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

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

B-ISDN и Цифровой сервис
Аналоговые Радио/ТВ сервисы
Волоконно-оптическая передача

Принцип волоконно-оптической передачи

Электрические волны
Магнитные волны
Длина волны λ
Период τ
Частота = 1 / τ
Электромагнитные волны

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

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

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

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

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

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

αпад.
Стекло
с пониженной
плотностью
n2
n1
Пучок света
Примечание: n1 < n2 и αпад = αотр
αотр.
Стекло
с повышенной
плотностью
Полное внутреннее отражение

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

n1
n2
n1
n2
n1
Оболочка
Ядро
Профиль
показателя
преломления
(Ступенчатый индекс)
Волоконно-оптический световод

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.

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

Моды выглядят как разные пути (продольный срез)

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

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

Причины затуханий в волокне
Макроизгибы
Микроизгибы

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

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

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

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)

Тип импульса на
Источнике
Тип импульса на
Приемнике
Меандры
Деформированные Импульсы
Модовая дисперсия (ступенчатный
индекс)

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)

Форма импульса на
передающей стороне
Меандры
Форма импульса на
приемной стороне
Деформированные Импульсы
Модовая дисперсия в многомодовом
волокне

Дисперсия
Результатом дисперсии является расширение узкого входного импульса, который распространяется вдоль оптического волокна.

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

Волоконно-оптическая теория

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

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

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

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

Спектральная чувствительность
детекторов

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

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

MCVD-процесс

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

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

И вот, что выходит в результате

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.

Цветовое кодирование волокон
Все оптические волокна окрашиваются по определенной цветовой схеме:

Обзор различных покрытий для волокна

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

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

Квази-разъемное соединение
Принцип работы
Два качественно сколотых волокна совмещаются торцами.
Для улучшения характеристик место соединения между двумя волокнами заполняется гелем.
Рисунок

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)

Обзор

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

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

Материалы
V- обр. желоб
Центровщик
Силиконовая подложка
Карбид вольфрама
Центровщик
Волокно
V - обр. желоб
Новые технологии совмещения –
V-образный канал

Разницей в:
Диаметра ядер
Численных
Апертура
Профилей
показателя
преломления
Θ
Θ
Вносимые потери - внутренние

Относительное
позиционирование:
Горизонтальное
несовпадение
волокон
Осевой наклон
Вносимые потери - Внешние

Неплотное
прилегание
Подготовка поверхности волокна:
Шероховатость
поверхности
Угол
4% отражение на каждом конце = 0.36 dB потерь
λ /4
0.2°
Вносимые потери - внешние

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

Параметры передачи
Вносимые потери
Обратные потери
< 0.5 dB
> 35 dB
радиус 5 - 12 мм
Торцы наконечников – Сферический
контакт

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

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.

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]

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

Измерение затухания / принципы
Измерение обратных отражений (OTDR)

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

Принцип измерения затухания мощности
a
a

Принцип измерения затухания мощности
a
a

Принцип измерения затухания мощности
a
a

Принцип измерения затухания мощности
a
a

Принцип измерения мощности передатчика
a
a

Принцип измерения принимаемой мощности
a
a

Optical Time Domain Reflectometer (OTDR)

OTDR измерительная процедура

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

Приведения и OTDR???

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