]
Частота [Hz]
1800
1600 1400
1200 1000 800 600 400 200
2x1014
3x1014
5x1014
1x1015
ИК-Спектр
Видимый
Спектр
УФ-спектр
Спектр
ВО передачи
Длины волн используемых в оптической передаче
Слайд 8
Скорость света (электромагнитное излучение) это:
C0 = Длина волны x
Частота
C0 = 299793 kм / сек.
Примечание:
Рентгеновское излучение (λ=0.3nm),
a УФ излучение (λ =10cm ~3GHz) или
ИК излучение (λ =840nm)
имеют одинаковую скорость распространения в вакууме
Скорость электромагнитных волн
Слайд 9
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
Коэффициент преломления
Слайд 10
α1
α2
Пучок света
Стекло
с повышенной
плотностью
Стекло
с пониженной
плотностью
n2
n1
Примечание:
n1 < n2 и α1 > α2
sin α2 /
sin α1 = n1 / n2
Преломление
Слайд 11
α1 = 90°
αL
Стекло
с повышенной
плотностью
Стекло
с пониженной
плотностью
n2
n1
Пучок света
Примечание: n1 < n2 и α2 = αL
Критический
угол
sin α1 = 1
sin αL = n1 / n2
Полное преломление, Критический угол
Слайд 12
αпад.
Стекло
с пониженной
плотностью
n2
n1
Пучок света
Примечание: n1 < n2
и αпад = αотр
αотр.
Стекло
с повышенной
плотностью
Полное внутреннее отражение
Слайд 13
n2
α отр.
Стекло
с пониженной
плотностью
αпад.
Стекло
с повышенной
плотностью
Стекло
с пониженной
плотностью
n1
n1
α2
α2
α1
90°
Преломление
Полное
преломление
Отражение
Изменение направления света в
материале
Слайд 14
n1
n2
n1
n2
n1
Оболочка
Ядро
Профиль
показателя
преломления
(Ступенчатый индекс)
Волоконно-оптический световод
Слайд 15
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.
Слайд 16
Эти дискретные пути называются модами.
Свет в волокне распространяется
только
дискретными путями
Слайд 17
Моды выглядят как разные пути (продольный срез)
Слайд 18
n1
n2
Численная Апертура NA = sin Θ = (n22
- n12)0.5
Профиль
показателя
преломления
(Ступенчатый индекс)
Примечание: NA = 0.3 типичный
показатель для
ступенчатого индекса волокна
Θ ~ 17.5 °
n1
n2
Допустимый угол
Источник света
светодиод (LED)
n1
2Θ
Численная апертура
Слайд 19
Большое значение NA означает Большое значение Θ, 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
Численная Апертура и характеристики
передачи
Слайд 20
Причины затуханий в волокне
Макроизгибы
Микроизгибы
Слайд 21
Ступенчатый индекс
Ступенчатый индекс
Сглаженный индекс
Размер ядра ~9 мкм
Размер
ядра 50мкм
Размер ядра 50 или 62.5мкм
Для многомодовой
передачи
Для одномодовой
передачи
Для многомодовой
передачи
Типы профилей коэффициента
преломления
Слайд 22
Ступенчатый индекс
Сглаженный индекс
Для многомодовой
передачи
Ступенчатый индекс
Для одномодовой
передачи
50
MHz km
500 MHz km
5000 MHz km
Для многомодовой
передачи
Типы профилей
коефициента преломления
Слайд 23
1
2
3
Затухание
[dB/km]
Дисперсия
Числовая
апертура (NA)
[-]
Потери энергии
по всей длине линка
Расширение
импульса
и ослабление сигнала
Потери на соединениях
LED/Laser ? fiber
fiber ? fiber
fiber
? e.g. APD*
Длина линка
Полоса пропускания
&
длина линка
Характеристики
соединения
Определение
Эффект
Ограничение
* Лавинный фотодиод
Обзор основных характеристик
Слайд 24
n1
n2
n1
n1
n2
Профиль
показателя
преломления
(Ступенчатый индекс)
Примечание: ~ 680 Moд при
NA = 0.2, d = 50 μm и λ
= 850nm
~ 292 Moд при NA = 0.2, d = 50 μm и λ = 1300nm
Число Мод M = 0.5x(πxdxNA/λ)2
Многомодовое волокно (Ступенчатый
индекс)
Слайд 25
Тип импульса на
Источнике
Тип импульса на
Приемнике
Меандры
Деформированные Импульсы
Модовая дисперсия (ступенчатный
индекс)
Слайд 26
n1
n2
n1
n1
n2
Профиль
показателя
преломления
(Сглаженный индекс)
Примечание: ~150 Moд при NA
= 0.2, d = 50 μm и λ =
1300 nm
Число Мод M = 0.25x(πxdxNA/λ)2
Многомодовое волокно (Сглаженный
индекс)
Слайд 27
Форма импульса на
передающей стороне
Меандры
Форма импульса на
приемной стороне
Деформированные Импульсы
Модовая дисперсия в многомодовом
волокне
Слайд 28
Дисперсия
Результатом дисперсии является расширение узкого входного импульса, который
распространяется вдоль оптического волокна.
Слайд 29
n1
n2
n1
n1
n2
Профиль
показателя
преломления
(Ступенчатый индекс)
Пример: n1 =1.4570 и n2
= 1.4625
Одномодовое волокно
Слайд 31
Модовая
дисперсия
Хроматическая
дисперсия
[ps/km * nm]
Поляризационная
Модовая дисперсия
PMD
[ps/√(km)]
Многомодовое
волокно
Одномодовое
волокно
Виды дисперсии
Слайд 32
PMD для одномодового оптического волокна
„медленная ось “ ny
„быстрая
ось“ nx< n y
y
x
Задержка (PMD)
Слайд 33
Затухание многомодовых волокон
800
1000
1200 1400 1600
Длина волны [nm]
3.5
2.5
1.5
Затухание [dB/km]
1.
Окно
2.
Окно
3.
Окно
SiOH-поглощение
Релеевское рассеяние (~ 1/λ4)
950
1240
1440
5.
Окно
4.
Окно
Слайд 34
Затухание одномодовых волокон
Зависимость коэффициента затухания от длины волны
одномодового оптического волокна
Слайд 35
Спектральная чувствительность
детекторов
Слайд 36
Спектральная
плотность
от -15 до -25дБмВт
LED
(светодиод)
+5 до -10дБмВт
LASER
1-5нм
60-100нм
λ
λ
Спектр излучения лазера
и LED
Слайд 37
Метод модифицированного химического
осаждения путем выпаривания (MCVD-Process)
SiCl4
GeCl4
BCl3
O2
O2
H2
Кварцевая трубка
Горелка
Производство
ММ волокон
Слайд 39
Профиль
показателя преломления
(сглаженный индекс)
n1
n2
2000°
2000°
Образование трубки
Процесс производства
Второй шаг: Сворачивание
в трубку
SiO2
SiO2
SiO2
+
GeO2
«Схлопка»
Слайд 40
Установка для
вытягивания волокна
Процесс производства
Сушильная печь
Лазерный детектор размера
Устройство первичного
покрытия
Сушильная печь
Детектор натяжения
ВО барабан
Протяжка
Слайд 41
И вот, что выходит в результате
Слайд 42
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.
Слайд 43
Цветовое кодирование волокон
Все оптические волокна окрашиваются по определенной
цветовой схеме:
Слайд 44
Обзор различных покрытий для волокна
Слайд 45
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
Соединения волокон
Слайд 46
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
Слайд 47
Квази-разъемное соединение
Принцип работы
Два качественно сколотых волокна совмещаются торцами.
Для улучшения характеристик место соединения между двумя волокнами заполняется
гелем.
Рисунок
Слайд 48
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)
Слайд 50
Допустимое отклонение
Наконечник
Втулка
2.4990 - 2.4995
2.4995 - 2.5000
Материалы
Наконечник
Втулка
железо, карбид вольфрама
железо, карбид вольфрама
Наконечник
Наконечник
Волокно
Втулка
Технология
совмещения – Цилиндрическая
гильза
Слайд 51
Наконечник
Гильза
Допустимое отклонение
Наконечник
Гильза
2.4985 - 2.4995 мм
Gauge Retention Force 2.9
- 5.9 N
Mатериалы
Наконечник
Гильза
Керамика (Circonia)
Карбид Вольфрама
Керамика (Circonia)
Берилливоя бронза
Волокно
Гильза
Наконечник
Технология совмещения
- Эластичная гильза
Слайд 52
Материалы
V- обр. желоб
Центровщик
Силиконовая подложка
Карбид вольфрама
Центровщик
Волокно
V - обр.
желоб
Новые технологии совмещения –
V-образный канал
Диаметра ядер
Численных
Апертура
Профилей
показателя
преломления
Θ
Θ
Вносимые потери - внутренние
Слайд 54
Относительное
позиционирование:
Горизонтальное
несовпадение
волокон
Осевой наклон
Вносимые потери - Внешние
прилегание
Подготовка поверхности
волокна:
Шероховатость
поверхности
Угол
4% отражение на каждом конце = 0.36 dB потерь
λ /4
0.2°
Вносимые потери - внешние
Слайд 56
4% Отражение на каждой стороне
приводит к потерям
в 0.36 dB
Параметры передачи
Вносимые потери
Обратные потери
< 1.0 dB
~
15 dB
Зазор между сердцевинами –
нет физического контакта
Слайд 57
Параметры передачи
Вносимые потери
Обратные потери
< 0.5 dB
> 35 dB
радиус
5 - 12 мм
Торцы наконечников – Сферический
контакт
Слайд 58
Угловой сферический физический контакт
Радиус 5 – 12мм
Угол 8
- 12°
Передаточные характеристики
Вносимое затухание
Возвртные потери
< 0.3 dB
> 60 dB
Слайд 59
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.
Слайд 60
Затухание и мощность
A = 10 x log (Pin
/ Pout)
Расстояние [km]
Затухание
1/2
1/2
3 dB
6 dB
0 dB
100%
50%
25%
[dB]
Слайд 61
ATT = αxL + ASxNS + ACxNC
α :
L
:
AS:
NS:
AC:
NC:
Предполагаемое затухание ВО канала связи
Затухание кабеля [dB/km]
Длина кабеля km]
Затухание
на соединении [dB]
Число соединений
Вносимые потери коннектора [dB]
К-во конекторов
Затухание канала связи
Слайд 62
Измерение затухания / принципы
Измерение обратных отражений (OTDR)
Слайд 63
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
Слайд 64
Принцип измерения затухания мощности
a
a
Слайд 65
Принцип измерения затухания мощности
a
a
Слайд 66
Принцип измерения затухания мощности
a
a
Слайд 67
Принцип измерения затухания мощности
a
a
Слайд 68
Принцип измерения мощности передатчика
a
a
Слайд 69
Принцип измерения принимаемой мощности
a
a
Слайд 70
Optical Time Domain Reflectometer (OTDR)
Слайд 73
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
Слайд 75
Вторичные отражения (приведения)
Первичное отражение
Вторичное отражение
2L
L
L
L
![Длина волныЧастота [Hz]102 103 104 105](/img/tmb/12/1151804/99be2d7b06347616d8afcff71f78d87b-720x.jpg "Теория передачи сигналов по волоконно-оптическим каналам связи")
![Длина волны[nm]Частота [Hz]1800 1600](/img/tmb/12/1151804/f93200cb7683f62181080c39ecd62e3a-720x.jpg "Теория передачи сигналов по волоконно-оптическим каналам связи")
![123Затухание [dB/km]ДисперсияЧисловая апертура (NA) [-]Потери энергии по всей длине линкаРасширение импульса и](/img/tmb/12/1151804/d35e17103aba25a84f85612f52b4c60e-720x.jpg "Теория передачи сигналов по волоконно-оптическим каналам связи")
![Модовая дисперсия Хроматическая дисперсия [ps/km * nm]Поляризационная Модовая дисперсия PMD [ps/√(km)]МногомодовоеволокноОдномодовоеволокноВиды дисперсии](/img/tmb/12/1151804/6a2b8396b6cbcc6398b1a34cb3b5785b-720x.jpg "Теория передачи сигналов по волоконно-оптическим каналам связи")
![Затухание и мощностьA = 10 x log (Pin / Pout)Расстояние [km]Затухание1/21/23 dB6 dB0 dB100%50%25%[dB]](/img/tmb/12/1151804/d9bb2e96ec2c6603075f88e8a5e287fe-720x.jpg "Теория передачи сигналов по волоконно-оптическим каналам связи")
