Учебный курс R&Mfreenet

1. Учебный курс R&Mfreenet Теория передачи сигналов по волоконно-оптическим каналам связи

Учебный курс R&Mfreenet
Теория передачи сигналов по волоконно-оптическим каналам связи

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
2

3. Волоконно-оптическая передача

B-ISDN и Цифровой сервис
Аналоговые Радио/ТВ сервисы
R&M
3

4. Принцип волоконно-оптической передачи

Источник
E
O
ВО
канал
O
E
Приемник
4

5. Электромагнитные волны

Период t
Частота = 1 / t
Электрические волны
Магнитные волны
Длина волны l
5

6. 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

7. 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

8. 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

9. 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

10. 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

11. 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

12. Полное внутреннее отражение

Пучок света
aпад.
Стекло
с повышенной
плотностью
n1
aотр.
n2
Стекло
с пониженной
плотностью
Примечание: n1 < n2 и aпад = aотр
12

13. 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

14. Волоконно-оптический световод

Оболочка
n1
n2
n1
n1
Ядро
n2
Профиль
показателя
преломления
(Ступенчатый индекс)
14

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.
15

16.

Свет в волокне распространяется
только дискретными путями
Эти дискретные пути называются модами.
16

17.

Моды выглядят как разные пути
(продольный срез)
17

18. 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

19. 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

20. Причины затуханий в волокне

Макроизгибы
Микроизгибы
20

21. 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

22. 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

23.

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

24. Многомодовое волокно (Ступенчатый индекс)

n1
n2
n1
n 1 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

25. Модовая дисперсия (ступенчатный индекс)

Меандры
Деформированные Импульсы
Тип импульса на
Источнике
Тип импульса на
Приемнике
25

26. Многомодовое волокно (Сглаженный индекс)

n1
n2
n1
n1 n 2
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

27. Модовая дисперсия в многомодовом волокне

Меандры
Форма импульса на
передающей стороне
Деформированные Импульсы
Форма импульса на
приемной стороне
27

28. Дисперсия

Результатом дисперсии является расширение узкого входного
импульса, который распространяется вдоль оптического волокна.
L2
L1
Входной
импульс
Импульс после L1
Импульс после L2
28

29. Одномодовое волокно

n1
n2
n1
n1
Пример: n1 =1.4570 и n2 = 1.4625
n2
Профиль
показателя
преломления
(Ступенчатый индекс)
29

30. Волоконно-оптическая теория

Выходной сигнал
Вносимый сингал
n1
n2
Многомод
ступенчатый
r
n1
n2
Многомод
r
градиентный
n1
n2
r
Одномод
30

31.

Виды дисперсии
Многомодовое
волокно
Модовая
дисперсия
Одномодовое
волокно
Хроматическая
дисперсия
[ps/km * nm]
Поляризационная
Модовая дисперсия
PMD
[ps/ (km)]
31

32.

PMD для одномодового оптического
волокна
Задержка
(PMD)
„медленная ось “ ny
y
x
„быстрая ось“ nx< n y
32

33.

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

34.

Затухание одномодовых волокон
Зависимость коэффициента затухания от длины волны
одномодового оптического волокна
34

35.

Спектральная чувствительность
детекторов
35

36.

Спектр излучения лазера и LED
LED
(светодиод)
LASER
+5 до -10дБмВт
от -15 до -25дБмВт
Спектральная
плотность
60-100нм
λ
1-5нм
λ
36

37. Производство ММ волокон

Метод модифицированного химического
осаждения путем выпаривания (MCVD-Process)
Кварцевая трубка
SiCl4
GeCl4
Горелка
BCl3
O2
H2
O2
37

38. 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

39. «Схлопка»

2000°
SiO2
Процесс производства
Второй шаг: Сворачивание в
трубку
SiO2
+
GeO2
SiO2
Образование трубки
2000°
n1
n2
Профиль
показателя преломления
(сглаженный индекс)
39

40. Протяжка

Процесс производства
Сушильная печь
Установка для
вытягивания волокна
Лазерный детектор размера
Устройство первичного покрытия
Сушильная печь
Детектор натяжения
ВО барабан
40

41. И вот, что выходит в результате

41

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.
42

43. Цветовое кодирование волокон

Все оптические волокна окрашиваются по
определенной цветовой схеме:
nature/
43

44. 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

45. 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

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
46

47. 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

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)
48

49. 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

50. 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

51. 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

52. Новые технологии совмещения – V-образный канал

Материалы
V- обр. желоб
Силиконовая подложка
Центровщик
Карбид вольфрама
Центровщик
Волокно
V - обр. желоб
52

53. Вносимые потери - внутренние

Разницей в:
Диаметра ядер
Численных
Апертура
Q
Q
Профилей
показателя
преломления
53

54. Вносимые потери - Внешние

Относительное
позиционирование:
Горизонтальное
несовпадение
волокон
Осевой наклон
54

55. 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

56. 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

57. Торцы наконечников – Сферический контакт

Параметры передачи
радиус 5 - 12 мм
Вносимые потери
Обратные потери
< 0.5 dB
> 35 dB
57

58. Угловой сферический физический контакт

Передаточные характеристики
Радиус 5 – 12мм
Вносимое затухание < 0.3 dB
Возвртные потери > 60 dB
Угол 8 - 12°
58

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.
59

60. 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

61. 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

62. Измерение затухания / принципы

Передатчик
Приемник
Приемник
Передатчик
Разъем
Разъем
Измерение обратных отражений (OTDR)
OTDR
OTDR
Разъем
Разъем
62

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
63

64. Принцип измерения затухания мощности

Калибровка
Передатчик
Измерение
Передатчик
Значение = 100% Затухание = 0
Приемник
Значение = x% Затухание = y
Приемник
64

65. Принцип измерения затухания мощности

65

66. Принцип измерения затухания мощности

66

67. Принцип измерения затухания мощности

67

68. Принцип измерения мощности передатчика

68

69. Принцип измерения принимаемой мощности

69

70. Optical Time Domain Reflectometer (OTDR)

Генератор
импульсов
Источник
света
Расщепляющее
зеркало
FO
t
Измерение
задержки
Приемник
Рефлектограмма
оптический сигнал
электрический сигнал
70

71. OTDR измерительная процедура

Импульс света распространяется по оптическому волноводу.
OTDR
Импульс света частично отражается на неоднородностях.
OTDR
Отраженный импульс принимается OTDR.
OTDR
71

72.

Пример OTDR рефлектограммы

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
73

74.

Приведения и OTDR???

75.

Вторичные отражения (приведения)
OTDR
Первичное отражение
L
Вторичное отражение
2L
L
L

76. Вопросы?

76