Учебный курс R&Mfreenet

Содержание

Слайд 2

Введение

Оптический способ передачи имеет такой же возраст, как и человечество. С незапамятных

Введение Оптический способ передачи имеет такой же возраст, как и человечество. С
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

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

Слайд 4

Принцип волоконно-оптической передачи

Принцип волоконно-оптической передачи

Слайд 5

Электрические волны

Магнитные волны

Длина волны λ

Период τ

Частота = 1 / τ

Электромагнитные волны

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

Длина волны Частота [Hz] 102 103 104 105 106 107 108 109
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


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

Длина волны [nm] Частота [Hz] 1800 1600 1400 1200 1000 800 600
волн используемых в оптической передаче

Слайд 8

Скорость света (электромагнитное излучение) это:
C0 = Длина волны x Частота
C0

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 =

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 Пучок света Стекло с повышенной плотностью Стекло с пониженной плотностью
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 <

α1 = 90° αL Стекло с повышенной плотностью Стекло с пониженной плотностью
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

αпад. Стекло с пониженной плотностью n2 n1 Пучок света Примечание: n1 αотр.

с повышенной
плотностью

Полное внутреннее отражение

Слайд 13

n2

α отр.

Стекло
с пониженной
плотностью

αпад.

Стекло
с повышенной
плотностью

Стекло
с пониженной

n2 α отр. Стекло с пониженной плотностью αпад. Стекло с повышенной плотностью
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

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

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

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

Слайд 17

Моды выглядят как разные пути (продольный срез)

Моды выглядят как разные пути (продольный срез)

Слайд 18

n1

n2

Численная Апертура NA = sin Θ = (n22 - n12)0.5

Профиль
показателя
преломления
(Ступенчатый

n1 n2 Численная Апертура NA = sin Θ = (n22 - n12)0.5
индекс)

Примечание: NA = 0.3 типичный показатель для
ступенчатого индекса волокна

Θ ~ 17.5 °

n1

n2

Допустимый угол

Источник света
светодиод (LED)

n1


Численная апертура

Слайд 19

Большое значение NA означает Большое значение Θ, при этом больше Световой энергии

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

Причины затуханий в волокне Макроизгибы Микроизгибы

Слайд 21

Ступенчатый индекс

Ступенчатый индекс

Сглаженный индекс

Размер ядра ~9 мкм

Размер ядра 50мкм

Размер ядра 50

Ступенчатый индекс Ступенчатый индекс Сглаженный индекс Размер ядра ~9 мкм Размер ядра
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

Ступенчатый индекс Сглаженный индекс Для многомодовой передачи Ступенчатый индекс Для одномодовой передачи
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

1 2 3 Затухание [dB/km] Дисперсия Числовая апертура (NA) [-] Потери энергии
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

n1 n2 n1 n1 n2 Профиль показателя преломления (Ступенчатый индекс) Примечание: ~
= 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)

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 =

n1 n2 n1 n1 n2 Профиль показателя преломления (Сглаженный индекс) Примечание: ~150
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

Форма импульса на передающей стороне Меандры Форма импульса на приемной стороне Деформированные
в многомодовом волокне

Слайд 28

Дисперсия

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

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

n1 n2 n1 n1 n2 Профиль показателя преломления (Ступенчатый индекс) Пример: n1

Слайд 30

Волоконно-оптическая теория

Волоконно-оптическая теория

Слайд 31

Модовая дисперсия

Хроматическая дисперсия [ps/km * nm]

Поляризационная Модовая дисперсия PMD [ps/√(km)]

Многомодовое
волокно

Одномодовое
волокно

Виды дисперсии

Модовая дисперсия Хроматическая дисперсия [ps/km * nm] Поляризационная Модовая дисперсия PMD [ps/√(km)]

Слайд 32

PMD для одномодового оптического волокна

„медленная ось “ ny

„быстрая ось“ nx< n y

y

x

Задержка

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

Затухание многомодовых волокон 800 1000 1200 1400 1600 Длина волны [nm] 3.5
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

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

Слайд 35

Спектральная чувствительность
детекторов

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

Спектральная плотность от -15 до -25дБмВт LED (светодиод) +5 до -10дБмВт LASER

Слайд 37

Метод модифицированного химического
осаждения путем выпаривания (MCVD-Process)

SiCl4

GeCl4

BCl3

O2

O2

H2

Кварцевая трубка

Горелка

Производство ММ волокон

Метод модифицированного химического осаждения путем выпаривания (MCVD-Process) SiCl4 GeCl4 BCl3 O2 O2

Слайд 38

MCVD-процесс

MCVD-процесс

Слайд 39

Профиль
показателя преломления
(сглаженный индекс)

n1

n2

2000°

2000°

Образование трубки

Процесс производства
Второй шаг: Сворачивание в трубку

SiO2

SiO2

SiO2

Профиль показателя преломления (сглаженный индекс) n1 n2 2000° 2000° Образование трубки Процесс

+
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

Установка для вытягивания волокна Процесс производства Сушильная печь Лазерный детектор размера Устройство

Слайд 41

И вот, что выходит в результате

И вот, что выходит в результате

Слайд 42

Режимы передачи

Существует два способа ввести свет в ММ волокно. Их называют режимами

Режимы передачи Существует два способа ввести свет в ММ волокно. Их называют
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:

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

Слайд 44

Обзор различных покрытий для волокна

Обзор различных покрытий для волокна

Слайд 45

Существуют три 3 способа соединения оптических волокон:
Разъемное соединение напр. разъем
Квази-разъемное соединение напр.

Существуют три 3 способа соединения оптических волокон: Разъемное соединение напр. разъем Квази-разъемное
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

Неразъемное соединение Принцип работы Очищенные и сколотые волокна совмещаются друг с другом
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

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

Слайд 48

Разъемное соединение

Принцип работы
Коннектор / адаптер / коннектор
Существует несколько типов соединений, отличающихся

Разъемное соединение Принцип работы Коннектор / адаптер / коннектор Существует несколько типов
способом полировки наконечника и своими параметрами (RL, IL). Это:
Плоский контакт
Physical Contact (PC)
Angled Physical Contact (APC)

Слайд 49

Обзор

Обзор

Слайд 50

Допустимое отклонение
Наконечник
Втулка
2.4990 - 2.4995
2.4995 - 2.5000

Материалы
Наконечник
Втулка
железо, карбид вольфрама
железо, карбид вольфрама

Допустимое отклонение Наконечник Втулка 2.4990 - 2.4995 2.4995 - 2.5000 Материалы Наконечник

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

Наконечник Гильза Допустимое отклонение Наконечник Гильза 2.4985 - 2.4995 мм Gauge Retention
(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

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

Слайд 53

Разницей в:
Диаметра ядер
Численных
Апертура
Профилей
показателя
преломления

Θ

Θ

Вносимые потери -

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

Слайд 54

Относительное
позиционирование:
Горизонтальное
несовпадение
волокон
Осевой наклон

Вносимые потери - Внешние

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

Слайд 55

Неплотное
прилегание
Подготовка поверхности волокна:
Шероховатость
поверхности
Угол

4% отражение на каждом конце =

Неплотное прилегание Подготовка поверхности волокна: Шероховатость поверхности Угол 4% отражение на каждом
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

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

Параметры передачи Вносимые потери Обратные потери > 35 dB радиус 5 -

Торцы наконечников – Сферический контакт

Слайд 58

Угловой сферический физический контакт

Радиус 5 – 12мм

Угол 8 - 12°

Передаточные характеристики
Вносимое затухание
Возвртные

Угловой сферический физический контакт Радиус 5 – 12мм Угол 8 - 12°
потери
< 0.3 dB
> 60 dB

Слайд 59

SC-RJ коннектор

SFF коннектор с размерами как у RJ45
Керамический наконечник -> Хорошо известный

SC-RJ коннектор SFF коннектор с размерами как у RJ45 Керамический наконечник ->
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

Затухание и мощность A = 10 x log (Pin / Pout) Расстояние
dB

0 dB

100%

50%

25%

[dB]

Слайд 61

ATT = αxL + ASxNS + ACxNC

α :
L :
AS:
NS:
AC:
NC:

Предполагаемое затухание ВО канала

ATT = αxL + ASxNS + ACxNC α : L : AS:
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)

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

Какой метод использовать? Измерение затухания: всегда при оконечивании кабелей для измерения затухания
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

Принцип измерения затухания мощности a a

Слайд 65

Принцип измерения затухания мощности

a

a

Принцип измерения затухания мощности a a

Слайд 66

Принцип измерения затухания мощности

a

a

Принцип измерения затухания мощности a a

Слайд 67

Принцип измерения затухания мощности

a

a

Принцип измерения затухания мощности a a

Слайд 68

Принцип измерения мощности передатчика

a

a

Принцип измерения мощности передатчика a a

Слайд 69

Принцип измерения принимаемой мощности

a

a

Принцип измерения принимаемой мощности a a

Слайд 70

Optical Time Domain Reflectometer (OTDR)

Optical Time Domain Reflectometer (OTDR)

Слайд 71

OTDR измерительная процедура

OTDR измерительная процедура

Слайд 72

Пример OTDR рефлектограммы

Пример OTDR рефлектограммы

Слайд 73

Типичные и стандартизованные значения затуханий

Сварное соединение
Типичное:
MM: approx. 0.05 dB
SM: approx. 0.10 dB
В

Типичные и стандартизованные значения затуханий Сварное соединение Типичное: MM: approx. 0.05 dB
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 74

Приведения и OTDR???

Приведения и OTDR???

Слайд 75

Вторичные отражения (приведения)

Первичное отражение

Вторичное отражение

2L

L

L

L

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