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


The Presentation inside:

Slide 0

Учебный курс R&Mfreenet Теория передачи сигналов по волоконно-оптическим каналам связи Москва, 2007 г


Slide 1

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


Slide 2

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


Slide 3

4 Принцип волоконно-оптической передачи


Slide 4

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


Slide 5

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


Slide 6

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


Slide 7

8 Скорость света (электромагнитное излучение) это: C0 = Длина волны x Частота C0 = 299793 kм / сек. Примечание: Рентгеновское излучение (?=0.3nm), a УФ излучение (? =10cm ~3GHz) или ИК излучение (? =840nm) имеют одинаковую скорость распространения в вакууме Скорость электромагнитных волн


Slide 8

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


Slide 9

10 a1 a2 Пучок света Стекло с повышенной плотностью Стекло с пониженной плотностью n2 n1 Примечание: n1 < n2 и a1 > a2 sin a2 / sin a1 = n1 / n2 Преломление


Slide 10

11 a1 = 90° aL Стекло с повышенной плотностью Стекло с пониженной плотностью n2 n1 Пучок света Примечание: n1 < n2 и a2 = aL Критический угол sin a1 = 1 sin aL = n1 / n2 Полное преломление, Критический угол


Slide 11

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


Slide 12

13 n2 a отр. Стекло с пониженной плотностью aпад. Стекло с повышенной плотностью Стекло с пониженной плотностью n1 n1 a2 a2 a1 90° Преломление Полное преломление Отражение Изменение направления света в материале


Slide 13

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


Slide 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.


Slide 15

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


Slide 16

17 Моды выглядят как разные пути (продольный срез)


Slide 17

18 n1 n2 Численная Апертура NA = sin Q = (n22 - n12)0.5 Профиль показателя преломления (Ступенчатый индекс) Примечание: NA = 0.3 типичный показатель для ступенчатого индекса волокна Q ~ 17.5 ° n1 n2 Допустимый угол Источник света светодиод (LED) n1 2Q Численная апертура


Slide 18

19 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 Численная Апертура и характеристики передачи


Slide 19

20 Причины затуханий в волокне Макроизгибы Микроизгибы


Slide 20

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


Slide 21

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


Slide 22

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


Slide 23

24 n1 n2 n1 n1 n2 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 Число Мод M = 0.5x(pxdxNA/l)2 Многомодовое волокно (Ступенчатый индекс)


Slide 24

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


Slide 25

26 n1 n2 n1 n1 n2 Профиль показателя преломления (Сглаженный индекс) Примечание: ~150 Moд при NA = 0.2, d = 50 mm и l = 1300 nm Число Мод M = 0.25x(pxdxNA/l)2 Многомодовое волокно (Сглаженный индекс)


Slide 26

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


Slide 27

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


Slide 28

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


Slide 29

30 Волоконно-оптическая теория


Slide 30

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


Slide 31

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


Slide 32

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/l4) 950 1240 1440 5. Окно 4. Окно


Slide 33

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


Slide 34

35 Спектральная чувствительность детекторов


Slide 35

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


Slide 36

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


Slide 37

38 MCVD-процесс


Slide 38

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


Slide 39

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


Slide 40

41 И вот, что выходит в результате


Slide 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.


Slide 42

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


Slide 43

44 Обзор различных покрытий для волокна


Slide 44

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


Slide 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


Slide 46

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


Slide 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)


Slide 48

49 Обзор


Slide 49

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


Slide 50

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


Slide 51

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


Slide 52

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


Slide 53

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


Slide 54

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


Slide 55

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


Slide 56

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


Slide 57

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


Slide 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.


Slide 59

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]


Slide 60

61 ATT = axL + ASxNS + ACxNC a : 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


Slide 61

62 Измерение затухания / принципы Измерение обратных отражений (OTDR)


Slide 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


Slide 63

64 Принцип измерения затухания мощности a a


Slide 64

65 Принцип измерения затухания мощности a a


Slide 65

66 Принцип измерения затухания мощности a a


Slide 66

67 Принцип измерения затухания мощности a a


Slide 67

68 Принцип измерения мощности передатчика a a


Slide 68

69 Принцип измерения принимаемой мощности a a


Slide 69

70 Optical Time Domain Reflectometer (OTDR)


Slide 70

71 OTDR измерительная процедура


Slide 71

Пример OTDR рефлектограммы


Slide 72

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


Slide 73

Приведения и OTDR???


Slide 74

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


Slide 75

76 Вопросы?


×

HTML:





Ссылка: